PowerFlex7000在阳极风机中的应用

★安徽金隆铜业有限公司 陈刚

PowerFlex7000在阳极风机中的应用

★安徽金隆铜业有限公司 陈刚

本文主要介绍PowerFlex7000中压变频器在金隆铜业阳极风机中的应用。利用PowerFlex7000中压变频器可实现风机风量精确控制，并能大大降低生产能耗，降低风机的启停次数，减少对风道、风门的冲击，减少风机系统的机修维护量，减少大型机组的启停对电网冲击。

中压变频器；变频调速；节能降耗

1 引言

能源是经济发展的物质基础，也是经济社会科学可持续发展的重要制约因素。中国作为世界第二大能源消费国，一直高度重视能源和节能工作，早在20世纪80年代初就提出了“能源开发与节约并重，把节约放在优先位置”的方针，将节能纳入国民经济和社会发展计划。目前，我国经济快速增长，能源不足的矛盾日益显现。其特点是：

（1）人均能源相对不足。我国大多数能源资源人均占有量不足世界平均水平的一半。

（2）能源利用效率低。我国每百万美元国内生产总值能耗比世界先进水平高2.4倍，能源效率比国际先进水平低10个百分点。

（3）能源约束矛盾突出。近年来煤、电、油、运瓶颈制约再度出现。

（4）环境污染严重，我国是少数以煤为主要能源的国家，也是世界上最大的煤炭消费国，能源使用带来的环境压力巨大。

为加快建设节约型社会，缓解当前煤电油运紧张状况和全面建设小康社会面临的资源约束和环境压力，保障国民经济持续快速协调健康发展，每个企业都应充分认识到自己的社会责任，把节约能源，提高能效利用效率，减少环境污染作为企业持续、健康发展的内在动力。节约能源，对宏观而言旨在降低单位产值能耗，对行业来讲，是降低产品的单耗。

2 传统风机控制方式研究

2.1 风门挡板风量风压控制

最古老方式采用阀门挡板控制方法，这种控制方式下，存在着以下几方面的问题：

（1）风机的配套电机一般功率较大（相对风机的所需轴功率），启停时对配电系统冲击大，不利于主变及电网的安全运行。

（2）节流损失大，长期在低效率状态下运行，增加能源消耗。

2.2 液力耦合器调速控制

液力耦合器又称液力联轴器，是一种用来将动力源（通常是发动机或电机）与工作机连接起来，靠液体动量矩的变化传递力矩的液力传动装置。采用液力耦合器调速，运行中发现存在如下问题：

（1）采用液力耦合器时，在低速向高速运行过程中，延迟性较明显，不能快速响应，同时这时候的电流较大，如整定不好会引起跳闸，影响系统稳定性。

（2）液力耦合器本身控制精度差，调速范围窄，通常在40%～90%之间。

（3）电机起动时，冲击电流较大，影响电网的稳定性。

（4）在高速运行时，液力耦合器有丢转现象。

（5）液力耦合在调速运行时产生机械损耗和转差损耗，效率较低，造成电能浪费。

（6）液力耦合器工作时通过一导管调整工作腔的充液量，从而改变传递扭矩和输出转速来满足工况要求；因此，对工作腔及供油系统需经常维护及检修。液力耦合器经过一段时间使用，维护比较麻烦。

（7）液力耦合器出现故障时，无法再用其他方式使其拖动的风机继续运行，必须停机检修。

（8）耦合器运行时间稍长，就会严重漏油，对环境污染大，地面也被油严重污蚀。

3 35万吨扩产改造工程概况

为响应国家节能降耗的号召，金隆铜业在2006年实施了1250kW阳极风机的变频改造计划。将原有的阳极风机改造成变频控制。为了整厂流水线的安全可靠运行，此次改造保留了风机的挡板控制（即变频器增设了手动旁路）。其改造图如图1所示。

图1 变频改造图

阳极风机的电机参数：

功率1250kW；额度转速1493rpm；额度电流：142A；额度电压：6kV。

4 变频调速节能的原理分析及现场实测数据

离心风机的运行工况点是风机本身特性曲线与管道特性曲线的交点，调节风机的工况点就要改变这两条曲线的特性。对于定型管道来说，节流调节就是改变管道的特性曲线，只是通过节流调节这一方式不适应本工程。对于一台固定叶片的离心风机，通过调节风叶转速来改变风机本身特性曲线的调节方式是有效的节能途径。

