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          英威騰高壓變頻器在中鋁集團的應用
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          摘   要:本文通過英威騰高壓變頻器在中鋁集團山西某公司2X35萬噸/年鋁基新材料項目其配套的熱電廠及氧化鋁廠;水泵、除塵風機、循環水泵上的應用,介紹高壓變頻器應用特點和優勢。
          關鍵詞:Goodrive5000 高壓變頻器 控制技術 特點
          1.引言
          中鋁集團山西某公司位于呂梁市,占地總面積67萬平方米,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“人無我有、人有我優”發展理念,依照“中鋁品牌,民營機制”運作模式,以鋁基新材料及其深加工項目為主線,以重點項目建設為支撐,充分發揮企業技術優勢,加大先進技術引進和應用,逐步形成以企業為主體,產學研相融合的資源綜合利用研發體系。通過優化資源配置,實現產業鏈延伸,加快建設資源節約型、環境友好型高科技循環經濟企業,積極創建國家級鋁基材料強勢產業集群的標桿企業,強力打造世界級鋁基新材料基地。
          在現代大中型工礦企業中,高壓電機電能消耗占企業總電能用量的一半左右。雖然低壓變頻器在實際應用中已十分普遍,但由于高壓變頻技術復雜和電子器件耐壓限制,一直制約著其實際應用與推廣普及。近幾年來,隨著高壓變頻技術的日趨成熟和功率器件耐壓能力的突破,高壓變頻器的應用趨勢日益加快,其變頻節能效果也更加顯著。
          本文以英威騰Goodrive5000高壓變頻器在中鋁集團某公司2X35萬噸/年鋁基新材料項目其配套的熱電廠及氧化鋁廠共10臺應用為例,詳細闡述了高壓變頻器的應用情況。其成功應用充分證明國產高壓變頻在關鍵技術上已經取得實質性進展。隨著國內科技迅速發展和研究投資的不斷加大,高壓變頻器的研制已取得了長足的進步和發展,其產品的技術含量和質量已趕上世界同行的水平,而且價格低、性能優越、運行穩定,已贏得國內眾多企業的認可和好評。
          2.系統方案
          2.1一次回路方案


          圖1 一拖一手動旁路系統圖

          一拖一手動旁路柜是由三個高壓隔離開關QS1、QS2、QS3組成。手動旁路柜嚴格按照“五防”聯鎖要求設計,變頻器輸出QS2和旁路高壓隔離開關QS3機械閉鎖,完全能夠保證變頻調速系統安全運行。
          ● 在變頻運行狀況下,QS1、QS2閉合,QS3斷開
          如需手動切換至工頻運行時,系統先停止變頻器輸出,斷開用戶開關,再由機械操作依次斷開QS1、QS2,然后機械操作閉合QS3,使電機切換至工頻側,再合上用戶開關,使電機工頻運行;
          ● 在工頻旁路運行狀況下,QS3閉合,QS1、QS2斷開
          如需手動切換至變頻運行時,系統先斷開用戶開關,由機械操作斷開QS3,然后由機械操作依次閉合QS2、QS1,使電機切換至變頻側,再合上用戶開關。
          2.2控制方案
          控制系統采用DSP+FPGA+ARM三核控制技術,具有就地監控方式和遠程監控方式(DCS遠程控制),兩種功能可以在操作面板設定。在就地監控方式下,通過變頻裝置上的觸摸屏顯示速度、電流、電壓等參數,可進行就地啟動、停止變頻裝置,調整轉速、頻率,實時修改配置相關參數,就地控制窗口采用中文操作界面,功能設定、參數設定等均采用中文。
          Goodrive5000高壓變頻器提供20路數字量輸入,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,以上提供的用戶端子均為可編程端子,每個端子的功能都可以使用功能碼進行設定。下面為常規DCS系統I/O硬接線控制配置圖方案,用戶可根據需要進行修改。

           


          圖2 常規DCS系統I/O硬接線控制配置圖方案

          3.英威騰變頻器特點
          3.1系統原理
          Goodrive5000高壓變頻調速系統采用多重化移相多單元串聯正弦脈寬調制(SPWM)疊壓技術,本變頻器是直接“高-高”式,功率模塊為交-直-交型電壓源變頻調速器。高壓變頻器是由多個串聯而成,通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出。以10KV為例,高壓變頻器的原理結構如下圖所示。電網送來的三相10KV交流電,經移相變壓器,由其副邊每相的二次線圈電壓逐個移動相位角相7.5°,供電給8個功率單元,三相共24個功率單元,每個功率單元的額定電壓為690V,相鄰功率單元的輸出聯接起來,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電動機,在變頻器運行過程中對電動機的絕緣沒有影響,變頻器的輸出電壓和輸出電流均為正弦波形,變頻裝置對輸出電纜的長度沒有任何要求,能直接拖帶普通高壓異步電機,并且徹底消除諧波引起的電機發熱現象。


