發布日期：2022-04-17 點擊率：81
隨著大功率變頻技術的發展，高壓變頻裝置已越來越多的被應用于工況企業。水泥廠是個耗電大戶，近年來，由于節能降耗的需要，水泥企業一些大功率設備也開始采用變頻調速，應用變頻器的設備日益增多，如：高溫風機、離心風機、水泵、圓盤給料機、螺旋輸送機、粉碎機、皮帶輸送機及排風扇等，用大功率變頻器取代傳統的液力耦合器對高溫風機、直流裝置對回轉窯的調速，及閥門對大型風機風量的調節。應用后不但節省了電費支出，并提高了產品質量，增加了使用上的靈活性，對不同工藝要求適應性更強。尤其對風機的變頻改造后，改變了過去以改變開度方式來調節風壓或風量的傳統生產模式，勞動強度減輕，調節控制的準確性好，提高了產品的合格率，節電效果可達30%-60%。但大功率變頻技術（尤其是高壓變頻）正在發展中，到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣有近乎統一的拓撲結構，工程技術人員對其認識也在逐步成熟中。為了技術經濟合理地使用好大功率變頻裝置，下面將對其控制方式、技術性能及適用的工況進行系統分析，并就其在水泥廠的使用、選配和應注意的問題進行闡述。
1、大功率變頻器結構形式
大功率變頻器按主回路拓撲結構可分為“高-低-高”式變頻器、“高-低”式變頻器、“高-高”式變頻器。“高-高”式又分為電流型、中性點鉗位的三電平電壓型和單元串聯多電平電壓型。其中：“高-低-高”式變頻器，由于兩側均需大型變壓器，損耗高，變頻系統啟動時負載能力將下降，諧波較大等缺點，使其發展受到限制。“高-高”電流型變頻器，一般為兩電平結構，電動機承受的du/dt較大，且需均壓和緩沖電路，技術復雜，器件較多，裝置體積大，調整和維修都比較困難，功率因數較低，并隨負載變化而變化，不好補償，輸出諧波和共模電壓對電機的影響等問題，電機需降額使用和加強絕緣。其優點是不需外加電路就可將負載的再生能量回饋電網。目前，主要應用于超大功率場合。
由于上述所敘原因，目前，水泥廠在大功率變頻器選用上，較少采用“高-低-高”式和高壓電流型變頻器，一般采用“高-低”式、三電平電壓型和多電平電壓型變頻器。
（1）“高-低”式結構中變頻器為低壓，電源輸入側采用變壓器將高壓變為低壓。由于采用低壓變頻器，變頻器的容量受到限制，電動機需采用專門的變頻低壓電機，其電壓等級一般為690V，水泥廠800KW以下的設備采用這種結構形式較多。但該類型變頻器一旦故障，電機不能投入工頻電網運行，且產生的諧波較高。
（2）中性點鉗位的三電平電壓型變頻器。其整流電路常采用１２脈沖或24脈沖二極管整流結構，逆變部分采用IGBT或IGCT，在逆變器部分采用鉗位電路，解決了功率器件的串聯的問題，并使相電壓輸出具有三個電平。該變頻器的主回路結構環節少，與二電平結構相比，其逆變器件承受的電壓降低，輸出電壓波形也有較大的改善。三電平電壓型變頻器效率較高，動態性能較好，過載能力較強。其不足是雖然通過網側配置，可實現或24脈沖整流，減少網側諧波，但du/dt仍較大，電動機電流總諧波仍可達１７％以上，所以一般需配特殊電機，若要使用普通電機，必須附加輸出濾波器。另外，其現在最高輸出電壓只能做到4.16KV，采用這種變頻器，必須采用變通的方法，改變電機的電壓或在輸出側加升壓變壓器，這是制約其使用的最大問題。
（3）單元串聯多電平電壓型變頻器。其采用多個低壓PWM變頻單元串聯的方式實現直接高壓,電網電壓經過隔離變壓器降壓后給功率單元供電,單相變頻功率單元在輸出端串聯起來,實現變壓變頻的高壓輸出,直供高壓電動機。
這種變頻器輸入側變壓器采用多相移位技術，輸出側采用多電平正弦PWM技術，諧波較低，在無輸出濾波器的情況下，就可使THD<1％，其單元串聯的數量決定輸出電壓的等級，所以它可適用于任何普通的高壓電動機。雖然采用這種結構會使器件的數量增加，但由于驅動功率下降，開關頻率較低且不必采用均壓電路，系統的效率仍可達97%，功率因數可達0.95以上。另外，在某個功率單元出現故障時，可自動退出系統，而其余的功率單元可繼續保持電機的運行，減少停機時造成的損失，便于冗余設計，技術上較成熟。< p="">
