Harsvert-VA高壓變頻調速系統在水泥窯尾風機上的應用

程寶平

（山西長治市應用技術研究院，山西 長治 046011）

Harsvert-VA高壓變頻調速系統在水泥窯尾風機上的應用

程寶平

（山西長治市應用技術研究院，山西 長治 046011）

本文介紹了 Harsvert-VA 10/080高壓變頻調速系統的特點及其在山西瑞泰水泥股份有限公司2000t/d水泥線窯尾高溫風機電動機變頻調速改造中的應用、改造后的運行和節能效果，這可對窯尾高溫風機電動機應用高壓變頻調速系統進行改造提供一定經驗。

高壓變頻器；移相變壓器；Harsvert-VA高壓變頻調速系統

1 引言

山西瑞泰水泥股份有限公司 2000t/d水泥線窯尾高溫風機由鼠籠電動機通過液力耦合器拖動，原有運行方式為全速運行，通過調整進出風口擋板開度大小來實現風量調節。生產中電動機直接起動，存在電動機負載電耗較大、擋板和管道磨損嚴重、液力耦合器調速時故障多、“塌料”導致停產、噪聲大，故對窯尾高溫風機電動機進行高壓變頻調速改造。

2 變頻改造現場情況

2.1 改造前窯尾電動機及高溫風機技術參數

電動機型號：Y500-4；額定功率：800kW；額定電壓：10kV；額定電流：56.2A。額定轉速:1491r/min；功率因數： cosφ=0.87。

風機型號：2300-DI-BB24；風量：230000～250000m3；進口風壓：8500Pa；轉速：1425r/min。

2.2 改造前工藝情況

窯尾風機連接方式是：電動機－液力耦合器－風機。通過液力耦合器調速實現風量調節。風機擋板開度是70%，液力耦合器開度40%，電動機起動電流大，全速運行。

3 變頻改造方案實施與Harsvert-VA高壓變頻調速系統

3.1 變頻改造方案實施

根據現場實際情況，經過調查及綜合評價后，確定選用北京利德華福電器技術有限公司Harsvert-VA 10/080高壓變頻調速系統對窯尾高溫風機進行變頻改造。具體選用情況如下：

高壓變頻器型號：Harsvert-VA 10/080，輸入電壓：10kV，額定電流：80A，過載能力：120%下運行1min，150%時跳停保護。

實施變頻改造后，窯尾風機連接方式變為：電動機－連接軸－風機。風機擋板開度 100%，電動機實現低速起動。

改造中實施了以下工作。

（1）電氣控制

由于原高壓電動機為直接起動，為防止變頻器出現故障影響生產，因此在選型時配備了高壓旁路柜，以便變頻器出現故障時，可迅速轉換到電動機直接起動狀態。也即增加的變頻回路與原工頻回路并聯，組成雙回路可轉換控制系統。

旁路柜采用一拖一手動方案。旁路柜由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見圖1，其中QF為原高壓開關柜內帶綜合繼保的高壓斷路器）。設置QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。

圖1 高溫風機電氣控制原理圖

（2）高溫風機改造液耦調速

此次改造拆除了液力耦合器，用連接軸替代液力耦合器實現電動機、風機的直接聯接，電動機位置不變。

（3）散熱

根據現場條件，在系統變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立加裝集風罩以及排風管道，與各自的出風口連成整體，把高壓變頻器散出的熱風排出室外。

3.2 Harsvert-VA高壓變頻調速系統

本次改造選用的Harsvert-VA10/080高壓變頻調速系統采用單元串聯多電平技術，是高-高電壓源型變頻器，其主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10kV系統直接為 10kV輸入與輸出。10kV系統共有24個功率單元，每8個功率單元串聯成一相，其系統結構如圖2所示[1]。

移相式變壓器采用移相干式隔離變壓器，一次側為Y型接法。直接與高壓相連，二次繞組為延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源。低壓功率單元經串聯疊波后獲得高壓。三相輸出Y型接法，中性點懸浮，得到驅動電動機所需的可變頻三相高壓電源。

功率單元為交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋。功率單元通過光纖接收信號后，采用空間矢量SPWM方式，控制IGBT逆變橋的4個IGBT的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形。功率單元具有單元旁路功能，當某個單元發生熔斷器故障、過熱和IGBT故障不能繼續工作時，該單元及其另外兩相相應位置上的單元會自動旁路，此時4個IGBT封鎖輸出，功率模塊輸出側的連接兩個輸出端子的晶閘管導通，保證系統連續工作，并發出旁路報警[2]。

系統采用的多脈沖整流技術使得網側電壓電流諧波指標能夠滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求，負載下的網側功率因數也接近 1，因此無需任何功率因數補償、諧波抑制裝置。

每個功率單元輸出側的兩個輸出端子按Y型接法相互串接給電動機供電。通過對每個單元的PWM波形進行重組，輸出電壓可得到階梯SPWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，不需要附加輸出濾波裝置，也不會對電動機的絕緣、軸承造成損害，并且電動機的諧波損耗大大減小。

