1、 1Siemens MV 变频器在新型干法水泥厂的应用 张卫民 关键词：交流变频传动，中 压变频器，大功率开关器件 一 概述 鉴于直流传动具有优越的调速性能，在上一世纪的大部分年代里，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量 80%的不变速传动则采用交流电动机。 20 世纪 70 年代变频器的问世彻底打破了交直流传动按调速分工的格局，经历近半个世纪的研究，变频技术从晶闸管(SCR)时期发展到今天的大功率晶体管(IGBT)和耐高压大功率晶体管(HVIGBT) 时期，控制技术也发展到今天的矢量控制且已全数字化 其机械特性硬度能满足具有一定硬性负载的调速要求。 在新型干法水泥生产线，如
2、风机、水泵、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，并已收到良好的经济效益。如一个日产5000吨水泥熟料的水泥厂， 全厂的风机装机容量约为13000 kW，耗电量约占整个厂用电量30%40%，窑尾高温风机功率为2500kW,原料立磨系统的风机高达3800kW。如交流传动不采用调速，风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。由于风机是属于平方率负载，如换成交流调速系统，把消耗在档板和阀门上的能量节省下来，节能效果是很可观的，据统计平均节能在20%左右。广州珠江水泥公司在2000年实施了提能改造项目，熟料日产
3、能力由原有4000吨/天提高到4600吨/天（现已稳定在5000吨/天） ，公司原有的窑尾系统三台风机电机是滑环电机，采用串电阻起动和调速，风量采用闸板调节，改造后风机采用了3300V的交流异步电机，电机的起动和风量调节决定采用变频调速，相应的窑尾排风机参数如下： 风机名称 电机电压 电机功率 额定电流 额定转速 风机风量 窑列 3300V 1400kw 290A 992rpm 93.24m3/s 炉列 3300V 2500kw 500A 993rpm 159.37m3/s 电收尘 3300V 1300kw 285A 744rpm 264.33m3/s 2经过深入的比较该厂最后选用了西门子公司
4、的 SIMOVERT MV 中压变频器，型号为：6SE8018-1BA00，同时选用了与其配套的西门子变频电机。几年来变频电机和中压变频器运行情况良好， 特别是其具有转速调节性能好， 风机动态响应好，灵敏度高，调速范围广等优点；而在电气性能指标上，西门子公司 SIMOVERT MV中压变频器更具有功率因数高（在整个输出范围，COS0.96）,输出线路谐波电流低，性能可靠，系统稳定性好等特点，取得了良好的效益。 二.关于中压变频器 所谓的中压等级为2300V，3300V，4160V, 6000V， （也有称之为高压） ，在中压变频器推出前，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，
5、一是靠低压器件功率单元串联组成高压，如罗宾康公司的高压变频器，由于它的控制复杂，功率器件太多而使得它的可靠性下降，同时每个功率单元均为两电平结构，必须至少采用多重化技术才能满足谐波标准的要求。 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。随着Siemens公司耐高压大功率晶体管(HVIGBT)（IGCT）的推出， Siemens公司又开发了中压变频器，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，现最大可用于7500kW异步电机的速度和转矩控制。为满足脉冲
6、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。 图1为西门子公司最新的SIMOVERT MV装置电气原理图，系统主电路变频电源变压器为三绕组，一次为6KV，次级为1700V，整流单元为12脉冲整流输出，可有效减少整流装置产生的高次谐波对电网的干扰，逆变单元采用HV IGBT的三电平逆变器，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 09000r.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
7、输出稳定的大转矩，因此它有优良的输出电压特性，同时，采用了三电平，其触发电路所需的元器件数量比GTO或IGCT的触发电路要少得多，故其结构简单紧凑，可靠性高。 目前西门子公司的 SIMOVERT MV 已有一百多套在国内运行,最大为 5MW。 3三.SIMOVERT MV变频器的功能及特点 SIMOVERT MV是使用高压绝缘栅双极型晶体管（HV-IGBT）和脉宽调制技术的电压源型中压变频器，并且采用了久经验证的矢量转换（TRANSERVTOR）控制技术， 其原理是运用空间向量估计值以及为降低电机损耗与开关损耗而经过优化的逆变器触发脉冲模式，以获得优良的控制特性和更高的动态特性， 在广州市珠江
