PDF《高压变频器 在球团厂磨煤引风机中的应用》

包钢集团固阳矿山公司 马健凯 山东新风光电子科技发展有限公司 徐西甲 郭培彬 摘要:本文介绍了风光高压变频器在包钢集团固阳矿山公司球团厂磨煤 引风机中的应用情况.

现场运行情况表明,采用高压变频器对球团厂磨 煤引风机进行调速节能,节能效果是明显的. 文章编号:141105 高压变频器 在球团厂磨煤引风机中的应用 The Application of High Voltage Inverter in the Coal Grinding Blower in Pellet Plant

1 引言 包钢集团固阳矿山公司是包头钢 铁集团的一个全资子公司.一期球团 生产线建设1条240万t/a链箅机――回 转窑球团生产线及配套设施.公司注 意挖掘自身潜力,强化节能意识,并 付诸于实施,于2013年11月就对球团 厂磨煤引风机进行高压变频改造,取 得了良好的经济效益与社会效益.改 造现场设备铭牌如表1所示.

2 球团生产主要有以下三个 步骤 首先,将细磨精矿粉、熔剂、 燃料和黏结剂(皂土等)原料进行配 料、混合;

其次,在造球机上加适 当的水,滚成10~15mm的生球;

再次,生球在高温焙烧机上进行高温焙 烧,焙烧好的球团矿经过冷却、破碎、筛分,得到成品球团矿. 其中磨煤机工艺流程是:球团厂 煤粉制备中,烟煤通过胶带机由储煤 场运至烟煤煤粉制备室粒煤矿仓内, 仓下设密封式胶带定量给煤机将煤定 量给入辊盘式磨煤机中.磨煤机电动 机通过减速机转动磨盘,物料从下料 口落到磨盘中央,在离心力的作用下 向磨盘边缘移动并受到磨辊的碾压, 并由沸腾炉供给低氧热风,热风将煤 干燥同时进行风选,将粒度合格的煤 粉由磨煤引风机吹送到煤粉布袋收集 器,而后再由煤粉布袋收集器灰斗下 口排放至煤粉仓,不合格的煤粉留在 磨中继续研磨.煤粉仓下设煤粉计量 及喷吹系统,把煤粉利用罗茨风机送 至回转窑煤粉烧嘴处燃烧.磨煤引风 机的转速(煤粉布袋收集器所需风 量)主要由磨煤机内工艺情况(产量 及粉的细度)决定. 包钢集团固阳矿山公司球团厂 磨煤引风机为佳木斯电机股份有限公 司生产的高压隔爆异步电机(YB2- 4506-4,10kV,400kW)拖动,原 有的运行方式为电机全速运行,这样 kzcd.chuandong.com 交流传动 CD技术与应用 AC DRIVE 的运行方式存在如下弊端: (1)风机调节反应滞后,调节速度慢,调节 精度不高. 依靠风门调节执行器来调节风门开度, 受机械部分限制调节速度有限,调节精度亦受影 响,往往对现场的风量控制不是很到位,造成调 节的误差增加. (2)风门调节浪费电能,不科学,不经济. 电机额定电流为28.5A,而电机实际运行电流 平均为19A左右,阀门开启仅为15%左右,采用风 门调节,人为改变了风道的阻力曲线,大量的能 源白白浪费在风门上. (3)因电机全速运行,电机轴瓦和风机等机 械部分磨损较快,电机和风机维护周期短,维护 费用高.

3 高压变频调速系统简介 3.1 变频原理及高压变频特点 异步电动机的变频调速是通过改变定子供电 频率f来改变同步转速而实现调速的,在调速中 从高速到低速都可以保持较小的转差率,因而消 耗转差功率小,效率高,是异步电动机最为合理 的调速方法.目前,变频调速已成为异步电动机 最主要的调速方式,在很多领域都获得了广泛的 应用. 高压变频调速具有如下显著的优点: (1)高效节能 含变压器在内的整机效率在96%以上,可减 少由负载档板或阀门调节方式导致的节流损失. (2)提高功率因数 目前单元级联式的高压变频器,其输入电流 谐波含量小于国家标准的限制要求,功率因数可 保证在0.97以上,输入功率因数大大提高,无需 投资功率补偿设备,并可降低有关的设备投资与 维护费用. (3)软启、软停 减少对电网和负载的冲击,延长电机等设备 的使用寿命.采用变频调速后,可以实现软起动 和软停止,几乎不产生冲击,正常运行时又大多 低于电机额定转速,可大大延长电机定子、转子 轴及轴承等电气与机械寿命. (4)节能效果明显 对离心式风机而言,流体力学有以下原理: 输出风量Q与转速n成正比;

输出压力H与转速n 的平方成正比;

输出轴功率P与转速n的立方成正 比;

即: 风机特性如图1所示.风机工作在A点时, 其功率为PA=H1*Q1/102 ;