          圖3 移相蒸餾變壓器電氣原理圖

          圖4 Goodrive5000系列高壓變頻調速系統示意圖

          3.2保護方案
          ● 輸入回路帶浪涌吸收保護;
          ● 變壓器允許過負荷能力符合IEC干式變壓器過負荷導則及相應國標要求;
          ● 每個功率單元帶兩相輸入熔斷器保護;
          ● 過載保護:變頻器額定電流的120%,允許2分鐘,超過則保護;
          ● 過流保護:變頻器輸出電流超過電機額定電流的200%立即保護;
          ● 過壓保護:檢測變頻器輸入電壓,如果超過額定電壓的115%,則變頻器保護。
          ● 欠壓保護:檢測每個功率模塊的直流母線電壓,如果低于欠壓保護定值65%,則變頻器保護。此保護實際上包括了對電網電壓負向波動的保護;
          ● 過熱保護:包括兩重保護:在變頻調速系統柜體內設置溫度檢測,當環境溫度超過預先設置的值時,發報警信號;另外,在主要的發熱元件,即整流變壓器和電力電子功率器件上放置溫度檢測,一旦超過極限溫度(變壓器150℃、功率器件75℃),則保護;
          ● 缺相保護:缺相保護設置在每個功率模塊上。當變頻器輸入側掉相系統發出報警信號,并保護;功率模塊的保險熔芯熔斷缺相時,系統會發出報警信號,同時允許模塊旁路運行;
          ● 光纖故障保護:當控制器與功率模塊之間的連接光纖出現故障時,會發出報警信號并保護。以上故障,均在中文用戶界面上指定故障確切位置,便于用戶采取應對措施。
          3.3英威騰變頻器優勢
          ● 專業高抗EMC電路設計:在功率單元模塊設計上,針對不同電流范圍采用獨特進出線設計,抗干擾能力更強;在結構設計和電氣設計上,全面采用抗電磁干擾措施,最有效保證變頻器的可靠運行。
          ● 三核控制技術:高壓變頻器主控系統采用DSP+FPGA + ARM和液晶觸摸屏巧妙配合,提供中文觸摸式操作界面,控制系統高度集成化,抗干擾能力強、功能更強大、控制更精準,增加了產品的可靠性。
          ● 豐富的控制功能
          ● AVR功能:可以根據母線電壓的波動自動調節輸出PWM信號的占空比,從而減輕電網電壓波動對于輸出電壓波動的影響。
          ● V/F控制的轉矩提升功能
          ● 多種V/F曲線的選擇:提供多種的V/F曲線形式(如:多點V/F曲線,1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線),可以滿足各種不同的負載要求。
          ● 內置PID控制功能
          ● 完善的20種保護功能
          ● 寬范圍抗電壓波動能力:網側電壓在短時間小于85%~65%額定值或大于110%~120%額定值,高壓變頻調速系統不停機,保證電機持續運行
          ● 超長瞬時掉電不停機,有效避免電網不穩定帶來的停機問題
          ● 超低頻轉速追蹤能力,有效保證掉電快速再啟動
          ● 對稱旁路功能,單元體雙旁路技術,系統可靠性更高
          ● 雙上電限流電路設計,有效保護系統安全、延長設備壽命
          4.運行效果
          自2014年8月,我公司在該公司一期建設2*35萬噸/年優晶低鈉高純原料項目熱電廠及氧化鋁廠投運以來,其運行狀況良好,工作穩定,節電顯著,完全達到了預期目標,完全滿足電廠和氧化鋁工藝控制需求,大幅提高了生產效果,降低了生產成本,根據我公司每月電耗統計,項目實施后變頻運行比工頻運行電耗降低19%左右。
          5.結束語
          在電解鋁工業用的鍋爐給水泵、冷卻循環水泵、除塵風機的耗電量占生產電耗40%以上。采用變頻調速技術可大幅度地降低電耗,所以,利用變頻技術對現有用電設備進行節能改造,是解決我國電解鋁工業高消耗、低效益的根本措施。該公司在一期項目建成投運發揮效益后,我公司Goodrive5000系列高壓變頻器在現場的應用中得到了客戶的認同,整個的生產工藝中低壓變頻器也全部采用我公司產品,英威騰與中國鋁業做到了合作共贏。
          參考文獻
          [1]南海市南方風機廠 《風機技術介紹》
          [2]《繼電保護及電網安全自動裝置檢驗條例》水利電力出版社
          [3]《GD5000系列高壓變頻調速系統產品說明書》 深圳市英威騰電氣股份有限公司

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