羅賓康完美無諧波高壓變頻器在新型干法水泥廠的應(yīng)用

　　一．概述 

　　水泥工業(yè)是耗能大戶，它面臨著節(jié)能降耗的艱巨任務(wù),特別是現(xiàn)今的新型干法水泥生產(chǎn)線，規(guī)模越來越大，節(jié)能空間也越來越大，如一個(gè)日產(chǎn)5000噸水泥熟料的水泥廠，全廠的風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量約為12707~13787kW，約占全廠總裝機(jī)功率（33500kW）的34.8~37.7%，耗電量約占整個(gè)廠用電量30%~40%；隨著輥式磨系統(tǒng)越來越多地被采用，風(fēng)機(jī)耗電占總耗電量的比重也越來越大。風(fēng)機(jī)的選型是按照滿負(fù)荷狀態(tài)設(shè)計(jì)的，而實(shí)際生產(chǎn)過程中隨工況和產(chǎn)量的變化，會引起風(fēng)量、風(fēng)壓隨機(jī)調(diào)整，眾所周知風(fēng)機(jī)是屬于平方率負(fù)載，如將風(fēng)機(jī)的傳動系統(tǒng)換成交流調(diào)速系統(tǒng)，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足風(fēng)機(jī)的不同工作狀態(tài)下的風(fēng)量和風(fēng)壓，就能把消耗在檔板和閥門上的能量節(jié)省下來，節(jié)能空間和效果是很可觀的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)日產(chǎn)5000噸熟料的水泥廠包括廢氣處理排風(fēng)機(jī)，窯尾高溫風(fēng)機(jī)，篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)，冷卻機(jī)排風(fēng)機(jī)，煤磨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)主要用于系統(tǒng)通風(fēng)換熱風(fēng)機(jī)，裝機(jī)功率為6407~7487kW，如換成交流調(diào)速系統(tǒng)，按一般使用經(jīng)驗(yàn)，約可節(jié)電640萬度,每年節(jié)省電費(fèi)320萬元,變頻調(diào)速設(shè)備的投資約兩年即可收回成本。這對降低水泥成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益將起到重要作用。目前新設(shè)計(jì)的干法水泥生產(chǎn)線，重要系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、水泵、篦冷機(jī)、選粉機(jī)、各種稱重設(shè)備及板式給料機(jī)等已采用了變頻調(diào)速，另一方面在節(jié)能環(huán)保大形勢下，國內(nèi)各大水泥集團(tuán)為落實(shí)節(jié)能降耗，正加緊計(jì)劃對高溫風(fēng)機(jī)和廢氣排風(fēng)機(jī)等進(jìn)行電氣改造，如海螺集團(tuán)，山水集團(tuán)屬下幾十條日產(chǎn)5000噸水泥熟料生產(chǎn)線，正在進(jìn)行窯尾排風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)的改造，由原采用液力耦合器調(diào)速改造為變頻調(diào)速系統(tǒng)，這些集團(tuán)經(jīng)過深入的比較，最后皆選用了西門子公司的羅賓康品牌的高壓變頻器。羅賓康變頻器采用多個(gè)低壓單元串聯(lián)連接，構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)的高壓輸出的結(jié)構(gòu)，其最顯著特點(diǎn)是無需使用濾波器達(dá)到完美的輸入波形；也無需外加濾波器,有幾乎是完美的正弦波輸出，其輸入和輸出諧波電流都能滿足最為嚴(yán)格的IEE591標(biāo)準(zhǔn)，故羅賓康品牌高壓變頻器也被稱為完美無諧波高壓變頻器，這對于大企業(yè)來講非常重要，可避免對公用電網(wǎng)的污染，也不會影響企業(yè)內(nèi)其他大型傳動設(shè)備的正常運(yùn)行。由于變頻器的主回路結(jié)構(gòu)簡單明了，沒有附加的輸入輸出濾波器、功率因素補(bǔ)償器、升壓變壓器等附加電路，逆變功率器件則采用簡單可靠的IGBT功率器件，同時(shí)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上它把隔離變壓器和變頻器，包括控制單元和各種信號模塊集成為一體，使安裝接線、啟動、調(diào)試變得快速簡單，整套設(shè)備平均無故障時(shí)間達(dá)100,000小時(shí)。羅賓康變頻器還設(shè)有功率單元旁路功能的選件，即使在一個(gè)功率單元故障的情況下變頻器仍能滿載運(yùn)行，故它有極高的可靠性。羅賓康完美無諧波高壓變頻器能提供的電壓等級為2.3kV-13.8kV,功率范圍為225kW-120，000kW，目前在我國電力、冶金、石油天然氣、水處理等行業(yè)已廣泛應(yīng)用。 

