推荐铝厂焙烧车间引风机的高压变频调速系统设计 精品.docx
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摘要
变频调速技术从诞生到现在,一直经历着飞速的发展。
变频调速以节能低耗、提高生产效率等突出优势,已成为企业提高产品市场占有率和竞争力的有效手段之一,其中大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。
高压电机利用高压变频器可以实现无级调速,满足生产工艺过程对电机调速控制的要求,以提高产品的产量和质量。
但是由于器件技术和逆变技术还不十分成熟,在变频器使用过程中还存在一些不尽人意的的地方;因此如何满足生产工艺要求、提高高压变频器可靠性是每个业内企业技术攻关和进步的主要难题。
论文设计的内容是铝厂焙烧车间引风机的高压变频调速系统。
在分析以上不足因素的同时,设计着手于系统的节能和运行可靠性两方面。
论文主要对高压变频器和高压变频调速系统做了具体阐述和设计;首先介绍了高压变频器的发展概况及趋势并做了市场分析,在高压变频器选型这方面为实现变频器应用的最佳性价比提供参考。
其次,论文给出了高压变频调速系统的设计主回路。
主系统针对“一拖一”即一台变频器控制一台电机,实现工频/变频切换的功能。
在对高压变频器设计中主要涉及了移相变压器、功率单元和控制等系统的设计。
设计过程中不仅要求满足工艺要求,而且保证整个系统的可靠性运行。
特别是DCS控制系统参与控制高压变频调速系统,大大提高了高压变频器的运行可靠性。
最后,从作者自身的学习和总结,预测了高压变频技术的发展和技术发展方向。
关键词:
高压变频器高压电机节能DCS
Absract
Frequencycontroltechnologyfrombirthtonow,Ithasbeenexperiencingrapiddevelopment.FrequencyControltohighlighttheadvantagesofenergysavingandlowconsumption,improveproductionefficiency,hasbeeoneofaneffectivemeanstoimproveproductmarketshareandpetitiveness.High-voltagelarge-capacitytransmissionfrequencyconversiontechnologyhasalsobeenwidelyused.Thehigh-voltagemotorswithhigh-voltageinvertercanrealizesteplessspeedregulation,Meettherequirementsoftheproductionprocessofthemotorspeedcontrol,Toimproveproductyieldandquality.However,duetothedevicetechnologyandinvertertechnologyisnotverymature,therearestillsomeunsatisfactoryplaceintheinverterusingtheprocess.Howtomeettherequirementsofproductionprocess,improvethereliabilityofhighvoltageinverteristhemainchallengeoftheindustry'stechnologyresearchandprogress.
Paperisthecontentofthedesignofhighpressureofroastingaluminumplantworkshopinduceddraftfanvariablefrequencyspeedregulationsystem.Ontheanalysisoftheabovefactorsandinsufficient,designofenergysavingandgetdowntothesystemoperationreliabilitytwoaspects.Papermianlytothehighvoltageinverterandthehighvoltagevariablefrequencyspeedregulationsystemforthespecificdesign;First,introducestheconverterdevelopmentsituationandtrendsandmadeamarketanalysis,thehighvoltageinverterintheselectionfortherealizationoftheoptimalperformanceandpriceratioofthefrequencyconverterapplicationtoprovidethereference.Secondly,thispaperanalyzesthedesignofhighvoltagevariablefrequencyspeedregulationsystemofmianloop.Thesystemisainvertercontrolamotor,realizeindustrialfrequency/frequencyconversionswitchfunction.Inthehighvoltageinverterinthedesignphaseshiftinginvolvedwiththemiantransformerandpowerunitandcontrolsystemdesign.Designprocessrequiresnotonlymeetthetechnologicalrequirement,andensurethatthewholeofthereliabilityofthesystemoperation.EspeciallyDCScontrolsystemandtheconnectionbetweenthehighvoltageinvertermunication,greatlyimprovingthereliabilityofthehighvoltageinverter.Atlast,fromtheauthor,sownlearningandsummarized,andforecaststhehighvoltagevariablefrequencytechnologydevelopmentandtechnologydevelopmentdirection.
