河南省周口市鼓風機廠
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風機的高壓變頻調速系統的選型及其應用

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發表時間:2020-06-29 00:00

周口風機廠的小編為大家帶來風機的高壓變頻的選擇方法。


1.企業中擁有眾多拖動風機、泵類負載的大型高壓電動機,其中大部分都運行在通過風門或閥門調節流量的節流狀態,造成大量能源浪費,存在巨大節能空間;對該類高壓電機進行調速改造,不僅可大幅降低電能消耗,而且可提高設備自動化水平,改善設備運行狀態,節約設備維修費,并可改善工藝控制效果,是一條節能降耗的重要技術途徑。

2.本項目技術改造為高壓變頻調速技術在貴州某年產130萬噸大型氧化鋁廠3#熟料窯5#、6#排煙風機上的應用。5#、6#排煙風機為高壓異步電動機拖動,啟動方式為直接啟動,恒速運轉,生產中根據工藝需求通過調節風門開度調節風機的送風量,以便將爐窯內的燃燒狀況控制在最佳水平。長期以來,不論爐窯內處于何種燃燒狀況,產生的煙塵大小等風機均全速運行。采用入口擋板風門開度調節,效率低、功率大、造成大量的電能浪費。通過采用高壓變頻調速技術取代傳統的風門擋板風量調節技術,在保證設備正常運行的情況下降低了風機的用電量,節約了生產成本。進行變頻改造以后,將進口擋板的開度開到最大,風量的調節根據生產需求通過調節電機的轉速來實現,使風機處于最佳節能運行狀態,從而達到了節電的目的。變頻改造后還為風機、電機以及各種管道附屬設備提供多項保護措施,從而延長設備使用壽命。

風機技術改造背景

近年來,隨著電力電子器件、控制理論和計算機技術的迅速發展,高壓變頻技術逐漸成熟,同時變頻器的價格不斷下降,可靠性不斷增強,大幅拓寬了工藝控制對變頻調速的要求。最近十年外省發達地區高壓大容量變頻器已經在冶金、電力、石化等行業得到廣泛應用,節能效果非常顯著。但在我省應用很少,因此采用高壓變頻裝置對大型用電設備進行改造成為我省企業節能降耗,提高設備自動化程度和競爭力的重要技術措施之一。為此,08年該公司北京總部將“高壓變頻調速技術在氧化鋁工業上的應用”項目確定為重大科技成果產業化和推廣應用項目,在各省分公司進行產業化試驗,周口風機廠08、09年共新裝或技改了18臺(套)高壓交流變頻調速裝置,為節能降耗做出了貢獻,也為我省企業針對高電壓、大容量風機、泵類的節能改造積累經驗,起到一定示范作用。


3. 性能要求

(1)變頻裝置應設以下保護:過電壓、過電流、欠電壓、缺相、短路、超頻、失速、變頻器過載、電機過載、半導體器件的過熱、瞬時停電等基本保護功能,必要時能聯跳輸入側開關。

(2)變頻裝置控制系統應可靠,重要元器件應冗余配置。變頻器應滿足本體面板控制、現場控制和主控室計算機(dcs)自動控制三地控制功能及轉換。且變頻器本體柜操作盤應能進行相關的各種控制操作和參數設置,顯示面板具有電流、電壓、頻率、功率、功率因數、開、停、故障顯示及故障記憶等基本功能顯示。

(3)提供的變頻器支撐軟件宜為漢化的最新的正版軟件。變頻裝置應帶故障自診斷功能,能對發生的故障類型及位置提供中文指示,能在就地顯示并遠方報警。

(4)變頻裝置應能接受現有dcs或其它控制系統的指令,并反饋變頻器的主要狀態信號和故障報警信號,至少包含以下開關量和模擬量信號:

開關量輸入:起動、停止、手動/自動轉換信號。

開關量輸出:高壓準備就緒、變頻器運行、故障、停止信號。

模擬量輸入:頻率調節(轉速給定);dc 4~20ma標準信號。

模擬量輸出:輸出頻率、輸出電流;dc 4~20ma標準信號。

(5)變頻裝置的i/0可根據用戶的要求進行參數化,對開關量輸入回路在硬件上采取光電隔離措施,在軟件上采取消除接點抖動措施,并作好接地、屏蔽等抗干擾措施。對開關量輸出控制應具有光電隔離輸出,并能直接啟動任何中間繼電器;模擬量信號增加信號隔離器隔離。

(6)變頻裝置應具有與現有控制系統dcs或其它控制系統的通訊接口;能與現有控制系統dcs或其它控制系統共同完成兩系統間的通訊連接。

(7)變頻裝置內部通訊應采用光纖連接,以提高通訊速率和抗干擾能力;變頻器柜內強電信號和弱電信號應分開布置,以避免干擾。

(8)變頻裝置輸出電壓必須符合ieee519-1992及國標gb14549-93對諧波失真的要求。并且變頻器強弱電之間采用光纖隔離、鐵殼屏蔽,對本體控制系統就地控制柜無諧波影響。

(9)變頻器還必須滿足如下要求:

當6kv母線上最大1臺電動機啟動時,母線電壓降低,對變頻器運行無影響。變頻器自動降低轉速,維持運轉,等電壓恢復正常后再回到給定轉速;

變頻裝置的輸出頻率范圍為0.5~120hz;恒轉矩調速范圍為3~50hz;調速精度為0.01hz;最大瞬時啟動力矩為120%;間歇過載能力為120%(1min);每10min累計;150%時立即保護,50hz以上恒功率特性輸出;

變頻裝置欠壓保護動作值:允許電壓降落35%,保護時間可設定;

