PowerFlex7000在陽極風機中的應用

★安徽金隆銅業(yè)有限公司 陳剛

PowerFlex7000在陽極風機中的應用

★安徽金隆銅業(yè)有限公司 陳剛

本文主要介紹PowerFlex7000中壓變頻器在金隆銅業(yè)陽極風機中的應用。利用PowerFlex7000中壓變頻器可實現(xiàn)風機風量精確控制，并能大大降低生產(chǎn)能耗，降低風機的啟停次數(shù)，減少對風道、風門的沖擊，減少風機系統(tǒng)的機修維護量，減少大型機組的啟停對電網(wǎng)沖擊。

中壓變頻器；變頻調(diào)速；節(jié)能降耗

1 引言

能源是經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟社會科學可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。中國作為世界第二大能源消費國，一直高度重視能源和節(jié)能工作，早在20世紀80年代初就提出了“能源開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在優(yōu)先位置”的方針，將節(jié)能納入國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃。目前，我國經(jīng)濟快速增長，能源不足的矛盾日益顯現(xiàn)。其特點是：

（1）人均能源相對不足。我國大多數(shù)能源資源人均占有量不足世界平均水平的一半。

（2）能源利用效率低。我國每百萬美元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比世界先進水平高2.4倍，能源效率比國際先進水平低10個百分點。

（3）能源約束矛盾突出。近年來煤、電、油、運瓶頸制約再度出現(xiàn)。

（4）環(huán)境污染嚴重，我國是少數(shù)以煤為主要能源的國家，也是世界上最大的煤炭消費國，能源使用帶來的環(huán)境壓力巨大。

為加快建設節(jié)約型社會，緩解當前煤電油運緊張狀況和全面建設小康社會面臨的資源約束和環(huán)境壓力，保障國民經(jīng)濟持續(xù)快速協(xié)調(diào)健康發(fā)展，每個企業(yè)都應充分認識到自己的社會責任，把節(jié)約能源，提高能效利用效率，減少環(huán)境污染作為企業(yè)持續(xù)、健康發(fā)展的內(nèi)在動力。節(jié)約能源，對宏觀而言旨在降低單位產(chǎn)值能耗，對行業(yè)來講，是降低產(chǎn)品的單耗。

2 傳統(tǒng)風機控制方式研究

2.1 風門擋板風量風壓控制

最古老方式采用閥門擋板控制方法，這種控制方式下，存在著以下幾方面的問題：

（1）風機的配套電機一般功率較大（相對風機的所需軸功率），啟停時對配電系統(tǒng)沖擊大，不利于主變及電網(wǎng)的安全運行。

（2）節(jié)流損失大，長期在低效率狀態(tài)下運行，增加能源消耗。

2.2 液力耦合器調(diào)速控制

液力耦合器又稱液力聯(lián)軸器，是一種用來將動力源（通常是發(fā)動機或電機）與工作機連接起來，靠液體動量矩的變化傳遞力矩的液力傳動裝置。采用液力耦合器調(diào)速，運行中發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

（1）采用液力耦合器時，在低速向高速運行過程中，延遲性較明顯，不能快速響應，同時這時候的電流較大，如整定不好會引起跳閘，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）液力耦合器本身控制精度差，調(diào)速范圍窄，通常在40%～90%之間。

（3）電機起動時，沖擊電流較大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

（4）在高速運行時，液力耦合器有丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（5）液力耦合在調(diào)速運行時產(chǎn)生機械損耗和轉(zhuǎn)差損耗，效率較低，造成電能浪費。

（6）液力耦合器工作時通過一導管調(diào)整工作腔的充液量，從而改變傳遞扭矩和輸出轉(zhuǎn)速來滿足工況要求；因此，對工作腔及供油系統(tǒng)需經(jīng)常維護及檢修。液力耦合器經(jīng)過一段時間使用，維護比較麻煩。

