合康高压变频器在2500td熟料生产线窑尾高温风机上的应用

一、前言        鲁南中联水泥有限公司原有两条2300t/d熟料生产线为国家的“七五”重点建设项目，由于运行20多年之久，设备已趋于老化，使得设备的维护量和维护成本不断增加，而且原燃材料消耗和电力消耗较高，致使生产成本逐年呈上升趋势。为响应国家节能减排之号召，我公司于2009年底对2#2300t/d熟料生产线进行改造。其主机设备均为目前高效能设备，而且许多风机均采用了高压变频器、低压变频器、软启动器等节能降耗电气产品，为2500t/d熟料生产线的高效低耗打下了坚实的基础。2300t/d熟料生产线原窑尾高温风机调速为液力耦合器调速，能耗较高，为提高生产效率降低消耗，通过综合比较我们选用了HIVERT高压变频器，还有生料系统循环风机，均采用了HIVERT高压变频器。 二、鲁南中联水泥有限公司简介        鲁南中联水泥有限公司的前身——鲁南水泥厂作为国家的“七五”重点建设项目始建于1987年，是全国水泥行业中首家通过ISO9001质量体系、ISO14001环境管理体系、ISO10012计量体系三项国际认证的企业。1999年成为中国建材集团水泥业务平台――中国联合水泥有限责任公司旗下的核心企业，2006年3月公司在境外上市，根据集团公司进一步发展需要，为统一品牌，统一管理模式，2007年1月1日更名为鲁南中联水泥有限公司，也是中国联合水泥山东运营管理区所在地。        公司在注重环境保护的前提下合理利用自然资源，崇尚“善用资源，服务建设”的发展理念，首家提出了“绿色水泥”的概念，充分利用科技手段，不断加强资源利用的科研工作，废渣替代粘土资源利用率100%，石灰石综合利用率98%以上；不断促进地方社会环境的改善，取得较好的经济效益和社会效益。

三、变频器应用的意义        水泥生产企业是国民经济生产中的能源消耗大户，它面临着节能降耗的艰巨任务，所以必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。在一个日产5000吨水泥熟料的水泥厂，全厂的风机装机容量约占全厂总装机功率的34.8~37.7%，耗电量约占整个厂用电量30%~40%，因此做好风机电动机的降耗增效工作就显得极为重要。         众所周知，风机的选型是按照满负荷状态设计的，而实际生产过程中由于工况和产量的变化，系统所需求的风量也随之变化，大部分风机采用调节进风口、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。如果利用变频调速技术改变设备的运行速度来调节风量的大小，既可以满足生产要求，又能达到节约电能的效果。 四、高压变频器的发展及选型 1、高压变频器的发展        随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。交流变频调速传动克服了直流电机的缺点，发挥了交流电机本身固有的优点（结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等），并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 目前，在国内有大量的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的中小功率产品，而能够研制、生产、并提供服务的高压变频器厂商，仅有少数的具备科研能力或资金实力的个别企业（如：合康亿盛公司）。随着国内高压变频器行业的迅速发展，国产主流高压变频器在功能、可靠性等方面已经达到国际水平，在成本和服务方面则占据很大优势，目前国产高压变频器占有率超过60%，极大的提高了我国工业的传动水平，促进了各个行业的变频节能改造。 2、变频器的选型 （1）电压等级        我国高压电机常用电压等级为6kV和10kV，另有少量3kV等级的高压电机。绝大部分的高压变频器输入都有一个隔离变压器，所以变频器输入电压通常能满足不同电网电压等级的要求。对于技改项目，本来电机工频运行，由于通常不会更换电机，加装变频器后，要求变频器的输出电压和电网电压一致。 （2）电压源型和电流源型         目前绝大部分的高压变频器均属于交直交型变频器，按中间直流环节所用储能元件的不同，可分为电压源型和电流源型。         电流源型变频器的优点是能量可以回馈电网，可以实现四象限运行。电源侧常采用三相桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较大，输入功率因数一般较低，电网电压波动较大时容易停机。         电压源型高压变频器由于采用二极管不可控整流，输入功率因数相对较高，且不易受电网电压波动的影响，在电网条件比较差的应用场合。 （3）对电网谐波污染和输入功率因数         对电网的谐波污染主要取决于整流电路的结构和特性，减少电网谐波污染的主要方式有两种：多重化整流和PWM整流。单元串联多电平高压变频器通常整流脉冲数较多，对电网谐波污染较小。为了减少对电网的谐波污染，电流源型变频器通常采用18脉冲整流。三电平电压源型变频器至少需要12脉冲以上，要求高时可采用24脉冲。 （4）输出波形及对电机适用性        输出谐波对电机的影响主要有：引起电机附加发热，导致电机的额外温升，电机往往要降额使用，谐波还会引起电机转矩脉动，噪音增加，所以检测波形应稳定、谐波少。 （5）节电率        如风机或水泵，应用变频器后节电率和变频器本身关系不大，主要由改造前变频器的运行工况决定。如原来挡板、阀门的开度等。 （6）旁路柜或切换柜（选配）        旁路柜或切换柜开关可根据用户工况要求选用隔离刀闸、真空接触器或两者的组合方式。        旁路柜的作用是在变频器退出运行后，将电机投入工频电网运行，保证生产的连续性。        切换柜的作用是将变频器输出切换到不同电机。 五、HIVERT高压变频器在调试期间出现的问题及处理 1、出现过流故障报警（跳车）        原因分析：窑尾废气通过高温风机给生料系统供风，由于高温风机出风管道比较长而且角度较大，致使窑尾废气中存在的灰尘附着在出风管道壁上，粉尘积攒到一定程度就会发生塌料现象，瞬间粉尘就会进入高温风机，增大了高温风机的负荷，甚至出现风机倒转，严重造成了点击堵转，致使高压变频器出现过流故障报警（跳车）。如图1a示意图所示。        解决措施：在高温风机出风管道中间位置开一孔，下面焊接一锥形管道，当附着在高温风机出风管道壁上的粉尘出现塌料时，粉尘就会通过管道进入地面小仓进行处理。如图1b示意图所示。

