10KV矿业风机变频改造技术方案Word格式.docx
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额定电流
140A
叶片数
额定转速
转/分
额定流量
效率
风机全压
电机产地
风机转速
风机轴功率
风机产地
表2：
窑尾废气处理风机1＃及配套电机1＃主要技术参数
YRKK500-10
Y4-73
355KW
29.5A
三、变频改造技术方案
对于变频改造项目来说，应从实际出发，全面考虑，综合比较，首先是必须保证变频调速装置的可靠、稳定运行。
其次是节能降耗和技改投资的回收。
再次是尽可能避免更换原有电机，减少系统的变动。
最后，变频调速装置尽可能安装在现成的厂房、机房或控制室等建筑内，避免增加土建工程。
采用变频器对风机、水泵进行控制的目的：
改善工艺过程，提高控制性能，减轻风机、水泵起停及流量调节时对管网造成的冲击，延长设备的使用寿命，减少维修量。
保持风机、水泵出口阀门最大，通过改变变频器的输出频率（电机速度）来调节流量，以节约原来通过改变阀门开度调节流量时浪费在阀门上的能源；
通过变频器实现风压、水压闭环控制，保持管网压力的恒定。
从改善工艺过程和控制性能，节能降耗、减小变频调速装置对电网污染的角度出发，对于贵公司2000KW、355KW的电动机，建议分别选用MLVERT-D10/2650.A，MLVERT-D10/500.A型无电网污染高压大功率变频器。
3.1、变频改造一次接线原理图及配置
采用MLVERT-D10型高压大功率变频器进行改造后，电气系统一次原理示意图如下图1所示。
图1变频改造方案示意图
主要配置为：
1）模块柜一台；
2）控制柜一台；
3）变压器柜一台；
4）旁路柜一台；
5）相关算法及控制软件一套。
3.2、变频器外形尺寸
根据风机技术参数，结合我公司产品技术特点，我公司提供的MLVERT-D10系列（1000kW以上）高压变频器的外形图如下图所示。
3.3、变频器主要技术参数
我公司的MLVERT—D10系列型高压变频器采用新型的IGBT功率器件，全数字化微机控制，可适配各种通用的三相异步电动机，主要技术参数如下（以450KW为例）：
表5：
MLVERT—D10/2650.A变频器主要技术参数
序号
项目
参数
1
变频器型号
MLVERT—D10/2650.A
2
变频器容量（KVA）
260KVA
3
适配电机功率（KW）
4
额定输入电压（KV）
10KV（+5%～-10%）
5
输入频率（Hz）
45Hz到55Hz
6
输入功率因数
0.95（>
20%负载）
7
变频器效率
额定负载下>
0.95
8
输出电压
0～10KV
9
输出电流
150A
10
输出频率
0～60Hz
11
频率分辨率
0.01Hz
12
加减速时间
0.1～3000秒可调
13
过载能力
120%一分钟，150%立即保护
14
防护等级
IP31
15
保护设置
输入过压、欠压、缺相；
输出过流；
功率单元超温，冷却风机故障，门开关
16
接口
8路数字量输入；
8路数字量输出；
6路模拟量输入；
4路模拟量输出
17
安装地点
室内
18
是否需要输出滤波器
不需要
19
控制电源
Ⅰ段单相220V±
10%AC,3kVA
Ⅱ段单相220V±
20
UPS型式、参数及容量
后备式UPS,断电保持时间30min
21
电网侧变换器型式及元件
不控整流方式，采用进口整流二极管
22
电隔离部分是否采用光纤
是
23
噪声等级
75dB以下
24
冷却方式
强制风冷
25
操作键盘
液晶
26
界面语言
中文
27
外形尺寸（长×
宽×
高）
5435×
1200×
2400
28
变频装置重量
7660Kg
3.4、MLVERT—D10系列变频器原理介绍
MLVERT-D10系列高压大功率变频器的原理结构如图2所示。
电网送来的三相10KV交流电，经移相变压器，由其副边每相的9个二次线圈电压逐个移相6.67°
，供电给9个功率单元（如图2所示），三相共27个功率单元，形成Y联结结构。
控制IGBT的通断，即可在A、B两点之间得到PWM波形，9个功率单元相叠加进行波形合成，可输出高压正弦波给感应电动机。
每个功率单元的额定电压为640V，相邻功率单元的输出联接起来，使得变频器的额定相电压为5760V，线电压为10KV。
每个功率单元由一体化的移相变压器的副边线圈分别供电。
为了降低输入谐波电流，移相变压器实行多重化设计，27套副边绕组，采用延边三角形联结，分为9个不同的相位组，互差6.67°
电角度。
功率单元是一个三相输入单相输出的电压型变频器（如图3所示），移相变压器副边输出的640V三相交流电经功率单元的三相二极管整流桥整流后，经滤波电容形成平直的直流电，再经由4个IGBT构成的H型单相逆变桥，实行PWM控制，在其输出端形成电压在640V以下可变、频率在50Hz/60Hz（此频率可根据电机的额定频率调整）以下可调的交流电，每个单元中有4种不同的开关组合，即V1和V4同时导通，则输出正的直流母线电压+U；
V2和V3同时导通，则输出负的直流母线电压-U；
V1和V3同时导通或V2和V4同时导通，输出电压为0。
由此可见，4种不同的开关状态，输出了3种不同的电压，即+U、O和-U。
在每个功率单元的PWM控制下，每相9个功率单元串联叠加，共有19种电平即O、±
U、±
2U、±
