國產矢量控制型高壓變頻器在水泥廠高溫風機上的應用
文/北京利德華福電氣技術有限公司技術工程部
摘要：本文主要論述利德華福高壓變頻器在河南天瑞集團水泥有限公司高溫風機上的應用，實踐證明水泥廠風機采用高壓變頻調速的可行性、必要性及實際應用的節電效果，以此推廣高壓變頻節能項目。
關鍵詞：水泥行業 高壓變頻 節能
一、概述
長期以來，我國政府對節能工作十分重視，我國能源節約與資源綜合利用“十五”規劃提出高壓大功率變頻調速作為重點發展的節電技術之一，要求大力推動高壓大功率變頻調速示范工程。
目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗占成本近30％，拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重。因此，做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。當前，很多水泥廠的風機“大馬拉小車”現象嚴重，如果利用變頻調速技術改變設備的運行速度，以調節風量的大小，可以既滿足生產要求，又達到節約電能，同時減少因調節擋板而造成擋板和管道的磨損及經常停機檢修所造成的經濟損失。因此，在水泥廠風機采用變頻調速技術，能節約大量能源，提高生產效率，為水泥廠帶來較大的效益。根據具體情況，風機進行變頻后，節電率在30-50%的范圍內，通常一年半到兩年便可收回投資。
二、傳統擋板調節存在的問題
風機傳統的調節方式是調節入口擋板的開度，以此來調節風量，是一種經濟效益差、能耗大、設備損壞嚴重、維修難度大、運行費用高的落后辦法。風機的工作特性如圖1所示：
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| 圖1：風機的工作特性 |
圖1中，風機特性曲線：HA=kQ12（K為風機特性系數）；管網特性曲線HA=Hc-λQ12（λ為管網特性系數）。
三、工頻工作方式
工頻工作方式是指泵的特性曲線保持不變，而改變管網特性曲線。通常采取的方式是保持風機的特性曲線不變，即不改變風機的轉速，而用調節擋板改變出風口的大小，達到改變風量的目的。如圖2所示：
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| 圖2：工頻工作方式時風機的工作特性 |
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| 圖4：利德華福高壓變頻器系統結構 |
與普通采用高壓器件直接串聯的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比，由于采用功率單元串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。功率單元中采用常規IGBT功率模塊，驅動電路簡單，技術成熟可靠。功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。由于采用功率單元串聯結構，所以可以采取功率單元旁路選件，當功率單元故障時，控制系統可以將故障單元自動旁路，變頻器仍可降額繼續運行，大大提高了系統的可靠性。
由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計算機，在秉承公司HARSVERT-A系列產品完美無諧波、高可靠性、功率/電壓等級覆蓋范圍廣、控制接口靈活等優良品質的基礎上，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調速產品能夠實現功能更為豐富、性能更高的高壓大容量交流傳動控制。目前，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制產品的性能指標為：調速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，動態轉矩響應時間小于200ms，啟動轉矩150%額定轉矩，達到國際先進水平。無需安裝復雜且不易維護的測速裝置，HARSVERT-VA系列變頻器僅需對輸出三相電壓、兩相電流進行檢測，即可根據預先自動測定的電機模型，進行異步電動機的磁通和轉矩解耦控制，實現低速大轉矩負載啟動和運行。
六、熟料生產中特殊工藝對變頻器的要求
干法水泥生產線的窯尾高溫風機是保證窯內負壓的重要負載，但是在以往工頻運行、采用液力耦合器調速的高溫風機常見由于管道“塌料”導致高溫風機電機過負荷跳閘，導致生產中斷。而由于變頻器裝置的電力電子器件的過負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風機過負荷導致的變頻器保護停機現象如無專業技術是不可避免的，將給水泥生產線造成更多的損害。
利德華福作為目前國內最大的高壓變頻器專業生產制造單位，特別針對高溫風機的運行工藝情況進行了大量的調研，對變頻器的核心控制系統進行了相應的設計，專門開發了可矢量運行的高壓變頻調速裝置，成功解決了因為塌料引起的劇烈負載波動問題，大大降低了由于高溫風機停運對生產造成的影響，降低電機設備故障率，取得節能、增效的巨大效益，得到用戶普遍認可。