（7）液力耦合器出現(xiàn)故障時，無法再用其他方式使其拖動的風機繼續(xù)運行，必須停機檢修。

（8）耦合器運行時間稍長，就會嚴重漏油，對環(huán)境污染大，地面也被油嚴重污蝕。

3 35萬噸擴產(chǎn)改造工程概況

為響應國家節(jié)能降耗的號召，金隆銅業(yè)在2006年實施了1250kW陽極風機的變頻改造計劃。將原有的陽極風機改造成變頻控制。為了整廠流水線的安全可靠運行，此次改造保留了風機的擋板控制（即變頻器增設了手動旁路）。其改造圖如圖1所示。

圖1 變頻改造圖

陽極風機的電機參數(shù)：

功率1250kW；額度轉(zhuǎn)速1493rpm；額度電流：142A；額度電壓：6kV。

4 變頻調(diào)速節(jié)能的原理分析及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)

離心風機的運行工況點是風機本身特性曲線與管道特性曲線的交點，調(diào)節(jié)風機的工況點就要改變這兩條曲線的特性。對于定型管道來說，節(jié)流調(diào)節(jié)就是改變管道的特性曲線，只是通過節(jié)流調(diào)節(jié)這一方式不適應本工程。對于一臺固定葉片的離心風機，通過調(diào)節(jié)風葉轉(zhuǎn)速來改變風機本身特性曲線的調(diào)節(jié)方式是有效的節(jié)能途徑。

對于一臺離心風機而言，其風量、風壓、所需功率均隨葉輪轉(zhuǎn)速的變化而變化，且有如下關(guān)系：

n1/n2=Q1/Q2=(P1/P2)1/2=(N1/N2)1/3

從以上關(guān)系式可以得出很有實際意義的結(jié)論：

Q（風量）∝n（轉(zhuǎn)速）；P（風壓）∝n2（轉(zhuǎn)速）；N（風機軸功率）∝n3（轉(zhuǎn)速）。也就是說：當轉(zhuǎn)速變化時，風量、風壓、功率的變動速率是有很大差別的，且功率的變動速率最快。當轉(zhuǎn)速降到70%時，風量也降到70%，風壓降到49%，功率降到34.3%。由此可以看出，通過調(diào)節(jié)風葉轉(zhuǎn)速可以做到使風量、風壓適應負荷的變化，不需使用調(diào)節(jié)擋板改變管道阻力特性達到目的，從而避免了節(jié)流損失，達到節(jié)能的目的。

表1為2007年6月20日對陽極風機（1250kW電機）做了各頻率段測得數(shù)據(jù)：

表1 各頻率段測得數(shù)據(jù)

從變頻器實際測得的數(shù)據(jù)來看，驗證了變頻器輸出頻率、功率的關(guān)系。在改變變頻器輸出頻率可以滿足系統(tǒng)風壓風量要求的情況下，節(jié)能是非常可觀的。

5 羅克韋爾自動化PowerFlex7000中壓變頻器的工作原理

5.1 羅克韋爾自動化PowerFlex7000中壓變頻器的構(gòu)成

6 k V變頻器主回路由1 8個可控硅（耐壓6500V/350A的SCR）做成的18脈沖整流（如圖2所示）；由18個SGCT（耐壓6500V/800A的SGCT）做成的逆變元件和一個強壯的直流母線電抗器組成。

圖2 18脈沖整流器

5.2 羅克韋爾自動化PowerFlex7000中壓變頻器以高可靠性著稱

最好的功率器件×最少的器件數(shù)量=最高可靠性

PowerFlex7000的6kV級中壓變頻器只需18個SGCT組成逆變器，而整臺變頻器的功率器件只要36個。

5.3 羅克韋爾自動化PowerFlex7000中壓變頻器諧波低但不增加系統(tǒng)復雜性

當今市場上多數(shù)中壓變頻器都是通過功率單元串聯(lián)和移相變壓器來增強整流脈沖數(shù)以降低進線側(cè)的諧波。此類變頻器通常具有較多的功率器件數(shù)量，系統(tǒng)比較復雜，變壓器與變頻器間電纜數(shù)量多。相比之下，PowerFlex7000在不增加系統(tǒng)復雜程度和器件數(shù)量的情況下，滿足IEEE519-1999諧波標準。

