高壓變頻調速器在收塵風機節能改造上的應用

吳立軍

1 引言

目前，使用球磨機加工礦渣微粉的電耗占成本的近45%，用于拖動風機的高壓電動機在電機容量中也占有很大的比重。采用變頻調速技術調節球磨機風機風量的大小，能節約大量能源，提高生產效率，經濟效益十分顯著。由于具體情況不同，風機進行變頻改造后，節電率在20%～60%的范圍內。

采用新型高壓大功率電力電子器件構造的直接“高-高”式變頻調速器結構簡單、工作可靠，有很好的調速和起動與制動性能，由于采用不控整流和全控器件進行開關調制，具有輸入側高功率因數、整裝置優良的控制性能和較高的運行效率等特點。特別是通過改變送給電動機電流的頻率，可在很寬的轉速范圍內高效率調節轉速，已廣泛應用于風機和水泵的節能改造上。

2 高壓變頻器的系統組成和原理

NZX高壓變頻器為直接“高－高”結構，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯移相式PWM方式，其主電路結構如圖1所示。

NZX高壓變頻器具有運行穩定、調速范圍廣、輸出正弦波形好、輸入電流功率因數高、效率高等特點，對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD＜4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器就可以用于普通的異步電機。

2.1 功率單元

NZX-（H）系列高壓變頻器每相由九個功率單元串聯而成。各功率單元具有完全相同的結構，具有互換性。每個功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，同時還包括驅動、保護、監測、通訊等組件組成的控制電路，其結構如圖2所示。通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形。每個功率單元額定輸出電壓為580V，串聯后輸出相電壓5220V，線電壓達到10kV。

圖1 單元串聯多電平變頻系統主電路結構圖

NZX-（H）系列高壓變頻器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但各載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，使得輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓的每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，但輸出波形的等效開關頻率可以達到單元開關頻率的6倍，且輸出電平數增加，輸出相電壓為13電平，線電壓為25電平，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，其輸出波形如圖3所示。

2.2 IGBT驅動原理

在NZX-（H）變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專用IGBT驅動模塊對主控系統輸出的PWM控制信號進行隔離、緩沖處理后，使弱電信號（TTL電平）能夠驅動高壓回路中的大功率IGBT器件，輸出我們需要的SPWM電壓。

驅動模塊輔助功能還包括：對IGBT進行短路、過流、欠壓監測和保護。當負載或功率單元一旦出現短路、過流、欠壓等方面的故障，驅動模塊將故障信號上傳到主控系統，主控系統的微處理器將根據故障類型進行辨別處理后，發出命令使驅動模塊停止工作，禁止該功率單元的輸出。與此同時主機中故障處理控制邏輯還會根據故障類型進一步判斷系統是否發生真正的故障，以便系統采取報警停機或繼續運行，以保護變頻器與配電系統的安全，不至于造成更大的故障和經濟損失。

圖2 變頻器功率單元圖

2.3 輸入變壓器

NZX-（H）系列高壓變頻器的輸入側變壓器采用移相式變壓器，其電氣原理圖如圖4所示。變壓器原邊繞組為10kV，副邊共十八個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分別有±5°、±15°、±25°移相角度，每個繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進行隔離降壓，使得輸入側功率因數在0.96以上，不會對電網造成超過國家標準的諧波干擾。

3 改造方案

變頻器退出運行后，為了不影響生產，確保系統正常工作，配置了工頻旁路。當變頻器出現故障時，將電機投切到工頻下運行。整個系統由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜、1臺變壓器柜、1臺旁路柜、1臺電機及1臺送風機組成，圖5為送風機變頻方案示意圖。

圖5中共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用機械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統實現電氣連鎖，避免系統誤操作。當QS1、QS2閉合，QS3斷開時，電機運行在變頻狀態；當QS1、QS2斷開，QS3閉合時，電機工頻運行，此時高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。

3.1 現場工藝簡介

我公司生產粉磨的工藝流程是：

電動機通過減速機帶動球磨機轉動，物料從下料口落到球磨機中，受到鋼球和鋼段的沖擊和研磨。經選粉機分離，成品隨氣流被輸出球磨機，在系統的收塵裝置中收集下來，而粗粉返回到球磨機中重新粉磨。收塵風機的轉速（收塵器所需風量）主要由管磨機內工藝情況（產量及粉的細度）決定。

