高壓變頻器在焙燒煙氣凈化引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
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摘 要:本文主要闡述了HARSVERT-A系列高壓變頻器在培燒煙氣凈化引風(fēng)機(jī)控制中的實(shí)際應(yīng)用,簡要說明了其功能和應(yīng)用效果。 關(guān)鍵詞:高壓變頻技術(shù)、引風(fēng)機(jī)、節(jié)能、諧波 一、前言 在現(xiàn)代大中型工礦企業(yè)中,高壓電機(jī)電能消耗占企業(yè)總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中已十分普遍,但由于高壓變頻技術(shù)復(fù)雜和電子器件耐壓限制,一直制約著其實(shí)際應(yīng)用與推廣普及。近幾年來,隨著高壓變頻技術(shù)的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破,高壓變頻器的應(yīng)用趨勢日益加快,其變頻節(jié)能效果也更加顯著。 本文以中鋁青海分公司炭素一二期焙燒煙氣凈化系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)應(yīng)用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/100型高壓變頻器實(shí)施變頻改造為例,詳細(xì)闡述了國產(chǎn)高壓變頻器的應(yīng)用情況。其成功應(yīng)用充分證明國產(chǎn)高壓變頻在關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。隨著國內(nèi)科技迅速發(fā)展和研究投資的不斷加大,高壓變頻器的研制已取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展,其產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量已趕上世界同行的水平,而且價(jià)格低、性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定,已贏得國內(nèi)眾多企業(yè)的認(rèn)可和好評。 二、系統(tǒng)配置 我廠炭素一二期焙燒煙氣凈化系統(tǒng)原來設(shè)計(jì)為4臺三相低壓異步電動機(jī)(Y355M-4型,315kW,562A,1476r/min)拖動,在日常生產(chǎn)中通常投運(yùn)2-3臺(1臺備用)就能滿足焙燒煙氣凈化需要,因風(fēng)機(jī)之間通過煙道并聯(lián),其凈化系統(tǒng)負(fù)壓是通過各風(fēng)機(jī)分煙道蝶閥開閉調(diào)節(jié),其各個(gè)分煙道蝶閥開度只能憑操作人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷和控制。另外,由于停運(yùn)分機(jī)蝶閥泄露,導(dǎo)致凈化系統(tǒng)無效循環(huán)嚴(yán)重。針對這種問題,2005年,我廠提出了應(yīng)用高壓風(fēng)機(jī)、變頻調(diào)速控制的實(shí)施改造方案(如圖1),為提高凈化系統(tǒng)安全、可靠性,設(shè)計(jì)為一用一備系統(tǒng)。
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圖1:焙燒煙氣凈化系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)控制配置圖 | 1.拖動設(shè)備 高壓異步電動機(jī):YP7560-6型;1000kW;Ve=6300V,Ie=108.95A;ne=994r/min;cosφ=0.876;絕緣等級F級、Y接法、50Hz;熱態(tài)時(shí)允許啟動1次;冷態(tài)時(shí)允許啟動2次;蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司制造。 2.離心引風(fēng)機(jī) 型號:Y7-2X36-22F;338600m3/h(風(fēng)量);7500Pa(風(fēng)壓);ne=990r/min;配套電機(jī)1000kW。 3.變頻器結(jié)構(gòu)與原理 2006年5月,我廠焙燒煙氣凈化引風(fēng)機(jī)拖動系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的改造和優(yōu)化,其引風(fēng)機(jī)、拖動電動機(jī)均進(jìn)行了更新。電機(jī)拖動系統(tǒng)選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器控制,其變頻器主要由移相變壓器、功率逆變單元和控制器等三部分,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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圖2:HARSVERT-A06/100型1000kW高壓變頻器結(jié)構(gòu)圖 | HARSVERT-A系列高壓變頻器采用功率逆變單元串聯(lián)多電平技術(shù),為高-高電壓源型,6kV輸入,經(jīng)變壓器降壓、移相得到中壓,再通過二極管整流、穩(wěn)壓、IGBT逆變、電源疊加,得到6.3kV高壓交流電源,實(shí)現(xiàn)變頻控制目的,其原理如圖3所示。