5.4 羅克韋爾自動化PowerFlex7000中壓變頻器輸出波形好

PowerFlex7000中壓變頻器在調(diào)速范圍內(nèi)輸出電壓電流波形為完美正弦波，適用于普通電機，電機無需降容。

PowerFlex7000中壓變頻器對電機電纜長度沒有要求，理論可以達到15kM。

5.5 羅克韋爾自動化PowerFlex7000中壓變頻器的技術(shù)特點

SGCT具有電流大、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、低導通損耗、雙面冷卻、無電弧無爆裂等特點。420～540Hz的更高開關(guān)頻率，極低故障率（每十億小時＜100次故障可能）。

· 內(nèi)置直流母線電抗器（DC Link），保證了緊湊性和高效率。有效抑制故障電流，消除不必要的跳閘。無需熔斷保護電路，不但降低了系統(tǒng)復雜程度，而且免除了輸出側(cè)短路造成器件損害的可能。

· 固有能量回饋能力，可將降速工況（發(fā)電機運行狀態(tài)）下負載反饋回的能量回送電網(wǎng)，利用再生制動快速降低電機轉(zhuǎn)速。

· 使用數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可組態(tài)門排列控制器(FPGA)的全數(shù)字控制。

· 專利PowerCage整流逆變機架——維護方便。

6 羅克韋爾自動化PowerFlex7000中壓變頻器在陽極風機的運行情況

從變頻器投入運行近10年的時間看 , 用戶完全達到了變頻預期目的 , 使用變頻器后有以下優(yōu)點 ：

6.1 操作簡便，易于觀察

變頻器運行時的所有數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)在上位機顯示屏都可顯示，如運行頻率，輸入電壓，輸入電流，輸出電壓，輸出電流，開閉環(huán)，壓力值等。上位機顯示屏操作簡單明了，觀察方便。

6.2 電機及風機機組運行平穩(wěn)，溫升正常

在機組的整個調(diào)速范圍內(nèi)，電機和風機都平穩(wěn)運行，沒有出現(xiàn)異常振動和噪音，電機及風機的溫升也在正常范圍之內(nèi)，且變頻器為軟啟動，啟動電流小，對機組的機械沖擊也大幅度減小。

6.3 變頻器運行穩(wěn)定，性能良好

羅克韋爾自動化PowerFlex7000中壓變頻器投入運行以來，運行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑可靠，電壓和電流正常，沒有出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

6.4 減輕了值班人員的勞動強度

隨著工藝的要求, 值班人員在值班時通過微機遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行操作，不再需要頻繁地開閉擋板，工作量大大減小。

6.5 降低了維護費用

由于變頻器對電機實現(xiàn)軟啟動，啟動電流小，對風機機組沒有任何機械沖擊，相應地延長了風機、電機及擋板的使用壽命，大大降低了維護工作量和維護成本。

7 變頻調(diào)速改造方案經(jīng)濟性評價

通常中壓變頻調(diào)速改造方案的經(jīng)濟性評價有兩種主要方法：

一是“回收投資年限法”，回收投資年限是指設備采用中壓變頻調(diào)速的電網(wǎng)收益及其它經(jīng)濟效益補償設備投資和安裝費的最多年限，回收投資年限最短的方案為最優(yōu)方案。節(jié)電收益可通過計量系統(tǒng)測得，其它經(jīng)濟效益可比照已改造的同類設備收益取定額計算，該方法的優(yōu)點是直觀明確，缺點是僅能反映初投資與收益的比例關(guān)系；不能反映方案長期運行的經(jīng)濟性。由于全部使用壽命期間運行所需要的運行費、維修費的折算現(xiàn)值不容易估算。

二是“將來費用折算現(xiàn)值”，是指購設備（中壓變頻器）費用，安裝費用以及維持主設備和附加設備在全部使用壽命期間運行所需要的運行費、維修費的折算現(xiàn)值。總現(xiàn)值最低的方案為最優(yōu)方案。該方法較全面、準確地反映了一種方案經(jīng)濟性的優(yōu)劣，但需要詳盡的前期調(diào)研，對于原始資料和全部使用壽命期間運行所需要的運行費準確性要求很高，否則會導致計算依據(jù)不準，從而影響經(jīng)濟評價的效果。

