大功率变频器在水泥厂的应用

    作者：洪 云 张亦夫 合肥水泥研究设计院 
摘 要 该文按大功率变频装置的拓扑结构，对其控制方式、技术性能、适用的工况进行系统分析，并就其在水泥厂的实施及选配进行阐述。 
关键词 “高-低-高”变频器 “高-低”变频器 “高-高”变频器 三电平 单元串联多电平 
0．前言 
随着大功率变频技术的发展，高压变频装置已越来越多的被应用于工况企业。近年来，由于节能降耗的需要，水泥企业一些大功率设备也开始采用变频调速，如：用大功率变频器取代传统的液力耦合器对高温风机、直流装置对回转窑的调速，及阀门对大型风机风量的调节。但大功率变频技术（尤其是高压变频）正在发展中，到目前为止还没有像低压变频器那样有近乎统一的拓扑结构，工程技术人员对其认识也在逐步成熟中。为了技术经济合理地使用好大功率变频装置，下面将对其控制方式、技术性能及适用的工况进行系统分析，并就其在水泥厂的使用、选配和应注意的问题进行阐述。 
1 大功率变频器结构形式 
大功率变频器按主回路拓扑结构可分为“高-低-高”式变频器、“高-低”式变频器、“高-高”式变频器。“高-高”式又分为电流型、中性点钳位的三电平电压型和单元串联多电平电压型。 
其中：“高-低-高”式变频器，由于两侧均需大型变压器，损耗高，变频系统启动时负载能力将下降，谐波较大等缺点，使其发展受到限制。 
“高-高”电流型变频器，一般为两电平结构，电动机承受的du/dt较大，且需均压和缓冲电路，技术复杂，器件较多，装置体积大，调整和维修都比较困难，功率因数较低，并随负载变化而变化，不好补偿，输出谐波和共模电压对电机的影响等问题，电机需降额使用和加强绝缘。其优点是不需外加电路就可将负载的再生能量回馈电网。目前，主要应用于超大功率场合。 
由于上述所叙原因，目前，水泥厂在大功率变频器选用上，较少采用“高-低-高”式和高压电流型变频器，一般采用“高-低”式、三电平电压型和多电平电压型变频器。 
（1） “高-低”式结构中变频器为低压，电源输入侧采用变压器将高压变为低压。由于采用低压变频器，变频器的容量受到限制，电动机需采用专门的变频低压电机，其电压等级一般为690V，水泥厂800KW以下的设备采用这种结构形式较多。但该类型变频器一旦故障，电机不能投入工频电网运行，且产生的谐波较高。 
（2）中性点钳位的三电平电压型变频器。其整流电路常采用１２脉冲或24脉冲二极管整流结构，逆变部分采用IGBT或IGCT，在逆变器部分采用钳位电路，解决了功率器件的串联的问题，并使相电压输出具有三个电平。该变频器的主回路结构环节少，与二电平结构相比，其逆变器件承受的电压降低，输出电压波形也有较大的改善。 
三电平电压型变频器效率较高，动态性能较好，过载能力较强。其不足是虽然通过网侧配置，可实现12或24脉冲整流，减少网侧谐波，但du/dt仍较大，电动机电流总谐波仍可达１７％以上，所以一般需配特殊电机，若要使用普通电机，必须附加输出滤波器。另外，其现在zui高输出电压只能做到4.16 KV，采用这种变频器，必须采用变通的方法，改变电机的电压或在输出侧加升压变压器，这是制约其使用的zui大问题。 
（3）单元串联多电平电压型变频器。其采用多个低压PWM变频单元串联的方式实现直接高压 ,电网电压经过隔离变压器降压后给功率单元供电 ,单相变频功率单元在输出端串联起来 ,实现变压变频的高压输出 ,直供高压电动机。 
这种变频器输入侧变压器采用多相移位技术，输出侧采用多电平正弦PWM技术，谐波较低，在无输出滤波器的情况下，就可使THD<1％，其单元串联的数量决定输出电压的等级，所以它可适用于任何普通的高压电动机。虽然采用这种结构会使器件的数量增加，但由于驱动功率下降，开关频率较低且不必采用均压电路，系统的效率仍可达97%，功率因数可达0.95以上。另外，在某个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机的运行，减少停机时造成的损失，便于冗余设计，技术上较成熟。 
其缺点是只能单象限运行，不能进行旁路切换，不能实现无熔断器设计，器件的数量多，体积大，可靠性差。并且变压器必须和变频器集成在一起，使电气室的空间和散热成为问题。 
由于其他高压变频器受技术条件的局限，目前，在通用型高压变频器领域单元串联多电平变频器仍占优势。 
2 大功率变频器在水泥厂的使用 
2.1 水泥厂大功率变器类型的选择 
水泥厂需要变频调速的大功率设备,主要是高温风机、回转窑、立磨循环风机、窑头余风风机及窑尾排风机等设备，这些设备功率一般在200KW以上，如按正常选型，一般采用电压等级为6KV或10KV中压电机，当采用变频调速时应按下列方法匹配较为合适。 
回转窑、窑头余风风机及窑尾排风机等设备一般功率在800KW以下, 如果调速采用中压等级的变频器，在技术和经济上是不太合理的，因为电压的升高，变频器的加工难度和造价都将大幅度增加。对这部分设备，应采用“高—低”式结构进行变频调速。即选择690V（＞300KW电机）或380V低压电机，变频器选用低压变频器。这样变频器即使加上电机的成套费用，比采用高压变频方式还要低，而且技术成熟、维修使用方便，变频器选择范围也较大。 