2、出现驱动单元故障        高温风机高压变频器资料：功率单元型号：HPU690/250D1P，额定电流：250A，没有旁路系统。高压变频器上电后运行1天左右有3个功率单元损坏，在变频器的位置为A4、B4、C4，其中一个单元C4内部的IGBT炸裂，另外两个功率单元没有器件损坏，上电调试正常。 原因分析：        C4单元IGBT上面吸收板的螺丝松动，与IGBT正-负极接触电阻增大，导致吸收板并没有起到吸收作用从而使C4单元IGBT被击穿而炸裂，怀疑是因为长途运输过程中导致的螺丝松动。        另外两个功率单元A4、B4驱动故障并不是器件损坏造成的，而是由于IGBT自身保护而动作，因为之前C4功率单元已经工作不正常导致三相输出不平衡，由此引起了电流的波动，而IGBT自身有电流异常保护功能，当电流很大、周期又很短时（此时的电流波动超过了变频器自身保护的反应时间，变频器来不及进行保护）如果超出了IGBT的最高限值，为了避免IGBT损坏，则会发出报警信号并自动封锁输出，因此引起了变频器的停机，但是变频器的故障类型还是驱动故障，其实IGBT并没有损坏。        解决措施：更换经过厂家做过检测试验的功率单元。 3、无故障现象和故障记录，电机跳车        原因分析：在设备运行过程中，当外来干扰信号特别是脉冲信号，对高压变频器造成干扰，致使高压变频器误动作而停车，即设备偷停。        解决措施：做好高压变频器信号线的接地，同时对DCS系统的输入输出信号线做好接地处理，减少因信号干扰造成的故障。

六、日常工作中应注意的几点问题 1、变频器应用的环境与散热问题         由于水泥生产现场粉尘较大，环境相对恶劣。作为电力电子设备，由于产生约3%～4%的损耗发热需要散热（一般采用风冷散热），所以高压变频器应加强防尘处理和日常维护，并定期进行吹灰除尘。 2、谐波干扰问题        谐波超标会使电网中的元件产生附加的谐波损耗，并将导致继电保护和自动装置的误动作，影响各种电气设备的正常工作。为避免控制干扰，高压变频器的控制线应采用屏蔽电缆且单端接地，在布线时与动力缆分设在不同的电缆桥架内。 3、风机工况发生变化负荷瞬间增大跳车问题        对风机不定期的尖峰负荷运行状况进行全方位、针对性的检测，消除风机工况发生变化负荷瞬间增大故障隐患，确保设备的平稳运行，这样降低了电机、风机设备的故障率。 七、改造后效益分析 1、直接效益：即改造后的节能分析。 （1）风机节电原理（如图2所示）：