其缺點是只能單象限運行，不能進行旁路切換，不能實現無熔斷器設計，器件的數量多，體積大，可靠性差。并且變壓器必須和變頻器集成在一起，使電氣室的空間和散熱成為問題。
由于其他高壓變頻器受技術條件的局限，目前，在通用型高壓變頻器領域單元串聯多電平變頻器仍占絕對優勢。
2、大功率變頻器在水泥廠的使用
2.1水泥廠大功率變器類型的選擇
水泥廠需要變頻調速的大功率設備,主要是高溫風機、回轉窯、立磨循環風機、窯頭余風風機及窯尾排風機等設備，這些設備功率一般在200KW以上，如按正常選型，一般采用電壓等級為6KV或10KV中壓電機，當采用變頻調速時應按下列方法匹配較為合適。
回轉窯、窯頭余風風機及窯尾排風機等設備一般功率在800KW以下,如果調速采用中壓等級的變頻器，在技術和經濟上是不太合理的，因為電壓的升高，變頻器的加工難度和造價都將大幅度增加。對這部分設備，應采用“高—低”式結構進行變頻調速。即選擇690V（＞300KW電機）或380V低壓電機，變頻器選用低壓變頻器。這樣變頻器即使加上電機的成套費用，比采用高壓變頻方式還要低，而且技術成熟、維修使用方便，變頻器選擇范圍也較大。
采用“高—低”結構，應注意諧波問題。因為低壓變頻器一般為6脈沖結構，其諧波較高，可達40％以上，為防諧波對電機及設備的危害，應選擇專用變頻電機，如功率較大時，應考慮采用濾波裝置及諧波抑制措施。
高溫風機、立磨循環風機等設備，功率較大，宜采用中壓“高—高”變頻器調速。若采用三電平電壓型變頻器，應采用變通的辦法，用“高—中—中”的方式，即將輸入電壓降壓為3～4.16kV，電機選用3～4.16kV電機，使用3～4.16kV的變頻器，采用這種方式，由于電動機電流總諧波仍達１７％以上，電機應采用專用變頻電機，并應考慮采用抑制諧波的手段。如采用單元串聯多電平電壓型變頻器，可直接選用6KV變頻器（盡量不用10KV等級），電機采用普通6KV電機即可，但應注意空間和冷卻問題。
在控制方式的選擇上,應根據負載特性，以滿足使用要求為準，以便做到量才使用、經濟實惠。對于回轉窯類重負載啟動設備，其啟動時需克服巨大慣性，有較高靜態轉速精度要求，宜采用具有轉矩控制功能的變頻器，使其在低速運行時具有直接轉矩控制，在正常運行時具有恒功率控制特性。對高溫風機、立磨循環風機等設備，其成平方轉矩特性，即轉矩隨速度平方變化的負載，一般可選用通用型U/f控制變頻器（即VVVF變頻器）。
離心風機上的應用：某些水泥廠是采用高壓離心式風機進行的供風，該種水泥窯的風量調節以往也是通過風門開啟度對風量進行調節。對離心風機的變頻調速改造同樣有巨大的節能潛力。這是因為離心式風機設備的風量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比。因此在調節風量時，如：降低20%的風量，功耗則會下降50%，但是必須注意，轉速與壓力是成平方關系，當轉速下降20%時，壓力則會下降60%，因此必須注意工藝要求的壓力范圍不能向羅茨風機那樣，不用考慮轉速與風壓的關系。
選粉機上的應用：傳統的選粉機是電磁調速異步電動機（滑差電機）拖動，其優點是調速系統簡單、價格低廉、有一定的調速范圍，缺點也較多，電機本體噪音高、振動大、能耗高、功率損耗大、軸承故障率特高，滑差控制儀安裝于粉塵飛揚的電機旁邊，多次出現帶負荷起動，不能調速和突然失速等故障，現場維護量大，影響整個系統的安全運行。
2.2變頻器容量的合理選配
變頻器容量選定過程，實際上是變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的辦法，是按變頻器生產廠家要求，即變頻器的功率應大于或等于電動機額定功率的1.1倍。但水泥廠設備選型時，所選能力都比實際需要作了放大，拖動電機又在所選設備基礎上留有一定的裕量，這樣在實際運行中，運行負荷常常只有額定裝機功率的60～70%。所以合理的選擇方法應以設備的實際運行情況為基礎進行計算和分析，決定變頻器的容量。這不僅能節省投資，而且本身也是一種節能降耗的措施。根據資料和經驗，可按下列方法選配：