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圖3:6kV高壓變頻器(7組功率模塊串聯(lián))系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 | 三、HARSVERT-A系列高壓變頻器特點(diǎn) 1.采用功率模塊串聯(lián)多電平電壓疊加技術(shù) HARSVERT-A系列變頻器采用低壓變頻器串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高壓變頻控制,為多電壓源疊加型。其輸入側(cè)采用移相降壓型變壓器,實(shí)現(xiàn)多脈沖整流方式,其產(chǎn)生的諧波(高、低次)成分低于國際電網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)。在負(fù)載時(shí),電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)能達(dá)到0.95以上。在輸出側(cè)采用多級PWM技術(shù),dv/dt小,諧波少,其功率電路采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì),更換方便,互換性強(qiáng),90%的器件均為國產(chǎn),性能穩(wěn)定、價(jià)格低、易采購,十分適合國內(nèi)企業(yè)高壓設(shè)備改造和新建項(xiàng)目選用。 2.功率單元選用低壓IGBT模塊為逆變器件 這種變頻器的功率單元采用低壓IGBT模塊作為逆變器件,與采用高壓IGBT的三電平變頻器比較,雖然功率器件數(shù)目較多,但在控制技術(shù)、制造工藝等方面十分成熟。其功率模塊為基本的交-直-交單相逆變電路,整流側(cè)為二極管三相全橋,通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制,可得到單相交流輸出。每個(gè)功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能完全一致,可以互換,其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。
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圖4:6kV高壓變頻器功率模塊原理結(jié)構(gòu)圖 | 3.采用高效降壓、移相變壓器 輸入側(cè)由降壓、移相變壓器給每組功率模塊供電,移相變壓器的副邊繞組分為三組,根據(jù)電壓等級和模塊串聯(lián)級數(shù),通常由24、30、42、48脈沖系列等構(gòu)成多級相疊加的整流方式,使電網(wǎng)側(cè)的電流波形得到顯著改善,不需要進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償或加裝諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性,使每個(gè)功率單元的主回路相對獨(dú)立,其控制技術(shù)類似于普通低壓變頻器。 4.輸出側(cè)結(jié)構(gòu)獨(dú)特 輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電,通過各個(gè)獨(dú)立功率逆變單元的PWM波形重組、疊加,以獲得階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好,dv/dt小,對輸出電纜、電機(jī)絕緣無損壞,可直接驅(qū)動普通高壓異步電機(jī);另外,由于輸出側(cè)諧波成分小,不需要加裝濾波器,輸出電纜可大幅延長。因電機(jī)諧波損耗顯著減少,能較好地消除負(fù)載機(jī)械軸承和葉片振動現(xiàn)象。在運(yùn)行中,若當(dāng)某組逆變功率模塊工作異;蚬收蠒r(shí),通過調(diào)整觸發(fā)控制脈沖信號,使該組模塊輸出短路,將故障單元旁路退出系統(tǒng)。這種情況下,只要使變頻器降額運(yùn)行即可。因此,可大幅減少設(shè)備的異常停機(jī)和系統(tǒng)頻繁停、啟現(xiàn)象。 5.應(yīng)用高速CPU控制器 變頻控制器由高速單片機(jī)處理器、人機(jī)操作界面和PLC等電路構(gòu)成,其人機(jī)操作方式為標(biāo)準(zhǔn)操作面板界面。