       图中曲线L1为风机在转速N1工作时的特性曲线，曲线L2为风机在转速N2工作时的特性曲线，曲线L3、L4为管网的阻力曲线。        风机在转速N1工作时，风机运行在A点，风量为Q1，压力为H1，风机功率为PA=H1*Q1；如果生产工艺要求，风量需要从Q1减至Q2（用挡板调节），风机仍然按照速度N1运行，风压将上升至H3，风机工作点移至B点，风机功率为PB=H3*Q2。由于挡板的截流作用，管网阻力曲线由L3变为L4。虽然Q2＜Q1，但是H3＞H1，所以风机在A、B两点的功率变化不大。        如果风机风量不采用挡调节，这时管网阻力曲线保持L3不变，用改变风机转速来减少风量，风机按照速度N2运行，工作特性曲线为L2，风机工作在C点，风量仍然为Q2，压力为H2。相比B、C两点，风机减少的轴功率为：ΔP=PB-PC=（H3-H2）×Q2 在风道阻力特性不变的情况下，离心式风机的风量Q、压力H、轴功率P和转速N之间满足以下关系（相似定理）：Q∝N、H∝N2、P∝N3， 所以：Q1/Q2=N1/N2，H1/H2=(Q1/Q2)2，PA/PC=(Q1/Q2)3 通过以上关系式可以看出：通过调速方式改变风机风量，当风机风量下降到一半时，在不考虑效率的情况下，风机轴功率将下降87.5%（PA/PC=0.53=0.125，1-0.125=0.875），所以变频器在风机上的应用节能效果非常显著。 （2）节能量计算        排风机电机参数：额定功率1600KW，额定电压6000V，额定电流192.6A，额定转速1485r/min，功率因素0.88，风机电机在正常工频工作状态下的电流为160A。 风机在工频状态下的功率：P阀门=1.732UI阀门COSφ=1.732×6×160×0.88=1463.2KW 风机在变频调速状态下的功率：由转速与频率的关系式f/fe=n/ne，转速与功率的关系式P/Pe=(n/ne)3可得： P= Pe×（f/fe）3，变频器在正常工作时输出频率为40HZ，工频为50HZ，则：P变频=1600*（40/50）3=819.2 KW 则：P节=P阀门-P变频=644KW 节约资金（每日）：644×24×0.5×95%=7341.6元 注：按照高温风机95%的运转率进行计算，每度电电费按照0.5元计算。 2、间接效益：         高温风机采用高压变频调速控制后，除实现节能降耗经济效益外，其它方面的效益也是明显的： （1）延长了电机等设备的使用寿命。变频改造后，高压电机实现了软起动，起动电流大大减少，避免了起动电流对电网和电机的冲击，同时实现了生产对风量的自动控制，提高了设备自动化控制程度和设备运行的安全性、可靠性； （2）改善了工艺状况，调速精度得到保证，可以平滑稳定地调整风量风压，提高了生产效率，特别是使生产线设备利用率得到了保证，进一步提高了产量； （3）设备运行与维护费用下降，采用变频调节后维修费用减少近70%。 （4）高压变频器输入电流谐波含量小于国家标准要求的限制要求，功率因数可保证在0.95以上，再无需投资功率补偿设备，并可降低有关的设备投资与维护费用。 八、日常巡检与维护 1、运行数据记录，故障记录        每天要记录变频器及电机的运行数据，包括变频器输出频率，输出电流，输出电压等参数，与合理数据对照比较，以利于早日发现故障隐患。 变频器如发生故障跳闸，务必记录故障和跳闸时变频器的运行工况，以便具体分析故障原因。  2、变频器日常检查        每两周进行一次，检查记录环境温度，散热器温度；察看变频器有无异常振动，声响，风扇是否运转正常。 3、变频器保养        变频器每季度要清灰保养1次。保养要清除变频器内部和风路内的积灰，脏物，将变频器表面擦拭干净；仔细察看变频器内有无发热变色部位。 （1) 夏季温度较高时，应加强变频器安装场地的通风。确保周围空气中不得有过量的尘埃、酸、盐、腐蚀性及爆炸性气体； （2) 夏季是多雨季节，防止雨水进入变频器室，确保变频器安装的环境清洁干燥。 4、每次维护变频器后，要认真检查有无遗漏的螺丝及导线等，防止小金属物品造成变频器短路事故。特别是对电气回路进行较大改动后，确保电气连接线的连接正确、可靠。 九、合康亿盛公司现场服务        现场服务是服务企业与客户交流的终端，企业大量服务举措都是通过现场员工为顾客提供服务来实现的，现场服务水准的高低直接关系到企业的服务终端——现场服务，并对贯彻企业管理制度、提升企业竞争力有着直接影响。        合康亿盛公司作为国内高压变频技术研发和生产的龙头企业，非常重视其产品的质量和现场服务。现场服务中随时都有可能发生意想不到的事情，许多问题必须马上解决，此处所要强调的并非是对顾客抱怨的快速反应，而是当服务条件发生变化时，现场调试人员应当承担起“实时决断”的职责，快速处理突发事件。现场调试工程师就和电气运行人员一道进行值班，顾不得休息和劳累，以精湛的技术多次及时排除了出现的问题，体现了贵公司技术人员的快速反应能力和敬业爱岗的精神。        同时，针对高压变频器在高温风机应用上出现的问题，贵公司高度重视，专门派出了公司技术主管和我公司电气人员进行了技术培训和技术交流，使我公司电气人员不仅从理论上、实践上学到了很多，而且从贵公司技术人员“果断、迅速、高效”的敬业精神上获益匪浅，受到了我公司领导和员工的一致赞扬。合康亿盛公司做的不仅是产品，做的更是品牌，这也是为什么合康亿盛公司保持企业在行业中的领先地位的一个最好的诠释。 十、结束语        通过HIVERT高压变频器在我公司3个多月的实际运行情况来看，该设备运行比较稳定、调速操作简单、维护方便，给操作人员和维护人员带来了很大方便，在高产稳产、降低能耗和安全环保等方面发挥了很大作用，达到了设计预期效果，并创造了良好的经济效益，值得在新型干法水泥生产线上推广和使用。