高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產線生產過程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加。此外，如果垂直煙道或預熱器內在清潔皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內超出正常電流的數倍， 如使用一般廠家的通用型高壓變頻器會導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與生產線的正常運行。
利德華福公司生產的高壓變頻器采用矢量控制算法，變頻器對其輸出電流進行實時、快速的精確控制（傳統的VVVF控制中，不對輸出電流進行控制，輸出電流的測量僅用于顯示和保護）。在控制算法中對最大輸出電流進行限制，因而不會因負載的波動導致變頻器過流停機。
七、天瑞水泥廠應用實例
1.整體概況
天瑞河南某水泥廠5000t/d（二線）有1臺高溫風機需要變頻改造，目前，該風機是通過調整液耦開度及風機擋板改變風壓、風量的。通過對現場的生產運行工藝、設備工況進行分析，認為這些設備存在以下幾個問題：
（1）高溫風機采用液力耦合器調速，這種調速方法實質上是轉差功率消耗型的做法，其主要缺點是隨著轉速下降效率越來越低，需要斷開電機與負載進行安裝，維護工作量大，過一段時間就需要對軸封、軸承等部件進行更換，現場一般較臟，顯得設備檔次低，屬淘汰技術。
（2）還有些風機目前采用水電阻軟啟動，通過風門調節風壓、風量的。水電阻啟動方式，仍然有近3倍額定電流對電網的沖擊，且水電阻啟動時間較慢，容易造成水開鍋的現象。
（3）其余的高壓風機設備采用調節入口蝶閥，它調整節流損失大、入口壓力低、系統效率低，造成能源的浪費。
因此，解決上述問題，可以考慮采用變頻調速控制技術，利用高壓變頻器對風機電動機進行變頻調速控制，實現生產能力的變負荷調節。這樣，不僅解決了入口蝶閥控制系統效率低、設備工作特性差等難以克服的缺點，而且提高了系統運行的經濟性指標；更重要的是減小了因入口蝶閥變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了設備溫升對設備性能的負面影響，延長設備使用壽命，節約能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。
2.現場技術數據
（1）電機、高溫風機（1臺）及液力耦合器參數表：
| 電機 | 高溫風機 | 液力耦合器 | |||
| 型號 | YRKK900-6 | 型號 | 3200DIBB50 | 型號 | YOTCS1150 |
| 額定功率 | 3200kW/10kV | 額定風量 | 828000m3/h （原料磨開時） |
調速范圍 | 192-960 r/min |
| 額定轉速 | 993r/min | 額定風量 | 687000m3/h （原料磨關時） |
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| 額定電流 | 219.3A | 靜壓 | -7500Pa | ||
| 功率因數 | 0.876 | 額定轉速 | 912r/min | ||
（3）年運行時間：T=8000h。
3.工頻、變頻的耗電量對比：
| 改造前 | 改造后 | |
| 平均消耗功率 | 2701kW | 2152.6kW |
| 啟動方式 | 轉自串水電阻 | 軟啟 |
| 風機喘震 | 有 | 無 |
| 軸承溫度 | 高 | 低 |
| 節電率 | - | 20.3% |
八、變頻改造后的優點
（1）變頻改造后，實現電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。
（2）系統效率得到提高，消除了風門擋板的損失，取得節能效果。
（3）由于風機采用轉速調節后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長設備使用壽命。
（4）風機改變頻后，由于變頻器采用單元串聯移相技術，因此在理論上可以消除41次以下諧波。由于實際制造工藝的限制，網側電壓諧波總含量可以控制在2％以內，電流諧波總含量小于4％。
（5）變頻輸出采用PWM技術控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1％，上述指標均滿足IEEE-519國際電能質量諧波標準要求。
（6）利德華福變頻器為電壓源型結構，功率因數可高達0.95。
（7）廠房設備噪聲污染大大降低。
九、結論
目前很多水泥廠的風機大馬拉小車現象嚴重。風機的風量調節方式基本通過擋板進行調節，耗能大，經濟效益差，設備損壞嚴重，急需采用先進的高壓變頻調速進行技術改造，以降低水泥廠的電耗，提高企業的經濟效益。實踐證明，水泥行業風機采用高壓變頻調速技術，是必要、可行的，且經濟效益顯著。
HARSVERT系列高壓變頻器可靠性高，輸入、輸出波形質量好，采用矢量控制技術，適合于水泥廠風機的變頻改造，成功解決了水泥生產中的塌料引起的負載波動問題，大大提高設備運行的可靠性，節約大量能源，為水泥廠帶來較大的經濟效益和社會效益，具有很高的推廣價值。