圖3 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形

圖4 移相變壓器電氣原理圖

3.2 礦渣微粉生產工藝圖

3.3 收塵風機系統控制方案

（1）主回路方案

工作原理：變頻器為一拖一配置，即1臺變頻器拖動1臺電機。變頻器高壓進線端直接接于10kV電壓等級的主動力電源，輸出側直接連接電機。QF1為用戶現場高壓斷路器，為了實現對變頻器故障保護，變頻器與QF1的合、分閘回路實現連鎖，只有變頻器控制系統正常才允許QF1合閘，如果變頻器出現故障則跳開QF1。

（2）控制回路方案

按照用戶要求,變頻器可以根據用戶反饋的風壓信號來調節風機的風壓，也可以與用戶的風門進行開、合聯動。

變頻器控制柜有“本機控制/遠程控制”選擇開關，可以方便地選擇本地操作或遠程操作，變頻器支持MODBUS、PROFIBUS、TCP/IP等協議及硬接線連接來實現遠程操作。本套系統與用戶中控室DCS采用硬接線連接的方式，即DCS給變頻器發啟動、停止指令及一路頻率給定信號，變頻器反饋給DCS“備妥”、“運行”、“報警”、“故障”四路開關量信號及“電機轉速”、“電機電流”兩路模擬量信號。變頻器概略圖見圖7。

3.4 節能效果分析

（1）變頻器參數

型號：LPMV-10/630；輸入電壓：10kV；額定電流：46A；額定功率：630kW。

（2）電機參數

額定功率：630kW；額定電壓：10kV；額定轉速：985r/min；額定電流：45A。

3.5 節能計算

通過流體力學的基本定律可知，風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即：流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。

根據風機工作特性可知，原來的系統采用擋板調節時，風機工作點將由A沿曲線向B點移動；目前的系統采用電機轉速調節時，風機轉速由n0調整為n'時，風機工作點將由B點降至C點，因此采用高壓變頻器調速，其節電量如圖8所示。

根據工藝要求，收塵風機的電機轉速降為額定轉速的80%時，調速系統（變頻器＋電機）從電網側吸收功率約降為額定轉速時的51%，即0.83×62%≈51%。因此若工藝要求收塵系統風量下降即收塵風機轉速下降，節能效果將十分明顯。

4 變頻改造對系統產生的效果

通過對收塵風機的變頻節能分析測算可知，設備進行變頻改造后，具有顯著的經濟效益，并且在其他方面也產生了一些顯著的影響：

（1）采用變頻調節后，系統實現了軟啟動，電機啟動的電流只是額定電流，啟動時間相應延長，對電網和變壓器無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效延長了電機的使用壽命。

圖5 送風機變頻方案示意圖

圖6 礦渣微粉生產工藝圖

圖7 變頻器概略圖

圖8 采用高壓變頻器調速后節電量

（2）變頻改造前，風量的調節要靠調整擋板的開度來完成，一次風量的改變通常要反復調節多次才能完成。變頻改造后，電機轉速的改變只要在DCS設定即可，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，風量調節更平穩、精確。

（3）收塵風機改變頻后，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＜4%。

（4）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＜1%，上述指標均滿足IEEE-519國際電能質量諧波標準要求。

（5）該變頻器為電壓源型結構，功率因數可高達0.95。

（6）廠房設備噪聲污染大大降低。

5 結語

從2012年9月份投入試運行，在變頻節能設備運行過程中運行穩定，節電明顯，設備起動平和，對電網沒有沖擊。主風機軸承、電動機軸承的溫度由原來的60～70℃降到＜30℃，延長了機械的使用壽命，降低了維修率，提高了設備的過流、過壓、過載、高溫等智能保護。從2013年3月19日開始正式運行至今，已經多次用電度表做出了節電對比，結論是節電率53.2%。我公司在我國北方，按一年生產10個半月計，12個月即可回收投資，效果顯著。■