一、概述

在現(xiàn)代廠礦企業(yè)中，采用高壓電機拖動已非常普遍，其電能消耗占企業(yè)總拖動電能用量的60%以上。以前由于高壓變頻技術復雜和電子器件耐壓限制，一直制約著其實際應用與普及。近幾年來，隨著高壓變頻技術的日趨成熟和功率器件耐壓能力不斷提高，高壓變頻器的應用日益廣泛，變頻節(jié)能和調(diào)速效果也日趨突顯。本文以我廠3期石油焦煅燒回轉窯負壓調(diào)節(jié)引風機應用HIVERT-Y06/154型高壓變頻器（北京合康公司生產(chǎn)）實現(xiàn)的調(diào)速控制為例，詳細闡述了其高壓變頻器的應用情況及效果。實際應用效果充分證明了國產(chǎn)高壓變頻器在關鍵技術研究和生產(chǎn)質量上均已取得了很大的發(fā)展和進步，其產(chǎn)品的技術含量和性能均已達到世界同行的水平，其次運行穩(wěn)定、性能優(yōu)越、維修方便和價格低等優(yōu)點，已逐漸贏得國內(nèi)眾多企業(yè)的認可。

二、生產(chǎn)工藝

回轉窯控制（自動調(diào)節(jié)或人工操作調(diào)節(jié)）是將預煅燒石油焦輸送入回轉窯中進行一定的高溫、揮發(fā)及焦化處理（即煅燒）。在回轉窯煅燒過程中，利用燃燒裝置、給料量、給風量、負壓等調(diào)節(jié)，對物料煅燒過程（如煅燒區(qū)域溫度、窯內(nèi)負壓等參數(shù)）進行即時控制，使煅燒窯內(nèi)的物料按照預定的曲線升溫，石油焦在預定的溫度曲線下完成焦化過程?；剞D窯煅燒工藝控制復雜（如圖1所示），其煅后焦產(chǎn)量、質量及煅燒實收率等性能受煅燒帶溫度、位置、長度、揮發(fā)份濃度、氧氣濃度、窯頭窯尾負壓、燃料（煤氣或天然氣）補給量、物料投入量、均勻性等窯內(nèi)工況的綜合影響。在實際生產(chǎn)過程中，調(diào)溫工通常憑借實踐經(jīng)驗進行現(xiàn)場調(diào)整。由于煅燒帶溫度，窯頭窯尾負壓，給料量，窯體轉速，二、三次風及燃料配比等調(diào)整不合理，會造成煅后焦真比重、電阻率、晶體形狀等指標較大波動。同時對燃料消耗、窯內(nèi)襯壽命等設備產(chǎn)生一定影響。因此及時和準確控制窯內(nèi)溫度、負壓已成為優(yōu)化煅燒工藝方法之一，而窯內(nèi)負壓的調(diào)整又是通過調(diào)節(jié)引風機的實際引風量的大小實現(xiàn)，過去其引風量通?？刂茻煹篱y門的開度量實現(xiàn)，這種調(diào)節(jié)方法雖然能達到窯內(nèi)負壓調(diào)節(jié)目的，但只能進行粗調(diào)效果，另外在空載或輕載工況下，風機葉輪工作在較高的轉速狀態(tài)，若風機葉輪動平衡不好（實際中，大多數(shù)葉輪使用一段時間后，由于煙塵、水蒸汽等腐蝕性物質浸蝕，均會出現(xiàn)動平衡變差問題），其風葉機體振動顯著增大，甚至導致機體、軸承座等機構被振裂現(xiàn)象。

圖1 石油焦煅燒工藝流程模擬顯示界面

三、控制系統(tǒng)配置

我廠3期煅燒回轉窯新建于2008年7月，其石油焦煅燒能力為12t/h；回轉窯負壓引風機采用三相異步高壓電動機（YP7560—6、1000KW、6300V、108.95A、994r/min）拖動，其風量大小調(diào)節(jié)采用變頻調(diào)速方式，在正常生產(chǎn)過程（下料量在4—12t/h之間）中，變頻器頻率一般均設定在28—42Hz范圍內(nèi)，就可滿足煅燒生產(chǎn)工藝負壓需要。