無論采用哪一種方法，對于離心式風機和泵類而言，變頻調(diào)速的經(jīng)濟性都是顯而易見的，其投資回收年限約在3～4年。變頻器改造還會帶來的其它經(jīng)濟效益：由于變頻調(diào)速運行時擋板全開，不僅降低能耗，而且減少了管道振動，使差壓波動減小，改善了風機運行的穩(wěn)定性；對于風機工況經(jīng)常變動需平滑啟動可減少電動機和風機的磨損并降低故障率，減少維修費用；變頻調(diào)速方式的控制調(diào)節(jié)特性好于擋板調(diào)節(jié)，易實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制等。

8 結(jié)語

目前的中壓變頻器市場非常活躍，各國內(nèi)外品牌競爭十分激烈。作為一種較新的技術(shù)，國內(nèi)很多用戶在選擇時可能會無從下手。在此，筆者根據(jù)市場調(diào)研及實際使用后的情況，提出自己的一些體會。

（1）中壓變頻器的應用往往處在工藝中非常重要的位置，所以其可靠性應是作為選擇設備的首要因素。中壓變頻器的核心元件為逆變器的功率元器件。目前有些形式的中壓功率元器件，如SGCT的平均無故障時間（F.I.T）已經(jīng)高達100,000h。同時，還應考慮元器件的故障模式，盡量選擇具備不爆裂、無拉電弧模式的功率元件。

（2）所選擇設備的結(jié)構(gòu)應力求簡單明了，多一個環(huán)節(jié)，就多一個潛在的故障點。不但設備的可靠性降低，而且維護復雜。

（3）設備內(nèi)部不應含有電解電容這類需要定期更換的部分。尤其在變頻器內(nèi)部，大量諧波發(fā)熱使得電解電容的壽命大大降低。

（4）設備操作界面應友好，有些設備機柜上只保留有一個簡單的英文顯示條框，這給現(xiàn)場的操作人員帶來很多不必要的麻煩。考慮到現(xiàn)場操作人員的實際業(yè)務水平，應盡量考慮中文操作界面。

（5）考察供應商的實力，尤其是售后服務情況。在有些情況下，設備的故障排除還需要廠家完成，因此在設備訂貨前，應了解供應商的綜合實力，如國內(nèi)辦事處的位置、數(shù)量、服務人員素質(zhì)、是否具有國內(nèi)備件庫等。對于只是由國內(nèi)代理機構(gòu)提供的產(chǎn)品，應該多加注意和了解。

（6）多了解其他同類用戶的使用情況。很多剛剛進入市場的廠家很難在產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是售后服務等方面做到令人滿意。

（7）設備的采購成本與運行成本應綜合考慮，不應片面強調(diào)降低設備的采購成本。中壓變頻器的技術(shù)含量較高，其中的差別也很大，應注意其技術(shù)指標的差異。如果設備投運后頻繁故障，不但得不到預期的收益，反而會增加生產(chǎn)成本。

本次變頻改造非常成功。設備投運至今十分穩(wěn)定，基本無重大故障，也無需任何特殊日常維護工作。從現(xiàn)場近10年運行情況來看，羅克韋爾自動化的PowerFlex7000中壓變頻器性能優(yōu)越，運行可靠。在應用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且降低了運行維護成本 。PowerFlex7000中壓變頻器在金隆銅業(yè)的成功運行，證明了其在風機調(diào)速應用中具有無可比擬的優(yōu)越性。

Application of PowerFlex7000 Inverter on Fan of Anode Furnace

This paper introduces the application of PowerFlex7000, a medium voltage inverter,on fan of Anode Furnace in Jinlong Copper Industry. Since PowerFlex 7000 can control air volume precisely, it can greatly reduce the production energy consumption, the start-stop frequency of fan, the impact onduct and damper, the maintenance workload and the impact on power grid because of the large equipment start-stop frequency.

Medium voltage inverter; Frequency control; Energy conservation

陳剛（1972-） 男，安徽省銅陵市人，本科，現(xiàn)就職于安徽金隆銅業(yè)有限公司，從事電氣設備管理和維護工作，擁有20多年的行業(yè)經(jīng)驗，致力于提高有色金屬冶煉行業(yè)的電氣自動化應用水平。