當(dāng)今交流變頻傳動(dòng)的發(fā)展及在水泥廠(chǎng)的應(yīng)用

   
1、變頻技術(shù)的發(fā)展 

   1）功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展 
      當(dāng)今交流變頻傳動(dòng)裝置大多采用SPWM(sin pulse width module)正弦脈沖寬度調(diào)制方法，即:三相交流經(jīng)整流和電容濾波后，形成恒定幅值的直流電壓，加在逆變器UI上，逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件，按一定規(guī)律控制其導(dǎo)通和斷開(kāi)，使輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形。如改變脈沖的寬度即可控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值；如改變調(diào)制周期即可控制其輸出頻率，這樣就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓和調(diào)頻, 圖1為SPWM原理框圖。隨著變頻器快速性、精度及可靠性的不斷提高，對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件要求越來(lái)越高，即開(kāi)關(guān)頻率要求在幾十kHz，導(dǎo)電損耗低，在各種應(yīng)用領(lǐng)域的可靠性高，目前除GTO 外，現(xiàn)較成熟的有(IGBT)- （Insulated-Gate Bipolar Transistor）絕緣柵雙極晶體管和(IGCT)-(集成柵整流晶體管-Integrated Gate Commutated Thyristor)，IGBT還有高低壓之分。西門(mén)子公司在發(fā)展IGBT技術(shù)方面，不僅開(kāi)發(fā)了耐高壓的HV-IGBT，在提高關(guān)斷和載流能力有新的進(jìn)展;且每次通電或斷電時(shí)的瞬變電流和瞬變電壓可以通過(guò)門(mén)電路進(jìn)行控制;ABB公司在發(fā)展IGCT技術(shù)方面，主要在快速、均衡換流和內(nèi)在的低損耗等取得很大進(jìn)展; 其他如Rockwell公司，F(xiàn)uji等公司在大功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 
       最近又有新的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件推出，如IPM（Intelligent Power Module）, IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor),炭化硅SiC等，但目前只有小功率的。隨著半導(dǎo)體及微電子技術(shù)的發(fā)展，將開(kāi)發(fā)出性能更好的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，并用于變頻器中。  
  