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制,人機(jī)操作界面能很方便地實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)速裝置與實(shí)際操作人員信息交流、監(jiān)控信號傳輸?shù)裙ぷ鳎溆押玫娜形、模擬畫面能實(shí)時(shí)再現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),并具有使用方便、快捷、遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制功能。PLC的應(yīng)用很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)開關(guān)信號的邏輯處理、多級保護(hù)措施的實(shí)施,大幅提升設(shè)備的保護(hù)、互鎖等安全等級。 通過光纖通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制器與功率單元之間的信號交換,可靠、安全地使低壓部分和高壓部分得到隔離,故系統(tǒng)具有相當(dāng)高的安全性和抗電磁干擾性能。 6.控制方式先進(jìn) HARSVERT-A高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)通常采用異地遠(yuǎn)程控制,其變頻器的頻率設(shè)定可通過外部監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)給定(也可通過柜體操作面板),如主界面的加減速鍵或“頻率設(shè)定”設(shè)置運(yùn)行頻率(如圖5所示);也可用外部模擬信號直接給定,我廠一期凈化2臺風(fēng)機(jī)就采用這種方式控制。由于變頻器控制系統(tǒng)設(shè)有PID調(diào)節(jié)功能,可很好地實(shí)現(xiàn)給定頻率升、降調(diào)速變化的平滑性和均勻性。變頻器啟動后運(yùn)行于設(shè)定頻率(可選擇開環(huán)或閉環(huán)控制)。其實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、啟動、停車、急停、復(fù)位、運(yùn)行頻率設(shè)定、參數(shù)刷新、故障記錄查看等控制操作,均通過上位機(jī)完成。一臺微機(jī)可實(shí)現(xiàn)多臺變頻器操作、監(jiān)控任務(wù)。
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圖5:我廠二期凈化高壓變頻器頻率設(shè)定、參數(shù)監(jiān)控界面 | 7.控制功能齊全 HARSVERT-A系列變頻器具有許多功能:其有關(guān)各項(xiàng)參數(shù)采用中文提示、整體備份和恢復(fù);系統(tǒng)設(shè)有兩段頻率躲避區(qū),可回避風(fēng)機(jī)在某一頻率段(或點(diǎn))工作時(shí)出現(xiàn)的共振、喘振等現(xiàn)象,根據(jù)不同負(fù)載啟動需要,系統(tǒng)設(shè)有不同的轉(zhuǎn)矩提升控制。終端監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有故障定位和查詢功能,異;蜉p微故障時(shí)會在主界面實(shí)時(shí)提供報(bào)警信息。較大故障發(fā)生時(shí),系統(tǒng)會自動彈出故障界面,直接顯示故障位置和名稱。維修人員可通過故障界面查詢故障歷史信息,系統(tǒng)設(shè)有波形顯示功能,查看運(yùn)行中的波形質(zhì)量,可及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)功率因數(shù)。設(shè)有運(yùn)行數(shù)據(jù)自動記錄功能,變頻器運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)參數(shù)包括給定頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸出電壓、系統(tǒng)狀態(tài)操作等信息自動記錄、存貯(如圖6所示);系統(tǒng)自診斷功能,其內(nèi)核能自動檢測核心主控制器、可編程序邏輯PLC及上位機(jī)等當(dāng)前的狀態(tài),輔助分析各控制器間的通訊情況。
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圖6:運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄顯示 | 8.系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)合理 HARSVERT-A系列變頻器的熱量損耗主要包括變壓器柜和功率柜兩部分。變壓器采用H級干式變壓器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),絕緣材料能夠耐受180℃的高溫,其冷卻系統(tǒng)采用增加柜頂風(fēng)機(jī)提高變壓器柜的冷卻風(fēng)量來達(dá)到降低設(shè)備自身溫度,在45℃環(huán)境溫度下,變壓器工作允許溫度可達(dá)110℃。