Keywords:
High-voltageinverterHighvoltagemotorEnergysavingDCS
1绪论
1.1设计研究背景
节约能源、降低生产成本成为各个企业发展和盈利的关键因素之一,变频调速系统作为最理想、最有发展潜力的调速方式之一,既可以提高企业竞争力和开拓更大市场,又是国家经济和科技发展的重要战略。
随着高压变频器产品中的高压大功率变频调速装置不断地成熟起来,高压变频器调速系统在企业中的运用越来越多。
由于国内高压变频器市场还处于成长的初期,近年来国内高压变频器市场增长率大幅提高,其增长速度和发展潜力相当可观。
尽管国内高压变频器产品还不成熟,但技术在不断的发展提高。
绝大多数的国内高压变频器都在向着不断突破更高功率、能够实现更多功能的新产品方向努力,同时着力提高产品的稳定性。
传统的调速方式不仅存在着大量能量损耗和污染现象,而且不能够实现自动控制,操作繁琐,对人身和设备容易造成危害。
变频调速系统的设计在满足企业生产要求的同时,本身也在不断创新进步,成为解决节约能源、开发利用环保的有效途径。
铝厂拥有众多拖动风机、泵类负载的大型高压电动机,其中大部分都运行在通过风门或阀门调节流量的节流状态,造成大量能源浪费,存在巨大节能空间;对该类高压电机进行调速设计,不仅可大幅降低电能消耗,而且可提高设备自动化水平,改善设备运行状态,节约设备维修费,并可改善工艺控制效果,是一条节能降耗的重要技术途径。
对铝厂设计一套高压变频调速系统,在保证设备正常运行的情况下降低了风机的用电量,节约了生产成本。
而且还可以做到将进口挡板的开度开到最大,风量的调节根据生产需求通过调节电机的转速来实现,使风机处于最佳节能运行状态,从而达到了节电的目的。
变频改造后还为风机、电机以及各种管道附属设备提供多项保护措施,从而延长设备使用寿命。
1.2设计的目的和意义
近几年随着国内高压变频技术的进步,变频器的性价比和稳定性有很大幅度的提升,变频器是交流电气传动系统中的一种,它以节能、提高产品质量、提高生产率、实现自动化、改善环境、推动技术进步在各个行业得到广泛应用。
变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
设计一套高压变频调速系统对深入了解交流传动与控制技术的走向,具有十分积极的意义。
如何解决设备运行中存在严重的能源浪费,不但是增强企业竞争力的要求,更是创建资源节约型社会的国策的要求。
变频调速技术是风机、水泵等设备调速技术的首选,也是该类技术发展的必然方向。
对设备进行变频器设计后,可以大大降低企业的生产成本,降低生产设备的故障率,延长设备的使用寿命,产生较大的经济效益和社会、环境效益,提高企业的综合竞争力和发展力。
采用高压变频器构成变频调速传动系统的主要目的,一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求;二是为了节约能源、降低生产成本。
从而达到提高了企业产品的竞争力,有利了企业的长期发展。
1.3设计原则与方案
本设计对铝厂焙烧车间焙烧炉设计一套变频器自动控制系统以降低能源消耗和资源浪费,提高设备的可维护性和运行的可靠性为目的,以达到解决好氧化铝厂设备运行中存在严重的能源浪费问题。
变频调速技术是风机、水泵等设备调速技术发展的必然方向。
对设备采用变频技术,可以降低企业的生产成本,降低生产设备的故障率,延长设备的使用寿命。
氧化铝焙烧工艺流程:
氧化铝焙烧炉将燃烧完AL(OH)3以后,绝大部分AL2O3下沉到氧化铝冷却仓,但是燃烧后的烟气中含有部分有用的AL2O3、其他烟气和粉尘,这部分烟气经引风机引导进入电收尘中,电收尘将有用的AL2O3吸附住,经处理后的烟气随之排到大气中。
生产量大时,引风机抽风量大,引风机转速高。
生产量小时,用气量小,引风机转速低。
未用变频前风量大小靠控制挡板和风门配合控制引风机的风量。
引风机的原控制方式为,利用引风机入口的挡板调节开度的大小来控制风烟系统的风量(图1-1的实线部分),采用变频器变频以后(图1-1中增加的虚线部分),系统结构发生了变化,新结构下增加了变频器及相关的控制器设备,而且引风机的控制模式也发生了相关的变化。
由原来的挡板控制模式,改为挡板全开状态,保证在变频模式下挡板不参与控制而且尽量减少挡板本身产生的阻力,由变频器调速系统改变引风机的转速来调节风量,达到原有的控制要求。
氧化铝厂焙烧车间引风机高压变频调速系统设计方案是:
整个系统采取工频和变频切换,在正常工艺生产过程中,启用变频器,实现变频器对电机的控制。
只有在变频器出现故障或需维护时,才会转换的工频运行。
1-1引风机控制系统图
变频运行特性较工频改善方面运行特性:
1)满足运行工况的要求,操作灵活方便,响应速度快。
2)效率高,能耗低,节能效益显著,性价比高。
3)风机变转速运行的状态参数如振动、轴承温度良好,减少机械磨损。
4)启动转矩大、电流小,机械特性好。
5)系统动态响应速度快,可实现连续调速,调节线性度好,自动投入率高。
6)系统抗干扰能力强,操作方便、工作可靠。
7)采用移相干式隔离变压器进行输入侧隔离,多重化脉冲整流,系统对电网的谐波污染小、功率因数高。
8)系统内部采用单旁路技术,降低故障停机时间,提高单元故障下的带负荷能力。
2高压变频器
2.1高压变频器
变频器是利用电力电子器件把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现电机变速运行的设备,是运动控制系统中的功率变换器。
通常把驱动1KV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。
按照国际惯例和我国国家标准,电压在10KV以上的称为高压,10KV以下称为中压。
但由于大家习惯上把额定电压为3KV和6KV和10KV的电动机称为“高压电机”所以驱动这个电压等级的变频器统称为高压变频器。
高压变频器是一种串联叠加性高压变频器,即采用多台单相三电平逆变器串联连接,输出可变频变压的高压交流电。
2.2变频器的发展概况及趋势
随着高压变频器技术的不断成熟,高压变频器在各个领域得多了广泛的应用。
高压变频器应用上的巨大节能潜力和优良的调速性能,使得它具有强劲的发展动力和广阔的市场空间。
目前,高压变频技术已经成为电力传动领域的热门话题之一,对于大容量电力传动系统,尤其是大容量风机水泵系统进行高压变频器改造已成为一种趋势,它为使用大功率传动装备的企业和行业带来了很大的节能效益。
2.2.1变频器的发展概况
随着变频调速技术的发展,作为大容量传动(2-10KV)变频调速技术也得到了广泛的研究和应用,高压变频器一成为当前电力电子技术最新发展动向之一。
到目前为止,高压变频器还没有像低压那样近乎统一的拓扑结构,各种新型的高压变频器不断出现。
根据其组成方式,高压变频器主要分为两种,即间接高压变频器和直接高压变频器。
直接高压变频器主要有采用低压IGBT多重化技术的单元串联多电平PWM电压型高压变频器和采用高压IGBT、IGCT的三电平型高压变频器。
2.2.2高压变频器的发展趋势
变频器从一开始进入我国,国外品牌就占据大部分市场份额,同时,国内变频器的研制和生产也在向前发展,目前,国产变频器正在被更国的国内外客户认可和选用。
高压变频器正向着高可靠性,低成本,高输入功率因数,高效率,低输入输出谐波,低共模电压,低dv/dt等方向发展。
电流源型变频器技术成熟,且可四象限运行,但由于高压时器件串联的均压问题,输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题,使其应用受到限制。
对风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备,单元串联多电平PWM电压源型变频器在输入,输出谐波,效率和输入功率因数等方面有明显的优势,具有较大的应用前景。
对于轧机,卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场合,双PWM结构的三电平电压源型变频器会得到广泛的应用。
同时高压变频器还朝着冗余设计、无速度传感器矢量控制、高耐压功率器件、大容量化、能量回馈、多电平PWM等技术方向发展。
2.2.3我国高压变频器市场分析
高压变频器作为大功率风机、水泵的变频调速设备,广泛应用于电力、冶金、石油化工、供水、水泥、采矿等行业。
20XX年及以前在我国还属于小规模应用阶段,然而近几年,应用规模在逐渐扩大,高压变频器市场正处于一个高速增长的时期。
据统计,在最近几年内中国高压变频器的市场保持着年均30%以上的复合增长率。
我国高压变频器市场“十一五”期间保持着爆发性增长的态势,该行业经过起步阶段,目前正逐步趋于成熟。
近年来,国内具有一定规模和实力的变频器厂家开始在产品关键技术研制方面加大投入,进行自主研发和创新,并按照国际标准进行生产,使国产变频器的整体技术水平得到大幅提高。
