摘 要：本文通過(guò)英威騰高壓變頻器在中鋁集團(tuán)山西某公司2X35萬(wàn)噸/年鋁基新材料項(xiàng)目其配套的熱電廠及氧化鋁廠;水泵、除塵風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵上的應(yīng)用，介紹高壓變頻器應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞： 高壓變頻器 控制技術(shù) 特點(diǎn)
1. 引言
中鋁集團(tuán)山西某公司位于呂梁市，占地總面積67萬(wàn)平方米，該公司立足呂梁豐富的鋁土礦資源，遵循資源效益最大化原則，秉持“人無(wú)我有、人有我優(yōu)”發(fā)展理念，依照“中鋁品牌，民營(yíng)機(jī)制”運(yùn)作模式，以鋁基新材料及其深加工項(xiàng)目為主線，以重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)為支撐，充分發(fā)揮企業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加大先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)和應(yīng)用，逐步形成以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研相融合的資源綜合利用研發(fā)體系。通過(guò)優(yōu)化資源配置，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈延伸，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型高科技循環(huán)經(jīng)濟(jì)企業(yè)，積極創(chuàng)建國(guó)家級(jí)鋁基材料強(qiáng)勢(shì)產(chǎn)業(yè)集群的標(biāo)桿企業(yè)，強(qiáng)力打造世界級(jí)鋁基新材料基地。
在現(xiàn)代大中型工礦企業(yè)中，高壓電機(jī)電能消耗占企業(yè)總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中已十分普遍，但由于高壓變頻技術(shù)復(fù)雜和電子器件耐壓限制，一直制約著其實(shí)際應(yīng)用與推廣普及。近幾年來(lái)，隨著高壓變頻技術(shù)的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破，高壓變頻器的應(yīng)用趨勢(shì)日益加快，其變頻節(jié)能效果也更加顯著。
本文以英威騰Goodrive5000高壓變頻器在中鋁集團(tuán)某公司2X35萬(wàn)噸/年鋁基新材料項(xiàng)目其配套的熱電廠及氧化鋁廠共10臺(tái)應(yīng)用為例，詳細(xì)闡述了高壓變頻器的應(yīng)用情況。其成功應(yīng)用充分證明國(guó)產(chǎn)高壓變頻在關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。隨著國(guó)內(nèi)科技迅速發(fā)展和研究投資的不斷加大，高壓變頻器的研制已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，其產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量已趕上世界同行的水平，而且價(jià)格低、性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定，已贏得國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)的認(rèn)可和好評(píng)。
2. 系統(tǒng)方案
2.1一次回路方案
圖2一拖一手動(dòng)旁路系統(tǒng)圖
一拖一手動(dòng)旁路柜是由三個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2、QS3組成。手動(dòng)旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計(jì)，變頻器輸出QS2和旁路高壓隔離開(kāi)關(guān)QS3機(jī)械閉鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。
1) 在變頻運(yùn)行狀況下，QS1、QS2閉合，QS3斷開(kāi)。
如需手動(dòng)切換至工頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)先停止變頻器輸出，斷開(kāi)用戶(hù)開(kāi)關(guān)，再由機(jī)械操作依次斷開(kāi)QS1、QS2，然后機(jī)械操作閉合QS3，使電機(jī)切換至工頻側(cè)，再合上用戶(hù)開(kāi)關(guān)，使電機(jī)工頻運(yùn)行;
2) 在工頻旁路運(yùn)行狀況下，QS3閉合，QS1、QS2斷開(kāi)。
