HINV系列高压变频器在水泥生产线上的应用

0 引言

目前，全世界都在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻。面对这样的现实，国家相继出台了一系列的方针政策，颁布了《节能法》，号召全民动员把节能降耗的工作做好。节能改造是其中的途径之一。我国发电总量60豫以上是通过电动机消耗的，其中一半以上用于各种风机和水泵。然而早期的工业场合，传统的风机和水泵几乎全部采用风门挡板以及阀门调节，这样存在着严重的截流损耗。变频调速技术作为节约能源的一个重要手段应该大力推广，开发各种适合国情的调速装置成为许多学者和企业努力的方向。新疆屯河水泥有限责任公司正是在这种形势下，对旗下的屯河水泥沙湾五宫分公司的风机设备进行高压变频技术改造的。

1 基本概况

新疆屯河水泥有限责任公司被喻为新疆水泥行业的王牌，在新疆几乎家喻户晓。在广袤的新疆戈壁滩上，可看到屯河水泥旗下的分厂在整个北疆多处可见。沙湾五宫分公司是屯河水泥近年来的一个新厂，全厂有三条生产线，其中两条生产线是已经服役多年的老生产线，历经沧桑，几经大小多次维修，依然不能满足生产要求，由于设备老化机械松动造成经常停机检修。因此在2004 年新建了一条生产线，投入使用以来大大提高了水泥厂的生产能力。但是仍然存在常年运行中多次由于机械以及工艺影响导致停机停产的现象，同时也影响水泥的质量标准。2006年就多次因为生料磨系统风机的风门机械联动机构失灵乃至运行中无法正确调节风门挡板开度，造成能源的极大浪费;窑尾高温风机采用液阻调速装置，风门机械机构同样由于常年多次动作，开度最大只能在95%左右。而且液阻调速装置在电机启动完成后，正常运行中总是出现转速不稳定的现象，经常出现转速上下波动，从而导致电机轴震动超标，引起风道机械松动。

鉴于以上原因，经过多方调研考察，比较性价比，最终屯河水泥有限责任公司决定选用北京动力源科技股份有限公司生产的HINV 系列高压变频器对生料磨系统风机和窑尾高温风机进行变频技术改造。

2 HINV 系列高压变频器

2.1 电机及风机参数

高温风机、电机及运行数据如表1所列。

生料磨系统的风机、电机及其运行数据如表2所列。

2.2 变频器参数

2.3 变频器设计特点

匀陨晕灾系列是北京动力源科技股份有限公司自主研发生产的电压型高压变频器，采用36 脉冲以上的输入整流移相技术，正弦波孕宰酝调制方法，全中文操作界面，具有可靠性高，性能优越，操作简便等特点，具体设计特点如下。

1)HINV 系列变频器是采用了最新设计制造技术的产品，其内部元器件采用优质进口元器件，使用寿命长，系统设计最简化，提高了设备运行的可靠性，确保了整套变频器质量。

2)输入功率因数高，无须配置功率因数补偿装置。变频器的总谐波满足IEEE-519标准和GB/T14549/93《电能质量、公用电网谐波》标准的有关规定。

3)变频器内部采用PLC，易于使用，便于功能扩展。

4 )变频器在高压主电源完全失电200 ms内不停机。

5)变频器支持来电自启动及飞车启动功能。

6)高压主电源欠压达到65%时不停机，变频器自动降额运行，待电压恢复正常后再自动回到原来设定的速度。

7)变频器可以承受+10%~ -10%的电源波动，继续正常运行。

8)变频器控制电源使用交流380V和直流220V均可，并且变频器由自身的变压器二次侧提供备份控制电源，另外还配备有UPS 电源，充分保证了在控制电源发生故障时变频器仍可以继续运行，同时提供报警信号。

9)变频器电流过载时按反时限特性曲线控制。

10)变频器具有功率单元旁路技术，当某个功率单元发生故障时，变频器自动旁路运行，同时提

供报警信号。

11)如果发生控制变频器输出频率的模拟信号掉线或短路时，变频器保持原有输出频率不变(保位运行)，同时提供报警信号。

12)当变频器发生故障或需要检修时，采用旁路设计能以手动方式或自动方式(用户选购件)使电机转为工频运行，保证生产的连续进行。

13)变频器有过电压、过电流、欠电压、缺相、变频器过载、变频器过热、电机过载、输出接地、输出短路等保护功能，并提供联跳现场输入侧高压开关的接点。

14)变频器对故障按轻重缓急分级处理，智能选择报警、降额运行、紧急停机，变频器过载150%时立即保护停机。

15)变频器对输出电缆的长度没有限制，电机不受变频器共模电压及dv/dt 应力的影响。

16)变频器具有各种防止误操作的措施，如柜门具有保护连锁，变频/工频旁通开关组保护连锁，在变频器故障时提供跳掉高压电源的信号，紧急停车按钮等。

17)变频器配备汉字显示的液晶显示屏，可实现变频器参数设定和显示电机电压、电流、频率等状态参数，变频器具有很强的故障诊断能力和精确的故障定位能力，当有故障发生时，在液晶显示屏上显示故障位置、类别，使故障点一目了然。

