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高壓變頻器在改造中的應用

作者: 時(shí)間:2011-09-08 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

1 引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,電氣傳動(dòng)技術(shù)正經(jīng)歷著(zhù)比較大的革新。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域大量使用的高壓感應異步電動(dòng)機,已經(jīng)由傳統的改變其它機械環(huán)節的控制方法,改造為直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法,進(jìn)行速度調節和位移控制,從而可以提高生產(chǎn)工藝,降低能源消耗。特別是在當今面臨能源危機的條件下,節能降耗不僅有近期的直接經(jīng)濟效益,更有長(cháng)遠的社會(huì )效益。

采用新型高壓大功率電力電子器件構造的直接“高-高”式變頻器,具有結構簡(jiǎn)單,工作可靠的特點(diǎn),有很好的調速和起動(dòng)與制動(dòng)性能。由于采用不控整流和全控器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)調制,具有輸入側高功率因數、整裝置優(yōu)良的控制性能和高的運行效率。特別是通過(guò)改變送給電動(dòng)機的電流的頻率,在很寬的轉速范圍內進(jìn)行高效率的轉速調節,可以取得很好的節電效果,在風(fēng)機和水泵的節能改造上已經(jīng)得到廣泛證實(shí)。

2 的系統組成和原理

為直接高-高結構,不需輸出升壓變壓器,輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式,其主電路結構如圖1所示。

具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數高、效率高等特點(diǎn),對電網(wǎng)諧波污染小,總體諧波畸變THD小于4%,直接滿(mǎn)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(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題,不必加輸出濾波器,就可以使用普通的異步電機。

2.1 功率單元

AMB-HVI系列高壓變頻器每相由六個(gè)的功率單元串聯(lián)而成。各功率單元具有完全相同的結構,有互換性。每個(gè)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(shí)還包括驅動(dòng)、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(guò)控制IGBT的工作狀態(tài),輸出PWM電壓波形。每個(gè)功率單元額定輸出電壓為580V,串聯(lián)后輸出相電壓3480V,線(xiàn)電壓達到6kV。

圖2變頻器功率單元圖

AMB-HVI系列高壓變頻器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù),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(kāi)一定電角度,實(shí)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(gè)電平臺階只有單元直流母線(xiàn)電壓大小,所以dv/dt很小,功率單元采用較低的開(kāi)關(guān)頻率,以降低開(kāi)關(guān)損耗,但輸出波形的等效開(kāi)關(guān)頻率可以達到單元開(kāi)關(guān)頻率的6倍,且輸出電平數增加,輸出相電壓為13電平,線(xiàn)電壓為25電平,電平數和等效開(kāi)關(guān)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。

圖3高壓變頻器的輸出電壓和電流波形


2.2 IGBT驅動(dòng)原理

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

驅動(dòng)模塊輔助功能還包括:對IGBT進(jìn)行短路、過(guò)流、欠壓監測和保護。當負載或功率單元一旦出現短路、過(guò)流、欠壓等方面故障,驅動(dòng)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(lèi)型進(jìn)行辨別處理后,發(fā)出命令使驅動(dòng)模塊停止工作,禁止該功率單元的輸出。與此同時(shí)主機中故障處理控制邏輯還會(huì )根據故障類(lèi)型進(jìn)行更進(jìn)一步判斷,以決定系統是否發(fā)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更大的經(jīng)濟損失。

2.3 輸入變壓器

AMB-HVI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6kV,副邊共十八個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法,分別有±5o、±15o、±25o移相角度,每個(gè)繞組接一個(gè)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(jìn)行隔離降壓,使得輸入側功率因數在0.96以上,不會(huì )對電網(wǎng)造成超過(guò)國家標準的諧波干擾。

圖4移相變壓器電氣原理圖

3 改造方案

考慮到變頻器退出運行后,為了不影響生產(chǎn),確保系統正常工作,配置工頻旁路,當變頻器出現故障時(shí),將電機投切到工頻下運行。整個(gè)系統由1臺高壓變頻柜、1臺控制柜、1臺變壓器柜、一臺旁路柜、一臺電機及一臺送風(fēng)機組成,下圖為送風(fēng)機變頻方案示意圖。

圖5送風(fēng)機變頻方案示意圖

圖5中共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān),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(shí)現電氣連鎖,避免系統誤操作。當QS1、QS2閉合,QS3斷開(kāi)時(shí),電機運行在變頻狀態(tài);當QS1、QS2斷開(kāi),QS3閉合時(shí),電機工頻運行,此時(shí)高壓變頻器從高壓中隔離出來(lái),便于檢修、維護和調試。

在變頻改造以前,風(fēng)機均采用調節風(fēng)板開(kāi)度的方式控制鍋爐進(jìn)風(fēng)量,由于其電機裕量較大,因而電能的浪費特別嚴重,同時(shí)由于頻繁的對風(fēng)板進(jìn)行操作,導致風(fēng)板的可靠性下降,影響機組的穩定運行。且電機工頻起動(dòng)特別困難,起動(dòng)電流大,對電網(wǎng)沖擊較大,并造成電機籠條松動(dòng)、有開(kāi)焊斷條的危險。一般起動(dòng)后不允許停機。

進(jìn)行變頻改造后,風(fēng)機的風(fēng)板開(kāi)度保持全開(kāi),基本不需要改變,根據實(shí)際所需的風(fēng)壓,由DCS系統通過(guò)PID調節計算,輸出4~20mA模擬電流信號發(fā)給變頻器,通過(guò)調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速,達到調節送風(fēng)量的目的,滿(mǎn)足運行工況的要求。

同時(shí),進(jìn)行變頻改造后電機在啟動(dòng)和調節過(guò)程中,轉速平穩變化,電流沒(méi)有任何沖擊,解決了電機啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題,消除了大啟動(dòng)電流對電機、傳動(dòng)系統和主機的沖擊應力,大大降低日常的維護保養費用。

4 天山水泥廠(chǎng)節能效果分析

天山水泥廠(chǎng)五臺風(fēng)機經(jīng)過(guò)變頻改造后提高了運行的自動(dòng)化程度,降低了大量電能損耗,較大程度地降低了運行成本,取得了較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益,具體節能分析如表1所示。

循環(huán)風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-3550KVA/10)

高溫風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-2500KVA/10)

收塵風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-800KVA/10)

磨煤風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-630KVA/10)

窯頭風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-500KVA/10)

表1

長(cháng)強鋼廠(chǎng)、揚子水泥、聯(lián)勤不銹鋼、重慶富凰節能效果分析

長(cháng)強排粉機(變頻器型號AMB-HVI-500KVA/10)

揚子風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-1250KVA/10)

聯(lián)勤燒結風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-2000KVA/10)

聯(lián)勤高爐風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-1250KVA/10)

富凰引風(fēng)機(變頻器型號AMB-HVI-450KVA/6)

表2

5結論

上述各廠(chǎng)風(fēng)機經(jīng)過(guò)變頻改造后,節約了大量的電能,改善了工藝過(guò)程,電機實(shí)現了軟啟動(dòng),延長(cháng)設備的使用壽命,減少維修量;電機的振動(dòng)情況得到了改善,取得了預期的效果。

中高壓變頻調速系統是實(shí)施有效節能的重要裝備,是國家當前社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的急需,在加快建設節約型社會(huì )的歷史進(jìn)程中,我們必將迎來(lái)一個(gè)高壓變頻調速技術(shù)發(fā)展和推廣應用的時(shí)代





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