采用“高—低”结构，应注意谐波问题。因为低压变频器一般为6脉冲结构，其谐波较高，可达40％以上，为防谐波对电机及设备的危害，应选择变频电机，如功率较大时，应考虑采用滤波装置及谐波抑制措施。 
高温风机、立磨循环风机等设备，功率较大，宜采用中压“高—高”变频器调速。若采用三电平电压型变频器，应采用变通的办法，用“高—中—中”的方式，即将输入电压降压为3 ~4.16kV，电机选用3 ~4.16kV电机，使用3~4.16 kV的变频器，采用这种方式，由于电动机电流总谐波仍达１７％以上，电机应采用变频电机，并应考虑采用抑制谐波的手段。如采用单元串联多电平电压型变频器，可直接选用6KV变频器（尽量不用10KV等级），电机采用普通6KV电机即可，但应注意空间和冷却问题。 
在控制方式的选择上,应根据负载特性，以满足使用要求为准，以便做到量才使用、经济实惠。对于回转窑类重负载启动设备，其启动时需克服巨大惯性，有较高静态转速精度要求，宜采用具有转矩控制功能的变频器，使其在低速运行时具有直接转矩控制，在正常运行时具有恒功率控制特性。对高温风机、立磨循环风机等设备，其成平方转矩特性，即转矩随速度平方变化的负载，一般可选用通用型U/f控制变频器（即VVVF变频器）。 
2.2变频器容量的合理选配 
变频器容量选定过程，实际上是变频器与电机的*匹配过程，zui常见、也较安全的办法，是按变频器生产厂家要求，即变频器的功率应大于或等于电动机额定功率的1.1倍。但水泥厂设备选型时，所选能力都比实际需要作了放大，拖动电机又在所选设备基础上留有一定的裕量，这样在实际运行中，运行负荷常常只有额定装机功率的60~70%。所以合理的选择方法应以设备的实际运行情况为基础进行计算和分析，决定变频器的容量。这不仅能节省投资，而且本身也是一种节能降耗的措施。根据资料和经验，可按下列方法选配： 
(1) 电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。 
(2) 公式法。安全系数取1.05，则变频器的容量为：Pb=1.05Pm/hm×cosy (kW) 
式中，Pm为电机负载，hm为电机效率，cosy电机功率因数。 
(3) 按电机的实际功率选择变频器，一定要注意：①电机加载后总的负荷电流不得超过变频器的额定电流；②负载峰值电流不得超过变频器的过载量。运行经验表明，变频器的容量zui小不得小于电机容量的65%。 
在下列情况下使用普通变频器还须增大变频器的容量，一般向上放大一档：①起动时机械惯量较大的负载；②要求电动机频繁进行加、减速；③在希望的加减速时间内，电机zui大电流大于变频器的过载容量(当l min内达1．5倍额定电流时)。 
2.3 水泥厂变频器使用时应注意以下问题 
（1）使用环境。变频器的额定容量是针对一定的使用环境而标出的，变频器工作温度一般要求为0℃~55℃，控制在40℃以下，相对湿度应控制在20％～90％。变频器对环境温度要求较高，同时它又是发热量较大的设备，水泥厂在使用大功率变频器时，在考虑降温时，一定要考虑变频器的发热，一般按变频器容量的3~4%的功率核算变频器的发热量。 
变频器的额定电流是基于一定的海拔高度、额定电压、额定载波频率制定的，若超出规定，将造成变频器降容使用。水泥厂在变频器选型时应按下述方法修正容量：当海拔高度高于1Km时，每增加1Km, 变频器额定电流应相应降低6%左右；输入电压每增加2%, 变频器额定电流应按4%向下降修正，载波频率高于额定载波频率时，也应对额定电流作相应修正。 
（2）变频器的外部配置。为防止操作过电压，变频器与电机间不宜装设接触器；变频器内部整流电路前若没有快速熔断器，变频器与电源之间应外配符合要求的快速熔断器，不能用空气断路器代替熔断器。 
（3）设计施工时，变频器配线应该注意以下几方面：①严禁将输出端子接到工频电源上，以免损坏变频器。②至电机的连接电缆应采用屏蔽电缆或铠装电缆（采用变频电缆），穿金属管敷设；截断电缆的端头应尽可能整齐，未屏蔽的线段尽可能短；电缆的长度应限制在各变频器规定的距离以内，为防谐波漏电流的影响，至电机的接地线应直接连接到变频器相应的接地端子上，接地线不得与其他动力设备共用。③如变频器由外部信号控制，控制线需要使用屏敝线，该线应在变频器侧就近接地端子接地，在强干扰环境中，频率控制信号可由电压控制方式改为电流控制方式。④变频器的各种接地在没汇到接地汇流排前，彼此间应绝缘，避免接地干扰。 
2.4 转矩提升功能的选择 
在采用VVVF通用变频器时，应注意转矩提升曲线的设定，转矩提升选得过小会使电动机输出转矩不足，启动困难；选得过大，电动机磁通饱和损耗将相应增加。对启动转矩较大的负荷，转矩提升曲线应设定的大一点，对风机类负载应设定小一些。 

3 结束语 
水泥厂在大功率变频器选型及技术方案的确定时，应根据工况条件，选择合适的变频控制方案和实施方式，以取得*的经济使用效果。 
虽然一般高压变频器，采用了多相移位和12脉冲以上的整流技术，较大地减少了谐波成分，但由于功率较大，其对电网的电磁干扰不容忽视。变频器使用时，应对其电磁兼容性有正确的评估，以便达到理想的使用效果。