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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，改善設備的運行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性，延長設備使用壽命等優(yōu)點，成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個發(fā)展方向。而通過調(diào)節(jié)風門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象的方法，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。隨著當今社會市場競爭不斷加劇，采用變頻調(diào)速技術(shù)對這類負載進行改造，成為社會的潮流。
2用戶簡介

四川某礦業(yè)有限公司是一家股份制民營企業(yè)，是我國西部地區(qū)設備、工藝和技術(shù)較先進、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。該公司有一個羅茨鼓風機，用于焙燒爐供氣，焙燒爐正常生產(chǎn)時，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的工藝要求，所選風機的富裕量達50%左右。由于羅茨鼓風機的風量余量很大，正常工作時，隨著爐子的產(chǎn)量和鋅礦石成分的變化，風機的工況也須調(diào)整。為了調(diào)節(jié)送風量，采取在送風管上放風，大量空氣排空，風機放空噪音很大，嚴重影響了周圍居民的生活。
隨著市場競爭的加劇，該礦采取各種措施降本增效。眾所周知，羅茨風機的風壓是不受風機轉(zhuǎn)速限制的，不論轉(zhuǎn)速變化如何其風壓可以保持基本不變。而風量則與風機轉(zhuǎn)速成正比的，即Q＝KN，Q：表示風量，N：表示風機轉(zhuǎn)速，K：為系數(shù)。

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

該公司領(lǐng)導基于降低生產(chǎn)成本和降低風機運行噪音兩方面考慮，決定選用變頻器對羅茨風機進行改造。經(jīng)過招標，決定采用新風光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-450F （450kW/10kV）高壓變頻器對羅茨鼓風機進行調(diào)速改造。
現(xiàn)場羅茨鼓風機參數(shù)如表1、表2所示。

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

風光牌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，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，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)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。具體來說，風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：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
(2)矢量控制技術(shù)，通過測量和控制交流電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對交流電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制交流電動機轉(zhuǎn)矩的目的。啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應快，調(diào)速精度高，帶負載能力強。
(3)快速飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。在變頻器受到負載沖擊保護后可對其自動復位，然后再自動啟動，即可避免重要場合（如水泥廠高溫風機）變頻保護停機造成的損失。快速飛車啟動技術(shù)可實現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護狀態(tài)復位重新帶載運行。
(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)一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
(5)電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間。
(6)線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(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)，電機輕載或者空載的時候會出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時電流幅值波動很大，電流的振蕩有可能會導致系統(tǒng)因為過流或過壓而觸發(fā)保護。新風光公司采用優(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)多機主從控制技術(shù)，變頻器具備主從控制功能，多臺變頻器之間可通過數(shù)據(jù)總線組成主從控制網(wǎng)絡。將其中的一臺設為主機，其他設為從機，主機實時采集各從機的狀態(tài)信息，同時發(fā)送給各從機頻率、轉(zhuǎn)矩指令，實現(xiàn)各臺變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術(shù)適用于皮帶機、摩擦式提升機等需要功率平衡控制的場合。
(9)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能。避免電網(wǎng)波動對輸出電壓的影響。
(10)故障單元熱復位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續(xù)運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機。

(11)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(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，并可使保證運行維護人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。
(12)具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。
(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數(shù)。
(14)多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議頻率設定可以現(xiàn)場給定、通訊給定等支持頻率預設、加減速功能。
4 高壓變頻器主回路控制方案

高壓變頻器設備安裝在風機值班室內(nèi)，原高壓柜至電機的高壓電纜用做改造時電機至變頻器連接電纜，變頻器至高壓柜電纜重新敷設，同時敷設集控室至高壓變頻器的控制電纜用于變頻器的遠程控制，采集現(xiàn)場設備狀態(tài)信號，實現(xiàn)設備的實時調(diào)節(jié)及信號反饋。此外還需敷設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 手動旁路柜

圖1旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對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，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
5羅茨鼓風機改造運行情況

羅茨鼓風機高壓變頻器一次正式投入運行，至今運行正常兩年。改造達到了預期目的。羅茨鼓風機電機電流大大減小，風機運行噪聲大大降低。變頻運行后，送風管上防風管關(guān)閉，根據(jù)焙燒爐生產(chǎn)量的大小，隨時調(diào)節(jié)羅茨鼓風機的風量大小，滿足生產(chǎn)沸騰爐的工藝要求，而且現(xiàn)場人員操作非常方便。
5.1節(jié)能計算

2015年6月該公司節(jié)能服務中心隨機對羅茨鼓風機高壓變頻器進行了測試，記錄數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表3，羅茨鼓風機工頻運行時，功率因數(shù)取0.8，電源電壓10.20kV，計算每小時耗電為：327.9kW。羅茨鼓風機變頻運行時，功率因數(shù)為0.97，變頻輸入電壓10.20kV，計算每小時耗電為：169.5kW。較工頻運行時每小時節(jié)約電量158.2kW。每年運行300d，每天運行24h，那么年節(jié)約電量：158.2kW×24h×300d=113.9萬kW? h。

通過以上變頻運行數(shù)據(jù)，在與生產(chǎn)工況基本相同的工頻運行相比，電機電流、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)場運行環(huán)境。采用變頻調(diào)速后，大大減少了風機管道震動頻率和噪音。消除了風機的旁路放空噪聲，解決了風機擾民問題，改善了工人的工作環(huán)境。
（2）減少了維護工作量和維護費用，延長了設備的使用壽命。由于采用了變頻調(diào)速技術(shù)，電機啟動、調(diào)速平穩(wěn)，不存在啟動電流沖擊，而且羅茨鼓風機和驅(qū)動電機都處于相對額定轉(zhuǎn)速較低的轉(zhuǎn)速上，因而其零部件的機械磨損減少，降低了維護費用，延長了風機使用壽命。
（3）改變了過去以調(diào)節(jié)出口空氣排放方式來調(diào)節(jié)風量的生產(chǎn)方式，勞動強度減輕，調(diào)節(jié)的及時性好，提高了產(chǎn)品的合格率。
6 結(jié)束語

該羅茨風機經(jīng)過變頻改造之后，不僅達到了良好的節(jié)能效果，降低了噪音，并且提高了企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量。隨著國家對節(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