                                                               圖1   SPWM原理框圖  
  

2)控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展 
      由于交流電機(jī)原理上的原因，其數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，要像直流電機(jī)那樣直接通過(guò)電流對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行靈活和即時(shí)的控制有一定的難度。如果將交流異步電機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以生成等效的直流電機(jī)模型，模擬直流電機(jī)的控制方法，求得直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)變換反變換，就能控制交流異步電機(jī)。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動(dòng)勢(shì)）的空間矢量，由此實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)即稱(chēng)為矢量控制系統(tǒng)。當(dāng)今矢量控制的交流變頻器組成的傳動(dòng)系統(tǒng)已完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、模塊化控制，即有一個(gè)集成高動(dòng)態(tài)性能、優(yōu)良控制特性、極高靈活性的模板，來(lái)實(shí)現(xiàn)與電機(jī)有關(guān)的控制任務(wù)，而且?guī)в写罅康淖杂晒δ苣K，用這些模塊也可處理與傳動(dòng)有關(guān)的控制，如西門(mén)子公司的CUVC控制模塊等；同時(shí)在軟件配置上也已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，還提供了許多的非標(biāo)準(zhǔn)功能，如手動(dòng)-自動(dòng)設(shè)定，輸入給定值的通用性，自動(dòng)重啟動(dòng)功能等，可以說(shuō)矢量控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能已完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，是目前最成熟，完善的技術(shù)。。 
      繼矢量控制系統(tǒng)以后，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）是近十幾年發(fā)展起來(lái)的，又一種高動(dòng)態(tài)性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量，在等效的電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)模型軟件中，通過(guò)高速的速度數(shù)字信號(hào)處理器，電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)每秒更新達(dá)幾萬(wàn)次。由于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)連續(xù)不斷地更新，實(shí)際值與參考值不斷進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器中的每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)單獨(dú)確定，從而對(duì)負(fù)載突變或電源干擾所引起的動(dòng)態(tài)變化作出迅速的反應(yīng)，故它的動(dòng)態(tài)特性好。DTC強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的控制，在控制理論上屬于Pang-Pang控制。在高速狀態(tài)下，其控制水平與矢量控制沒(méi)有差別，但在低速狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)矩控制不穩(wěn)定，易發(fā)生震蕩，引起傳動(dòng)軸系震蕩。 
3)高壓變頻器 
     所謂的高壓等級(jí)為2300V，3300V，4160V, 6000V，（也有稱(chēng)之為中壓），在高壓變頻器推出前，大功率高壓交流異步電機(jī)如需采用變頻調(diào)速傳動(dòng)，有二種方法，一是靠多個(gè)低壓PWM變頻單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓，如西門(mén)子下屬羅賓康的高壓變頻器，電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)隔離變壓器降壓后給每個(gè)功率單元供電，單相變頻功率單元在輸出端串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出，直接帶動(dòng)高壓交流電機(jī)。這種變頻器經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)以及器件不斷升級(jí)，現(xiàn)已在各行業(yè)得到認(rèn)可，最主要特點(diǎn)是諧波較低，系統(tǒng)的效率高，功率因數(shù)可達(dá)0.95。 另一種是所謂的“高－低－高,通過(guò)變壓器將高壓變低壓(一般690V),，在低壓側(cè)變壓變頻，再由升壓變壓器升至和高壓電動(dòng)機(jī)相匹配的電壓，組成高壓交流調(diào)速傳動(dòng)裝置，由于兩側(cè)均需大型變壓器，損耗高，諧波較大，現(xiàn)各領(lǐng)域已較少應(yīng)用。隨之耐高壓大功率晶體管(HVIGBT)（IGCT）的推出，近幾年來(lái)AB，Siemens, ABB紛紛推出高壓變頻器，它的特點(diǎn)是變頻器輸出可直接接入高壓電機(jī)，不需專(zhuān)用的變頻電機(jī)，也稱(chēng)高－高變頻器，當(dāng)前高壓變頻器的發(fā)展主流是主回路采用三電平結(jié)構(gòu)，高壓器件，電壓源型以及矢量控制方式，現(xiàn)最大可用于7500kW異步電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制。為滿(mǎn)足脈沖整流器的需要，變頻器配套有專(zhuān)用的變壓器 （一般是三圈），脈沖整流器根據(jù)電網(wǎng)對(duì)諧波分量的要求，一般可選用6,12,18，24脈沖。 西門(mén)子公司新開(kāi)發(fā)的SIMOVERT MV裝置在輸入端采用了有源前端和3電平的HV-IGBT的逆變器，具有自動(dòng)限流功能，門(mén)極控制簡(jiǎn)單，器件少，效率高，功率因數(shù)可高于0.96。通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序，可對(duì)0~9000r.p.m范圍內(nèi)的傳動(dòng)進(jìn)行精確控制，其輸出電壓有極低的諧波分量，并具有極佳的轉(zhuǎn)矩特性，尤其是具有良好的低速性能，能持續(xù)輸出穩(wěn)定的大轉(zhuǎn)矩，圖2為其電氣原理圖。   
  

                                           圖2：SIMOVERT  MV 電氣原理圖  
 


 4）電壓源型的普遍應(yīng)用 
      從變頻電源的性質(zhì)上看，可分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器，它們的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用那種濾波器，電壓源型變頻器采用大容量電容濾波，直流電壓波形比較平直；電流源型變頻器采用大電感濾波，直流電流波形比較平直。前述電壓源型變頻器是當(dāng)前的主流，指電壓源型變頻器比電流源型變頻器性能優(yōu)越，采用電壓源型變頻器使變頻器的性能，包括輸出波形、功率因數(shù)、效率、可靠性及動(dòng)態(tài)性能能進(jìn)一步提高。見(jiàn)表1： 