对于一台离心风机而言，其风量、风压、所需功率均随叶轮转速的变化而变化，且有如下关系：

n1/n2=Q1/Q2=(P1/P2)1/2=(N1/N2)1/3

从以上关系式可以得出很有实际意义的结论：

Q（风量）∝n（转速）；P（风压）∝n2（转速）；N（风机轴功率）∝n3（转速）。也就是说：当转速变化时，风量、风压、功率的变动速率是有很大差别的，且功率的变动速率最快。当转速降到70%时，风量也降到70%，风压降到49%，功率降到34.3%。由此可以看出，通过调节风叶转速可以做到使风量、风压适应负荷的变化，不需使用调节挡板改变管道阻力特性达到目的，从而避免了节流损失，达到节能的目的。

表1为2007年6月20日对阳极风机（1250kW电机）做了各频率段测得数据：

表1 各频率段测得数据

从变频器实际测得的数据来看，验证了变频器输出频率、功率的关系。在改变变频器输出频率可以满足系统风压风量要求的情况下，节能是非常可观的。

5 罗克韦尔自动化PowerFlex7000中压变频器的工作原理

5.1 罗克韦尔自动化PowerFlex7000中压变频器的构成

6 k V变频器主回路由1 8个可控硅（耐压6500V/350A的SCR）做成的18脉冲整流（如图2所示）；由18个SGCT（耐压6500V/800A的SGCT）做成的逆变元件和一个强壮的直流母线电抗器组成。

图2 18脉冲整流器

5.2 罗克韦尔自动化PowerFlex7000中压变频器以高可靠性著称

最好的功率器件×最少的器件数量=最高可靠性

PowerFlex7000的6kV级中压变频器只需18个SGCT组成逆变器，而整台变频器的功率器件只要36个。

5.3 罗克韦尔自动化PowerFlex7000中压变频器谐波低但不增加系统复杂性

当今市场上多数中压变频器都是通过功率单元串联和移相变压器来增强整流脉冲数以降低进线侧的谐波。此类变频器通常具有较多的功率器件数量，系统比较复杂，变压器与变频器间电缆数量多。相比之下，PowerFlex7000在不增加系统复杂程度和器件数量的情况下，满足IEEE519-1999谐波标准。

5.4 罗克韦尔自动化PowerFlex7000中压变频器输出波形好

PowerFlex7000中压变频器在调速范围内输出电压电流波形为完美正弦波，适用于普通电机，电机无需降容。

PowerFlex7000中压变频器对电机电缆长度没有要求，理论可以达到15kM。

5.5 罗克韦尔自动化PowerFlex7000中压变频器的技术特点

SGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗、双面冷却、无电弧无爆裂等特点。420～540Hz的更高开关频率，极低故障率（每十亿小时＜100次故障可能）。

· 内置直流母线电抗器（DC Link），保证了紧凑性和高效率。有效抑制故障电流，消除不必要的跳闸。无需熔断保护电路，不但降低了系统复杂程度，而且免除了输出侧短路造成器件损害的可能。

· 固有能量回馈能力，可将降速工况（发电机运行状态）下负载反馈回的能量回送电网，利用再生制动快速降低电机转速。

· 使用数字信号处理器（DSP）和现场可组态门排列控制器(FPGA)的全数字控制。

· 专利PowerCage整流逆变机架——维护方便。

6 罗克韦尔自动化PowerFlex7000中压变频器在阳极风机的运行情况

从变频器投入运行近10年的时间看 , 用户完全达到了变频预期目的 , 使用变频器后有以下优点 ：

6.1 操作简便，易于观察

变频器运行时的所有数据及运行状态在上位机显示屏都可显示，如运行频率，输入电压，输入电流，输出电压，输出电流，开闭环，压力值等。上位机显示屏操作简单明了，观察方便。

6.2 电机及风机机组运行平稳，温升正常

在机组的整个调速范围内，电机和风机都平稳运行，没有出现异常振动和噪音，电机及风机的温升也在正常范围之内，且变频器为软启动，启动电流小，对机组的机械冲击也大幅度减小。

6.3 变频器运行稳定，性能良好

罗克韦尔自动化PowerFlex7000中压变频器投入运行以来，运行稳定，转速调节平滑可靠，电压和电流正常，没有出现异常现象。

6.4 减轻了值班人员的劳动强度

随着工艺的要求, 值班人员在值班时通过微机远程监控系统进行操作，不再需要频繁地开闭挡板，工作量大大减小。

6.5 降低了维护费用

由于变频器对电机实现软启动，启动电流小，对风机机组没有任何机械冲击，相应地延长了风机、电机及挡板的使用寿命，大大降低了维护工作量和维护成本。

7 变频调速改造方案经济性评价

通常中压变频调速改造方案的经济性评价有两种主要方法：

一是“回收投资年限法”，回收投资年限是指设备采用中压变频调速的电网收益及其它经济效益补偿设备投资和安装费的最多年限，回收投资年限最短的方案为最优方案。节电收益可通过计量系统测得，其它经济效益可比照已改造的同类设备收益取定额计算，该方法的优点是直观明确，缺点是仅能反映初投资与收益的比例关系；不能反映方案长期运行的经济性。由于全部使用寿命期间运行所需要的运行费、维修费的折算现值不容易估算。

