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高压变频器在罗茨鼓风机节能改造中的应用

2016-04-11 11:17:00
Application of Energy-saving High-voltage Inverter on the Roots Blower
新风光电子科技股份有限公司  刘清平  田利瑞  郭金星  郭冬梅
Liu Qingping  Tian Lirui  Guo Jinxing  Guo Dongmei
摘  要:本文介绍了风光高压变频器在四川某矿业公司罗茨鼓风机改造中的应用情况。现场运行情况表明,采用高压变频器对罗茨鼓风机进行调速节能,节能效果是明显的。
关键词:高压变频器  罗茨鼓风机  节能
This paper describes the application of the Fengguang brand high voltage inverter on the roots blower in a mining company of Sichuan.On-site operation show that the high-voltage inverter for Roots blower speed control, energy-saving effect is obvious.
Key words: High voltage inverter  Roots blower  Energy
1引言
变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果,改善设备的运行工况,提高系统的安全可靠性,延长设备使用寿命等优点,成为现代电力传动技术的一个发展方向。而通过调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象的方法,不仅控制精度受到限制,而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。随着当今社会市场竞争不断加剧,采用变频调速技术对这类负载进行改造,成为社会的潮流。
2用户简介
四川某矿业有限公司是一家股份制民营企业,是我国西部地区设备、工艺和技术较先进、产品质量最好、生产能力较大、销量较大的铅锌生产企业之一。该公司有一个罗茨鼓风机,用于焙烧炉供气,焙烧炉正常生产时,需要保持空气压力为13kPa左右。但考虑到开炉及处理异常情况时的工艺要求,所选风机的富裕量达50%左右。由于罗茨鼓风机的风量余量很大,正常工作时,随着炉子的产量和锌矿石成分的变化,风机的工况也须调整。为了调节送风量,采取在送风管上放风,大量空气排空,风机放空噪音很大,严重影响了周围居民的生活。
随着市场竞争的加剧,该矿采取各种措施降本增效。众所周知,罗茨风机的风压是不受风机转速限制的,不论转速变化如何其风压可以保持基本不变。而风量则与风机转速成正比的,即Q=KN,Q:表示风量,N:表示风机转速,K:为系数。
罗茨鼓风机属于恒转矩负载,其节电率与转速降成正比即N%=△N%,虽然不同于一般风机、水泵节电率更高,但因它的功率较大,而且连续24小时工作的,开动时间亦很长。因此节电潜力大,节电效果明显。
该公司领导基于降低生产成本和降低风机运行噪音两方面考虑,决定选用变频器对罗茨风机进行改造。经过招标,决定采用新风光电子公司生产的JD-BP38-450F (450kW/10kV)高压变频器对罗茨鼓风机进行调速改造。
现场罗茨鼓风机参数如表1、表2所示。


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3 新风光JD-BP38系列高压变频调速系统技术特点
风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心,采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术,属高-高电压源型变频器,其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准,输入功率因数高,输出波形质量好,不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,可以使用普通的异步电机。2007年,高压变频器被评为中国名牌产品,是国内高压变频器行业为数不多的两个名牌产品之一。具体来说,风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外,还具有以下突出特点:
(1)采用高速DSP作为中央处理器,运算速度更快,控制更精准。
(2) 矢量控制技术,通过测量和控制交流电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对交流电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制交流电动机转矩的目的。启动转矩大,转矩动态响应快,调速精度高,带负载能力强。
(3)快速飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。在变频器受到负载冲击保护后可对其自动复位,然后再自动启动,即可避免重要场合(如水泥厂高温风机)变频保护停机造成的损失。快速飞车启动技术可实现变频器在0.1s之内从保护状态复位重新带载运行。
(4)工频/变频无扰切换技术。现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜,变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行,旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式,手动旁路需人工操作,适应于无备用装置或不重要的运行工况,自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。新风光公司提供的自动旁路切换柜,不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态,还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能,整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
(5)电网瞬时掉电重启技术,电网瞬间掉电可自动重启,可提供最长60s的等待时间。
(6)线电压自动均衡技术(星点漂移技术)。变频器某相有单元故障后,为了使线电压平衡,传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压,而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角,在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
(7)振荡抑制技术,电机轻载或者空载的时候会出现局部不稳定现象,这时电流幅值波动很大,电流的振荡有可能会导致系统因为过流或过压而触发保护。新风光公司采用优越的电流算法,有效地抑制电流的振荡,保证系统稳定可靠的工作。
(8)多机主从控制技术,变频器具备主从控制功能,多台变频器之间可通过数据总线组成主从控制网络。将其中的一台设为主机,其他设为从机,主机实时采集各从机的状态信息,同时发送给各从机频率、转矩指令,实现各台变频器的功率平衡和综合控制。该技术适用于皮带机、摩擦式提升机等需要功率平衡控制的场合。
(9)输出电压自动稳压技术,变频器实时检测各单元母线电压,根据母线电压调整输出电压,从而实现自动稳压功能。避免电网波动对输出电压的影响。
(10)故障单元热复位技术,若单元在运行中故障,且变频器对其旁路继续运行,此时可在运行中对故障单元进行复位,不必等变频器停机。
(11)单元直流电压检测:实时显示检测系统的直流电压,从而实现输出电压的优化控制,降低谐波含量,保证输出电压的精度,提升系统控制性能,并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。
(12)具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路,此时如果变频器不具备相间短路保护功能,将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出,保护设备不受损害,避免事故的发生。
(13)限流功能:当变频器输出电流超过设定值,变频器将自动限制电流输出,避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护,最大限度减少停机次数。
(14)多种控制方式,可选择本机控制、远控盒控制、DCS控制支持MODBUS、PROFIBUS等通讯协议频率设定可以现场给定、通讯给定等支持频率预设、加减速功能。
4 高压变频器主回路控制方案
高压变频器设备安装在风机值班室内,原高压柜至电机的高压电缆用做改造时电机至变频器连接电缆,变频器至高压柜电缆重新敷设,同时敷设集控室至高压变频器的控制电缆用于变频器的远程控制,采集现场设备状态信号,实现设备的实时调节及信号反馈。此外还需敷设一根高压柜至变频器的控制电缆,用于高压柜合闸允许和高压柜紧急分闸控制。
一次接线如图1所示。