　　二.關(guān)于高壓變頻器 

　　當(dāng)輸出3KV~13.8KV電壓的變頻器稱為高壓變頻器，在國外稱為中壓變頻器,國內(nèi)稱為高壓, 高壓主要是與低壓變頻器相對而言的，國內(nèi)常用的電壓等級為3300V，4160V,6000V，其分類方式有三種： 

　　按輸出電壓方式： 
　　高高型：直接輸出高壓，變頻器輸出沒有升壓變壓器 
　　高低高型：中間使用低壓變頻器，后面升壓變壓器 

　　按中間環(huán)節(jié)類型 
　　電壓源：中間直流環(huán)節(jié)為電容 
　　電流源：中間直流環(huán)節(jié)為電感 

　　按逆變器電路結(jié)構(gòu)型式 
　　三電平(中心點(diǎn)鉗位) 
　　GTO/SGCT電流源型逆變器 

　　功率單元電壓串聯(lián)結(jié)構(gòu)，完美無諧波羅賓康高壓變頻器就是基于這種電路結(jié)構(gòu)型式。 

　　一般高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都由三部分組成:整流電路將輸入交流變?yōu)橹绷?；中間為直流環(huán)節(jié)，它用于濾波和能量儲存；逆變電路又把直流逆變?yōu)榻涣?，并對輸出的電壓或電流和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。變頻器一般有五個(gè)獨(dú)立的部件，即輸入濾波器，功率因數(shù)補(bǔ)償，隔離變壓器，變頻裝置和輸出濾波器，由于羅賓康高壓變頻器有較好的輸入/輸出特性，因此其主要部分僅需隔離變壓器和變頻器。 

　　三．羅賓康高壓變頻器結(jié)構(gòu)原理和性能指標(biāo) 

　　羅賓康6kV高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖見圖1,它是基于功率單元電壓串聯(lián)結(jié)構(gòu)，，圖中A，B，C即為功率單元，其原理圖見圖2，變頻器輸入三相交流電壓，可任選電壓等級，星形或三角連接，輸出6kV~7.2kV,可直接接入三相感應(yīng)電機(jī)。 

圖1羅賓康高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖

　　1. 輸入諧波和整流電路 

　　根據(jù)GB/T14549-93國家標(biāo)準(zhǔn)，對電壓而言，6KV和10KV電網(wǎng)要求電壓總諧波不超過4%，對電流而言，在基準(zhǔn)短路容量為100MVA的條件下，對每次諧波電流的幅值分別提出了具體的要求，對6KV電網(wǎng)將各次諧波換算成百分比也為4%左右，諧波超標(biāo)會使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗,并將導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，影響各種電器設(shè)備的正常工作。按照輸入諧波標(biāo)準(zhǔn)并對照各種整流電路可以得出下列結(jié)論：整流電路脈沖數(shù)至少多于18脈沖(含18脈沖)才能滿足輸入諧波的標(biāo)準(zhǔn)。 
羅賓康高壓變頻器6KV輸入整流電路為36脈沖二極管整流電路，由于這種多重化設(shè)計(jì)形成多脈沖整流，有效消除輸入諧波. 諧波量很少。輸入諧波電流失真小于2%，輸入諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，在不用濾波器情況下 不會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。 

　　2．輸入功率因數(shù) 

　　變頻器輸入功率因數(shù)主要與變頻器中間直流環(huán)節(jié)(電壓源型或電流源型)有關(guān)。 

　　電壓源型直流環(huán)節(jié)為電容，電機(jī)需要的無功電流由電容提供，而不需要和電網(wǎng)交換，變頻器輸入功率因數(shù)高，在整個(gè)速度范圍段內(nèi)基本保持不變。電流源型直流環(huán)節(jié)為大電感，電機(jī)需要的無功電流還需與電網(wǎng)交換，功率因數(shù)較低，且隨著電機(jī)負(fù)載的降低而降低。羅賓康高壓變頻器的輸入功率因數(shù)大于0.95，可改善電網(wǎng)系統(tǒng)的質(zhì)量，并提高電網(wǎng)輸入側(cè)的總功率因數(shù)。 

