變頻調速技術具有調速范圍寬、傳動效率高、節電顯著等一系列優點, 20 世紀90 年代以來, 變頻器在技術性能上已有了很大的提高, 推廣應用的條件已很成熟, 在我國水泥行業應用取得了許多成功的經驗。2004 年, 陜西省咸陽市菊花水泥廠在其技改項目中, 對其生產線上的所有調速電機, 均使用富士制造的交流變頻器進行變頻調速。作者參與了這一技術的實施, 下面就對此項目作一簡要介紹。

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1 變頻器的選用

變頻器具有較多的品牌和種類, 性能價格相差很大。使用中, 要根據工藝環節的具體要求, 選用滿足性能要求的價格相對較低的品牌和種類。變頻器可按以下多種方法進行分類。

( 1) 按控制方式不同可分為通用型和工程型。通用型變頻器一般采用給定閉環控制方式, 動態響應速度相對較慢, 在電機高速運轉時能滿足設備恒功率的運行特性, 但在低速時難以滿足恒功率要求。工程型變頻器在其內部通過檢測設有自動補償、自動限制的環節, 在設備低速運轉時也可保持較好的特性實現閉環控制。在水泥廠喂料、卸料、窯轉速等工藝環節, 由于控制相對簡單, 要求不高, 為降低價格、便于維護, 選擇通用性變頻器即可。

( 2) 按安裝形式不同可分為四種: ①固定式(壁掛式), 功率多在37 kW以下; ②書本型, 功率從0.2～37 kW, 占用空間相對較小, 安裝時可緊密排列; ③裝機/裝柜型, 功率為45～200 kW, 需要附加電路及整體固定殼體, 體積較為龐大, 占用空間相對較大;④柜型, 控制功率為45～1 500 kW, 具③的特點且占用空間更大。選用時可根據受控電機功率及現場安裝條件選用合適類型。

( 3) 從調速范圍及精度可分為三種: ①變頻器FC( 頻率控制) , 調速范圍1∶25; ②變頻器VC( 矢量控制) , 調速范圍1∶100～1∶1000; ③變頻器SC( 伺服控制) , 調速范圍1∶4000～1∶1000。在水泥生產線上一般選用FC 方式即可滿足生產要求。

此外, 從變頻器的電壓等級, 可分為1AC230V,3AC208 ～230 V, 380 ～460 V, 500 ～575 V, 660 ～690 V等級, 應根據要求做出正確的選擇; 從變頻器的防護等級, 可分為IP00 和IP54 二類, 要根據現場環境情況作出相應的選擇。

變頻器選型時, 應兼顧上述各點要求, 根據生產現場的情況正確選擇合適的形式; 變頻器的容量選擇, 應滿足在比較大工作電流時不超過變頻器的過載容量(電流)。此外, 相同設備配用的變頻器的規格應盡可能統一, 以利于備品備件的準備, 便于維修管理; 同時還要考慮生產廠家的售后服務質量等情況。

根據變頻器的種類、性能和價格和以上選型的要求, 結合菊花水泥廠所有調速電機的現場實際情況, 我們選用富士一般工業用G11S 系列變頻器實施對調速電機的變頻調速改造。G11S 系列變頻器的特點如下: 動態轉矩矢量控制; 0.5 Hz 輸出200% 高起動轉矩; 使用PG 卡可達2/10 000 精度; 具有在線自整定功能; 自帶RS- 485 通訊卡,可接各種現場總線; 具豐富的保護功能與維護功能。

2 變頻器的安裝

水泥廠因生產線粉塵較大, 調速機械大多安裝在室外或庫下, 環境較其它行業相比較為惡劣, 而操作人員一般集中在電控室, 變頻器作為較精密的儀器設備, 生產現場時常無人且環境較差, 對設備不利。故在此水泥生產線上, 我們專門把變頻器安裝在電控室內, 并配有專用的除塵、降溫設備, 盡可能保證提供設備正常運轉所需的環境。