（1）電機實際功率確定法。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。
（2）公式法。安全系數取1.05，則變頻器的容量為：
Pb=1.05Pm/hm×cosy（kW）
式中，Pm為電機負載，hm為電機效率，cosy電機功率因數。
（3）按電機的實際功率選擇變頻器，一定要注意：①電機加載后總的負荷電流不得超過變頻器的額定電流；②負載峰值電流不得超過變頻器的過載量。運行經驗表明，變頻器的容量最小不得小于電機容量的65%。
在下列情況下使用普通變頻器還須增大變頻器的容量，一般向上放大一檔：①起動時機械慣量較大的負載；②要求電動機頻繁進行加、減速；③在希望的加減速時間內，電機最大電流大于變頻器的過載容量（當1min內達1．5倍額定電流時）。
2.3水泥廠變頻器使用時應注意以下問題
（1）使用環境。變頻器的額定容量是針對一定的使用環境而標出的，變頻器工作溫度一般要求為0℃～55℃，最好控制在40℃以下，相對濕度應控制在20％～90％。變頻器對環境溫度要求較高，同時它又是發熱量較大的設備，水泥廠在使用大功率變頻器時，在考慮降溫時，一定要考慮變頻器的發熱，一般按變頻器容量的3～4%的功率核算變頻器的發熱量。
變頻器的額定電流是基于一定的海拔高度、額定電壓、額定載波頻率制定的，若超出規定，將造成變頻器降容使用。水泥廠在變頻器選型時應按下述方法修正容量：當海拔高度高于1Km時，每增加1Km,變頻器額定電流應相應降低6%左右；輸入電壓每增加2%,變頻器額定電流應按4%向下降修正，載波頻率高于額定載波頻率時，也應對額定電流作相應修正。
（2）變頻器的外部配置。為防止操作過電壓，變頻器與電機間不宜裝設接觸器；變頻器內部整流電路前若沒有快速熔斷器，變頻器與電源之間應外配符合要求的快速熔斷器，不能用空氣斷路器代替熔斷器。
（3）設計施工時，變頻器配線應該注意以下幾方面：①嚴禁將輸出端子接到工頻電源上，以免損壞變頻器。②至電機的連接電纜應采用屏蔽電纜或鎧裝電纜（最好采用專用變頻電纜），穿金屬管敷設；截斷電纜的端頭應盡可能整齊，未屏蔽的線段盡可能短；電纜的長度應限制在各變頻器規定的距離以內，為防諧波漏電流的影響，至電機的接地線應直接連接到變頻器相應的接地端子上，接地線不得與其他動力設備共用。③如變頻器由外部信號控制，控制線需要使用屏敝線，該線應在變頻器側就近接地端子接地，在強干擾環境中，頻率控制信號可由電壓控制方式改為電流控制方式。④變頻器的各種接地在沒匯到接地匯流排前，彼此間應絕緣，避免接地干擾。
2.4轉矩提升功能的選擇
在采用VVVF通用變頻器時，應注意轉矩提升曲線的設定，轉矩提升選得過小會使電動機輸出轉矩不足，啟動困難；選得過大，電動機磁通飽和損耗將相應增加。對啟動轉矩較大的負荷，轉矩提升曲線應設定的大一點，對風機類負載應設定小一些。
3、結束語
在水泥廠工程中推廣使用大功率變頻器，帶來的不僅是節能所產生的直接經濟效益，還有其他的附加效益：通過變頻器實現電機的軟啟動，降低了啟動電流，避免了啟動時的機械沖擊，延長了電動機壽命；采用結構簡單、可靠耐用的鼠籠電機，從而降低了電動機的價格、維護工作量及費用；水泥廠排風系統中粉塵含量較大，對高速轉動中的風機及檔板磨損很大，采用變頻調速后，電機轉速降低，檔板全開，磨損大大減少，延長了使用壽命，降低了設備檢修費用；通過轉速對風壓及風量進行調整，扣件簡單靈活，反應時間快，易與DCS系統構成自動控制回路，提高了自動化控制水平。所以在水泥廠采用高壓變頻器是不可避免的趨勢，希望通過本文對大功率變頻器的一些介紹及探討，對設計人員應用大功率變頻器時能有所幫助，在實際工程中科學、合理的應用大功率變頻器，讓大功率變頻器為水泥行業的節能增效發揮出更好的功效與優勢。
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