当今交流变频传动的发展及在水泥厂的应用

   
1、变频技术的发展 

   1）功率开关器件的发展 
      当今交流变频传动装置大多采用SPWM(sin pulse width module)正弦脉冲宽度调制方法，即:三相交流经整流和电容滤波后，形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件，按一定规律控制其导通和断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。如改变脉冲的宽度即可控制逆变器输出交流基波电压的幅值；如改变调制周期即可控制其输出频率，这样就同时实现了调压和调频, 图1为SPWM原理框图。随着变频器快速性、精度及可靠性的不断提高，对功率开关器件要求越来越高，即开关频率要求在几十kHz，导电损耗低，在各种应用领域的可靠性高，目前除GTO 外，现较成熟的有(IGBT)- （Insulated-Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极晶体管和(IGCT)-(集成栅整流晶体管-Integrated Gate Commutated Thyristor)，IGBT还有高低压之分。西门子公司在发展IGBT技术方面，不仅开发了耐高压的HV-IGBT，在提高关断和载流能力有新的进展;且每次通电或断电时的瞬变电流和瞬变电压可以通过门电路进行控制;ABB公司在发展IGCT技术方面，主要在快速、均衡换流和内在的低损耗等取得很大进展; 其他如Rockwell公司，Fuji等公司在大功率开关器件开发和应用方面也积累了丰富的经验。 
       最近又有新的半导体开关器件推出，如IPM（Intelligent Power Module）, IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor),炭化硅SiC等，但目前只有小功率的。随着半导体及微电子技术的发展，将开发出性能更好的半导体开关器件，并用于变频器中。  
  

                                                               图1   SPWM原理框图  
  

2)控制理论和控制技术的发展 
      由于交流电机原理上的原因，其数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要像直流电机那样直接通过电流对电磁转矩进行灵活和即时的控制有一定的难度。如果将交流异步电机经过坐标变换可以生成等效的直流电机模型，模拟直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，经过相应的坐标变换反变换，就能控制交流异步电机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，由此实现的控制系统即称为矢量控制系统。当今矢量控制的交流变频器组成的传动系统已完全实现数字化、智能化、模块化控制，即有一个集成高动态性能、优良控制特性、极高灵活性的模板，来实现与电机有关的控制任务，而且带有大量的自由功能模块，用这些模块也可处理与传动有关的控制，如西门子公司的CUVC控制模块等；同时在软件配置上也已实现了标准化和模块化，还提供了许多的非标准功能，如手动-自动设定，输入给定值的通用性，自动重启动功能等，可以说矢量控制的交流变频调速系统的静、动态性能已完全能够与直流调速系统相媲美，是目前最成熟，完善的技术。。 
      继矢量控制系统以后，直接转矩控制系统（DTC）是近十几年发展起来的，又一种高动态性能的交流变频调速系统。在DTC中，定子磁通和转矩作为主要控制变量，在等效的电动机自适应模型软件中，通过高速的速度数字信号处理器，电动机的状态每秒更新达几万次。由于电动机状态连续不断地更新，实际值与参考值不断进行比较，实现对逆变器中的每个开关状态单独确定，从而对负载突变或电源干扰所引起的动态变化作出迅速的反应，故它的动态特性好。DTC强调转矩的控制，在控制理论上属于Pang-Pang控制。在高速状态下，其控制水平与矢量控制没有差别，但在低速状态下，其转矩控制不稳定，易发生震荡，引起传动轴系震荡。 
3)高压变频器 
     所谓的高压等级为2300V，3300V，4160V, 6000V，（也有称之为中压），在高压变频器推出前，大功率高压交流异步电机如需采用变频调速传动，有二种方法，一是靠多个低压PWM变频单元串联的方式实现直接高压，如西门子下属罗宾康的高压变频器，电网电压经过隔离变压器降压后给每个功率单元供电，单相变频功率单元在输出端串联，实现变压变频的高压输出，直接带动高压交流电机。这种变频器经过较长时间运行考验以及器件不断升级，现已在各行业得到认可，最主要特点是谐波较低，系统的效率高，功率因数可达0.95。 另一种是所谓的“高－低－高,通过变压器将高压变低压(一般690V),，在低压侧变压变频，再由升压变压器升至和高压电动机相匹配的电压，组成高压交流调速传动装置，由于两侧均需大型变压器，损耗高，谐波较大，现各领域已较少应用。随之耐高压大功率晶体管(HVIGBT)（IGCT）的推出，近几年来AB，Siemens, ABB纷纷推出高压变频器，它的特点是变频器输出可直接接入高压电机，不需专用的变频电机，也称高－高变频器，当前高压变频器的发展主流是主回路采用三电平结构，高压器件，电压源型以及矢量控制方式，现最大可用于7500kW异步电机的速度和转矩控制。为满足脉冲整流器的需要，变频器配套有专用的变压器 （一般是三圈），脉冲整流器根据电网对谐波分量的要求，一般可选用6,12,18，24脉冲。 西门子公司新开发的SIMOVERT MV装置在输入端采用了有源前端和3电平的HV-IGBT的逆变器，具有自动限流功能，门极控制简单，器件少，效率高，功率因数可高于0.96。通过一个标准程序，可对0~9000r.p.m范围内的传动进行精确控制，其输出电压有极低的谐波分量，并具有极佳的转矩特性，尤其是具有良好的低速性能，能持续输出稳定的大转矩，图2为其电气原理图。   
  