同时,国内变频器厂家对市场进行了细分,针对中国市场的实际需求,实现了与国外产品的差异化生产,在专用变频器的开发和应用推广上取得了一定的成绩,并被市场所接受。
根据我国目前电机装机总量、电机配装变频器比例、国家对“节能降耗”的规划目标,以及我国经济发展速度等因素考虑,我国变频器市场的潜力还很大。
专家认为,未来变频器市场将向大功率、高端方向发展。
变频器技术本身就存在一个从低压向高压、从小功率向大功率转变的技术发展过程,体现在产品发展趋势上就是变频器产品的功率越来越大,适用于更大规模电机的节能调速需求。
大功率变频器市场份额早先基本掌握在国外厂商手中,随着国内企业技术水平提高,国产变频器产品的功率也随之逐步提高,因此国内品牌对国外品牌实现替代的过程是一个先替代小功率变频器产品,后替代大功率变频器产品的过程。
这种替代过程的演进,使得变频器市场上的大功率产品逐渐增多,市场向大功率产品发展的趋势明显。
2.3变频器的选型
变频器的大量推广使用,在节能、省力化、自动化及提高生产率、提高质量、减少维修和提高舒适性等多方面都取得了令世人瞩目的应用效果。
但是,变频器毕竟是近二十年来新出现的一种蕴涵多种高新技术的电力电子产品,要想让它发挥很好的应用效果,就必须对它的选型做深入的研究。
变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。
选择变频器,首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求,然后决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。
所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下,实现变频器应用的最佳性价比。
变频器选型时要确定以下几点:
1)采用变频的目的;恒压控制或恒流控制等。
2)变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等,特别注意负载的性能曲线,性能曲线决定了应用时的方式方法。
3)变频器与负载的匹配问题;
I.电压匹配;变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II.电流匹配;普通的离心泵,变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
III.转矩匹配;这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4)在使用变频器驱动高速电机时,由于高速电机的电抗小,高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型,其容量要稍大于普通电机的选型。
铝行业中有金属粉尘、腐蚀性气体等等。
因此必须根据现场情况做出相应的对策。
1)变频器应该安装在控制柜内部。
2)变频器最好安装在控制柜内的中部;变频器要垂直安装,正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件。
3)变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部、或者隔板、或者必须安装的大元件等的最小间距,应该大于300mm。
2.4选型原则
在选型前,首先要根据机械对转速(最高、最低)和转矩(起动、连续及过载)的要求,确定机械要求的最大输入功率(即电机的额定功率最小值)。
P=n.T/9950(kW)
式中:
P—机械要求的输入功率(kW)
n—机械转速(r/min)
T—机械的最大转矩(N.m)
然后,选择电机的极数和额定功率。
电机的极数决定了同步转速,要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围,使连续负载容量高一些。
为了充分利用设备潜能,避免浪费,可允许电机短时超出同步速度,但必须小于电机允许的最大速度。
转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高速等状态下的最大转矩。
最后,根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流确定变频器的参数与型号。
3高压变频器交流调速系统
3.1交流变频调速原理
由电机学知,交流异步电动机的转速公式如下:
n=60ƒ(1-s)/p(1-1)
