高压变频典型应用实例

         　　旋窑是一个有一定斜度的圆筒状物，预热机来的料从窑尾进进到窑中，借助窑的转动来促进料在旋窑内搅拌，使料互相混合、接触进行反应，物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向前运动。窑内燃烧产生的余热废气，在窑尾高温风机的作用下，通过预热器对进进窑尾前的生料进行预热均化，降温后的余热废气再通过高温风机抽出进进废气处理（除尘及排出）。
　　
　　葛州坝水泥厂的3#、5#窑，日产分别为2000t、2500t，到现在运行已近多年。生产线原配置的余热发电机组，由于发电本钱较高，现已停产。
　　
　　日产2500t的5#窑生产线，高温风机电机配置为6kV1600kW，窑尾EP风机配置为6kV280kW。日产2000t的3#窑生产线，高温风机电机配置为6kV1400kW，窑尾EP风机配置为6kV260kW。在高温风机的电机与风机之间，配有液力耦合器对风机进行调速，整个工艺过程主要是通过DCS的控制来调节液力耦合器的速度从而调整风机的风量，达到控制窑内负压。窑尾EP风机依靠风门来进行调节。
　　
　　由于使用年限较长，目前液力耦合器漏油严重，运行中天天需加油2～3次，以补充漏油，油面调整的控制回路失灵不能自动调节，在运行中靠手动调节置于固定转速比。在运行是时仍靠风机挡板进行风量调节，当窑系统工况变化较大时，现场值班职员根据中控制室的指令对液力耦合器的勺杆进行手动调节，运行操纵非常不便。
　　
　　前段时间，水泥厂预备对两条生产线进行提产，但由于高温风机中液力耦合器漏油严重，出力受到限制，不具备提产的条件，故提产一直未能实现。
　　
　　2006年1～2月，我公司为该水泥厂2000t、2500t两条生产线的高温风机及窑头号EP风机进行了变频调速改造，目前运行情况良好，2000t的生产线的产量目前达2300t，2500t的生产线的产量目前达2900t，而高温风机变频调节的耗电量还稍少于原液力耦合器调节的耗电量。
　　
四、高温风机变频改造方案
　　
　　经过对原系统进行分析，对原系统的风压控制由原来的液力耦合器调节改为变频器调节，即取消原液力耦合器，将电机与液力耦合器之间用一连接轴取代液力耦合器连通，而由变频器对电机本身进行调速，最后达到调整窑尾预热器（高温风机进口）的压力为工况要求值。
　　
　　变频器设备接进用户侧高压开关和拟改造电机之间，如图2所示，变频器控制接进原有的DCS系统，由DCS系统来完成正常操纵。

图2 变频器连接图

         　　为了充分保证系统的可靠性，变频器同时加装工频旁路装置，可在故障时将电机切换至工频状态下运行，且切换方式为自动切换。变频器故障时，电机自动切换到工频运行，这时风机转速会升高，风压会发生很大变化，影响窑内物料的煅烧质量，故此时应及时在DCS上对高温风机的风门进行及时调节，降低风机输出风量至工况要求值。
　　
　　变频器及其工频旁路开关由变频器整体配套提供。电机、高压断路保存了用户原有设备。
　　
　　根据水泥厂提供的负载参数及运行工况，我公司为3#窑尾高温风机配置SH-HVF系列高压变频器，其主要参数为：变频器型号SH-HVF-Y6K/1800，隔离变压器容量1800KVA，旁路开关柜容量400A。为5#窑尾高温风机配置SH-HVF系列高压变频器，其主要参数为：变频器型号SH-HVF-Y6K/2000，隔离变压器容量2000KVA，旁路开关柜容量400A。
　　
五、改造过程简述
　　
　　由于原电机控制为液力耦合器调速，为了安装变频器，必须重新设计变频器专用房。根据现场环境，我们选择在高压配电室旁另建一变频器专用房，此地方距高压室较近，动力电缆敷设方便。
　　
　　由于现场灰尘较大，而变频器为强迫风冷，设备内空气流通量较大，为保障变频器尽量少受外界灰尘的影响，在房间透风设计上，设计了两扇大面积专用进风窗，房间不另设其它窗口，基本上是密闭设计。透风窗采用专用过滤棉滤网，这样使进进变频器室内的空气经过透风窗滤灰，进进变频器室内的灰尘大大减小。
　　
　　由于本变频器功率较大，为保证足够的透风冷却效果，在变压器柜顶和功率柜顶分别独立安装了一整体风罩，与各自的出风口连成整体，保证变频器整体冷却透风要求。
　　
　　为减小安装本钱，动力电缆保存了原高压柜至电机的电缆，将电缆原接线由高压柜牵至变频器，再重新由高压柜到变频器敷设一根动力电缆，由于变频器房紧邻高压室，此电缆长度较短。
　　
　　变频改造后，由于需要取消原液力耦合器，我们按照液力耦合器的联接尺寸设计制作了一套直接连接轴来代替液耦。连接轴的基座安装尺寸、轴连接中心尺寸、轴径尺寸、轴与电机及风机侧的连接靠背轮均与原液耦一致，安装时，仅需将原液耦拆除，将连接轴代替液力耦合器，现场仅作少量调整即可达到安装要求，而不用对风机及电机作任何调整，安装方便快捷。
　　
六、变频改造节能情况
　　
　　变频改造前后，我们对相应的运行数据进行了统计，现将部分数据分析整理如下。
　　
　　5#窑风机改造前后对比表