根據(jù)我廠地理位置（地處海拔高度2300多米，變頻器需降容使用；海拔高度超過1000米時,每升高100米,要求變頻器降容1%使用）、煅燒生產(chǎn)工藝流程及現(xiàn)場使用條件（環(huán)境溫度超過40℃時）等條件綜合考慮，選用HIVERT-Y06/154高壓變頻器完全可滿足負壓風機拖動要求，其額定容量1600kVA、適配電機功率1250kW、額定電流154A、額定輸入電壓6k、輸入功率因數(shù)≥0.96（額定負載時）、防護等級IP30。其變頻器主要由移相變壓器、功率逆變單元和控制器等三部分，其裝置如圖2所示。

圖2 HIVERT-Y06/154型高壓變頻器實物結構圖

1、拖動設備

高壓異步電動機：YP7560—6 ；1000KW；Ve=6300V,Ie=108.95A；νe=994r/min；0.876；絕緣等級F、Y接法、50Hz；熱態(tài)時允許啟動一次；冷態(tài)時允許啟動2次；蘭州電機有限責任公司制造。

2、離心引風機：

型號：Y7—2X36—22F； 338600m³/h（風量）；7500Pa（風壓）；νe=990r/min；配套電機1000KW。

3、變頻器配置與結構

HIVERT系列高壓變頻器是由北京合康公司生產(chǎn)的，這是國內(nèi)專業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售高壓變頻器的企業(yè)之一。HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交方式，主電路開關元件為IGBT，每相由多個功率單元（如圖4所示）串聯(lián)而成，各個功率單元由隔離變壓器提供獨立移相電源。通過改變串聯(lián)單元數(shù)量，可得到不同電壓等級的輸出（不受功率器件耐壓的限制）。如額定電壓6kV變頻器每相由5（或6）個功率單元組成，功率單元額定電壓為690V（或640V），串聯(lián)后相電壓為3450V(對應線電壓為6kV)，其原理如圖3所示。

圖3 HIVERT-Y06系列高壓變頻器（5組功率模塊串聯(lián)）主回路圖

4 、HIVERT系列高壓變頻器特點與性能

(1)電源輸出性能

HIVERT通用高壓變頻器采用功率單元多重化技術，顯著削弱了輸出諧波含量，其輸出波形為正弦波，輸出無需增加濾波裝置，可以直接驅動普通高壓異步電動機，同時電機不需因諧波而降額運行； 可使主回路電機、電纜絕緣免受dv/dt應力的損傷；沒有諧波引起的脈動轉矩，可延長電機和機械設備使用壽命；電機電纜在壓降允許范圍內(nèi)無任何長度限制等特點。

(2)保護功能

HIVERT通用高壓變頻器設計有正常的過載保護、過流保護、缺相保護、接地保護、過壓保護、過熱保護外，還設置了限流功能、控制電源故障連鎖保護、控制電源雙路冗余熱備、（可選）功率單元旁路功能、柜門報警功能、鎖相功能、變/工頻同期互切功能；其次，電機軟啟動對機械設備及管網(wǎng)無沖擊，變頻效率高達98%以上；功率單元采用光纖通訊，電氣完全隔離，其安全性能高；控制功能配置完善，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，能方便地實現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)；設置有多種通訊功能，隔離RS485接口，標配MODBUS RTU通訊規(guī)約，可選PROFIBUS DP，遵循工業(yè)以太網(wǎng)通訊規(guī)約，能較好地與眾多廠家PLC和上位機通訊；配置了大容量數(shù)據(jù)存貯器，能準確的記憶故障記錄、運行數(shù)據(jù)，十分適合故障定位和信息查詢。
(3)變壓器柜

HIVERT系列高壓變頻器采用隔離變壓器，其副邊設置多繞組輸出，為功率單元提供獨立的移相電源，有利于改善網(wǎng)側的電流波形，降低設備對電網(wǎng)的諧波污染；根據(jù)不同的功率，配置相應的干式變壓器專用冷卻風機及柜頂離心風機，其冷卻風機采用德國EBM風機，風量大，壽命長。

(4)功率單元采用低壓IGBT模塊為逆變器件

HIVERT系列高壓變頻器采用功率單元模塊化設計，其功率單元采用低壓IGBT模塊作為逆變器件，與高壓IGBT的三電平變頻器比較，雖然功率器件數(shù)目較多，但在控制技術、制造工藝等方面上卻十分成熟。其功率模塊為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到單相交流輸出。功率單元和控制系統(tǒng)之間采用光纖通訊，實現(xiàn)強弱電的完全電氣隔離，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力。每個功率模塊結構及電氣性能完全一致，可以互換，十分方便整體裝置的維修和運行，其原理結構如圖4所示。