如我廠夏季最高氣溫為31℃,在自然通風(fēng)的室內(nèi),環(huán)境溫度為19℃左右,當(dāng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷達(dá)到96%時(shí),較長時(shí)間(4-8小時(shí))運(yùn)行后,其變壓器線圈溫度只有42℃,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求。因而在高海拔地區(qū),高壓變頻器不需要考慮降容使用問題。 功率柜也是變頻器運(yùn)行中發(fā)熱體之一。功率器件IGBT的最大允許運(yùn)行溫度(外殼溫度)不允許超過85℃,過高的溫升會導(dǎo)致管壓降加大、熱損耗增加,形成惡性循環(huán)引起器件內(nèi)熱量累積,導(dǎo)致因溫度過高而燒毀。故功率器件的散熱關(guān)系到系統(tǒng)的安全可靠性問題。HARSVERT-A系列變頻器選用先進(jìn)的功耗最小的功率器件,利用器件并聯(lián)的方式將熱量分散、增大有效散熱面積,解決了多器件內(nèi)熱量積累問題。其次選用熱傳導(dǎo)特性好、導(dǎo)熱率高的新型冷板釬焊散熱器,進(jìn)一步提高了散熱效果。此外柜體設(shè)計(jì)為柵格濾網(wǎng)罩,采用透氣性好、韌度高的新型過濾合成絲綿,以降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻,采用冷卻風(fēng)機(jī)冗余設(shè)計(jì)。 四、運(yùn)行效果 自2005年8月,我廠一期2臺焙燒凈化引風(fēng)機(jī)高壓變頻改造投運(yùn)以來,經(jīng)過3年多的長期、連續(xù)運(yùn)行結(jié)果,其運(yùn)行狀況良好,工作穩(wěn)定,節(jié)電顯著,完全達(dá)到了改造預(yù)期目標(biāo),完全滿足焙燒煙氣凈化工藝控制需求,大幅提高了凈化效果,因連續(xù)多年排污不超標(biāo),得到了分公司和地方環(huán)保部門的獎勵。根據(jù)我廠每月電耗統(tǒng)計(jì),焙燒煙氣凈化月電耗降低19%左右。我廠一期焙燒煙氣凈化風(fēng)機(jī)變頻改造后的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際參數(shù)如下表所示。 附表:變頻調(diào)速控制風(fēng)機(jī)后的凈化系統(tǒng)工作參數(shù)(一期系統(tǒng))
序號 |
焙燒爐數(shù) |
煙道負(fù)壓要求(Pa) |
工作頻率(Hz) |
電? 流(A) |
凈化效果 |
備注 |
1 |
1個(gè)系統(tǒng) |
960—1020 |
19 |
26 |
達(dá)標(biāo) |
1.連續(xù)工作制;2.焙燒系統(tǒng)共104個(gè)爐室。 |
2 |
2個(gè)系統(tǒng) |
1000—1100 |
24 |
34 |
達(dá)標(biāo) |
3 |
3個(gè)系統(tǒng) |
1050—1150 |
27 |
41 |
達(dá)標(biāo) |
4 |
4個(gè)系統(tǒng) |
1100—1200 |
31 |
47 |
達(dá)標(biāo) |
5 |
5個(gè)系統(tǒng) |
1160—1250 |
35 |
52 |
達(dá)標(biāo) |
6 |
6個(gè)系統(tǒng) |
1200—1130 |
38 |
58 |
達(dá)標(biāo) | 五、結(jié)束語 應(yīng)用HARSVERT-A型1000kW高壓變頻器實(shí)施焙燒煙氣凈化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)拖動系統(tǒng)改造,優(yōu)化了煙氣凈化系統(tǒng)的工作性能,提高了煙氣凈化系統(tǒng)工藝效果,大幅降低了系統(tǒng)電能消耗;據(jù)統(tǒng)計(jì),由于凈化系統(tǒng)風(fēng)壓、流量的方便可調(diào),其焙燒天然氣的消耗較改造前降低19m3/t;凈化系統(tǒng)總耗電減少13.7余萬kW?h/月。實(shí)踐證明,國產(chǎn)高壓變頻器控制技術(shù)和設(shè)計(jì)制造能力已十分成熟,可與進(jìn)口同類產(chǎn)品抗衡,其價(jià)格只有同類進(jìn)口產(chǎn)品的1/3,且具有備件易采購、維修及時(shí)、售后服務(wù)便利等優(yōu)點(diǎn),完全避免了進(jìn)口變頻器維修困難的問題。
參考文獻(xiàn): [1] HARSVERT-A系列高壓變頻器操作使用說明手冊 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司編寫,2005.1 [2] Power Smart TM 系列高壓大功率變頻調(diào)速裝置使用手冊,2006.8 作者簡介: 韓敏(1967.10-),男,高級工程師,在鋁電解、炭素從事多年設(shè)備維修和技術(shù)改造工作,現(xiàn)從事設(shè)備狀態(tài)檢測工作。
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