高壓變頻調(diào)速器在化工廠主風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

1、引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，加上能源供應(yīng)緊張和能源價(jià)格不斷攀升，企業(yè)采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，已是大勢(shì)所趨。因此，化工廠對(duì)給主風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改造，改用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

某化工廠有一臺(tái)6300kW/10kV主風(fēng)機(jī)，電機(jī)啟動(dòng)方式采用水電阻啟動(dòng)。工藝要求的風(fēng)量根據(jù)進(jìn)料量進(jìn)行調(diào)節(jié)，沒有全負(fù)荷生產(chǎn)，若生產(chǎn)量大，進(jìn)風(fēng)口擋板開大。根據(jù)產(chǎn)量高低，風(fēng)門開度僅控制在30~35%左右。由于采用進(jìn)風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)，大部分的能量都被消耗在擋板上了，且擋板的開度越小則耗能就更多。

2、主風(fēng)機(jī)變頻改造方案

2.1 變頻器選型

一般情況下，變頻器容量應(yīng)不小于電動(dòng)機(jī)容量，這樣能滿足電機(jī)在額定出力內(nèi)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工作中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況來選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設(shè)施。主風(fēng)機(jī)電機(jī)為10kV/6300kW電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)存在一定裕量。為了滿足50Hz時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行要求，我們?yōu)槠渑鋫淞巳萘繛?000kVA的變頻器以滿足各種工況下不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。

2.2 系統(tǒng)方案

對(duì)熱電廠給水泵變頻的改造遵循了“最小改動(dòng)，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”原則，考慮到變頻器退出運(yùn)行后，為了不影響生產(chǎn)，確保系統(tǒng)正常工作，配置工頻旁路，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將電機(jī)投切到工頻下運(yùn)行。

變頻器一次回路由2個(gè)高壓真空斷路器QF1～QF2和原有設(shè)備組成。10kV電源經(jīng)高壓斷路器QF1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)真空斷路器QF2送至電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行；10kV電源還可經(jīng)原有水電阻啟動(dòng)裝置直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行。QF2與原有水電阻啟動(dòng)裝置電氣閉鎖，旁路柜系統(tǒng)滿足“五防”聯(lián)鎖要求。高壓開關(guān)QF11、原有水電阻啟動(dòng)裝置與電動(dòng)機(jī)為原有設(shè)備。

3、 高壓變頻器的組成和原理

高壓變頻器是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，無電網(wǎng)污染的調(diào)速系統(tǒng)，采用的結(jié)構(gòu)為多單元串聯(lián)，輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風(fēng)機(jī)、泵類工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，已經(jīng)被廣大工業(yè)用戶接受和充分認(rèn)可。本項(xiàng)目為10kV系列，變頻器主電路結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 高壓變頻器主電路原理圖

3.1 功率單元電路

圖3 功率單元電路原理圖

每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，為基本的交-直-交電路，圖中通過三相全橋方式整流，整流后給濾波電容充電，確定母線電壓，通過對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現(xiàn)逆變。

　

3.2輸入側(cè)移相變壓器

　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，每個(gè)功率單元都承受電機(jī)電流、1/10的相電壓、1/30的輸出功率。30個(gè)單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。

　　本機(jī)中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成60脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)測(cè)輸入電流總諧波成分小于3%,低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.3輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

　　輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖5所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

4、節(jié)能分析

電動(dòng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)：PN=6300kW，UN=10kV，IN=416.4A，cosφ=0.85，η=0.95

且電機(jī)運(yùn)行情況為每天在150A運(yùn)行10小時(shí)，200A運(yùn)行10小時(shí)，300A運(yùn)行4小時(shí)。

電機(jī)運(yùn)行在150A時(shí)節(jié)約電能為：

未改造前，系統(tǒng)輸入功率為：

P1=UNI cosφ=×10×150×0.85=2208.3(kW)

當(dāng)實(shí)際運(yùn)行電流I=150A時(shí)，由于負(fù)載率β= P/PN=UNI cosφη/PN

則我們可以通過運(yùn)算得到風(fēng)機(jī)的負(fù)載率β=1.732×10×150×0.85×0.95/6300=0.333=33.3%。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下利用風(fēng)門開度調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，33.3%的負(fù)載時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量約為33%左右。