5）通訊、診斷和操作 
     工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)上看可分為三個(gè)層次：即管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。交流變頻傳動(dòng)裝置和現(xiàn)場(chǎng)儀表一樣，屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，現(xiàn)今推出的變頻器具有極其靈活的通訊功能，通過(guò)總線(xiàn)不僅變頻器之間可以通訊，而且還可以和PLC或上一級(jí)的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通訊，如西門(mén)子SIMOVERT MASTERDRIVES可安裝通訊模件，即可通過(guò)PROFIBUS-DP 
     以12Mbit/s的速率，或CAN總線(xiàn)與更高級(jí)別的系統(tǒng)或與其他變頻傳動(dòng)裝置通訊；又如AB的1336PLUS變頻器可由通訊模件直接掛在Control Net 上。上一級(jí)再通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)很容易組成全集成自動(dòng)化系統(tǒng)。用一個(gè)高水平的用戶(hù)友好界面，變頻器的所有參數(shù)可形象化顯示、設(shè)定、處理，也可進(jìn)行診斷操作等，也可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)和離線(xiàn)操作。 
2．應(yīng)用 
     交流變頻傳動(dòng)裝置現(xiàn)已廣泛在我國(guó)各行業(yè)應(yīng)用，特別在石油化工、冶金鋼鐵、汽車(chē)、造紙、熱電、食品、紡織、包裝等工業(yè)。最大交流變頻傳動(dòng)用于鋼鐵企業(yè)5000kW控制精度要求極高的軋機(jī)上，最小用在家用空調(diào)的風(fēng)機(jī)上，幾乎包括各個(gè)領(lǐng)域。在水泥行業(yè)交流變頻傳動(dòng)主要用在以下方面： 
1）節(jié)能調(diào)速 
     節(jié)能調(diào)速目前普遍使用在控制精度不高，動(dòng)態(tài)性能要求低的平方率負(fù)載上，如風(fēng)機(jī)和水泵，風(fēng)機(jī)和水泵等機(jī)械總?cè)萘繋缀跽脊I(yè)電氣傳動(dòng)總?cè)萘康囊话?，它也是耗能的大?hù)，如一個(gè)5000t/d的水泥廠(chǎng)，窯尾高溫風(fēng)機(jī)為2500kW,而全廠(chǎng)所有風(fēng)機(jī)的耗電量約占整個(gè)廠(chǎng)用電量30%；增壓水泵和循環(huán)水泵容量也不小。如交流傳動(dòng)不調(diào)速，風(fēng)量和水的流量，靠檔板和閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)，相當(dāng)于增加管的阻力，使大量的電能消耗在檔板和閥門(mén)上，負(fù)載下降又使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率因數(shù)降低。由于風(fēng)機(jī)和水泵是屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系，如換成交流調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)機(jī)和水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率大大下降，在眾多的風(fēng)（水）量調(diào)節(jié)方式中，變頻調(diào)速的節(jié)能效果是很可觀的，據(jù)統(tǒng)計(jì)平均節(jié)能在20%左右。 
水泥行業(yè)中的泵類(lèi)和風(fēng)機(jī)已開(kāi)始大量使用變頻器，并取得較好的節(jié)能效果。由于控制要求不高，只要選型正確，各類(lèi)變頻器都可用于泵類(lèi)和風(fēng)機(jī)中；在大功率高壓的泵類(lèi)和風(fēng)機(jī)負(fù)載也采用了大功率高壓變頻器，筆者建議水泥廠(chǎng)可采用多個(gè)低壓PWM變頻單元串聯(lián)的大功率高壓變頻器，主要它對(duì)電網(wǎng)和其他高壓設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾小，另外安裝和維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，某個(gè)功率單元故障出現(xiàn)時(shí)，可自動(dòng)退出系統(tǒng)，而其他功率單元可繼續(xù)保持電機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)然也可使用大功率器件組成的高壓變頻器，但價(jià)格較貴，諧波干擾不易解決，拉發(fā)齊都江堰水泥廠(chǎng)幾乎所有風(fēng)機(jī)采用了大功率高壓變頻器。  