                                           图2：SIMOVERT  MV 电气原理图  
 


 4）电压源型的普遍应用 
      从变频电源的性质上看，可分为电压源型变频器和电流源型变频器，它们的主要区别在于中间直流环节采用那种滤波器，电压源型变频器采用大容量电容滤波，直流电压波形比较平直；电流源型变频器采用大电感滤波，直流电流波形比较平直。前述电压源型变频器是当前的主流，指电压源型变频器比电流源型变频器性能优越，采用电压源型变频器使变频器的性能，包括输出波形、功率因数、效率、可靠性及动态性能能进一步提高。见表1： 

5）通讯、诊断和操作 
     工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次：即管理层、监控层和现场设备层。交流变频传动装置和现场仪表一样，属于现场设备层，现今推出的变频器具有极其灵活的通讯功能，通过总线不仅变频器之间可以通讯，而且还可以和PLC或上一级的自动化系统进行通讯，如西门子SIMOVERT MASTERDRIVES可安装通讯模件，即可通过PROFIBUS-DP 
     以12Mbit/s的速率，或CAN总线与更高级别的系统或与其他变频传动装置通讯；又如AB的1336PLUS变频器可由通讯模件直接挂在Control Net 上。上一级再通过工业以太网很容易组成全集成自动化系统。用一个高水平的用户友好界面，变频器的所有参数可形象化显示、设定、处理，也可进行诊断操作等，也可实现在线和离线操作。 
2．应用 
     交流变频传动装置现已广泛在我国各行业应用，特别在石油化工、冶金钢铁、汽车、造纸、热电、食品、纺织、包装等工业。最大交流变频传动用于钢铁企业5000kW控制精度要求极高的轧机上，最小用在家用空调的风机上，几乎包括各个领域。在水泥行业交流变频传动主要用在以下方面： 
1）节能调速 
     节能调速目前普遍使用在控制精度不高，动态性能要求低的平方率负载上，如风机和水泵，风机和水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，它也是耗能的大户，如一个5000t/d的水泥厂，窑尾高温风机为2500kW,而全厂所有风机的耗电量约占整个厂用电量30%；增压水泵和循环水泵容量也不小。如交流传动不调速，风量和水的流量，靠档板和阀门来调节，相当于增加管的阻力，使大量的电能消耗在档板和阀门上，负载下降又使驱动电机的功率因数降低。由于风机和水泵是属于平方转矩负载，轴功率则与转速大致成立方关系，如换成交流调速系统，当风机和水泵转速下降时，消耗的功率大大下降，在众多的风（水）量调节方式中，变频调速的节能效果是很可观的，据统计平均节能在20%左右。 
水泥行业中的泵类和风机已开始大量使用变频器，并取得较好的节能效果。由于控制要求不高，只要选型正确，各类变频器都可用于泵类和风机中；在大功率高压的泵类和风机负载也采用了大功率高压变频器，笔者建议水泥厂可采用多个低压PWM变频单元串联的大功率高压变频器，主要它对电网和其他高压设备产生谐波干扰小，另外安装和维护相对简单，某个功率单元故障出现时，可自动退出系统，而其他功率单元可继续保持电机的运行。当然也可使用大功率器件组成的高压变频器，但价格较贵，谐波干扰不易解决，拉发齐都江堰水泥厂几乎所有风机采用了大功率高压变频器。  
2）其他交流变频调速 
      篦冷机、选粉机、各种称重设备及板式给料机等都已采用变频调速篦冷机、选粉机、各种称重设备及板式给料机等都已采用变频调速。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，选型时，必须按起动要求额定转矩的 倍数，折算为交流起动转矩以确定交流电动机的功率，并正确选择与电机的功率匹配的变频器，充分考虑起动转矩和过负荷能力。一个3300t/d的厂，回转窑 
传动直流电机的功率为315kW,如采用交流传动交流电机的功率则选为450kW，希望用交流变频传动，则变频器应选用710kW容量的交流变频器。 
3)交流调速装置应用时注意几点： 
     a.在使用过程中要注意变频器的功率与电机的功率匹配或变频器的负载特性与实际负载特性匹配。变频器选大了造成浪费，选小了驱动不了设备。因此变频器选型是关键。变频器分恒功率型和恒转矩型，对一般容量且无过载要求选用恒功率型。对于工艺有过载要求的必须选用恒转矩型 
     b．交流变频调速传动装置对电网会产生谐波干扰，应按中国的谐波标准GB/T14549-93加谐波滤波器或电抗器，使其对电网干扰最小。.  
     c．为使变频调速器受外界干扰影响最小, 在布线时控制电缆，电源电缆与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离。不要把它们放在一个电缆线槽中或电缆架上；输入和输出信号回路必须用屏敝对绞线，接到电动机的主回路连接电缆应该是屏蔽或铠装，屏蔽层接地；用短而粗的节电接地线按规定正确连接保护接地和系统接地，最后连接到公共的星形接地网络；根据需要还可考虑加隔离变压器和进线电抗器，使其受干扰影响最小。 
    d. 水泥生产使用的原料本身的比重大，加在输送设备上的重量也大，如板喂机，输送皮带等的调速变频器必须选用同功率的恒转矩变频器。 
    特别是板式喂料机由于各种原因经常运行在低频率状况，在磁点范围内变频器输出的电压不能增加，其负载容量减少，电机发热。这就要求选用专用的变频电机 
e．在低速运行时，须防止轴系的震荡；在高速运行时，须防止超速。

3．结论 
1）在我国交流变频调速传动装置已在水泥行业广泛应用，并已取得较好的经济节能效益。 
2）  随着新型大功率半导体器件的推出，控制理论不断仓新和发展，微电子技术完善，现今变频器向着大功率、高电压的方向发展，控制精度和动态特性也越趋完美，水泥行业的大功率、高电压变频器也将开始使用。