控制系統由DSP控制器、標準操作面板、PLC組成。控制器由三塊光纖板、一塊信號板、一塊主控板和一塊電源板組成。

光纖板通過光纖與功率單元傳遞數據信號。每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發出PWM信號或工作模式指令。單元通過光纖接收其觸發指令和狀態信號，并在故障時向光纖板發出故障代碼信號。

信號板采集VA系統的輸出電壓和電流信號，并將模擬信號隔離、濾波和量程轉換。轉換后的信號用于 VA系統控制、保護，以及提供給主控板數據采集。

VA系統主控制芯片是 DSP，運用正弦空間矢量方式產生脈寬調制的三相電壓指令,實現對電動機控制的所有功能。通過RS232通信口與標準操作面板進行數據交換，提供 VA系統的狀態參數，并接受來自標準操作面板的參數設置。電源板提供±15V和+5V電源，分別用于信號板和控制板供電。PLC用于VA系統內部開關信號以及現場操作信號和狀態信號的邏輯處理，它有處理2路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力,模擬量輸入用于處理來自現場的流量、壓力等模擬信號或模擬信號的設置；模擬量輸出為輸出電流和運行頻率。

標準操作面板通過配備為用戶提供友好的功能強大的全中文監控界面，負責信息處理和與外部的通信。它通過上位監控軟件與VA系統實現Modbus通信,通過RS232通信口與主控板通信，通過RS485通信口與PLC通信，實時監控VA系統的狀態。根據DSP和PLC傳過來的數據，標準操作面板計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，實時顯示，并實現對電動機的過載、過流報警和保護處理。

VA系統有4種控制方式：

（1）本機控制。直接利用VA系統標準操作面板進行變頻調速系統的控制操作。

（2）上位機控制。通過上位機進行實時狀態監控，并可進行起動、停車、急停、復位、設定運行頻率、參數刷新、查看故障記錄等控制操作。

（3）DCS控制。與DCS直接連接，接受DCS系統的控制。

（4）遠程撥號控制。在異地通過電話網絡計算撥號對變頻調速系統進行異地遠程監控。

表1是實測的高溫風機相關參數及年節電量情況。

4 變頻改造后的效果

4.1 節能效果

圖2 高壓變頻器主電路

表1 高溫風機相關參數及年節電量

變頻改造后，在生產正常情況下，窯尾高溫風機節能量計算如下：

（1）風機工頻時實際消耗的功率P1

式中，I1為風機的工頻實際運行電流（47A）；U為風機的工頻實際運行電壓（9950V）；cosφ為風機的工頻實際運行功率因數（cosφ=0.95）。

風機全年耗電量為：

（2）節電率η

變頻前后功率比

式中，變頻裝置效率η1=0.96；考慮風機在低速運轉下的效率會下降，取修正系數η2為80%；考慮到其他損耗，取η3=0.97；風機的額定電流I＝56.2A。

變頻改造后系統消耗功率

式中，P0為風機電機額定功率；P2為變頻改造后系統消耗功率。

變頻后相對于工頻運行時的小時節電量：

高溫風機變頻前后節電率

（3）年節能量

變頻改造后運行1年（按每年7200h計）節省的電能

一年節省的電費為

4.2 其他效果

（1）實現了電動機軟起動且起動平滑，避免了起動時的機械沖擊，延長了電機使用壽命。

（2）風機檔板全開，檔板和管道磨損大大減小，維護工作量減少，使用壽命延長，費用降低。

（3）無級調速調整風壓及風量，操作簡單靈活，反應時間快，避免了使用液耦調速時的速度不穩和故障。

（4）解決了“塌料”導致的生產中斷問題。

（5）功率因數得到提高，省去了功率因數補償裝置，減少了線路損耗。

（6）設備噪聲降低，環境得到有效改善。

5 結論

改造后，優化了生產工藝，提高了風機設備調速精度、調速性能和運行效率，提升了運行監控自動化水平，增強了運行的安全可靠性，確保了生產線連續運行，提高了水泥的產量和質量，節能效果、經濟效益和社會效益明顯。

[1] 王鵬.高壓變頻器多重化整流的設計[J].電力電子,2008(2).

[2] Harsvert-VA高壓變頻調速系統用戶手冊.北京利德華福電器技術有限公司.

Application of the Harsvert-VA High Voltage Inverter on High Temperature Blast Motor of Cement Production Line

Cheng Baoping
(Changzhi Applied Science and Technology Institute of Shansi,Changzhi,Shansi 046011)

This paper introduces features of the Harsvert-VA high voltage inverter and its application on 2000t/d cement production line in Shansi Ruitai Cement Co., Ltd, then gives effects after reformation. It can supply some experience to reform high temperature blast motor with high voltage inverter on cement production line

high voltage inverter；phase-shifting transformer；Harsvert-VA High Voltage inverter

程寶平（1964-），男，山西長治市人，長治市應用技術研究院副院長，高級工程師，研究方向：電力電子。