2）其他交流變頻調(diào)速 
      篦冷機(jī)、選粉機(jī)、各種稱(chēng)重設(shè)備及板式給料機(jī)等都已采用變頻調(diào)速篦冷機(jī)、選粉機(jī)、各種稱(chēng)重設(shè)備及板式給料機(jī)等都已采用變頻調(diào)速。在水泥行業(yè)回轉(zhuǎn)窯采用直流傳動(dòng)長(zhǎng)達(dá)一世紀(jì)，主要對(duì)其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求較高，一般為額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍，另外要求過(guò)負(fù)荷能力時(shí)間長(zhǎng)和過(guò)負(fù)荷倍數(shù)高，選型時(shí)，必須按起動(dòng)要求額定轉(zhuǎn)矩的 倍數(shù)，折算為交流起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以確定交流電動(dòng)機(jī)的功率，并正確選擇與電機(jī)的功率匹配的變頻器，充分考慮起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)負(fù)荷能力。一個(gè)3300t/d的廠(chǎng)，回轉(zhuǎn)窯 
傳動(dòng)直流電機(jī)的功率為315kW,如采用交流傳動(dòng)交流電機(jī)的功率則選為450kW，希望用交流變頻傳動(dòng)，則變頻器應(yīng)選用710kW容量的交流變頻器。 
3)交流調(diào)速裝置應(yīng)用時(shí)注意幾點(diǎn)： 
     a.在使用過(guò)程中要注意變頻器的功率與電機(jī)的功率匹配或變頻器的負(fù)載特性與實(shí)際負(fù)載特性匹配。變頻器選大了造成浪費(fèi)，選小了驅(qū)動(dòng)不了設(shè)備。因此變頻器選型是關(guān)鍵。變頻器分恒功率型和恒轉(zhuǎn)矩型，對(duì)一般容量且無(wú)過(guò)載要求選用恒功率型。對(duì)于工藝有過(guò)載要求的必須選用恒轉(zhuǎn)矩型 
     b．交流變頻調(diào)速傳動(dòng)裝置對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，應(yīng)按中國(guó)的諧波標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93加諧波濾波器或電抗器，使其對(duì)電網(wǎng)干擾最小。.  
     c．為使變頻調(diào)速器受外界干擾影響最小, 在布線(xiàn)時(shí)控制電纜，電源電纜與電動(dòng)機(jī)的連接電纜的走線(xiàn)必須相互隔離。不要把它們放在一個(gè)電纜線(xiàn)槽中或電纜架上；輸入和輸出信號(hào)回路必須用屏敝對(duì)絞線(xiàn)，接到電動(dòng)機(jī)的主回路連接電纜應(yīng)該是屏蔽或鎧裝，屏蔽層接地；用短而粗的節(jié)電接地線(xiàn)按規(guī)定正確連接保護(hù)接地和系統(tǒng)接地，最后連接到公共的星形接地網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)需要還可考慮加隔離變壓器和進(jìn)線(xiàn)電抗器，使其受干擾影響最小。 
    d. 水泥生產(chǎn)使用的原料本身的比重大，加在輸送設(shè)備上的重量也大，如板喂機(jī)，輸送皮帶等的調(diào)速變頻器必須選用同功率的恒轉(zhuǎn)矩變頻器。 
    特別是板式喂料機(jī)由于各種原因經(jīng)常運(yùn)行在低頻率狀況，在磁點(diǎn)范圍內(nèi)變頻器輸出的電壓不能增加，其負(fù)載容量減少，電機(jī)發(fā)熱。這就要求選用專(zhuān)用的變頻電機(jī) 
e．在低速運(yùn)行時(shí)，須防止軸系的震蕩；在高速運(yùn)行時(shí)，須防止超速。

3．結(jié)論 
1）在我國(guó)交流變頻調(diào)速傳動(dòng)裝置已在水泥行業(yè)廣泛應(yīng)用，并已取得較好的經(jīng)濟(jì)節(jié)能效益。 
2）  隨著新型大功率半導(dǎo)體器件的推出，控制理論不斷倉(cāng)新和發(fā)展，微電子技術(shù)完善，現(xiàn)今變頻器向著大功率、高電壓的方向發(fā)展，控制精度和動(dòng)態(tài)特性也越趨完美，水泥行業(yè)的大功率、高電壓變頻器也將開(kāi)始使用。