式中p——电动机定子绕阻的磁极对数;
f——电动机定子电压供电频率;
s——电动机的转差率。
从式(1—1)中可以看出,当异步电动机的磁极对数p一定,转差率s—定时,改变定子绕组的供电频率f可以达到调速目的,电动机转速n基本上与电源的频率f成正比,因此,平滑地调节供电电源的频率,就能平滑,无级地调节异步电动机的转速。
变频调速调速范围大,低速特性较硬,基频f=50Hz以下,属于恒转矩调速方式,在基频以上,属于恒功率调速方式,与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。
且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能,大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩。
所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。
高压变频器调速原理:
高压变频装置为交一直一交电压源型变频调速系统。
三相高压电经高压开关柜进入,经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电,功率单元分为三组,一组为一相,每相的功率单元的输出首尾相串。
主控制柜中的控制单元通过光纤时对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制与检测,这样根据实际需要通过操作界面进行频率的给定,控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应得整流、逆变调整,输出满足负荷需求的电压等级。
变频器输出的电流波形非常接近于理想正弦波形,对电网有害的谐波分量低,可通过改变调制波的频率和幅值来调节逆变器输出电压的频率和幅值。
3.2系统组成介绍
高压变频调速系统采用功率单元串联技术,不仅解决了器件耐压的问题也解决了环流问题,级间输出电压移相叠加,极大第改善系统输出电压的谐波性能、降低输出电压的du/dt;通过电流的多重化技术降低输入侧谐波,减少了对电网的谐波污染。
a)移相变压器柜
柜内装置移相变压器,移相变压器采用移相延边三角形,减少了高压变频调速系统对电源网侧的谐波。
移相变压器的输入是三相高压电(经开关柜)。
输出是经过延边三角形整流后的互成一定角度的三相低压信号,分别接到每一相的功率单元的输入端。
b)功率单元柜
功率单元柜用于放置功率单元,由主控柜通过光纤通讯来控制各个功率单元的动作。
功率单元柜的输入是移相变压器的输出:
每相的功率单元输出信号前后串联起来,形成三相的电压输出,用于控制电机。
该柜内还有输出电压、电流检测部分。
c)主控柜
高压变频调速系统的主控制部分一数字处理器(DSP)为控制核心,辅以超大规模集成电路可编程逻辑器件(FPGA)、模拟输入(AI)和模拟输出(AO)、数字输入(SI)继电器输出(RO)单元。
图3-1高压变频调速系统图
人机界面由数码键盘(LED)和触摸屏组成。
主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行信号传输,有效避免电磁干扰,保证系统控制信号的可靠性。
主控柜的输入信号有:
旁路柜的接触器状态信号、输入、输出电压、电流检测信号、各个功率单元的反馈信号、以及用户通过人机界面的操作等。
4高压变频器交流调速系统的设计
4.1铝厂高压变频交流调速系统的设计
图4-1氧化铝厂焙烧车间引风机的方案主回路
氧化铝厂焙烧车间引风机的设计方案主回路如图4-1所示;整个系统由1台功率柜、1台控制柜、1台变压器柜、一台旁路柜、一台电机及一台引风机组成,图中共有2个高压隔离开关,为了确保不向变频器输出端反送电,KM4与KM3采用机械互锁,并采用PLC控制系统实现电气连锁,避免系统误操作。
当KM1、KM4闭合,KM3断开时,电机运行在变频状态;当KM1、KM4断开,KM3闭合时,电机工频运行,此时高压变频器从高压中隔离出来。
系统实现工频/变频切换,在变频器出现故障时,依然能满足铝生产,保证故障时不需停机,提高运行可靠性,减少甚至避免企业因故障停机造成的损失。
图4-2变频器开停运行机流程图
KM3和KM4之间存在机械和电气双重闭锁关系,防止变频器输出侧和10kV电源侧短路。
当引风机需要
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