佳灵水泥行业高压变频器技术

　　在水泥的生产中，风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化，大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口阀门的开度来实现，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重。电动机负载电耗就占成本近30%，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，对于一条水泥生产线其中有25%～30%的电能是用于拖动各种类型风机上，风机电动机特别利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失，高压风机电动机的变频调速是降耗增效的主要措施。需要指出的是，对新型干法水泥生产线的6个工艺位置的高压风机，即：生料磨循环风机、煤磨循环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、水泥磨循环风机进行高压变频调速节能改造，将使企业改善工艺，提高调速精度，使生产线设备利用率得到保证，降低设备运行与维护费用，延长电机等设备使用寿命，获得显著的经济效益和社会效益。
　　新型干法水泥生产线的旋窑内燃烧产生的余热废气，在窑尾高温风机的作用下，通过预热器对进入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入废气处理（除尘及排出）。均化的生料预热后在回转窑内煅烧成熟料，回转窑内需要合适的气压及温度，才能使煤粉有一定的悬浮时间进行充分燃烧，生料才能在窑内达到很好的热处理。
　　窑内因物料的堆积变化很大，所以瞬时气压变化频繁。窑尾高温风机一方面用来调整窑内气压，另一方面回转窑内锻烧后的高温熟料出来有废气，废气带灰，通过窑尾高温风机引出由电收尘器将灰尘进行处理，再将废气排掉。由于其工艺上的要求控制窑尾预热器的压力，通过DCS的控制来对高温风机的风量进行调节，因此一般高温风机的电机一般采用调速控制。
　　由于水泥厂生产线风机从工艺上对风量、压力的调节要求，特别的是设备的应用现场水泥生产线粉尘较大，调速机械大多安装在室外或库下，环境较为恶劣，高压变频器对环境有相对较高的要求，在水泥生产线风机应用的高压变频器设备在设计、安装、运行、维护过程中具有一定的特殊性，比较突出的问题如下：
　　（1）电网电压波动等对高压变频器运行可靠性影响问题
　　水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证安全生产。水泥厂一般地处偏远，供电质量相对不高，对设备的电网适应性问题突出。
　　（2） 高压变频器应用的谐波与干扰影响的问题
　　变频器应用的谐波与干扰问题一方面是变频器输入谐波对电网的影响，如果变频器输入电流谐波较大（比如传统的电流源型变频器），会产生如下危害：供电系统的继电保护装置误动作，可能导致大面积停电。测量仪器仪表误差增大，影响计量精度和控制性能。影响其它电力电子装置，电子计算机系统及通信设备的正常工作。谐波使电机，变压器和电容器等用电设备损耗增大，严重时会过热或烧损。
　　变频器应用的谐波与干扰问题的另一方面是外部谐波对高压变频器的影响，由于旋窑的主窑直流传动系统采用直流电机，主电路必然产生较大的谐波，必须采取相应的治理措施，以保证高压变频器的输入电压稳态总谐波含量THD不超过10%，其中任何奇次谐波均不超过5%,任何偶次谐波均不超过2%,短时（持续时间小于30s）出现的任意一次谐波含量不超过10%。否则对母线其他设备、高压变频器等均可能造成运行中的影响与损害。
　　（3）散热问题与环境条件
　　水泥现场粉尘较大，环境相对恶劣，一般高压变频器产生约3～4%的损耗发热需要散热，高压变频器均采用风冷散热，特别是单元串联多重化高压变频器，复杂而昂贵的进线降压移相变压器，驱动元器和连线多。相应长期使用中故障必然多，移相变压器接点太多，接线复杂，系统的内阻和损耗增大维护复杂且工作量大。变压器的效率降低，影响了整个系统的效率，并随负载率的降低效率更要降低。
　　（4）高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停
　　《GB50443-2007水泥厂节能设计规范》要求“窑尾高温风机应采用变频调速装置”，而窑尾高温风机是保证水泥生产线窑内负压的重要负载，窑尾高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，使管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加。垂直烟道或预热器内在清结皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前国内外一般厂家的通用型高压变频器，可能导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。