二是“将来费用折算现值”，是指购设备（中压变频器）费用，安装费用以及维持主设备和附加设备在全部使用寿命期间运行所需要的运行费、维修费的折算现值。总现值最低的方案为最优方案。该方法较全面、准确地反映了一种方案经济性的优劣，但需要详尽的前期调研，对于原始资料和全部使用寿命期间运行所需要的运行费准确性要求很高，否则会导致计算依据不准，从而影响经济评价的效果。

无论采用哪一种方法，对于离心式风机和泵类而言，变频调速的经济性都是显而易见的，其投资回收年限约在3～4年。变频器改造还会带来的其它经济效益：由于变频调速运行时挡板全开，不仅降低能耗，而且减少了管道振动，使差压波动减小，改善了风机运行的稳定性；对于风机工况经常变动需平滑启动可减少电动机和风机的磨损并降低故障率，减少维修费用；变频调速方式的控制调节特性好于挡板调节，易实现协调控制等。

8 结语

目前的中压变频器市场非常活跃，各国内外品牌竞争十分激烈。作为一种较新的技术，国内很多用户在选择时可能会无从下手。在此，笔者根据市场调研及实际使用后的情况，提出自己的一些体会。

（1）中压变频器的应用往往处在工艺中非常重要的位置，所以其可靠性应是作为选择设备的首要因素。中压变频器的核心元件为逆变器的功率元器件。目前有些形式的中压功率元器件，如SGCT的平均无故障时间（F.I.T）已经高达100,000h。同时，还应考虑元器件的故障模式，尽量选择具备不爆裂、无拉电弧模式的功率元件。

（2）所选择设备的结构应力求简单明了，多一个环节，就多一个潜在的故障点。不但设备的可靠性降低，而且维护复杂。

（3）设备内部不应含有电解电容这类需要定期更换的部分。尤其在变频器内部，大量谐波发热使得电解电容的寿命大大降低。

（4）设备操作界面应友好，有些设备机柜上只保留有一个简单的英文显示条框，这给现场的操作人员带来很多不必要的麻烦。考虑到现场操作人员的实际业务水平，应尽量考虑中文操作界面。

（5）考察供应商的实力，尤其是售后服务情况。在有些情况下，设备的故障排除还需要厂家完成，因此在设备订货前，应了解供应商的综合实力，如国内办事处的位置、数量、服务人员素质、是否具有国内备件库等。对于只是由国内代理机构提供的产品，应该多加注意和了解。

（6）多了解其他同类用户的使用情况。很多刚刚进入市场的厂家很难在产品质量，尤其是售后服务等方面做到令人满意。

（7）设备的采购成本与运行成本应综合考虑，不应片面强调降低设备的采购成本。中压变频器的技术含量较高，其中的差别也很大，应注意其技术指标的差异。如果设备投运后频繁故障，不但得不到预期的收益，反而会增加生产成本。

本次变频改造非常成功。设备投运至今十分稳定，基本无重大故障，也无需任何特殊日常维护工作。从现场近10年运行情况来看，罗克韦尔自动化的PowerFlex7000中压变频器性能优越，运行可靠。在应用变频调速技术，不仅提高了生产效率，而且降低了运行维护成本 。PowerFlex7000中压变频器在金隆铜业的成功运行，证明了其在风机调速应用中具有无可比拟的优越性。

Application of PowerFlex7000 Inverter on Fan of Anode Furnace

This paper introduces the application of PowerFlex7000, a medium voltage inverter,on fan of Anode Furnace in Jinlong Copper Industry. Since PowerFlex 7000 can control air volume precisely, it can greatly reduce the production energy consumption, the start-stop frequency of fan, the impact onduct and damper, the maintenance workload and the impact on power grid because of the large equipment start-stop frequency.

Medium voltage inverter; Frequency control; Energy conservation

陈刚（1972-） 男，安徽省铜陵市人，本科，现就职于安徽金隆铜业有限公司，从事电气设备管理和维护工作，拥有20多年的行业经验，致力于提高有色金属冶炼行业的电气自动化应用水平。