风机工作在B点时,其 功率为PB=H2*Q2/102 .因Q2H1, 故PA与为PB的值变化较大,说明采用变工频工作 方式时,改变风机的风量,风机的轴功率减小很 大,节能效果显著. 当风机风量需要改变时,如调节风门的开 度,则会使大量电能白白消耗在阀门阻力上.如 采用变频调速调节风量,可使轴功率随流量的 减小大幅度下降.可见,通过变频对风机进行改 造,可以实现节能,且节能空间可观. 3.2 风光牌JD-BP38-400F高压变频调速 系统 这次改造公司选用了山东新风光电子公司生 图1 风机特性曲线图 图2 高压变频器系统结构图 产的风光牌JD-BP38-400F高压变频调速系统, 是新风光公司研发的第六代产品,具有领先于 同行的高功率密度,控制性能高,完善的保护机 制,产品投入市场后,大大提升了产品性能,受 到了用户的广泛好评.该产品采用直接 高-高 变换方式,属电压源型,可直接10kV输入,直接 10kV输出, 电流谐波小,输入功率因数高,输 出波形质量好,不存在谐波引起的电机附加发热 和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问 题,不必加输出滤波器,就可以使用普通的异步 电机. 风光高压变频器,采用若干个低压逆变器功 率单元串联的方式实现直接高压输出,单元电路 模块化设计,维护简单,互换性好,高压主回路 与控制器之间为光纤连接,强弱电隔离,安全可 靠,该10kV高压变频器,变压器有24组付边绕 组,分为8个功率单元/相,三相共24个单元,采用48脉冲整流,输入端的谐波成分远低于国标规 定,高压变频器系统结构如图2所示,单元电路的 主电路如图3所示. 具体来说,风光第六代高压变频器除具有 一般普通高压变频器的性能外,还具有以下突 出特点: (1)采用高速DSP作为中央处理器,运算速 度更快,控制更精准. (2) 矢量控制技术,通过测量和控制交 流电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分 别对交流电动机的励磁电流和转矩电流进行控 制,从而达到控制交流电动机转矩的目的.启 动转矩大,转矩动态响应快,调速精度高,带 负载能力强. (3)快速飞车启动功能.能够识别电机的 速度并在电机不停转的情况下直接起动.在变频 器受到负载冲击保护后可对其自动复位,然后再 自动启动,即可避免重要场合(如水泥厂高温风 机)变频保护停机造成的损失.快速飞车启动技 术可实现变频器在0.1s之内从保护状态复位重新带 载运行. (4)工频/变频无扰切换技术.现在的高压 变频调速系统一般设置工频旁路切换柜,变频器 发生故障时能使高压电机转至工频运行,旁路切 换有手动旁路和自动旁路切换两种型式,手动旁 路需人工操作,适应于无备用装置或不重要的运 行工况,自动旁路可在变频器发生故障后直接自 动转换至工频运行.新风光公司提供的自动旁路 切换柜,不仅可实现变频故障情况下自动由变频 转换至工频运行状态,还可实现在变频检修完毕 后由工频瞬间转换至变频运行的功能,整个转换 过程不会对用户设备的运行造成任何影响. (5)电网瞬时掉电重启技术,电网瞬间掉电 可自动重启,可提供最长60s的等待时间. (6)线电压自动均衡技术(星点漂移技 术).变频器某相有单元故障后,为了使线电压 平衡,传统的处理方法是将另外两相的电压也降 至与故障相相同的电压,而线电压自动均衡技术 通过调整相与相之间的夹角,在相电压输出最大 且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出. (7)振荡抑制技术,电机轻载或者空载的 时候会出现局部不稳定现象,这时电流幅值波动 很大,电流的振荡有可能会导致系统因为过流或 过压而触发保护.新风光公司采用优越的电流算 法,有效地抑制电流的振荡,保证系统稳定可靠 的工作. (8)多机主从控制技术,变频器具备主从控 制功能,多台变频器之间可通过数据总线组成主 从控制网络.将其中的一台设为主机,其他设为 从机,主机实时采集各从机的状态信息,同时发 送给各从机频率、转矩指令,实现各台变频器的 功率平衡和综合控制.该技术适用于皮带机、摩 擦式提升机等需要功率平衡控制的场合. (9)输出电压自动稳压技术,变频器实时 检测各单元母线电压,根据母线电压调整输出电 压,从而实现自动稳压功能.避免电网波动对输 出电压的影响. (10)故障单元热复位技术,若单元在运 行中故障,且变频器对其旁路继续运行,此时可 在运行中对故障单元进行复位,不必等变频器停 机. (11)单元直流电压检测:实时显示检测系 统的直流电压,从而实现输出电压的优化控制, 图3 单元电路主电路