如需手動(dòng)切換至變頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)先斷開(kāi)用戶(hù)開(kāi)關(guān)，由機(jī)械操作斷開(kāi)QS3，然后由機(jī)械操作依次閉合QS2、QS1，使電機(jī)切換至變頻側(cè)，再合上用戶(hù)開(kāi)關(guān)
2.2 控制方案
控制系統(tǒng)采用DSP+FPGA+ARM三核控制技術(shù)，具有就地監(jiān)控方式和遠(yuǎn)程監(jiān)控方式(DCS遠(yuǎn)程控制)，兩種功能可以在操作面板設(shè)定。在就地監(jiān)控方式下，通過(guò)變頻裝置上的觸摸屏顯示速度、電流、電壓等參數(shù)，可進(jìn)行就地啟動(dòng)、停止變頻裝置，調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率，實(shí)時(shí)修改配置相關(guān)參數(shù)，就地控制窗口采用中文操作界面，功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定等均采用中文。
GD5000高壓變頻器提供20路數(shù)字量輸入，16路繼電器輸出，3路模擬量輸入，4路模擬量輸出，1路高速脈沖輸入，1路高速脈沖輸出端子，以上提供的用戶(hù)端子均為可編程端子，每個(gè)端子的功能都可以使用功能碼進(jìn)行設(shè)定。下面為常規(guī)DCS系統(tǒng)I/O硬接線控制配置圖方案，用戶(hù)可根據(jù)需要進(jìn)行修改。
3.英威騰變頻器特點(diǎn)
3.1系統(tǒng)原理
Goodrive5000高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多重化移相多單元串聯(lián)正弦脈寬調(diào)制(SPWM)疊壓技術(shù)，本變頻器是直接“高-高”式，功率模塊為交-直-交型電壓源變頻調(diào)速器。高壓變頻器是由多個(gè)串聯(lián)而成，通過(guò)將多個(gè)低壓功率模塊的輸出疊加起來(lái)得到高壓輸出。以10KV為例，高壓變頻器的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。電網(wǎng)送來(lái)的三相10KV交流電，經(jīng)移相變壓器，由其副邊每相的二次線圈電壓逐個(gè)移動(dòng)相位角相7.5°，供電給8個(gè)功率單元，三相共24個(gè)功率單元，每個(gè)功率單元的額定電壓為690V，相鄰功率單元的輸出聯(lián)接起來(lái)，使得變頻器的額定相電壓為5520V，線電壓為10KV可輸出高壓正弦波給感應(yīng)電動(dòng)機(jī),在變頻器運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣沒(méi)有影響，變頻器的輸出電壓和輸出電流均為正弦波形，變頻裝置對(duì)輸出電纜的長(zhǎng)度沒(méi)有任何要求，能直接拖帶普通高壓異步電機(jī)，并且徹底消除諧波引起的電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象。
移相蒸餾變壓器電氣原理圖
GD5000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖
3.2 保護(hù)方案
? 輸入回路帶浪涌吸收保護(hù);
? 變壓器允許過(guò)負(fù)荷能力符合IEC干式變壓器過(guò)負(fù)荷導(dǎo)則及相應(yīng)國(guó)標(biāo)要求;
? 每個(gè)功率單元帶兩相輸入熔斷器保護(hù);
? 過(guò)載保護(hù)：變頻器額定電流的120%，允許2分鐘，超過(guò)則保護(hù);
? 過(guò)流保護(hù)：變頻器輸出電流超過(guò)電機(jī)額定電流的200%立即保護(hù);
? 過(guò)壓保護(hù)：檢測(cè)變頻器輸入電壓，如果超過(guò)額定電壓的115%，則變頻器保護(hù)。
? 欠壓保護(hù)：檢測(cè)每個(gè)功率模塊的直流母線電壓，如果低于欠壓保護(hù)定值65%，則變頻器保護(hù)。此保護(hù)實(shí)際上包括了對(duì)電網(wǎng)電壓負(fù)向波動(dòng)的保護(hù);
? 過(guò)熱保護(hù)：包括兩重保護(hù)：在變頻調(diào)速系統(tǒng)柜體內(nèi)設(shè)置溫度檢測(cè)，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)預(yù)先設(shè)置的值時(shí)，發(fā)報(bào)警信號(hào);另外，在主要的發(fā)熱元件，即整流變壓器和電力電子功率器件上放置溫度檢測(cè)，一旦超過(guò)極限溫度(變壓器150℃、功率器件75℃)，則保護(hù);