8、水泥有限公司所使用的SIMOVERT MV变频器 的参数如下 SnPnUnInUeIeI0Ik KVA KVA KV A KV A A A 窑列 1800 1490 3.3 315 21.7 2160 252 378 98.55% 炉列 3100 2560 3.3 550 21.7 2280 440 660 98.68% 电收尘 1800 1490 3.3 315 21.7 2160 252 378 98.55% 该变频器具有如下特点： 1、软启动能力， 可以根据不同的应用场合，利用变频器的控制能力可以将起动电流限制在电机的额定电流以下的任何电流值， 这样便可以降低起动电流对电机和电网的冲击。
9、 2、无需测速电机， 对于变转矩系统，电机的转速是通过比较参考值于实际值来调整和应用输出到电机端子上的实际电压和电流值来计算的。 3、功率部分， 进线侧整流器由2个二极管整流桥组成用以形成12脉冲配置，负载侧电压源型逆变器（VSI）由使用带箝位二极管的IGBT功率元件组成的3电平逆变器来实现，其优点是，与常规的2电平逆变器相比，加在主要元件上的电压只是常规2电平逆变器的一半。 4、脉宽调制技术， 负载侧逆变器需要PMW(脉宽调制)技术，以便提供正弦输出和依电机所需转速提供频率控制， 逆变器部分是由通过控制每个IGBT功率元件的触发信号来实现控制的，根据事先准备好的为减少谐波影响的脉冲波型，逆变
10、器可向电机提供良好的输出波型，特别是低转速时的平滑转矩性能。 5、变频器采用称为SIMADYN D的全数字化开/闭环系统进行控制 ，同时还采用了矢量转换（TRANSVERTOR）控制技术 ， 使AC传动实现可与DC传动媲美、甚至超过现有DC传动所具有的高动态响应和宽的调速范围成为可能， 这一优越性的获得主要是将电机电流中的转矩和励磁分量进行去偶和进行分别单独控制。 4图 1： SIMOVERT MV 电气原理图 四调试和运行情况 三台MV变频器于2000年4月进行调试，这是西门子公司在中国大陆调试的首批SIMOVERT MV中压变频器，前后四天，一次投产成功。完成了电收尘和窑列风机满负荷和全速
11、的测试；同时完成了炉列风机的满负荷测试，但驱动速度达到全速的82%时，电机电流已达到极限值。以下是有关操作状况： 4.1 加速 风机可以由0至100%进行加速，这个过程所需的时间就是斜坡时间，对于电收尘风机，斜坡时间为200秒，窑列和炉列风机则为240秒。变频电机是通过一台冷却风机进行冷却的，它与变频电机同轴。这意味着风机的最小速度不能小于额定转速的10%，否则必须检查电机温度，以免电机过热而造成变频器跳停 4.2. 减速 对于所有的风机，减速的斜坡时间均为500秒，因变频器不能产生反馈的能量，对大于30%的速度，通过风机来减速。因此，在使用紧停按键时，变频器只是断开，风机通过负荷进行制动。在
12、生产过程中，可将风机减速至设定的最小速度值即10%，这时速度的设定值只能以最大1%的幅度逐渐下降，直至速度达到5%，速度设定值千万不能低于5%，因为在风机上并没有安装编码器，速度是通过电机的电流和电压值来计算出来的，但只有在速度大于8%时才有可能进行这个计算。5变频器在低速运转时处于开环模式的状态，没有实际的速度值，在这种状态下，变频器内部的控制器不能处理高于1%的速度波动。 另外一种减速方案是将减速的斜坡时间设为1200秒，但在正常生产中用这种方法进行减速并不是太好。对于变频器的正常停机，中控室必须给出停机信号，速度降至10% 时，中控室就会将变频器的准备好信号断开，也就是说，达到所设的极限
13、速度后，变频器会立刻被断开。 4.3、变频器的冷却 变频器是空冷的，为确保冷却效果良好，每台变频器内都有一个压力表，用来测量进口与出口空气的压力。早期由于出口处的空气不能很好地排出变频器房，造成这些压力表报警，为确保进口处空气也能顺畅地流通，变频器房的电缆沟必须保持打开的状态！如果变频器断开并出现“冷却单元故障”的报警信息，就很可能是由于通风系统有问题。 4.4、温度极限 电机绕组的温度报警是115，在120时就会跳停并出现“外部错误”。电机轴承的温度报警是95，在100时也会跳停并出现报警信息“外部错误”。 自2000年五月投入使用以来，这三台变频器能满足工艺要求，运行情况良好，特别是具有转
14、速调节性能好，使得风机动态响应好，灵敏度高，调速范围广等优点， 为我公司提能改造后的正常生产打下了很好的基础。 但也发现存在下面问题： 一是变频器对电网供电质量要求严格， 特别是我国的电网的供电质量并不是太好，电网的波动极容易造成变频器跳停。珠江水泥厂处在雷区，所以在雷雨季节，这种情况更加严重，建议一定要在供电电路设计中注意防雷和避雷，另一问题是IGBT容易损坏， 据珠江水泥厂统计这几年， 平均每年要损坏2到3个IGBT， IGBT的价格昂贵，运行费用较高，目前，它损坏的机理还没搞清楚，有时是IGBT坏，有时是触发板坏； 有时是正常停机的， 再开机就发现已经坏了， 为此要深入研究，在开机操作时要观察外部环境的变化。由于变频器对冷却要求高，一定要注意控制室密封，并加装空调机，使变频器不再与外部空气进行交换，实行空气内循环冷却。 五、结语 西门子公司SIMOVERT MV中压变频器在广州市珠江水泥有限公司的窑尾风机6上应用是成功的，它具有功率因数高（在整个输出范围，PF0.96）,输出线路谐波电流低，性能可靠，系统稳定性好等特点。我国水泥行业是耗能大户，而且规模越来越大，如在风机系列上广泛采用MV中压变频器，将节省大量的能量，因而能产生极大的经济和社会效益。