　　佳灵公司全部自主知识产权、获得世界的IGBT元件直接串联高压变频器（通用高压变频器）以优异的技术特性，有效地解决了水泥厂生产线高压风机变频调速中存在的各种问题：
　　（1）电网电压波动的解决：IGBT元件直接串联高压变频器（通用高压变频器）应用了佳灵的核心DSC技术。直接速度控制（DSC）对交流传动来说是一个*的电机控制方法，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制。不需在电动机转轴上安装脉冲编码器来反馈转子位置信号而具有的速度和转矩的控制技术。
　　极其关键的是控制中不受定子温度和转子温度变化引起对电机参数变化的影响（矢量控制受定子温度影响变差，直接转矩控制受转子温度影响变差）。DSC开发出交流传动中的能力并给所有的应用提供了服务。
　　在DSC中，定子磁通、转子磁场和转速被作为主要的控制变量。以滑差为误差，以转矩为调节量，以鲁棒性设计控制，确保稳定性和可靠性。高速数字信号处理器与*的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新4万次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着变频器可以产生*的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电、网压波动等动态变化做出快速响应。在DSC中不需要对电压，频率分别控制的PWM调制器。开环动态速度控制精度可以达到闭环磁通矢量控制的精度。DSC静态速度控制精度为标称速度的0.1%～04%（50Hz～2Hz），它满足了绝大多数的工业应用。当要求更的速度调节时，可以加装脉冲编码器可选件。DSC的开环转矩阶跃上升时间小于 5毫秒，而不带速度传感器的磁通矢量控制变频器的开环转矩阶跃上升时间却多于100毫秒，与直接转矩控制同等，转矩脉动0.3%比直接转矩控制优。其优良的鲁棒性，即可靠性稳定性是的。
　　的电动机速度和转矩控制。IGBT直接串联高压变频器的开环动态速度控制精度与采用闭环磁通矢量控制的变频器相对应。其静态速度控制精度通常为正常转速的0.1%至0.5%，能满足大多数工业领域的要求。在速度调节精度要求更高的场合，可采用脉冲编码器。IGBT直接串联高压变频器具有快速转矩阶跃响应，对电网侧和负载侧的变化具有极快的反应，对失电、负载突变和过电压状态易于控制。因此，IGBT直接串联高压变频器有效地解决电网电压波动问题。
　　另外，佳灵产品具有对电网电压的适应范围宽（-65%～115%Un）、单元故障自动旁路、工频旁路、瞬时停电再启动功能、包括相间短路保护功能的完善的保护功能等技术，在提高起动力矩和转速精度的同时，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高应用的可靠性。适应水泥生产企业的供电水平，满足水泥生产线对设备的可靠性要求。
　　（2） 输入输出谐波含量符合国家标准
　　IGBT直接串联高压变频器在输入端加了采用无源校正技术，这种技术能对基波进行相移补偿或抑制某些的谐波。具体方法是在输入端增加无源元件，以补偿滤波电容的输入电流。在输入回路中串入电感器，以限制输入电流的上升速度，延长整流管导通时间，功率因数可以提高到0.9以上。
　　谐波都被转移到调制频率附近。使得输入端谐波含量THD指标*符合国家标准。在输出端采用了电压正弦波整形器，将高压变频器输出的PWM电压波形整形为和电网电压一样的标准正弦电压波形。无论变频器工作在高频段还是低频段和电机负载工作在重载或轻载条件中时波形都不变。并在输出端设有“抗共模技术”世界的共模电压治理器，成为惟有一种解决了高压EMC问题的高压变频器。其输出端谐波含量指标*符合标准。
　　输入电流正弦波技术，提高了功率因素，降低了对电网的干扰，特别是根据电源及负载的情况，输入端可用多种不同的配置，以符合IEEE519-92的要求。
　　为避免控制干扰，高压变频器的控制线采用屏蔽电缆，单端接地，并且在布线时注意与动力线的距离，避免控制线与动力线并行敷设在同一电缆托架（或线框）内;变频器负载输出线需采取屏蔽铠装电缆，单端接地，以避免变频器对附近仪表产生干扰。
　　（3） 率及完善的磁通优化, 解决散热问题，较其他类型的变频器多节能5%以上。