　　3．輸出諧波和逆變電路 

　　變頻器輸出波形 包括輸出諧波、dv/dt、共模電壓等指標(biāo)，變頻器輸出波形與變頻器逆變器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。羅賓康高壓變頻器采用功率單元電壓串聯(lián)多電平移相式PWM電壓源型逆變器 ，對6KV輸入逆變器采用13電平PWM電壓源型，圖2中功率單元的逆變功率器件采用IGBT，驅(qū)動簡單，成熟可靠，驅(qū)動功率小，其他型號高壓變頻器逆變功率器件需要使用6500V高壓IGCT或高壓IGBT，驅(qū)動較復(fù)雜，驅(qū)動功率大，備件貴且不易購買。  

　　變頻器輸出波形中的諧波成分會引起電機(jī)的附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動，輸出dv/dt和共模電壓會影響電機(jī)的絕緣。羅賓康高壓變頻器輸出的波形與正弦波非常相似，  而且dv/dt幅值小，約為900V，不必設(shè)置輸出濾波器，變頻器能直接輸出6000VAC，可以使用原有的普通舊國產(chǎn)異步電機(jī)。在國內(nèi)大部分應(yīng)用中都是6KV舊國產(chǎn)電機(jī)，其中很多絕緣等級都是B級，這對水泥廠交流傳動技術(shù)改造也是可行的，不需更換電機(jī)。 

圖2  功率單元結(jié)構(gòu)圖 

　　為確保羅賓康高壓變頻器工作可靠，還設(shè)置了冗余結(jié)構(gòu)，具有功率單元旁路功能的選件，即使在一個(gè)功率單元故障的情況下變頻仍能滿載運(yùn)行，可靠性極高；包括輸入變壓器和變頻器在內(nèi)的系統(tǒng)滿載時(shí)，其效率可達(dá)97%，噪音小于75db。 

　　羅賓康高壓變頻器具有極其靈活的通訊功能，除有標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出信號接口外，還可通過RS485或標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)端口，可以和個(gè)人PC連接，并對變頻器進(jìn)行設(shè)置和控制，它也支持多種通訊協(xié)議，如PROFIBUS DP, Device Net, Modbus Plus 等 

　　四．結(jié)論 

　　1．為落實(shí)節(jié)能降耗，在水泥大集團(tuán)正加緊計(jì)劃對高溫風(fēng)機(jī)和廢氣排風(fēng)機(jī)等進(jìn)行電氣改造，基于一次性投資較高，可與時(shí)俱進(jìn)，先改造窯系統(tǒng)的工藝風(fēng)機(jī)，筆者建議首先進(jìn)行窯尾排風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)的改造，將液力耦合器調(diào)速改造為變頻調(diào)速。輥磨系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)由于容量大，在運(yùn)行中風(fēng)量、風(fēng)壓的變化相對穩(wěn)定，建議可暫緩。 

　　2．在選用高壓變頻裝置時(shí)，應(yīng)反復(fù)比較各種品牌的高壓變頻器性能價(jià)格比，在性能方面可靠性當(dāng)首位，其次是輸入和輸出波形，諧波要低于國家標(biāo)準(zhǔn)；至于輸出有多少根電纜等，應(yīng)不是主要指標(biāo)。 

　　3．在水泥行業(yè)回轉(zhuǎn)窯采用直流傳動長達(dá)一世紀(jì)，主要對其起動轉(zhuǎn)矩要求較高，一般為額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍，另外要求過負(fù)荷能力時(shí)間長和過負(fù)荷倍數(shù)高，目前有些EPC項(xiàng)目也要求回轉(zhuǎn)窯采用交流變頻傳動。但筆者不建議為節(jié)能將回轉(zhuǎn)窯改為交流變頻傳動，如要改造也必須要謹(jǐn)慎考慮過負(fù)荷能力，精心選擇變頻裝置。  

　　5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線有關(guān)窯系統(tǒng)風(fēng)機(jī)參數(shù)見下表： 

　　2．在選用高壓變頻裝置時(shí)，應(yīng)反復(fù)比較各種品牌的高壓變頻器性能價(jià)格比，在性能方面可靠性當(dāng)首位，其次是輸入和輸出波形，諧波要低于國家標(biāo)準(zhǔn)；至于輸出有多少根電纜等，應(yīng)不是主要指標(biāo)。 

　　3．在水泥行業(yè)回轉(zhuǎn)窯采用直流傳動長達(dá)一世紀(jì)，主要對其起動轉(zhuǎn)矩要求較高，一般為額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍，另外要求過負(fù)荷能力時(shí)間長和過負(fù)荷倍數(shù)高，目前有些EPC項(xiàng)目也要求回轉(zhuǎn)窯采用交流變頻傳動。但筆者不建議為節(jié)能將回轉(zhuǎn)窯改為交流變頻傳動，如要改造也必須要謹(jǐn)慎考慮過負(fù)荷能力，精心選擇變頻裝置。