共直流母線節電技術在離心機上的應用

胡慶保

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

銅冶煉行業中，污酸處理大多采用硫化—石膏—中和鐵鹽法，在石膏工序會產生大量的石膏，該部分石膏屬于一般固廢，后續處理和使用的方便性和經濟性就顯得尤為重要。因此，通過使用先進的污泥脫水設備以降低石膏含水率，減少后續利用難度，可以為石膏處置尋找更好的出路。

主要使用脫水離心機來分離石膏和水。離心機在工作中，首先將回轉機構加速，然后往回轉腔體內加入石膏與水的混合液體，經過快速旋轉后，水透過濾網排出，石膏粉留在回轉腔內，待水分離充分后，離心機減速直至停止，刮取機構刮完回轉腔內石膏粉后，完成一次循環。離心機就這樣頻繁的加速、減速進行工作，加速時變頻器消耗能量，驅動著電機對負載進行加速，減速時負載機構存在巨大的轉動慣量，會帶著電機轉動，電機處于第四象限運行，處于發電狀態，電能回升至變頻器后，被制動單元和制動電阻消耗，造成了能源的浪費，違背了節能減排的政策［1］。如果能夠將減速過程中，被制動電阻消耗的能量回饋到電網進行再次利用，既可以節約能源，又能產生一定的經濟效益，可謂一舉兩得。

2 離心機數據分析

2.1 現場數據

經過現場調查，某生產車間的離心機設備型號規格主要分為兩類，其大致工況如下：

規格1：電機37kW，變頻器采用ABB公司ACS800 系列ACS800-01-0060-3；最大工作頻率約45Hz，減速時間3 分鐘，制動過程中，輸出轉矩持續在50%左右。10 分鐘為一個周期。

規格2：電機132kW，采用AB 品牌變頻器，制動電流約120A。輸出轉矩持續在50%左右，減速時間3 分鐘，最大頻率約45Hz，10min 為一個周期。

2.2 數據分析

根據電機轉矩與功率、轉速的關系：T=9550*P/N。T 為輸出轉矩；P 為功率；N 為轉速。減速過程中，恒扭矩，T 不變，則P 和N 是正比關系。

通過計算，規格1 系統減速過程中，電機的能量回饋為：

每小時電機回饋到變頻器的能量8991kJ ≈2.5kW·h，每年按照300 工作日約為18000kW·h

規格2 系統減速過程中，電機的能量回饋為：

每小時電機回饋到變頻器的能量32076kJ ≈8.91kW·h，每年按照300 工作日約為64152kW·h。

現場采用了制動單元配合制動電阻，共同消耗掉所有回升到變頻器的能量，能源浪費非常嚴重。

2.3 節能方案分析

根據數據分析和生產現場實際情況，通過比較得出采用AFE 有源前端能量回饋系統是有效的能量回收方法。采用能量回饋系統后，制動功耗通過能量回饋系統回饋到電網，此部分功耗能夠再利用，實現節能，降低整體功耗。

應用能量回饋系統后的節能率，以能量回饋系統的效率90%計算。

規格1 系統年回饋電能E=E1×90%=18000kW·h×90%=16200kW·h；

規格2 系統年回饋電能E=E1×90%=64152kW·h×90%=57736kW·h。

采用共直流母線很重要的一點就是上電時必須充分考慮到變頻器的控制、傳動故障、負載特性和輸入主回路維護等［2］。

2.4 消諧節能分析

通過如下諧波畸變率產生的能耗表，分析變頻器產生的諧波導致的能耗消諧節電率△P*表，見表1。

表1 能耗消諧節電率△P*表

圖1 系統連接示意圖

由于現場變頻器數量較多，變頻器輸入端的電流諧波畸變較為明顯，加裝能量回饋系統后，諧波濾除率可達90%。

系統中的諧波電流無法被普通電表所計量，諧波導致的功耗主要是諧波電流產生的電纜、設備等發熱嚴重［3］，消耗的有功功率，所以無法計量的消諧節電率可以轉化為實際的有功功率，以經驗推算，消除諧波后帶來的實際有功節能率為3%左右。

3 改造方案

3.1 改造方案

利用能量回饋裝置AFE，將能量回饋單元AFE 串聯在驅動變頻器的前端，能量回饋單元AFE 通過直流端子和變頻器相連，當電機加速時，能量回饋單元AFE 為變頻器提供所需要的能量，當電機制動時，電機發電，能量通過變頻器的直流端子傳遞到能量回饋單元，AFE 將這部分能量逆變成與電網的幅值、相位、頻率等完全一致的電源，回饋到電網中去，實現能量的回饋再利用［4］。同時在變頻器的整個工作時間，AFE 可以消除變頻器產生的諧波。

3.2 設備配置方案選擇

AFE 的配置需考慮變頻器驅動時的功率以及能量回饋時的功率，根據現場變頻器的型號以及額定功率，做出如下AFE 的選型配置。

表2 AFE 的選型配置表

4 工作原理分析

4.1 系統主接線示意圖

系統主接線示意圖見圖2。其中，B1—B4 接觸器控制AFE 的BYPASS。B3，B4 斷開的時候，B1，B2 投入，此時為正常不加AFE 的運行模式；B1，B3，B4 閉合，B2 斷開為接入AFE 的節能模式。兩種模式的切換會通過柜體上的按鈕來實現，如果再生產過程中AFE 出現故障，那么可以手動操作切換到普通模式，從故障發現到切換普通模式只需幾分鐘便可以使生產繼續。

圖2 系統主接線示意圖

4.2 對安裝位置與環境的要求

AFE 產品可單獨成柜，安裝在距離現場變頻柜較近的位置，使用電纜線連接。AFE 成柜可根據現場布置，多臺合柜。AFE 對環境的適應性能與現場變頻器同等條件，使用環境溫度為-10℃到50℃，使用防護等級滿足要求的柜體。

5 產生的效益

根據智能工廠系統上對石膏電單耗的數據分析，得出表3 每月石膏生產用電情況。

表3 硫酸車間2019 年石膏生產月電單耗

自4 月份項目實施以來，石膏電單耗逐月下降，最低在10 月下降至4.6kW·h/t，11 月份出現反彈，經分析是由于11 月開始大修，石膏濃度低，造成離心機負荷率較低，提升了電耗。硫酸車間平均年產石膏76000t，消耗總電量為83.4 萬kW·h，目前節電10%以上，每年可以節約用電8.34 萬kW·h。

能量回饋系統AFE 可以為變頻器提供穩定的電源供應，降低由于電網電壓波動導致的變頻器出力不足及無法正常工作的幾率。根據理論計算，變頻器通過能量回饋系統改造后，可以降低整體的能耗，實現節能減排。使用直流母線方式供電,不僅改善整流器網側電流波形,還減少了電壓電流諧波對電網的污染；增大了功率因數，使有功功率得以回收利用，還降低了網側變壓器的容量［5］。

6 結束語

經過能量回饋系統改造后，在節能率、諧波改善、設備發熱降低、故障率減少、變壓器和其他設備的使用壽命延長、生產效率提高等方面，都產生了積極的作用，保障設備穩定運行的同時也達到了節能降耗的目的。