大型風機的高壓變頻調速系統的選型及其應用

　　1 引言

　　工業企業中擁有眾多拖動風機、泵類負載的大型高壓電動機，其中大部分都運行在通過風門或閥門調節流量的節流狀態，造成大量能源浪費，存在巨大節能空間；對該類高壓電機進行調速改造，不僅可大幅降低電能消耗，而且可提高設備自動化水平，改善設備運行狀態，節約設備維修費，并可改善工藝控制效果，是一條節能降耗的重要技術途徑。

　　本項目技術改造為高壓變頻調速技術在貴州某年產130萬噸大型氧化鋁廠3#熟料窯5#、6#排煙風機上的應用。5#、6#排煙風機為高壓異步電動機拖動，啟動方式為直接啟動，恒速運轉，生產中根據工藝需求通過調節風門開度調節風機的送風量，以便將爐窯內的燃燒狀況控制在最佳水平。長期以來，不論爐窯內處于何種燃燒狀況，產生的煙塵大小等風機均全速運行。采用入口擋板風門開度調節，效率低、功率大、造成大量的電能浪費。通過采用高壓變頻調速技術取代傳統的風門擋板風量調節技術，在保證設備正常運行的情況下降低了風機的用電量，節約了生產成本。進行變頻改造以后，將進口擋板的開度開到最大，風量的調節根據生產需求通過調節電機的轉速來實現，使風機處于最佳節能運行狀態，從而達到了節電的目的。變頻改造后還為風機、電機以及各種管道附屬設備提供多項保護措施，從而延長設備使用壽命。

　　2 項目技術改造背景

　　近年來，隨著電力電子器件、控制理論和計算機技術的迅速發展，高壓變頻技術逐漸成熟，同時變頻器的價格不斷下降，可靠性不斷增強，大幅拓寬了工藝控制對變頻調速的要求。最近十年外省發達地區高壓大容量變頻器已經在冶金、電力、石化等行業得到廣泛應用，節能效果非常顯著。但在我省應用很少，因此采用高壓變頻裝置對大型用電設備進行改造成為我省企業節能降耗，提高設備自動化程度和競爭力的重要技術措施之一。為此，08年該公司北京總部將“高壓變頻調速技術在氧化鋁工業上的應用”項目確定為重大科技成果產業化和推廣應用項目，在各省分公司進行產業化試驗，貴州所屬氧化鋁廠08、09年共新裝或技改了18臺（套）高壓交流變頻調速裝置，為節能降耗做出了貢獻，也為我省企業針對高電壓、大容量風機、泵類的節能改造積累經驗，起到一定示范作用。

　　3 熟料窯風機高壓變頻調速系統的選型設計

　　3.1 排煙風機運行技術數據

　　排煙風機運行技術數據如表1所示。

　　3.2 對高壓變頻調速設備的主要技術參數和設計性能要求

　　根據3#燒成窯（熟料窯）現場情況及設備運行經驗對高壓變頻調速系統主要技術參數和設計性能要求如下：

　　3.2.1 主要技術參數（如表2）

　　3.2.2 性能要求

　　（1）變頻裝置應設以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相、短路、超頻、失速、變頻器過載、電機過載、半導體器件的過熱、瞬時停電等基本保護功能，必要時能聯跳輸入側開關。

　　（2）變頻裝置控制系統應可靠，重要元器件應冗余配置。變頻器應滿足本體面板控制、現場控制和主控室計算機（dcs）自動控制三地控制功能及轉換。且變頻器本體柜操作盤應能進行相關的各種控制操作和參數設置，顯示面板具有電流、電壓、頻率、功率、功率因數、開、停、故障顯示及故障記憶等基本功能顯示。

　　（3）提供的變頻器支撐軟件宜為漢化的最新的正版軟件。變頻裝置應帶故障自診斷功能，能對發生的故障類型及位置提供中文指示，能在就地顯示并遠方報警。

　　（4）變頻裝置應能接受現有dcs或其它控制系統的指令，并反饋變頻器的主要狀態信號和故障報警信號，至少包含以下開關量和模擬量信號：

　　開關量輸入：起動、停止、手動/自動轉換信號。

　　開關量輸出：高壓準備就緒、變頻器運行、故障、停止信號。

　　模擬量輸入：頻率調節（轉速給定）；dc 4～20ma標準信號。

　　模擬量輸出：輸出頻率、輸出電流；dc 4～20ma標準信號。

　　（5）變頻裝置的i/0可根據用戶的要求進行參數化，對開關量輸入回路在硬件上采取光電隔離措施，在軟件上采取消除接點抖動措施，并作好接地、屏蔽等抗干擾措施。對開關量輸出控制應具有光電隔離輸出，并能直接啟動任何中間繼電器；模擬量信號增加信號隔離器隔離。

　　（6）變頻裝置應具有與現有控制系統dcs或其它控制系統的通訊接口；能與現有控制系統dcs或其它控制系統共同完成兩系統間的通訊連接。

　　（7）變頻裝置內部通訊應采用光纖連接，以提高通訊速率和抗干擾能力；變頻器柜內強電信號和弱電信號應分開布置，以避免干擾。

　　（8）變頻裝置輸出電壓必須符合ieee519-1992及國標gb14549-93對諧波失真的要求。并且變頻器強弱電之間采用光纖隔離、鐵殼屏蔽，對本體控制系統就地控制柜無諧波影響。

　　（9）變頻器還必須滿足如下要求：

　　當6kv母線上最大1臺電動機啟動時，母線電壓降低，對變頻器運行無影響。變頻器自動降低轉速，維持運轉，等電壓恢復正常后再回到給定轉速；

　　變頻裝置的輸出頻率范圍為0.5～120hz；恒轉矩調速范圍為3～50hz；調速精度為0.01hz；最大瞬時啟動力矩為120%；間歇過載能力為120%（1min）；每10min累計；150%時立即保護，50hz以上恒功率特性輸出；

　　變頻裝置欠壓保護動作值：允許電壓降落35%，保護時間可設定；

　　變頻器瞬時斷電再上電的能力：瞬時掉電時，變頻器自動降額運行，使輸出功率為零或為負，使電容上的能量維持較長的時間。如果掉電時間在20s內（掉電時間可根據現場需要修改），輸入電壓恢復正常后，重新提升輸出頻率至給定值，此過程由加減速時間控制；

　　變頻裝置動力電源與控制電源獨立設置，動力電源為變頻調速系統內部取電，控制電源由用戶提供單相220v交流電源；

　　變頻裝置功率元件型式：變頻調速系統功率元件采用igbt模塊；噪聲等級指標：系統運行噪聲《75db；控制技術：多級pwm控制。

　　（10）冷卻系統應可靠，平均無故障時間應≥變頻裝置本身。在一個風機出現故障時不影響變頻器的正常運行。報警信號應能遠傳到控制室，冷卻裝置應拆裝方便。

　　（11）其他要求：

　　變頻裝置的控制電源應配置ups不間斷電源；

　　變頻器、旁路開關、柜門之間必須具有防誤合閘、誤拉閘功能；

　　在旁路主回路中，為保證在旁路運行后，變頻器的檢修安全，變頻器電源進線、變頻器輸出出線必須加隔離開關，保證有明顯的斷開點，以滿足安全規范要求。

　　4 高壓變頻調速系統的選型及應用

　　對于6kv等級，目前主要有4種高壓變頻裝置：單元串聯多電平型、三電平型、igbt直接串聯型和電流源型。由于單元串聯多