進(jìn)行變頻調(diào)速改造后，風(fēng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n=33%n0

風(fēng)機(jī)消耗功率P2=PN×（n/ n0）3=6300×0.333=226.4（kW）。考慮到變壓器及變頻器功率器件等做功引起的電能損耗約20%，即：

P2 = P2×1.2=271.68（kW）

風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后，功率節(jié)約為：

P1－P2=2208.3-271.68=1936.62（kW），即每小時(shí)可節(jié)電1936.62度；

同樣可得電機(jī)在200A及300A運(yùn)行時(shí)每小時(shí)節(jié)約電能為2304.4度及2243.13度。故每天節(jié)約電能為：1936.62*10＋2304.4*10＋2243.13*4＝51382.72度

若按全年統(tǒng)計(jì)，節(jié)能效果非常顯著。同時(shí)，主風(fēng)機(jī)的無功耗能亦大幅降低，這里不再一一計(jì)算。并且變頻運(yùn)行后擋板全開，電機(jī)基本保持在高效點(diǎn)，運(yùn)行效率也大大提高。

5、結(jié)論

對(duì)某化工廠主風(fēng)機(jī)實(shí)施了變頻改造后，節(jié)約了大量的電能，改善了工藝過程，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少維修量，取得了預(yù)期的效果。

中、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是實(shí)施有效節(jié)能的重要裝備，是國(guó)家當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的急需，在加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的歷史進(jìn)程中，我們必將迎來一個(gè)高壓變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用的時(shí)代。

4、節(jié)能分析

電動(dòng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)：PN=6300kW，UN=10kV，IN=416.4A，cosφ=0.85，η=0.95

且電機(jī)運(yùn)行情況為每天在150A運(yùn)行10小時(shí)，200A運(yùn)行10小時(shí)，300A運(yùn)行4小時(shí)。

電機(jī)運(yùn)行在150A時(shí)節(jié)約電能為：

未改造前，系統(tǒng)輸入功率為：

P1=UNI cosφ=×10×150×0.85=2208.3(kW)

當(dāng)實(shí)際運(yùn)行電流I=150A時(shí)，由于負(fù)載率β= P/PN=UNI cosφη/PN

則我們可以通過運(yùn)算得到風(fēng)機(jī)的負(fù)載率β=1.732×10×150×0.85×0.95/6300=0.333=33.3%。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下利用風(fēng)門開度調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，33.3%的負(fù)載時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量約為33%左右。

進(jìn)行變頻調(diào)速改造后，風(fēng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n=33%n0

風(fēng)機(jī)消耗功率P2=PN×（n/ n0）3=6300×0.333=226.4（kW）。考慮到變壓器及變頻器功率器件等做功引起的電能損耗約20%，即：

P2 = P2×1.2=271.68（kW）

風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后，功率節(jié)約為：

P1－P2=2208.3-271.68=1936.62（kW），即每小時(shí)可節(jié)電1936.62度；

同樣可得電機(jī)在200A及300A運(yùn)行時(shí)每小時(shí)節(jié)約電能為2304.4度及2243.13度。故每天節(jié)約電能為：1936.62*10＋2304.4*10＋2243.13*4＝51382.72度

若按全年統(tǒng)計(jì)，節(jié)能效果非常顯著。同時(shí)，主風(fēng)機(jī)的無功耗能亦大幅降低，這里不再一一計(jì)算。并且變頻運(yùn)行后擋板全開，電機(jī)基本保持在高效點(diǎn)，運(yùn)行效率也大大提高。

5、結(jié)論

對(duì)某化工廠主風(fēng)機(jī)實(shí)施了變頻改造后，節(jié)約了大量的電能，改善了工藝過程，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少維修量，取得了預(yù)期的效果。

中、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是實(shí)施有效節(jié)能的重要裝備，是國(guó)家當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的急需，在加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的歷史進(jìn)程中，我們必將迎來一個(gè)高壓變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用的時(shí)代。