關(guān)鍵詞：Goodrive5000 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(yōu)”發(fā)展理念，依照“中鋁品牌，民營機(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，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1 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。
● 在變頻運(yùn)行狀況下，QS1、QS2閉合，QS3斷開
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，斷開用戶開關(guān)，再由機(jī)械操作依次斷開QS1、QS2，然后機(jī)械操作閉合QS3，使電機(jī)切換至工頻側(cè)，再合上用戶開關(guān)，使電機(jī)工頻運(yùn)行；
● 在工頻旁路運(yùn)行狀況下，QS3閉合，QS1、QS2斷開
如需手動(dòng)切換至變頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)先斷開用戶開關(guān)，由機(jī)械操作斷開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)，再合上用戶開關(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。
Goodrive5000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，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行修改。
圖2 常規(guī)DCS系統(tǒng)I/O硬接線控制配置圖方案
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，通過將多個(gè)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(jié)構(gòu)如下圖所示。電網(wǎng)送來的三相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，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)行過程中對(duì)電動(dòng)機(jī)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(duì)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(jī)，并且徹底消除諧波引起的電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)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(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)；
● 變壓器允許過負(fù)荷能力符合IEC干式變壓器過負(fù)荷導(dǎo)則及相應(yīng)國標(biāo)要求；
● 每個(gè)功率單元帶兩相輸入熔斷器保護(hù)；
● 過載保護(hù)：變頻器額定電流的120%，允許2分鐘，超過則保護(hù)；
● 過流保護(hù)：變頻器輸出電流超過電機(jī)額定電流的200％立即保護(hù)；
● 過壓保護(hù)：檢測(cè)變頻器輸入電壓，如果超過額定電壓的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，均在中文用戶界面上指定故障確切位置，便于用戶采取應(yīng)對(duì)措施。
3.3英威騰變頻器優(yōu)勢(shì)
● 專業(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。
● 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。
● 豐富的控制功能
● 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。
● V/F控制的轉(zhuǎn)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(diǎn)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(fù)載要求。
● 內(nèi)置PID控制功能
● 完善的20種保護(hù)功能
● 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
● 超長瞬時(shí)掉電不停機(jī)，有效避免電網(wǎng)不穩(wěn)定帶來的停機(jī)問題
● 超低頻轉(zhuǎn)速追蹤能力，有效保證掉電快速再啟動(dòng)
● 對(duì)稱旁路功能，單元體雙旁路技術(shù)，系統(tǒng)可靠性更高
● 雙上電限流電路設(shè)計(jì)，有效保護(hù)系統(tǒng)安全、延長設(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，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
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，英威騰與中國鋁業(yè)做到了合作共贏。
參考文獻(xiàn)：
[1]南海市南方風(fēng)機(jī)廠 《風(fēng)機(jī)技術(shù)介紹》
[2]《繼電保護(hù)及電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置檢驗(yàn)條例》水利電力出版社
[3]《GD5000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品說明書》 深圳市英威騰電氣股份有限公司