         3#窑风机改造前后对比表

         　　注：上述数据为改造后窑系统产量增加的条件下风机耗电对比，由于现在产量进步，风机耗电量下降未几，从上两表中可计算出各风机相应的节电功率。
　　
　　5#窑高温风机节电功率： 1550－1500＝50（kW）
　　
　　5#窑窑尾EP风机节电功率： 154－100＝54（kW）
　　
　　3#窑高温风机节电功率： 1260－1200＝60（kW）
　　
　　3#窑窑尾EP风机节电功率： 138－70＝68（kW）
　　
　　根据我们在设备调试和开窑过程中记录的数据，5#窑在2500t的产量下，高温风机6kV侧电流为约136A，耗电功率约为1360kW，比改造前同产量耗电功率下降约190kW。3#窑在2000t的产量下，高温风机6kV侧电流为约106A，耗电功率约为1060kW，比改造前同产量耗电功率下降约200kW。按年运行7000小时计算，可推算出两台高温风机的节电量及节电效益。
　　
　　5#窑高温风机：
　　
　　节电功率：1550－1360＝190（kW）
　　
　　年节电量：190kW×7000小时＝133万kWh
　　
　　年节电效益：133万kWh×0.5元/kWh＝66万元
　　
　　3#窑高温风机：
　　
　　节电功率：1260－100＝200（kW）
　　
　　年节电量：200kW×7000小时＝140万kWh
　　
　　年节电效益：140万kWh×0.5元/kWh＝70万元
　　
　　此为估算节电值。变频改造的另一大收益为进步了窑系统的产量近1.2倍，由此而产生的增产效益是非常大的。
　　
七、变频改造总结
　　
　　根据我公司对水泥厂高温风机的高压变频器的安装及使用情况，总结变频器改造有以下优点。
　　
　　安装简单，即将原高压开关柜与电动机之间插进安装变频器，对原有接线改动不大。
　　
　　操纵使用方便，变频器操纵只有简单的开机、停机和频率调整。
　　
　　能进行无级调速,换气负压风机，调速范围广，且调速精度高，适用性强。
　　
　　保护功能完善，故障率低，排风机启动平稳，启动电流小，可靠性高。
　　
　　电动机不需长期高速运行，工作电流大幅度下降，节电效果明显。
　　
　　由于变频器取代了液耦调速，消除了机械及液压高故障率的缺陷，设备维护用度降低。
　　
　　电动机运行振动及噪声明显下降，轴承温度也有很大的下降。
　　
　　交流变频调速器，以适用性强、可靠性高、操纵使用方便等性能，受到用户的欢迎。它应用在调速、节电、软启动方面，对企业有很大的实用价值。我公司高压变频器在该水泥厂对四台电机进行了成功的改造，其节能效果明显，且同时进步了整个系统的工艺性能，得到用户的好评，并在当地水泥行业中产生了很大的影响。
　　
八、结语