? 缺相保護(hù)：缺相保護(hù)設(shè)置在每個(gè)功率模塊上。當(dāng)變頻器輸入側(cè)掉相系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),并保護(hù);功率模塊的保險(xiǎn)熔芯熔斷缺相時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)允許模塊旁路運(yùn)行;
? 光纖故障保護(hù)：當(dāng)控制器與功率模塊之間的連接光纖出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并保護(hù)。以上故障，均在中文用戶(hù)界面上指定故障確切位置，便于用戶(hù)采取應(yīng)對(duì)措施
3.3 英威騰變頻器優(yōu)勢(shì)
1) 專(zhuān)業(yè)高抗EMC電路設(shè)計(jì)：在功率單元模塊設(shè)計(jì)上，針對(duì)不同電流范圍采用獨(dú)特進(jìn)出線設(shè)計(jì)，抗干擾能力更強(qiáng);在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)上，全面采用抗電磁干擾措施，最有效保證變頻器的可靠運(yùn)行。
2) 三核控制技術(shù)：高壓變頻器主控系統(tǒng)采用DSP+FPGA + ARM和液晶觸摸屏巧妙配合，提供中文觸摸式操作界面，控制系統(tǒng)高度集成化，抗干擾能力強(qiáng)、功能更強(qiáng)大、控制更精準(zhǔn)，增加了產(chǎn)品的可靠性。
3) 豐富的控制功能
4) AVR功能：可以根據(jù)母線電壓的波動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)的占空比，從而減輕電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)于輸出電壓波動(dòng)的影響。
5) V/F控制的轉(zhuǎn)矩提升功能
6) 多種V/F曲線的選擇：提供多種的V/F曲線形式(如：多點(diǎn)V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線)，可以滿(mǎn)足各種不同的負(fù)載要求。
7) 內(nèi)置PID控制功能
8) 完善的20種保護(hù)功能
9) 寬范圍抗電壓波動(dòng)能力：網(wǎng)側(cè)電壓在短時(shí)間小于85%～65%額定值或大于110%～120%額定值，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)不停機(jī)，保證電機(jī)持續(xù)運(yùn)行
10) 超長(zhǎng)瞬時(shí)掉電不停機(jī)，有效避免電網(wǎng)不穩(wěn)定帶來(lái)的停機(jī)問(wèn)題
11) 超低頻轉(zhuǎn)速追蹤能力，有效保證掉電快速再啟動(dòng)
12) 對(duì)稱(chēng)旁路功能，單元體雙旁路技術(shù)，系統(tǒng)可靠性更高
13) 雙上電限流電路設(shè)計(jì)，有效保護(hù)系統(tǒng)安全、延長(zhǎng)設(shè)備壽命
4. 運(yùn)行效果
自2014年8月，我公司在該公司一期建設(shè)2*35萬(wàn)噸/年優(yōu)晶低鈉高純?cè)享?xiàng)目熱電廠及氧化鋁廠投運(yùn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)1年多的長(zhǎng)期、連續(xù)運(yùn)行結(jié)果，其運(yùn)行狀況良好，工作穩(wěn)定，節(jié)電顯著，完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，完全滿(mǎn)足電廠和氧化鋁工藝控制需求，大幅提高了生產(chǎn)效果，降低了生產(chǎn)成本，根據(jù)我公司每月電耗統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目實(shí)施后變頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行電耗降低19%左右。
5. 結(jié)束語(yǔ)
在電解鋁工業(yè)用的鍋爐給水泵、冷卻循環(huán)水泵、除塵風(fēng)機(jī)的耗電量占生產(chǎn)電耗40%以上。采用變頻調(diào)速技術(shù)可大幅度地降低電耗，所以，利用變頻技術(shù)對(duì)現(xiàn)有用電設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，是解決我國(guó)電解鋁工業(yè)高消耗、低效益的根本措施。
該公司在一期項(xiàng)目建成投運(yùn)發(fā)揮效益后，我公司Goodrive5000系列高壓變頻器在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中得到了客戶(hù)的認(rèn)同。整個(gè)的生產(chǎn)工藝中低壓變頻器也全部采用我公司產(chǎn)品。英威騰與中國(guó)鋁業(yè)做到了共。
（轉(zhuǎn)載）
