变频调速技术具有调速范围宽、传动效率高、节电显著等一系列优点, 20 世纪90 年代以来, 变频器在技术性能上已有了很大的提高, 推广应用的条件已很成熟, 在我国水泥行业应用取得了许多成功的经验。2004 年, 陕西省咸阳市菊花水泥厂在其技改项目中, 对其生产线上的所有调速电机, 均使用富士制造的交流变频器进行变频调速。作者参与了这一技术的实施, 下面就对此项目作一简要介绍。

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1 变频器的选用

变频器具有较多的品牌和种类, 性能价格相差很大。使用中, 要根据工艺环节的具体要求, 选用满足性能要求的价格相对较低的品牌和种类。变频器可按以下多种方法进行分类。

( 1) 按控制方式不同可分为通用型和工程型。通用型变频器一般采用给定闭环控制方式, 动态响应速度相对较慢, 在电机高速运转时能满足设备恒功率的运行特性, 但在低速时难以满足恒功率要求。工程型变频器在其内部通过检测设有自动补偿、自动限制的环节, 在设备低速运转时也可保持较好的特性实现闭环控制。在水泥厂喂料、卸料、窑转速等工艺环节, 由于控制相对简单, 要求不高, 为降低价格、便于维护, 选择通用性变频器即可。

( 2) 按安装形式不同可分为四种: ①固定式(壁挂式), 功率多在37 kW以下; ②书本型, 功率从0.2～37 kW, 占用空间相对较小, 安装时可紧密排列; ③装机/装柜型, 功率为45～200 kW, 需要附加电路及整体固定壳体, 体积较为庞大, 占用空间相对较大;④柜型, 控制功率为45～1 500 kW, 具③的特点且占用空间更大。选用时可根据受控电机功率及现场安装条件选用合适类型。

( 3) 从调速范围及精度可分为三种: ①变频器FC( 频率控制) , 调速范围1∶25; ②变频器VC( 矢量控制) , 调速范围1∶100～1∶1000; ③变频器SC( 伺服控制) , 调速范围1∶4000～1∶1000。在水泥生产线上一般选用FC 方式即可满足生产要求。

此外, 从变频器的电压等级, 可分为1AC230V,3AC208 ～230 V, 380 ～460 V, 500 ～575 V, 660 ～690 V等级, 应根据要求做出正确的选择; 从变频器的防护等级, 可分为IP00 和IP54 二类, 要根据现场环境情况作出相应的选择。

变频器选型时, 应兼顾上述各点要求, 根据生产现场的情况正确选择合适的形式; 变频器的容量选择, 应满足在比较大工作电流时不超过变频器的过载容量(电流)。此外, 相同设备配用的变频器的规格应尽可能统一, 以利于备品备件的准备, 便于维修管理; 同时还要考虑生产厂家的售后服务质量等情况。

根据变频器的种类、性能和价格和以上选型的要求, 结合菊花水泥厂所有调速电机的现场实际情况, 我们选用富士一般工业用G11S 系列变频器实施对调速电机的变频调速改造。G11S 系列变频器的特点如下: 动态转矩矢量控制; 0.5 Hz 输出200% 高起动转矩; 使用PG 卡可达2/10 000 精度; 具有在线自整定功能; 自带RS- 485 通讯卡,可接各种现场总线; 具丰富的保护功能与维护功能。

2 变频器的安装

水泥厂因生产线粉尘较大, 调速机械大多安装在室外或库下, 环境较其它行业相比较为恶劣, 而操作人员一般集中在电控室, 变频器作为较精密的仪器设备, 生产现场时常无人且环境较差, 对设备不利。故在此水泥生产线上, 我们专门把变频器安装在电控室内, 并配有专用的除尘、降温设备, 尽可能保证提供设备正常运转所需的环境。

变频器控制线在安装时采用屏蔽电缆, 并且在布线范围内保证其与动力线相距>0.1m, 相交时转90°。为了避免变频器控制信号受到干扰, 将控制线与动力线放在不同的电缆托架(或线框)内。变频器负载输出线也采取屏蔽措施, 选用铠装电缆, 以避免变频器对附近仪表产生干扰。

通常变频器连接到电机的电缆长度要求不能超过50m, 使用屏蔽电缆不能超过25m。这就必须要考虑变频器到受控电机之间的距离问题, 在此次安装中碰到超过规定距离的情况。我们采取的措施有两个, 其一是在超过规定距离的线路上串入电流值适合的出线电抗器; 其二是加大变频器功率一个等级。使用这两种方法后, 现场设备使用正常。

3 参数设置与调试

变频器参数的设置及调试工作是设备正常运转的一个根本保障措施。现场中出现的许多问题往往是参数的设置问题而与设备本身无关, 由此可见, 合理正确设置参数很重要。在此次调试中共使用了8 台变频器, 功率范围从2.5 ～110 kW。除了回转窑用的一台变频器( 110 kW) 外, 其余7 台在调试中, 参数均为出厂设置值未作改动, 证明所应用的7 台电机的工作特性符合常规设备的特点。

回转窑变频器在刚开始调试时碰到了困难。刚开始空载运行时, 变频器运转正常; 加上负载后, 变频器频率指示只有几个赫兹, 电机发热不运转, 带电1min 后, 出现电流过大错误提示, 变频器不再工作。针对上述现象, 我们首先检查变频器硬件, 均为正常。因此判断问题主要是参数设置不合理所造成。

为了解决此问题, 我们从分析回转窑负载特点入手。启动时回转窑内的物料处于正下方, 在窑启动并不断加速的过程中, 整个窑体及窑内的物料克服自身惯性而升速, 当物料偏移正下方比较大角度时, 此时所需转矩比较大, 这是个加速过程, 一个克服设备巨大惯性的过程。一旦驱动电流克服了这种大惯性负载而启动起来, 维持正常运转所需的驱动能量及转矩就很小了。根据以上特点, 在参数设置上采取了以下措施。

( 1) 在低频段适当提高V/F 的值, 这样有利于提高电动机出力; 对于富士变频器来说, 应修改F04基本频率这个参数, 因为它对于基本频率的定义为达到额定电压时的比较低频率。经过现场实验, 把基本频率由50Hz 改为32 Hz。即V/F 的值由7.6, 改为11.875。但在满足启动要求的情况下, 提升值越小越好, 一般情况下应小于10。这样做能减小电动机损耗, 降低电动机温升, 避免造成过流保护。

( 2) 设置比较低频率。由于煤粉中经常混有各种杂物, 启动时往往负荷较大, 除我们适当选大电动机和变频器容量外, 关键是设定一个起动频率, 这样有足够的转矩使电动机正常启动。经过现场的反复实验, 把启动频率设为5Hz。( 3) 加减速时间设定。根据生产工艺的要求, 起动时间和停车时间不能太快,太快容易过流过压现象, 合理选择加减速时间非常重要。原出厂设定为20 s, 现场根据启停特点, 启动时间为7 s, 停车时间为15 s。通过上述设置, 回转窑变频器运转正常, 电流、电压指标正常。

4 结语

( 1) 经过半年的安装、调试, 菊花水泥厂8 台调速电机经变频器调速改造后, 于2004 年6 月开始试生产, 到现在已经一年, 所用富士G11S 系列变频器一直运转正常, 未出现任何故障。

( 2) 从应用情况看, 变频调速是在水泥厂节能改造中优势显著, 但在应用中, 要合理选型, 正确安装, 做好变频器参数设置与调试以取得良好的使用效果。

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