3U、±
4U、±
5U、±
6U、±
7U、±
8U、±
9U。
对应的线电压，则有33种电平。
而一般的变频器，其输出电压的电平数只有2种或3种，因为输出电压的电平数越多，变频器的输出电压波形就越接近正弦波，这就使得该变频器的输出电压波形非常接近正弦波。
这一优点是其它任何类型的变频器无法比拟的。
图3功率单元结构图
3.5、MLVERT—D10系列变频器性能特点
1）MLVERT—D10系列变频器为高—高结构，10kV直接输出，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式，输出相电压至少为19电平，线电压至少为33电平；
2）系统一体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可。
整套系统在出厂前已经进行整体测试；
3）54脉波整流输入符合并优于IEEE519～1992及GB/T14519～93标准对电压失真和电流失真最严格的要求；
4）在20～100%的负载变化情况内达到或超过0.95的功率因数（无需功率因数补偿装置）；
5）无需滤波器。
变频器可直接输出正弦电流、电压波形，对电机没有特殊的要求，可以使用普通异步电机，电机不必降额使用。
具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行；
6）变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。
可避免风机喘振现象。
变频器有共振点频率跳跃功能；
7）变频装置对输出电缆长度无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响
8）变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在没有10KV高压情况下用低压电进行空载调试
9）变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在±
10%范围内变频器能满载工作，在30%的电压下降情况下变频器能继续运行而不跳闸（降载运行），40%的电压下降可以短时运行，电网瞬时失电5个周期可满载运行不跳闸，轻载时时间更长；
10）变频器的功率单元为模块化设计，可以从机架上抽出，移动和更换，所有单元可以互换，更换单元不须专用工具，更换一个单元的时间一般小于8分钟，大大减少了现场维修更换功率单元的时间。
11）控制系统采用全数字微机控制，具有自诊断功能；
12）内置S7-200系列PLC，在现场实现外部逻辑控制时，非常方便。
增大了系统可调范围，提高了系统运行的灵活性；
可以根据生产要求灵活设定压力变化点,满足生产的要求。
13）变频器功率单元和主控系统通讯采用光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好；
14）控制系统能在线检测变频器电流、输出电流、频率、电机转速等；
15）过载能力为120%/1min，完全满足泵类和风机类负载要求；
16）调速范围：
0-100%连续可调；
17）加/减速时间0.1～3000秒（根据负载情况可设定）；
18）输出频率0～60Hz（根据电机情况可设定）；
19）环境温度为0～+40︒C，95%相对湿度，海拔1000米以下；
20）变频器抗地震能力为7级，振动0.5G；
21）临界速度可跳过（共3组，可任意设定）；
22）采用中文显示和操作，直观、清楚，便于学习，容易掌握。
触摸屏可随时显示变频器的工况、工作参数及故障类型和故障点，便于分析和查找。
3.6、MLVERT—D10系列变频器控制接口
1）6路4～20mA或0～10V模拟量输入
2）4路4～20mA模拟量输出或0～10V用以输出电机电流和频率等指示信号（可程序修改）
3）8点开关量无源输入：
自动起动/停止、手动起动/停止、紧停、复位等
4）8点开关量无源输出：
变频器就绪、运行、故障等。
5）变频器带有RS485通讯接口和以太网接口，可以将输出频率、输出电流等参数通过通讯接口传送至PLC或DCS
3.7、MLVERT—D10系列变频器保护
1）输入变压器带浪涌吸收保护
2）每个功率单元带三相输入熔断器保护
3）变频装置有过电压、过电流、欠电压、缺相、变频器过载、变频器过热、电机过载、输出接地、输出短路等保护功能
4）变频装置有隔离变压器的各种保护
3.8、MLVERT—D10系列变频器主要元器件规格及产地
元器件名称
元器件型号
产地
数量
厂家名称
IGBT
BSM100GB17D
德国
54只
EUPEC
可控硅
SKKH72
SEMIKON
整流二极管
SKKD81
整流桥
SKD62
27只
电解电容
3300uf/400v
324只
EPCOS
散热风机
R4E400-AB23-05
3只
EBM
变压器
876kVA/10kV
北京
1台
北京新华都
PLC
S7-200
1个
西门子
触摸屏
TP270-10#
3.9、改造后实现的功能
1）软起动和软停机功能。
采用变频调速装置后，风机起动时可以从0转/分逐渐平稳的升到所需转数，减少了启动冲击和机械摩擦、震动，改善了风机的启动特性，延长电动机使用寿命。
2）改善了生产工艺。
由压力变送器提供的4～20mA反馈信号，通过PID压力自动调节系统，控制变频输出，自动保持压力稳定。