         　　目前，水泥行业的竞争非常激烈，但关键还是制造本钱的竞争，而电动机电耗就占本钱近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。高压变频调速器目前已经比较成熟，是水泥厂节能改造的理想设备，具有很高的推广价值。

　　一、序言
　　
　　锅炉风机是发电厂重要能耗设备,风机额定转速时的风量通常超过实际所需风量,调节风量大小以往的做法是调节挡风板开度来实现的,此方法实际上是通过人为增加阻力的办法达到调节的目的,浪费大量电能,回收这部分电能损耗会收到很大的节能效果。利用变频器的调速功能,应用到风机上能够节约大量电能,当风量减少时采用变频调速方式降低风机转速,减少电机输入功率,从而降低能耗。

　　交流异步电机转速与电源的频率f成正比(n转速=(1-S转差率)×60×f频率/p极对数),改变定子供电频率就改变了电动机的转速,从而改变了电动机的输入功率。变频调速装置是将电网50Hz的交流电,变成频率可调的交流电去驱动交流电动机实现调速的。其特点是效率高,没有因调速带来的附加转差损耗,调速的范围大、精度高、无级调速,大量节约电能,以及其能方便实现与自动化控制系统(如DCS系统等)间的通讯,使其在各领域得到广泛的应用。
　　
　　二、变频器调速系统在锅炉风机电机上的应用
　　
　　我公司#7锅炉共有4台风机,安装了3台北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A06系列变频器。本变频调速系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。

　　原电动机电源直接作为变频器输入电源,再通过变频器输出连接到电机。为充分保证系统的可靠性,变频器同时加装了工频旁路装置,变频器异常时退出运行,电机由变频切换到工频状态运行。旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成。在变频运行时,QS1和QS2合闸,QS3断开。工频运行时,QS3合闸,QS1和QS2断开。QS2和QS3为机械互锁不能同时合闸。

　　变频调速控制系统接入DCS系统,可在DCS系统中对电动机启、停、转速调整控制。装置还提供报警指示、故障指示、待机状态、运行状态、旁路状态、高压合闸允许、高压紧急分断等保护信息以及转速给定值和风机实际转速值等必要指示,方便操作人员进行操作控制。

　　安装后,进行了一系列的动态试验,如变频器50Hz满载运行试验、电机风机系统临界振动实验、母线电压波动试验、连续快速增减负荷试验等,均达到要求,设备运行至今一切正常。
　　

　　改造以前,3台风机工频电流在150A左右,通过改造后,在相同负荷情况下,风机变频运行下电流在95A左右,减少55A,节约36.6%,年节约能力270(年运行天数)×24(小时)×(1000+710+450)(电机总功率)×0.366=512.3万kWh,考虑装置自耗电及室内冷却空调用电8.4万kWh,总体节能503.9万kWh,节电率达到36%,节约金额201.56万元,经济效益相当显著,即用不到2年的时间就可以收回总投资费用。

　　(二)改善设备启动特性,延长设备的使用寿命,提高设备运行可靠性

　　电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响,故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。以往常用降压起动,但在降压起动过程中,因没有改变电源频率,过大的转差率的存在,也不可避免地会出现较大的过电流。对于重载起动的设备,当采用变频按电压/频率比例控制方法软起动的方案,即用变频器带动电机从零速开始起动,逐渐升压升速,直至达到其额定转速,则不会产生过电流,并且可提供等于额定转矩的起动力矩,从而改善启动特性。本变频调速系统输入侧为移相变压器提供的42整流脉冲,多级移相叠加整流可以大大改善电网侧的电流波形,使其负载下的网侧功率因数接近1,提高了设备使用率。输出侧对每个单元的PWM波形进行重组,可得到正弦度较好的波形,减少对电缆和电机的绝缘损坏,无须输出滤波器就可以使输出电缆很长,电机不需要降额使用,可直接用于旧设备的改造,同时电机谐波损耗大大减小,消除了由此引起的机械振动,减小了轴承和叶片的机械应力。延长了设备使用寿命,减少故障率,也就提高了运行可靠性。