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1引言

變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善設(shè)備的運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。而通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對(duì)象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗。隨著當(dāng)今社會(huì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)這類負(fù)載進(jìn)行改造，成為社會(huì)的潮流。
2用戶簡(jiǎn)介

四川某礦業(yè)有限公司是一家股份制民營(yíng)企業(yè)，是我國(guó)西部地區(qū)設(shè)備、工藝和技術(shù)較先進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量較好、生產(chǎn)能力較大、銷量較大的鉛鋅生產(chǎn)企業(yè)之一。該公司有一個(gè)羅茨鼓風(fēng)機(jī)，用于焙燒爐供氣，焙燒爐正常生產(chǎn)時(shí)，需要保持空氣壓力為13kPa左右。但考慮到開爐及處理異常情況時(shí)的工藝要求，所選風(fēng)機(jī)的富裕量達(dá)50%左右。由于羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量余量很大，正常工作時(shí)，隨著爐子的產(chǎn)量和鋅礦石成分的變化，風(fēng)機(jī)的工況也須調(diào)整。為了調(diào)節(jié)送風(fēng)量，采取在送風(fēng)管上放風(fēng)，大量空氣排空，風(fēng)機(jī)放空噪音很大，嚴(yán)重影響了周圍居民的生活。
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，該礦采取各種措施降本增效。眾所周知，羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓是不受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制的，不論轉(zhuǎn)速變化如何其風(fēng)壓可以保持基本不變。而風(fēng)量則與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的，即Q＝KN，Q：表示風(fēng)量，N：表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，K：為系數(shù)。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其節(jié)電率與轉(zhuǎn)速降成正比即N％=△N％，雖然不同于一般風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)電率更高，但因它的功率較大，而且連續(xù)24小時(shí)工作的，開動(dòng)時(shí)間亦很長(zhǎng)。因此節(jié)電潛力大，節(jié)電效果明顯。

該公司領(lǐng)導(dǎo)基于降低生產(chǎn)成本和降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪音兩方面考慮，決定選用變頻器對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。經(jīng)過招標(biāo)，決定采用新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-450F （450kW/10kV）高壓變頻器對(duì)羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速改造。
現(xiàn)場(chǎng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1、表2所示。

3 新風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。
(2)矢量控制技術(shù)，通過測(cè)量和控制交流電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)。
(3)快速飛車啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。在變頻器受到負(fù)載沖擊保護(hù)后可對(duì)其自動(dòng)復(fù)位，然后再自動(dòng)啟動(dòng)，即可避免重要場(chǎng)合（如水泥廠高溫風(fēng)機(jī)）變頻保護(hù)停機(jī)造成的損失?？焖亠w車啟動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運(yùn)行。
(4)工頻/變頻無擾切換技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程不會(huì)對(duì)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。
(5)電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟，可提供最長(zhǎng)60s的等待時(shí)間。
(6)線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
(7)振蕩抑制技術(shù)，電機(jī)輕載或者空載的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時(shí)電流幅值波動(dòng)很大，電流的振蕩有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)檫^流或過壓而觸發(fā)保護(hù)。新風(fēng)光公司采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。
(8)多機(jī)主從控制技術(shù)，變頻器具備主從控制功能，多臺(tái)變頻器之間可通過數(shù)據(jù)總線組成主從控制網(wǎng)絡(luò)。將其中的一臺(tái)設(shè)為主機(jī)，其他設(shè)為從機(jī)，主機(jī)實(shí)時(shí)采集各從機(jī)的狀態(tài)信息，同時(shí)發(fā)送給各從機(jī)頻率、轉(zhuǎn)矩指令，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術(shù)適用于皮帶機(jī)、摩擦式提升機(jī)等需要功率平衡控制的場(chǎng)合。
(9)輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測(cè)各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能。避免電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。
(10)故障單元熱復(fù)位技術(shù)，若單元在運(yùn)行中故障，且變頻器對(duì)其旁路繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)可在運(yùn)行中對(duì)故障單元進(jìn)行復(fù)位，不必等變頻器停機(jī)。