由于变频器的调速平滑，控制精度高，所以管网压力波动范围很小，能充分满足现场工艺要求，同时减少了工人对挡板、阀门调节的工作量和随机性。
3）接受DCS调控、启动、停止、手动/自动切换等命令，并能显示设备状态、运行参数、故障诊断等。
操作简便，易于观察。
如运行频率，电流，开环或闭环运行状态等；
具有完善、灵敏的故障检测、诊断、报警、跳闸等功能，保证电机始终安全运行。
4）节能，降低成本。
投入变频装置后，风机的挡板处于全开位置，节流损失降到零；
由于节流损失的降低，轻载时实现节能运行。
四、风机变频调速节能分析
4.1、风机变频调速节能原理
我们知道，风机负载的工作特性具有轴功率和转速的立方成正比的关系。
下面就来分析风机的变频调速节能原理：
根据风机工作原理与运行曲线，我们可以得到图4中的100％转速运行曲线，这条曲线配合风机在不同风量运行时的特性曲线（阻抗曲线）可以得到在未应用变频调速情况下使用风门挡板及液力耦合器进行风量调节时的耗用功率。
理论上，全流量工作时，采用变频器和风门挡板时，输入的功率一致，其功率为AI0K包围的面积，当风机运行点由A（100％流量）点移动到B点（80％流量）时，如果采用出口风门控制时，电动机的功率为BH0L包围的面积，但是采用变频器拖动风机后，由于特性的改变，其输入功率为EJ0L包围的面积，其节能效果为：
BHJE包围的面积。
因此在理论上，采用变频器改造风机后，将会取得很好的节能效果。
图4风机风门调节与变频调节运行曲线图
根据风机的运行特性以及流体力学理论，当风机的实际操作参数偏离其额定参数时，风机的工作效率也将大大降低（图5）。
当流量变化需要调节时，传统的方法是：
流量的减小往往是通过关小风机挡板来实现，挡板处阻力加大，挡板损失也随之增大，必然降低风机的总效率，由此而引起的电能损失也是相当可观的。
图5风量减小效率降低 图6风量减小效率不降低
当采用变频调速装置时，可以按需要升降电机转速，改变风机的性能曲线，使风机的额定参数满足工艺要求。
变速前后流量、压力、功率与转速之间关系为：
、
—风机在
转速时的流量、压力、功率；
假如转速降低一半，即：
1/2，则
1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。
从图6可以看出：
当转速由
降为
时，风机的额定工作参数Q、H、P都降低了。
但从效率曲线η-Q看，
点的效率值与
点的效率值基本是一样的。
也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。
因此在满足操作要求的前提下，风机仍能在同样甚至更高的效率下工作。
4.2、节能计算
由于没有对现场运行和工况进行详细的了解，故只是粗略进行了节能的预测，详细的节能预测分析只有对实际现场运行和工况，工艺过程进行综合分析后给出。
下面我们就分别对原料磨系统风机2#和窑尾废气处理风机1#进行节能效果预测、估算：
（1）原料磨系统风机2#2000KW/10kV电机：
根据4.1描述的风机变频调速节能原理得到
的关系，结合本设备的现场运行情况和阀门开度，若变频调速风机平均转速按80%计算，当采用变频调节时耗电为铭牌的0.488倍额功率，考虑到20%的损耗，我们可以得到本风机每小时预计可以节电：
2000/0.95*（1-0.512-0.2）=606.3kWh
按照每年15天全检修时间计算，全年可以节电：
606.3×
（8760-24×
15）=5092920kWh
电价按0.6元/度元计算，每年可收回投资：
5092920×
0.6=305.5万元。
（2）355KW/10kV电机：
的关系，结合本设备的现场运行情况和阀门开度，若变频调速风机平均转速按70%计算，当采用变频调节时耗电为铭牌的0.657倍额功率，考虑到20%的损耗，我们可以得到本风机每小时预计可以节电：
每小时预计可以节电：
355/0.95*（1-0.343-0.2）=170.7kWh
170.7×
15）=1433880kWh
电价按0.6元计算，每年可收回投资：
1433880×
0.6=86万元
五、安装环境
环境温度0-40℃
湿度小于90％（不结露）
海拔高度1000m
振动不高于0.5g
安装地点户内（通风、散热良好）
六、小结
MLVERT-D10系列高压大功率变频器是实现高压变频调速系统的主要技术方向，特别适合于风机、泵类工业应用现场。
已经被广大工业用户接受和充分认可。
我公司提出的高压大功率变频器方案具有如下几个高-低方案所无法比拟的优点：
1）单元串联高压变频器输入移相变压器实行多重化设计，用以降低输入谐波电流；
谐波污染小，无需考虑谐波抑制。
2）采用二极管整流的电压型结构，电机所需的无功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数较高，基本可保持在0.95以上，不需采用功率因数补偿装置。
3）提供正弦波输出波形，不需要输出滤波器，对电机无特殊要求。
4）针对高压变频调速系统的特殊要求，具有功率模块重故障的旁通功能和完善的故障保护功能，保证产品具有高度的稳定性和可靠性。
5）对于改造项目来说，不需更换现有电机和高压电缆。
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