　　IGBT直接串联高压变频器系统效率在98%以上。这一效率大大超过其它变频系统的效率，其它变频系统的效率计算，需包括变压器，功率因数补偿装置，谐波滤波器等的损失。在优化模式状态，电动机的磁通能自动地与负载对应，保证了率，并降低了电动机噪音。由于磁通的优化，根据不同的负载点，电动机和传动系统的总体效率提高1%到10%。
　　多重化为得到若干组不同的独立电压，变压器采用延边三角形法，很难得到三相平衡的移相电压。这必然形成环流，增大铜、铁损耗，并且负载变化不大，而数百个变压器的内外接头也将增大损耗，降低可靠性。输入变压器，降低了效率。应用变频器是为了获取节能产生经济效益为主要目的。IGBT元件直接串联高压变频器（无输入变压器）在同等工况多节能5%以上，在更的节能设备运用若干年后产生的效益，也是很可观的。
　　（4）佳灵“尖峰负荷瞬态控制技术”，有效解决高温风机的管道“塌料”问题
　　佳灵技术研发人员经过深入应用现场，了解掌握现场工艺情况，总结现场应用经验，在用于窑尾高温风机的高压变频器调速控制技术中，推出了针对水泥生产线窑尾高温风机变频调速的“尖峰负荷瞬态控制技术”，应用佳灵DCS直接速度控制技术的特点，从设备的硬件设计、控制软件设计等多方面对高温风机的不定期的尖峰负荷运行进行针对性的设计改进，有效地避免了其他厂家的通用高压变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，与工频液耦运行相比，降低了跳机的可能性，使安装了佳灵高温风机变频器的水泥生产线达到节能又增效，降低电机、风机设备故障率，为水泥企业保证生产安全性、经济性作出技术与设备保证。过载能力*Ie连续;可任意设定120%-150%Ie 1分钟，每十分钟一个间隔;可任意设定150%Ie、180%Ie、200%Ie立即保护，*解决因为管道“塌料”引起的变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行的问题。
　　除了以上问题的有效解决，佳灵高压变频器在水泥行业的应用还有下面的特点：
　　（1）模块化的构造与设计保证了系统的高利用率
　　每个功率单元都是相同的，并装在一个可抽出的机架上，模块化的结构使得调换单元只需15分钟，换一个功率单元只需断开5个接口和一个光纤插口。模块化设计不仅使系统结构十分紧凑，而且也增强了系统的维修便利性，因而提高了系统的可利用率。
　　（2）变频输出质量适用于普通电机，电机无须降容
　　IGBT直接串联高压变频器输出波形，在整个速度和负载范围内具有正弦波特性。适用于普通的标准感应电机和同步电机，电机无须降容，也不必使用变频电机。在低工作频率段时，IGBT直接串联高压的PWM开关模式消弱了所有流向电动机的谐波。在高工作频率段，PWM与内置于变频中的微型电容器配合将谐波含量作进一步消除。与恒速运行相比，没有额外的电机温升及瞬变电压对电动机绝缘破坏现象。
　　（3）安静平稳的电机运行，降低了噪声
　　低噪声运行的直接原因是高质量的电压电流输出波形。由于开关状态是分别确定的，没有固定的开关频率，因此没有使用普通PWM技术的交流传动装置中常见的共振所引起的刺耳的噪音。
　　（4）体积zui小，重量轻，安装占地面积zui小。
　　以280KW-1120KW 功率段为例子，6KV高压变频柜 总长度3.9米，10KV高压变频柜 总长度4.1米，为*各种高压变频器体积zui小的。
　　（5）在水泥生产线应用的佳灵高压变频器，系统的器件选型设计裕度大、器件布局结构合理、散热器与风道设计等散热结构合理、提高单元散热效率以保证系统设计温升低、环境适应能力强。经受水泥厂粉尘的污染等恶劣环境的考验。
　　（6）水泥生产线风机的高压变频器安装位置根据现场情况选择高压配电室内，或专门建造变频器室，可采用因地制宜的空调散热、空气水冷散热、大气循环散热等，做好制冷或循环通风的设计，避免系统发热无制冷的内部循环、自然循环进风量不足室内负压，并需加强防尘设计和日常维护，定期进行滤网清洁，从而保证设备的安全稳定运行。
　　（7）风机高压变频改造对原配液耦、水阻的处理
　　佳灵高压变频器的改造对于风机及电机不作任何改变，安装方便快捷，运行工艺调节更加方便。高压变频器进行风机变频改造后，原来采用绕线式电机转子串水阻调速的，可将转子短接，使滑环不再通过电流，从而降低烧损;原来采用液力耦合器的，可以取消原液力耦合器，可按照液力耦合器的联接尺寸设计制作一套连轴器代替液耦，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。为避免高压变频器故障后导致的产线停产，不建议再设计液力耦合器，为提高的运行利用率，特别对于窑尾高温风机，为进一步提高生产设备的可靠性，在设计上可依旧选择采用绕线电机转子串水阻调速的设计，作为工频旁路后的工频启动与调速的备用手段。