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图1 手动旁路柜
图1旁路柜中,共有3个高压隔离开关,为了确保不向变频器输出端反送电,K2与K3采用电磁互锁操动机构,实现电磁互锁。当K1、K3闭合,K2断开时,电机变频运行;当K1、K3断开,K2闭合时,电机工频运行,此时变频器从高压中隔离出来,便于检修、维护和调试。
旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁,DL合闸时,绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关,以防止出现拉弧现象,确保操作人员和设备的安全。
故障分闸:将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后,并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下,当变频器出现故障时,分断变频器高压输入;旁路投入状态下,变频器故障分闸无效。
保护:保持原有对电机的保护及其整定值不变。
5罗茨鼓风机改造运行情况
罗茨鼓风机高压变频器一次正式投入运行,至今运行正常两年。改造达到了预期目的。罗茨鼓风机电机电流大大减小,风机运行噪声大大降低。变频运行后,送风管上防风管关闭,根据焙烧炉生产量的大小,随时调节罗茨鼓风机的风量大小,满足生产沸腾炉的工艺要求,而且现场人员操作非常方便。
5.1节能计算
2015年6月该公司节能服务中心随机对罗茨鼓风机高压变频器进行了测试,记录数据如表3所示。


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根据表3,罗茨鼓风机工频运行时,功率因数取0.8,电源电压10.20kV,计算每小时耗电为:327.9kW。罗茨鼓风机变频运行时,功率因数为0.97,变频输入电压10.20kV,计算每小时耗电为:169.5kW。较工频运行时每小时节约电量158.2kW。每年运行300d,每天运行24h,那么年节约电量:158.2kW×24h×300d=113.9万kW• h。
通过以上变频运行数据,在与生产工况基本相同的工频运行相比,电机电流、消耗功率大大减小,节能效果是非常明显的。
5.2间接效益
(1)有效地改善了现场运行环境。采用变频调速后,大大减少了风机管道震动频率和噪音。消除了风机的旁路放空噪声,解决了风机扰民问题,改善了工人的工作环境。
(2)减少了维护工作量和维护费用,延长了设备的使用寿命。由于采用了变频调速技术,电机启动、调速平稳,不存在启动电流冲击,而且罗茨鼓风机和驱动电机都处于相对额定转速较低的转速上,因而其零部件的机械磨损减少,降低了维护费用,延长了风机使用寿命。
(3)改变了过去以调节出口空气排放方式来调节风量的生产方式,劳动强度减轻,调节的及时性好,提高了产品的合格率。
6 结束语
该罗茨风机经过变频改造之后,不仅达到了良好的节能效果,降低了噪音,并且提高了企业的产品质量。随着国家对节能减排的越来越重视,企业通过各种措施降低生产成本,其中变频技术起到了重要作用。
参考文献
[1]新风光电子使用手册[Z] 新风光电子科技股份有限公司

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