罗宾康完美无谐波高压变频器在新型干法水泥厂的应用

　　一．概述 

　　水泥工业是耗能大户，它面临着节能降耗的艰巨任务,特别是现今的新型干法水泥生产线，规模越来越大，节能空间也越来越大，如一个日产5000吨水泥熟料的水泥厂，全厂的风机装机容量约为12707~13787kW，约占全厂总装机功率（33500kW）的34.8~37.7%，耗电量约占整个厂用电量30%~40%；随着辊式磨系统越来越多地被采用，风机耗电占总耗电量的比重也越来越大。风机的选型是按照满负荷状态设计的，而实际生产过程中随工况和产量的变化，会引起风量、风压随机调整，众所周知风机是属于平方率负载，如将风机的传动系统换成交流调速系统，通过调整电机转速，满足风机的不同工作状态下的风量和风压，就能把消耗在档板和阀门上的能量节省下来，节能空间和效果是很可观的，据统计，一个日产5000吨熟料的水泥厂包括废气处理排风机，窑尾高温风机，篦冷机冷却风机，冷却机排风机，煤磨系统风机主要用于系统通风换热风机，装机功率为6407~7487kW，如换成交流调速系统，按一般使用经验，约可节电640万度,每年节省电费320万元,变频调速设备的投资约两年即可收回成本。这对降低水泥成本，提高企业经济效益将起到重要作用。目前新设计的干法水泥生产线，重要系统风机、水泵、篦冷机、选粉机、各种称重设备及板式给料机等已采用了变频调速，另一方面在节能环保大形势下，国内各大水泥集团为落实节能降耗，正加紧计划对高温风机和废气排风机等进行电气改造，如海螺集团，山水集团属下几十条日产5000吨水泥熟料生产线，正在进行窑尾排风机传动系统的改造，由原采用液力耦合器调速改造为变频调速系统，这些集团经过深入的比较，最后皆选用了西门子公司的罗宾康品牌的高压变频器。罗宾康变频器采用多个低压单元串联连接，构成驱动系统的高压输出的结构，其最显著特点是无需使用滤波器达到完美的输入波形；也无需外加滤波器,有几乎是完美的正弦波输出，其输入和输出谐波电流都能满足最为严格的IEE591标准，故罗宾康品牌高压变频器也被称为完美无谐波高压变频器，这对于大企业来讲非常重要，可避免对公用电网的污染，也不会影响企业内其他大型传动设备的正常运行。由于变频器的主回路结构简单明了，没有附加的输入输出滤波器、功率因素补偿器、升压变压器等附加电路，逆变功率器件则采用简单可靠的IGBT功率器件，同时在系统结构设计上它把隔离变压器和变频器，包括控制单元和各种信号模块集成为一体，使安装接线、启动、调试变得快速简单，整套设备平均无故障时间达100,000小时。罗宾康变频器还设有功率单元旁路功能的选件，即使在一个功率单元故障的情况下变频器仍能满载运行，故它有极高的可靠性。罗宾康完美无谐波高压变频器能提供的电压等级为2.3kV-13.8kV,功率范围为225kW-120，000kW，目前在我国电力、冶金、石油天然气、水处理等行业已广泛应用。 

　　二.关于高压变频器 

　　当输出3KV~13.8KV电压的变频器称为高压变频器，在国外称为中压变频器,国内称为高压, 高压主要是与低压变频器相对而言的，国内常用的电压等级为3300V，4160V,6000V，其分类方式有三种： 

　　按输出电压方式： 
　　高高型：直接输出高压，变频器输出没有升压变压器 
　　高低高型：中间使用低压变频器，后面升压变压器 

　　按中间环节类型 
　　电压源：中间直流环节为电容 
　　电流源：中间直流环节为电感 

　　按逆变器电路结构型式 
　　三电平(中心点钳位) 
　　GTO/SGCT电流源型逆变器 

　　功率单元电压串联结构，完美无谐波罗宾康高压变频器就是基于这种电路结构型式。 

　　一般高压变频器拓扑结构都由三部分组成:整流电路将输入交流变为直流；中间为直流环节，它用于滤波和能量储存；逆变电路又把直流逆变为交流，并对输出的电压或电流和频率进行协调控制。变频器一般有五个独立的部件，即输入滤波器，功率因数补偿，隔离变压器，变频装置和输出滤波器，由于罗宾康高压变频器有较好的输入/输出特性，因此其主要部分仅需隔离变压器和变频器。 

　　三．罗宾康高压变频器结构原理和性能指标 

　　罗宾康6kV高压变频器拓扑结构原理图见图1,它是基于功率单元电压串联结构，，图中A，B，C即为功率单元，其原理图见图2，变频器输入三相交流电压，可任选电压等级，星形或三角连接，输出6kV~7.2kV,可直接接入三相感应电机。 