18)根据现场实际和用户要求，可就地控制，也可远程阅悦杂控制。

2.4 变频器系统结构

变频器系统结构如图1 所示。

变频器内部是由24 个功率单元组成，每8个单元为一组，分别对应高压回路的三相电压，由移相隔离变压器供电。[!--empirenews.page--]

2.5 功率单元

功率单元内装有三相整流桥，滤波电容和用于逆变的功率器件IGBT以及控制板件，结构如图2 所示。单元控制板由驱动电路、检测保护电路和光纤通讯等电路组成，单元控制电源为单元控制板提供工作电源。

HINV 系列高压变频器输出为多电平叠加的SPWM 电压，如图3 所示，dv/dt 低，电动机正弦性好，不需要增加外部输入输出滤波器，不增加电动机的转矩脉动，不损坏电动机。

2.6 变频系统主回路

变频系统主回路简图如图4 所示。10 kV 电源从高压柜经输入刀闸QS1 到高压变频调速装置，变频装置输出经出线刀闸QS2 送至电动机。

10 kV 电源还可以经旁路刀闸QS3 直接起动电动机。变频装置的输出刀闸QS2 和旁路刀闸QS3 互相闭锁，即QS2和QS3不能同时闭合。变频运行时，断开QS3，闭合QS2 和QS1;工频运行时，断开QS2 和QS1，闭合QS3。当变频装置出现故障时，立即断开出线刀闸QS2和进线刀闸QS1，将变频装置隔离，闭合旁路刀闸QS3，在工频电源下起动电机。

2.7 二次回路及控制

控制系统由光纤板，信号板，主控板，PLC 和人机界面组成，用户提供220 V或380 V电源。控制系统与功率单元之间采用光纤通讯，实现了强弱电之间的光电隔离;PLC 用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和模拟信号的逻辑处理;

内置PLC 控制器配置有可编程的32 个开关量输入端子和24 个开关量输出端子，可以通过外接的计算机，使用PLC软件编程器进行梯级命令编程、设置和调试;还配有6 个模拟输入端子和5 个模拟输出端子，实现4耀20 mA 电流信号和0耀10 V的电压信号的输入/输出。

3 风机调速改造的节能原理分析

风机的流量，运行压力，吸收轴功率这三个基本参数与转速间的运算关系极其复杂，同时风机类负荷随环境变化参数也随之变化，在工程中一般根据风机的运行曲线，进行大致的参数运算。

为了获得适当的流量以满足运行工况的需要，最初采取变阀调节的方法(现在仍有大量的泵与风机在使用这种方法控制流量)。

所谓“变阀调节”，就是通过改变泵的出口阀门或风机风门的开启程度来调节泵与风机的流量，有的称为“节流调节”。如图5所示，通过控制阀门的开启程度，改变管道阻力特性曲线，产生新的管道阻力特性曲线OE，同时，不改变泵与风机的压头、流量特性曲线，工作点由A 沿特性曲线移动到B，流量由q1 降到q2，压头由h1 升至h2，这种方法虽然降低了流量q，但是并没有降低泵与风机的能耗，同时，加大了设备的机械磨损。这是一种应当淘汰的调节方法。

所谓“变速调节”就是通过改变泵与风机的转速来调节泵与风机输送的流量以满足需要。如图5所示，泵与风机的转速由n1变为n2，此时产生一条新的压头、流量特性曲线，管道阻力特性曲线不改变，工作点从A 沿阻力特性曲线移动到C，流量由q1变为q2，压头由h1变为h2忆。

由图5 可见，在转速为n2 的压头、流量特性曲线下，功率消耗h忆2Cq2O 明显小于变阀调节功耗h2Bq2O。

变速调节与变阀调节相比，能够大量减少功耗，图5 中的h2BCh2忆区域就是变速运行节约的功耗部分，同时变速运行能明显地减小系统的机械磨损。

4 高温风机与生料磨系统风机变频改造效果

2007年3 月5日，在北京动力源科技股份有限公司技术人员的指导下，对高温风机进行了变频改造安装，3 月8 日对生料磨系统风机进行了变频改造安装。在两台高压变频器安装完成后，进行了各项目的测试与试验，均符合技术协议和用户的现场要求，于3月13日投入试运行，运行72 h满足生产要求。于3 月16 日通过验收。

经过对2006年与2007年的耗电进行分析，变频改造前高温风机平均小时耗电387.5 kW，生料磨系统风机平均小时耗电400 kW。

变频改造前后高温风机以及生料磨系统风机的耗电数据如表3所列。

5 结语

对新疆屯河水泥沙湾五宫水泥厂高温风机以及生料磨系统风机进行变频技术改造后，在改进生产工艺的同时，使得生产线上的维护费用大大减少，取得了良好的经济效益，改造的结果与前期方案设计以及预算完全吻合，改造非常成功，达到了预期目的，两台设备可为该厂年节约电费126 万余元，屯河集团上层领导对于五宫水泥厂的变频改造效果非常满意，目前HINV高压变频器在屯河集团其它分厂的改造也已经进入调试阶段。