(11)單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。
(12)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
(13)限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)。
(14)多種控制方式，可選擇本機(jī)控制、遠(yuǎn)控盒控制、DCS控制支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議頻率設(shè)定可以現(xiàn)場(chǎng)給定、通訊給定等支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能。
4 高壓變頻器主回路控制方案

高壓變頻器設(shè)備安裝在風(fēng)機(jī)值班室內(nèi)，原高壓柜至電機(jī)的高壓電纜用做改造時(shí)電機(jī)至變頻器連接電纜，變頻器至高壓柜電纜重新敷設(shè)，同時(shí)敷設(shè)集控室至高壓變頻器的控制電纜用于變頻器的遠(yuǎn)程控制，采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)及信號(hào)反饋。此外還需敷設(shè)一根高壓柜至變頻器的控制電纜，用于高壓柜合閘允許和高壓柜緊急分閘控制。
一次接線如圖1所示。

圖1 手動(dòng)旁路柜

圖1旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。
旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時(shí)，絕對(duì)不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘?hào)與旁路柜“變頻投入”信號(hào)串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。保護(hù)：保持原有對(duì)電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。
5羅茨鼓風(fēng)機(jī)改造運(yùn)行情況

羅茨鼓風(fēng)機(jī)高壓變頻器一次正式投入運(yùn)行，至今運(yùn)行正常兩年。改造達(dá)到了預(yù)期目的。羅茨鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)電流大大減小，風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲大大降低。變頻運(yùn)行后，送風(fēng)管上防風(fēng)管關(guān)閉，根據(jù)焙燒爐生產(chǎn)量的大小，隨時(shí)調(diào)節(jié)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小，滿足生產(chǎn)沸騰爐的工藝要求，而且現(xiàn)場(chǎng)人員操作非常方便。
5.1節(jié)能計(jì)算

2015年6月該公司節(jié)能服務(wù)中心隨機(jī)對(duì)羅茨鼓風(fēng)機(jī)高壓變頻器進(jìn)行了測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表3，羅茨鼓風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)取0.8，電源電壓10.20kV，計(jì)算每小時(shí)耗電為：327.9kW。羅茨鼓風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)為0.97，變頻輸入電壓10.20kV，計(jì)算每小時(shí)耗電為：169.5kW。較工頻運(yùn)行時(shí)每小時(shí)節(jié)約電量158.2kW。每年運(yùn)行300d，每天運(yùn)行24h，那么年節(jié)約電量：158.2kW×24h×300d=113.9萬kW? h。

通過以上變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)，在與生產(chǎn)工況基本相同的工頻運(yùn)行相比，電機(jī)電流、消耗功率大大減小，節(jié)能效果是非常明顯的。
5.2間接效益
（1）有效地改善了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境。采用變頻調(diào)速后，大大減少了風(fēng)機(jī)管道震動(dòng)頻率和噪音。消除了風(fēng)機(jī)的旁路放空噪聲，解決了風(fēng)機(jī)擾民問題，改善了工人的工作環(huán)境。
（2）減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。由于采用了變頻調(diào)速技術(shù)，電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速平穩(wěn)，不存在啟動(dòng)電流沖擊，而且羅茨鼓風(fēng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)都處于相對(duì)額定轉(zhuǎn)速較低的轉(zhuǎn)速上，因而其零部件的機(jī)械磨損減少，降低了維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)使用壽命。
（3）改變了過去以調(diào)節(jié)出口空氣排放方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量的生產(chǎn)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度減輕，調(diào)節(jié)的及時(shí)性好，提高了產(chǎn)品的合格率。
6 結(jié)束語

該羅茨風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造之后，不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果，降低了噪音，并且提高了企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的越來越重視，企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本，其中變頻技術(shù)起到了重要作用。
參考文獻(xiàn)