图1罗宾康高压变频器拓扑结构原理图

　　1. 输入谐波和整流电路 

　　根据GB/T14549-93国家标准，对电压而言，6KV和10KV电网要求电压总谐波不超过4%，对电流而言，在基准短路容量为100MVA的条件下，对每次谐波电流的幅值分别提出了具体的要求，对6KV电网将各次谐波换算成百分比也为4%左右，谐波超标会使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,并将导致继电保护和自动装置的误动作，影响各种电器设备的正常工作。按照输入谐波标准并对照各种整流电路可以得出下列结论：整流电路脉冲数至少多于18脉冲(含18脉冲)才能满足输入谐波的标准。 
罗宾康高压变频器6KV输入整流电路为36脉冲二极管整流电路，由于这种多重化设计形成多脉冲整流，有效消除输入谐波. 谐波量很少。输入谐波电流失真小于2%，输入谐波远远小于规定的标准，在不用滤波器情况下 不会对电网产生影响。 

　　2．输入功率因数 

　　变频器输入功率因数主要与变频器中间直流环节(电压源型或电流源型)有关。 

　　电压源型直流环节为电容，电机需要的无功电流由电容提供，而不需要和电网交换，变频器输入功率因数高，在整个速度范围段内基本保持不变。电流源型直流环节为大电感，电机需要的无功电流还需与电网交换，功率因数较低，且随着电机负载的降低而降低。罗宾康高压变频器的输入功率因数大于0.95，可改善电网系统的质量，并提高电网输入侧的总功率因数。 

　　3．输出谐波和逆变电路 

　　变频器输出波形 包括输出谐波、dv/dt、共模电压等指标，变频器输出波形与变频器逆变器的结构密切相关。罗宾康高压变频器采用功率单元电压串联多电平移相式PWM电压源型逆变器 ，对6KV输入逆变器采用13电平PWM电压源型，图2中功率单元的逆变功率器件采用IGBT，驱动简单，成熟可靠，驱动功率小，其他型号高压变频器逆变功率器件需要使用6500V高压IGCT或高压IGBT，驱动较复杂，驱动功率大，备件贵且不易购买。  

　　变频器输出波形中的谐波成分会引起电机的附加发热和转矩脉动，输出dv/dt和共模电压会影响电机的绝缘。罗宾康高压变频器输出的波形与正弦波非常相似，  而且dv/dt幅值小，约为900V，不必设置输出滤波器，变频器能直接输出6000VAC，可以使用原有的普通旧国产异步电机。在国内大部分应用中都是6KV旧国产电机，其中很多绝缘等级都是B级，这对水泥厂交流传动技术改造也是可行的，不需更换电机。 

图2  功率单元结构图 

　　为确保罗宾康高压变频器工作可靠，还设置了冗余结构，具有功率单元旁路功能的选件，即使在一个功率单元故障的情况下变频仍能满载运行，可靠性极高；包括输入变压器和变频器在内的系统满载时，其效率可达97%，噪音小于75db。 

　　罗宾康高压变频器具有极其灵活的通讯功能，除有标准的输入输出信号接口外，还可通过RS485或标准的以太网端口，可以和个人PC连接，并对变频器进行设置和控制，它也支持多种通讯协议，如PROFIBUS DP, Device Net, Modbus Plus 等 

　　四．结论 

　　1．为落实节能降耗，在水泥大集团正加紧计划对高温风机和废气排风机等进行电气改造，基于一次性投资较高，可与时俱进，先改造窑系统的工艺风机，笔者建议首先进行窑尾排风机传动系统的改造，将液力耦合器调速改造为变频调速。辊磨系统的风机由于容量大，在运行中风量、风压的变化相对稳定，建议可暂缓。 

　　2．在选用高压变频装置时，应反复比较各种品牌的高压变频器性能价格比，在性能方面可靠性当首位，其次是输入和输出波形，谐波要低于国家标准；至于输出有多少根电缆等，应不是主要指标。 

　　3．在水泥行业回转窑采用直流传动长达一世纪，主要对其起动转矩要求较高，一般为额定转矩的2.5倍，另外要求过负荷能力时间长和过负荷倍数高，目前有些EPC项目也要求回转窑采用交流变频传动。但笔者不建议为节能将回转窑改为交流变频传动，如要改造也必须要谨慎考虑过负荷能力，精心选择变频装置。  

　　5000t/d水泥熟料生产线有关窑系统风机参数见下表： 

　　2．在选用高压变频装置时，应反复比较各种品牌的高压变频器性能价格比，在性能方面可靠性当首位，其次是输入和输出波形，谐波要低于国家标准；至于输出有多少根电缆等，应不是主要指标。 

　　3．在水泥行业回转窑采用直流传动长达一世纪，主要对其起动转矩要求较高，一般为额定转矩的2.5倍，另外要求过负荷能力时间长和过负荷倍数高，目前有些EPC项目也要求回转窑采用交流变频传动。但笔者不建议为节能将回转窑改为交流变频传动，如要改造也必须要谨慎考虑过负荷能力，精心选择变频装置。