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86 87 交流传动 CD技术与应用 AC DRIVE 降低谐波含量,保证输出电压的精度,提升系统 控制性能,并可使保证运行维护人员实现对功率 单元运行状况的全面把握. (12)具备突发相间短路保护功能.如果由 于设备原因及其他原因造成输出短路,此时如果 变频器不具备相间短路保护功能,将会导致重大 事故.变频器在发生类似问题时能够立即封锁 变频器输出,保护设备不受损害,避免事故的 发生. (13)限流功能:当变频器输出电流超过设 定值,变频器将自动限制电流输出,避免变频器 在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流 保护,最大限度减少停机次数. (14)多种控制方式,可选择本机控制、远 控盒控制、DCS控制支持MODBUS、PROFIBUS 等通讯协议频率设定可以现场给定、通讯给定等 支持频率预设、加减速功能. 3.3 磨煤引风机控制方案 3.3.1 主回路方案 高压变频器为 一拖一 ,配置手动旁路 柜.变频器高压进线端直接接于10kV电压等级的 主动力电源,输出侧直接连接电机.DL用户现场 高压断路器,为了实现对变频器故障保护,变频 器与DL的合、分闸回路实现连锁,只有变频器控 制系统正常才允许DL合闸,而变频器重故障则跳 开DL.手动旁路柜如图4所示. 3.3.2 控制回路方案 按照用户要求,变频器可以根据用户反馈的 风压信号来调节风机的风压,也可以与用户的风 门进行开、合联动.变频器控制柜有 本机控制/ 远程控制 选择开关,可以方便地选择本地操作 或远程操作,变频器支持MODBUS、PROFIBUS 等协议及硬接线连接来实现远程操作,本套系统 与用户中控室DCS采用硬接线连接.即DCS给变 频器发启动、停止指令及一路频率给定信号,变 频器反馈给DCS 就绪 、 运行 、 报警 、 故障 四路开关量信号及 电机转速 、 电机电流 两 路模拟量信号. 本高压变频器采用风冷装置,只对变频器 的出风处加装通风管道,将热风直接排出室外, 降低柜体内的微环境温度,确保功率器件的管芯 温度在允许值以下.未对变频器房间设置空调设 备,只增加房间换气轴流风机一台.

4 改造效果 4.1 节能效果明显,经济效益显著 固阳矿球团厂磨煤引风机变频改造后,取 得了显著的节能效果,改造前风机风门的开启经 常在15%左右,电机全速运行;

变频改造后,风 机变速运行,风门全开.因现场工况变化不是很 大,变频调速系统经常运行在32Hz左右,与调节 档板时的消耗功率大大减少,节电效果与经济效 益显著,变频改造前后,磨煤引风机的运行数据 如表2所示. 改造后,磨煤引风机的节能率为:(263.3- 127.3)/263.3=51.6%,该引风机年运行时 间按300天,每天运行24小时.每度电按高压变频器铭牌 电机铭牌 型号 JD-BP38-400F 型号 YB2-4506-4 出厂编号 HV1306182-G6 制造厂 佳木斯电机股份有限公司 额定功率 400kW 额定功率 400kW 额定电流 29A 额定电压 10kV 额定输入电压 10kV 额定电流 28.5A 输出最大电压 10kV 额定转速 1489r/min 表1 改造现场设备铭牌 表2 磨煤引风机的运行数据 调节方式 风门开度 (%) 输入电流 (A) 运行频率 (Hz) 电机平均功率 (kW) 改造前 风门

15 19

50 263.3 改造后 变频调速

100 7.5

32 127.3 图4手动旁路柜图 0.5元计算,年节省电费:(263.3-127.3) kW*24h*300d*0.5元/ kW・h =489600元. 4.2 磨煤引风机变频改造后,取得的间接效果 也十分明显 由于变频调速系统经常运行在32Hz(生产 时),电机及风机转速降低,电机及风机的磨 损降低,噪音和振动降低,整体维护周期大大延 长.由于电机变频改造后转速降低,输出功率大 大降低,电机的温升也没有升高.

5 结束语 目前很多球团厂的风机大马拉小车现象严 重.风机的风量调节方式基本通过挡板进行调 节,耗能大,经济效益差,设备损坏严重,急需 采用先进的高压变频调速进行技术改造,以降低 球团厂的电耗,提高企业的经济效益.实践证 明,冶金行业风机采用高压变频调速技术,是必 要、可行的,且经济效益显著.CD 上接第81页 γ的表达形式为: r=e-τ Em(4) Em=1/2(ym-y)2 式中:τ为鲁棒因子的变鲁棒系数;

Em为NNI 输出与系统实际输出之差的平方. 3.5 PID控制算法 控制器算法为: u(k)=f.xc=kpxc(1)=kixc(2)+kdxc(3) 传统增量式PID控制算法: u(k)=u(k-1)+u(k)

4 钻杆自动排放系统仿真研究 为了验证所提出的模糊神经网络PID控制算法 的有效性,在MATLAB中创建模糊神经网络,利 用隶属函数和模糊规则将抽象的模糊规则转化为 模糊神经网络的训练样本,隐层采用在任意点可 微的Tansig作为传递函数,输出层采用常用非负 的Sigmoid函数. 图5为采用常规PID控制和改进的模糊神经网 络PID控制时,系统阶跃信号的响应曲线.由图5 可见,改进的模糊神经网络PID控制能很好地抑制 系统的超调,响应快、稳态误差小,性能远优于 常规PID控制. 图6为常规PID控........