圖4 HIVERT系列高壓變頻器功率模塊控制原理圖

(5)控制模式

HIVERT系列高壓變頻器采用數(shù)字信號處理器作控制芯片，全中文操作平臺，柜體操作面板為12英寸獨立真彩LCD顯示和液晶屏直接操作界面，用于變頻器接地控制、參數(shù)設置、顯示變頻器運行狀態(tài)，查詢故障記錄及通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。其次、變頻器操作還可采用異地遠程控制（即變頻器的頻率設定通過上位機給定，如主界面的加減速鍵或"頻率設定"設置運行頻率，如圖6所示）；另外還可用外部模擬信號直接給定控制。由于控制器設有PID調(diào)節(jié)功能，可很好地實現(xiàn)給定頻率升、降速的平滑性和均勻性。變頻器啟動后運行于設定頻率（可選擇開環(huán)或閉環(huán)控制）。其實時狀態(tài)監(jiān)控、啟動、停車、急停、復位、運行頻率設定、參數(shù)刷新、故障記錄查看等控制操作，均通過遠程上位機或就地柜體操作面板實現(xiàn)。

圖5 高壓變頻器遠程頻率設定、監(jiān)控界面

(6)旁路柜或切換柜

HIVERT系列高壓變頻器設置了旁路柜或切換柜，開關可根據(jù)用戶工況需求選用隔離刀閘、真空接觸器、真空斷路器或其他組合方式。旁路柜的配置目的是為了當變頻器退出運行后，將電機投入工頻電網(wǎng)運行，以保證生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)性；切換柜的作用是將變頻器輸出切換到不同電機控制而增設的配置。

5、控制系統(tǒng)原理

應用HIVERT-Y06/154高壓變頻器實現(xiàn)的石油焦煅燒回轉窯負壓調(diào)節(jié)風機控制系統(tǒng)原理如圖5所示。通過回轉窯總控制PLC、上位機實現(xiàn)風機遠程監(jiān)控和操作（手動和自動控制）。2008年7月設備到貨，8月初現(xiàn)場安裝，高壓柜就位、柜內(nèi)干式變壓器與功率單元的連線、電纜連接和DCS程序及操作界面和運行曲線的制作。9月2日進行了安全上電聯(lián)鎖、變頻器控制柜、電機（空、輕載和重載）等調(diào)試。9月28日投入正常生產(chǎn)運行。

圖6 石油焦煅燒回轉窯引風機變頻驅動原理圖

四、運行效果

自2008年10月我廠3期石油焦煅燒回轉窯負壓風機高壓變頻改造投運以來，已連續(xù)、長期運行2年多，其變頻器一直工作穩(wěn)定、維護工作量少、節(jié)電顯著。其實際效果良好，煅燒回轉窯負壓調(diào)節(jié)及時、操作簡單，達到了準確控制目標，完全滿足石油焦回轉窯煅燒工藝控制需求，其次變頻控制大幅提高了煅燒生產(chǎn)工藝和設備利用等效益，其具體如下：

1、煅燒回轉窯負壓調(diào)節(jié)更加精、準、易操作：高壓變頻器采用遠程（上位機）啟動、停止操作、運行頻率設定和運行狀態(tài)部分參數(shù)時時監(jiān)控，實現(xiàn)了回轉窯負壓風機的轉速精細、微調(diào)控制功能。在實際中，操作人員根據(jù)煅燒回轉窯具體生產(chǎn)工藝需要，及時地進行變頻器頻率改變，就能準確地調(diào)節(jié)電動機的轉速，即實現(xiàn)大窯內(nèi)負壓的細微調(diào)節(jié)控制目的，解決了過去采用調(diào)節(jié)煙道碟閥開度大小調(diào)節(jié)負壓的方法（這種調(diào)節(jié)法操作難度大、誤差大、易漂移等缺點），其回轉窯控制室上位機遠程操作控制界面如圖6所示。操作人員通過改變變頻器頻率設定（頻率改變率為±1.0Hz，也可設定為其它加減速改變率）實現(xiàn)負壓調(diào)節(jié)。變頻器調(diào)節(jié)的范圍為0—50 Hz，因此可隨生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)負壓（即調(diào)節(jié)風量）。同時回轉窯采用變頻器控制有利于回轉窯煅燒自動調(diào)節(jié)控制的實現(xiàn)和完善。

2、延長了風機使用壽命：高壓拖動電機采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流不超過額定電流，啟動時間相應延長，顯著降低對電網(wǎng)的沖擊作用，并延長了電機及風機葉輪、機體的使用壽命（延緩磨損、腐蝕和老化等速度）。同時使高壓電機突破了冷態(tài)允許2次啟動，熱態(tài)允許1次啟動的限制。