變頻器瞬時斷電再上電的能力:瞬時掉電時,變頻器自動降額運行,使輸出功率為零或為負,使電容上的能量維持較長的時間。如果掉電時間在20s內(掉電時間可根據現場需要修改),輸入電壓恢復正常后,重新提升輸出頻率至給定值,此過程由加減速時間控制;

變頻裝置動力電源與控制電源獨立設置,動力電源為變頻調速系統內部取電,控制電源由用戶提供單相220v交流電源;

變頻裝置功率元件型式:變頻調速系統功率元件采用igbt模塊;噪聲等級指標:系統運行噪聲《75db;控制技術:多級pwm控制。

(10)冷卻系統應可靠,平均無故障時間應≥變頻裝置本身。在一個風機出現故障時不影響變頻器的正常運行。報警信號應能遠傳到控制室,冷卻裝置應拆裝方便。

(11)其他要求:

變頻裝置的控制電源應配置ups不間斷電源;

變頻器、旁路開關、柜門之間必須具有防誤合閘、誤拉閘功能;

在旁路主回路中,為保證在旁路運行后,變頻器的檢修安全,變頻器電源進線、變頻器輸出出線必須加隔離開關,保證有明顯的斷開點,以滿足安全規范要求。

4 高壓變頻調速系統的選型及應用

對于6kv等級,目前主要有4種高壓變頻裝置:單元串聯多電平型、三電平型、igbt直接串聯型和電流源型。由于單元串聯多電平方式容易實現冗余運行,并且諧波小,dv/dt低,技術成熟,根據現場生產工藝情況,決定選用北京利德華福有限公司生產的harsvert-a06型高壓變頻器作為主件,該變頻調速系統具有諧波含量小,功率因數高、編程靈活、操作方便、模塊化結構、故障率低、維護方便、易維修等特點。對應每1臺風機設置1套高壓變頻調速系統,每套變頻調速系統包括高壓變頻器(由功率柜和控制柜組成)、高壓變頻器專用隔離變壓器、工頻/變頻旁路切換柜、電動機、風機及后臺控制系統構成。

4.1 系統主回路電氣原理圖

系統主回路電氣原理圖如圖1所示。

4.2 高壓變頻調速系統構成

harsvert-a06系列高壓變頻調速系統由移相變壓器、功率單元和控制器組成,有21個功率單元,每7個功率單元串聯構成1相。

4.3 功率單元結構

每個功率單元結構上是完全一致的,可以互換,其電路結構如圖2所示,為基本的交—直—交單相逆變電路,整流側為二極管三相全橋,通過igbt逆變橋進行正弦pwm控制。

4.4 輸入、輸出側結構

輸入側由移相變壓器給每個單元供電,移相變壓器的副邊繞組分為三組,構成42脈沖整流方式,這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形,使其負載下的網側功率因數接近1。

輸出側由每個單元的u、v輸出端子相互串接而成星(y)型接法給電機供電,通過對每個單元的pwm波形進行重組,可得到階梯pwm波形。

4.5 控制器

控制器核心由高速單片機來實現,控制器包括電源板、接口板、主控板、總線板、光纖板和功率模塊,控制器還包括內置的plc,siemens s7-200cn cpu226cn 1臺,模擬量i/o組合模塊em235cn 1塊,模擬量輸出模塊em232cn 3塊。

4.6 軟件控制界面

通過高壓變頻器的主界面可以完成變頻器的功能設定、參數設定、實時波形顯示、運行記錄打印、故障查詢。在主控界面可以對變頻器直接進行啟動、設定運行頻率、加速、減速、停機、急停和復位等操作。

在界面上還顯示運行頻率、電機速度、輸入電流、輸出電流、輸入電壓、輸出電壓等參數。

4.7 高壓變頻調速系統控制方式

(1)本機控制

如將高壓變頻器柜上的選擇開關處于本控位置,這時只能由變頻器操作,在操作面板上按啟動按鈕,直接給定頻率。

(2)遠程控制

如將高壓變頻器柜上的選擇開關處于遠控位置,則在上位機上給出啟動信號,并設定給定頻率。

5 技術改造后的技術與經濟效益分析

5.1 技術效能

(1)使用變頻器控制后能做到無沖擊平滑啟動(軟啟動),啟動電流小,避免了啟動沖擊造成的機械損傷和啟動電流大、時間長造成的電器發熱。

(2)風量控制由電機轉速控制,實現不同工況下的風量調節,易實現計算機閉環自動調節控制,避免了電機、排煙機在風量小時仍在額定轉速下工作。使設備在較小的電流、較低的轉速下工作,提高了設備的使用壽命,降低了故障率,同時提高系統效率。

(3)風機是典型的二次方律負載,負載功率(p)與轉速(n)的三次方成正比:p=kp×n3,只要電機的轉速(n)降一點,負載功率(p)就降很多,節電效果十分明顯,排煙機常在40~47hz的頻率下工作,改后比改前節電17%左右。

(4)改造前因故障停機引起的直接經濟損失每臺窯高達2.4萬元/h左右,自從改用變頻器控制以來電氣、機械故障明顯減少。

5.2 技術改造前后綜合對比

技術改造前后綜合對比如表3和表4所示。

5.3 風機高壓變頻調速系統應用情況

改造前,燒成窯的排煙風機平時開度處于50~80%,風機的節流損失很大,變頻改造后,初步統計,節電率達到17%,變頻改造后,風機啟動平穩,運行中震動減小,軸承溫度下降,對減少風機葉輪的積灰,延長清灰周期,提高設備的運行壽命等都起到一定作用。

5.4 經濟效益分析:

2(臺)×(6kv×35a-5kv×20a)×0.86(功率因數)×365(d)×24(h)×0.9(運轉率)×0.38(元/kw·h)=98.2萬元/年 可見,節電效益明顯。



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