變頻器控制線在安裝時采用屏蔽電纜, 并且在布線范圍內保證其與動力線相距>0.1m, 相交時轉90°。為了避免變頻器控制信號受到干擾, 將控制線與動力線放在不同的電纜托架(或線框)內。變頻器負載輸出線也采取屏蔽措施, 選用鎧裝電纜, 以避免變頻器對附近儀表產生干擾。

通常變頻器連接到電機的電纜長度要求不能超過50m, 使用屏蔽電纜不能超過25m。這就必須要考慮變頻器到受控電機之間的距離問題, 在此次安裝中碰到超過規定距離的情況。我們采取的措施有兩個, 其一是在超過規定距離的線路上串入電流值適合的出線電抗器; 其二是加大變頻器功率一個等級。使用這兩種方法后, 現場設備使用正常。

3 參數設置與調試

變頻器參數的設置及調試工作是設備正常運轉的一個根本保障措施。現場中出現的許多問題往往是參數的設置問題而與設備本身無關, 由此可見, 合理正確設置參數很重要。在此次調試中共使用了8 臺變頻器, 功率范圍從2.5 ～110 kW。除了回轉窯用的一臺變頻器( 110 kW) 外, 其余7 臺在調試中, 參數均為出廠設置值未作改動, 證明所應用的7 臺電機的工作特性符合常規設備的特點。

回轉窯變頻器在剛開始調試時碰到了困難。剛開始空載運行時, 變頻器運轉正常; 加上負載后, 變頻器頻率指示只有幾個赫茲, 電機發熱不運轉, 帶電1min 后, 出現電流過大錯誤提示, 變頻器不再工作。針對上述現象, 我們首先檢查變頻器硬件, 均為正常。因此判斷問題主要是參數設置不合理所造成。

為了解決此問題, 我們從分析回轉窯負載特點入手。啟動時回轉窯內的物料處于正下方, 在窯啟動并不斷加速的過程中, 整個窯體及窯內的物料克服自身慣性而升速, 當物料偏移正下方比較大角度時, 此時所需轉矩比較大, 這是個加速過程, 一個克服設備巨大慣性的過程。一旦驅動電流克服了這種大慣性負載而啟動起來, 維持正常運轉所需的驅動能量及轉矩就很小了。根據以上特點, 在參數設置上采取了以下措施。

( 1) 在低頻段適當提高V/F 的值, 這樣有利于提高電動機出力; 對于富士變頻器來說, 應修改F04基本頻率這個參數, 因為它對于基本頻率的定義為達到額定電壓時的比較低頻率。經過現場實驗, 把基本頻率由50Hz 改為32 Hz。即V/F 的值由7.6, 改為11.875。但在滿足啟動要求的情況下, 提升值越小越好, 一般情況下應小于10。這樣做能減小電動機損耗, 降低電動機溫升, 避免造成過流保護。

( 2) 設置比較低頻率。由于煤粉中經常混有各種雜物, 啟動時往往負荷較大, 除我們適當選大電動機和變頻器容量外, 關鍵是設定一個起動頻率, 這樣有足夠的轉矩使電動機正常啟動。經過現場的反復實驗, 把啟動頻率設為5Hz。( 3) 加減速時間設定。根據生產工藝的要求, 起動時間和停車時間不能太快,太快容易過流過壓現象, 合理選擇加減速時間非常重要。原出廠設定為20 s, 現場根據啟停特點, 啟動時間為7 s, 停車時間為15 s。通過上述設置, 回轉窯變頻器運轉正常, 電流、電壓指標正常。

4 結語

( 1) 經過半年的安裝、調試, 菊花水泥廠8 臺調速電機經變頻器調速改造后, 于2004 年6 月開始試生產, 到現在已經一年, 所用富士G11S 系列變頻器一直運轉正常, 未出現任何故障。

( 2) 從應用情況看, 變頻調速是在水泥廠節能改造中優勢顯著, 但在應用中, 要合理選型, 正確安裝, 做好變頻器參數設置與調試以取得良好的使用效果。

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