3、設備維護量大幅減少：采用變頻調(diào)速后，由于啟動平穩(wěn)，低速運行，風機葉輪、機體‘軸承座等裝置的振動、噪音和溫度明顯降低，其零部件的損壞、磨損、腐蝕和老化等速率明顯地延長，特別是密封、軸承的壽命大幅增加。其設備檢修周期、維護工作量和維修費用非常少，此安裝以來，風機每半年只進行了一次葉輪粉塵清理和檢查，變頻器每半年也只進行了一次日常清灰、檢查等工作。與同種設備工頻拖動風機比較，其維護成本每年減少82%以上。

4、提高了石油焦煅燒工藝效率：與相同煅燒工藝水平和產(chǎn)力的工頻拖動風機裝置（如我廠1、2期煅燒回轉窯）比較，采用高壓變頻調(diào)速裝置后，風機效率平均提高到38％以上，石油焦煅后焦成品合格率、燒損率、比電阻均得到了明顯地提高和改善。據(jù)實際生產(chǎn)統(tǒng)計，回轉窯生產(chǎn)過程中，其主要煅燒工藝參數(shù)控制偏差如表1所示。

表1 回轉窯煅燒主要工藝控制參數(shù)實際偏差大小

5、提升了回轉窯安全運行可靠性：負壓調(diào)節(jié)風機運行工況要求24h連續(xù)運行工作制，經(jīng)常停機會對整個煅燒生產(chǎn)造成嚴重的影響。甚至突然停機會造成回轉窯燃燒不充分、鍋爐、煙道內(nèi)存積大量煤氣，發(fā)生爆炸現(xiàn)象，故工頻拖動運行時，必須要求配置許多其它安全保障措施和設施。采用變頻控制后，在實際運行中，當某組逆變功率模塊工作異?；蚬收蠒r，可通過調(diào)整觸發(fā)控制脈沖信號，使該組模塊輸出短路，將故障單元旁路退出系統(tǒng)。這種情況下，只是變頻器降載運行。因此，可大幅減少設備的異常停機和系統(tǒng)頻繁停、啟現(xiàn)象。

6、網(wǎng)側功率因數(shù)得到提高：采用高壓變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，電源側的功率因數(shù)可提高到0.94以上，且不需無功補償裝置就可實現(xiàn)。若電機直接采用工頻驅動時，即使采用無功補償，其實際功率因數(shù)只有0.84。據(jù)每季度生產(chǎn)能耗統(tǒng)計結果計算，我廠3期煅燒回轉窯每噸石油焦煅燒耗電平均減少74 KWh左右，每年單臺回轉窯生產(chǎn)節(jié)電27.6萬KWh以上，減少電費開支9.7萬余元；每年單臺窯減少石油焦燒損530余噸，直接效益達210萬余元。

7、噪聲大大減小，改善運行人員的工作環(huán)境：采用變頻調(diào)節(jié)后，由于通過調(diào)節(jié)電機轉速實現(xiàn)調(diào)節(jié)，煙道碟閥、風葉振動噪音大幅下降，改善設備操作人員工作環(huán)境和勞動強度。

五、結束語

應用 HIVERT-Y06/154高壓變頻器實現(xiàn)石油焦煅燒回轉窯負壓調(diào)節(jié)風機拖動系統(tǒng)，優(yōu)化了回轉窯煅燒生產(chǎn)過程，提高了其工藝控制性能和效果，在相同生產(chǎn)能力和工藝控制條件下，又大幅降低了風機運行電能消耗；據(jù)統(tǒng)計，由于該回轉窯負壓風機流量的準確、及時可調(diào)，在相同工藝和生產(chǎn)能力條件下，其煅燒回轉窯天然氣的消耗降低8.7m³/t；煅后焦比電阻減小70—95μΩ/mm²；石油焦燒損率減少（即實收率提高）3.1%以上；負壓調(diào)節(jié)風機電能消耗降低27.6萬KWh/年以上，每年創(chuàng)造經(jīng)濟效益達到200余萬元以上；其次實踐證明，國產(chǎn)高壓變頻器控制技術、設計能力和制造產(chǎn)品質量均已十分成熟，可與進口同類產(chǎn)品抗衡，其價格只有同類進口產(chǎn)品的一半以下，具有備件易采購、維修迅速等益處，完全避免了進口變頻器維修困難、備件采購難等問題。