１ＯＯ 内蒙古石油化工 ２０１４年第１６期 变频器调速技术在煤化工项目的应用 李海宽 （中海石油天野化工有限责任公司，内蒙古呼和浩特０１００１０） 摘要：变频器调速与控制技术在煤化工控领域得到广泛应用，改变了煤化工项目传统的工频控制 方式，实现了根据负荷在线，达到了化工装置的在线集中控制、节能高效的目的。 关键词：煤化工；变频调速；节能可靠；在线控制；降低劳动强度 中图分类号：ＴＮ７７３ ｉＴＱ５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－－７９８１（２Ｏ１４）ｌ６一Ｏ１Ｏ０—０４ 送机为柔粘性力学系统，具有明显的运动力学特征， 在起动加速、停车减速及张力变化过程中均呈现出 复杂的运动学特征，主要表现为横向振动、纵向振动 我设计的系统是煤化工项目的长距离胶带输 送机变频调速驱动系统，该变频装置及系统可应用 于输送机类恒转矩负载的调速驱动过程．在轻载及 重载工况下，均能有效控制胶带输送机柔性负载的 以及动态张力波在胶带中的传播和叠加，造成输送 系统的不稳定，具体表现为胶带断裂、机械损害、局 部谐振跳带、叠带、撒料等。为了抑制张力波及其有 软起动／软停车动态过程，实现各驱动之间的功率平 衡，并提供可调验带速度．由此降低直接起动／快速 停车过程对机械和电气系统的冲击，避免撒料与叠 带，有效抑制胶带输送机动态张力波可能对胶带和 害传播，保证输送机安全稳定运行，必须对胶带输送 机动态过程进行分析和控制，这不仅可以使得胶带 机械设备造成的危害，延长输送机使用寿命。 １ 长胶带机驱动控制系统优化设计 １．１输送机及其张力特性 机在优化的工况下安全运行，保障生产，有效延长胶 带机使用寿命，而且可以通过控制工作张力和起制 动加速度，优化选型胶带安全系数，节省设备投资。 图１为胶带输送机简单工艺图，主要包括以下 因此驱动设备直接影响到输送机的整机性能，属于 组成部分：胶带、驱动滚筒和减速机、托辊机架、张紧 胶带输送机的关键设备。此前在带式输送机工程设 计中，一般使用调速型液力偶合器等机械和液压方 装置、驱动电动机和驱动装置、制动装置、控制及保 护装置等，对于一般的物料输送系统，还应包括给料 机、收尘器、溜槽、料库等。 式的驱动设备，具有效率低、维护复杂、工作环境差、 不能调速运行、非线性、起动电流大等缺点，而且由 于大的起动加速度，导致胶带持续波动，张力特性较 差，无法对长距离输送的动态优化和安全起动提供 豳圆圈圈一 有效的保证，传统张力运行示意图见图２，显示张力 动态特性很差。为了改善胶带张力和动态性能，应 该利用优化的“Ｓ”型曲线数学模型，并通过速度闭 环来实现。 １．２优化的速度及加速度驱动模型 忽略胶带在滚筒上的打滑、胶带弹性变形及振 荡因素，可以认为胶带线速度和主电动机转速ｎ存 图１胶带输送机简单工艺图 一在固定的比例关系：，因此下面的模型中仅以胶带线 速度为代表。下面各式中，Ｖｍ（ｍ／ｓ）为额定带速，Ｔ 般理论认为，输送带由弹性单元组成，胶带输 收稿日期；２０１４一Ｏ５一ｌ７ ２０１４年第１６期 李海宽 变频器调速技术在煤化工项目的应用 １０１ （ｓ）为起动周期，ａ（ｍ／ｓ。）为加速度。 “ 根据张力波的产生和传播机理，起动时动张力 在胶带中的分布并不均匀，张力波的传播和叠加将 引起长距离输送机的剧烈振荡，因此有关专家提出 在起动前设置一个低速预张紧过程，使长胶带内部 的张力分布基本均匀后再按“Ｓ”曲线加速起动，要 求驱动器具有很高的低速性能。 该优化“Ｓ”曲线模型如下： ２变频调速系统的设计与实现 ２．１驱动方案配置 本项目的概况： 胶带总长度：１１００ｍ 皮带速度：３．１５ｍ／ｓ 皮带宽度：１．４ｍ 设计运量：１５００ｔ／ｈ 驱动方式：３台电机驱动 机头一机尾落差：３０６ｍ 针对本项目的实际，在综合考虑项目现场实际 运行特点和产品技术的先进性、可靠性以及高性能 价格比，采用西门子罗宾康完美无谐波系列高压变 频装置对用户的带式输送机进行驱动和控制的方 案。 驱动系统目前采用３台西门子罗宾康完美无谐 波系列６０００Ｖ中压变频器驱动３台电机的方案，并 采用ＰＬＣ对变频器进行控制，系统示意图见图２。该 系统是应用于长距离输送机恒转矩负载的高性能调 速驱动方案，在轻载及重载工况下，均能有效控制胶 带输送机柔性负载的软起动／软停车动态过程。对于 三驱方案，由于三台电机完全相同，且由三台完全相 同的变频器驱动，故只要三台电机和变频器的电气 和机械均差在允许范围之内，在采用ＰＬＣ同步控制 策略的情况下，则三台电机的转矩和转速将会完全 一致，从而轻松实现三台电机之间的功率平衡和速 度同步，并提供可调验带速度，由此降低快速起动／ 快速停车过程对机械和电气系统的冲击，避免撒料 与叠带，有效抑制胶带输送机动态张力波可能对胶 带和机设备造成的危害，延长输送机使用寿命，增加 输送系统的安全性和可靠性。 ３×９００ＫＷ三台变频器驱动三台电机系统示意圉 西门子罗宾康完美无谐波系列高压变频器采用 先进的矢量控制技术构成高性能交流调速装置，经 实践证明可长期可靠地应用于长距离带式输送机等 恒转矩负载，具有起动转矩大，过载能力强等特点。 西门子罗宾康完美无谐波系列高压变频器采用 一体化设计，集成隔离变压器和变频器两部分，隔离 变压器采用可靠性极高、绝缘等级为Ｈ级、免维护设 计的干式变压器。 ２．１变频器故障检测 变频器具有单元过电压、过电流、欠电压、缺相、 过热、变频器过载、电机过载、输出接地、输出短路保 护以及对隔离变压器各种保护等功能。正常情况下， 当上述故障发生时，变频器会自动根据故障级别给 出报警或者保护停机，为了增强系统的可靠性，系统 又将这些故障信号引入ＰＬＣ系统，经其判断综合 后，使系统发出信息或保护停机。 ２．２电机的速度给定控制 给定控制根据用户要求，可以采用两种方式：① 变频器分级给定；②ＰＬＣ无级调速给定，一般采用 ＰＬＣ无极调速给定。 ２．３纽建上位机系统，增强系统的自动化程度，降 低劳动量 系统配置的工业计算机系统能完成如下功能： ①监视变频装置运行状态；②电机速度显示；③电 １Ｏ２ 内蒙古石油化工 ２０１４年第１６期 机电流监视；④显示皮带运输机运输全过程Ｉ⑤运 输统计、管理；⑥故障现实列表和故障历史查询； ⑦故障报表输出；⑧建立故障排除系统，使用户在 电脑系统的指引下逐步排除故障。 ２．４网侧谐波 为减少变频器的谐波，本变频器采用３６脉动， 从而大大降低电网谐波含量。 ３ 系统技术方案要点和系统特点 ３．１技术方案中的要点 ３．１．１变频器容量的配置 容量选择。系统目前要求的电机功率为 ３ｘ７１０ＫＷ，相应地选用３台罗宾康完美无谐波系列 高压变频器来驱动这些电机，功率为３ｘ９００ＫＷ，而 变频器相应的功率单元的电流值１４０Ａ。而要求的电 机额定电流为８５Ａ，一般皮带机启动时电机的电流 分别不会超过１２０Ａ，故完全满足皮带机机启动时的 过载要求，变频器型号为ｐＨ一６—６—９００，输出电压 范围为Ｏ～６０００Ｖ。 ３．１．２被控电机的制动方式 被控电机的制动系统推荐采用机械或其他方式 制动，变频器本身未作特殊的考虑。 ３．１．３速度控制 本项目根据实际需要，采用ＰＬＣ无级调速给 定。即根据实际生产需要来确定皮带机的实际运行 速度，并通过ＰＬＣ中的预置曲线或手动给定（如上 位机等）来调整系统速度给定信号。 ３．２ 系统的主要特点 ３．２．１完美无谐波高压变频器的主要特点 ①全球高压变频知名品牌，可靠性极高，超过十 五年的安全运行经验，适合于磨机应用ｆ②性能优 异，输入和输出谐波极少（３６脉冲整流、１３电平逆 变）。 ３．２．２变频器基本性能 变频器为高～高结构，６ｋＶ输入，６ＫＶ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１３电平，线电压至少 为２５电平。 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 套系统在出厂前进行整体测试。 ３６脉冲整流输入符合并优于ＩＥＣ５１９～１９９２及 ＧＢ／Ｔ１４５１９～９３标准对电压失真和电流失真最严 格的要求。 在２Ｏ～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）。选用罗 宾康变频器单元旁路技术和中心点漂移技术，当某 个功率单元故障时，变频器可以继续满载不间断运 行。同时标准配备旁路刀闸柜，可以实现变频一工频 转换，从而最大限度保证电机不停机。 无需滤波器变频器就可输出正弦电流和电压波 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。 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 。变频器有共振点频率跳跃功能。 变频装置对输出电缆长度元任何要求，电机不 会受到共模电压和ｄｖ／ｄｔ的影响。 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６ＫＶ高压情况下用低压电进行空载 调试。 控制采用矢量控制，起动转矩可达主扇风机额 定转矩的１５０ 。 变频器对电网电压波动有极强的适应能力，电 压下降４５ 仍可降额运行 变频器效率为９８．５ 。 控制系统采用全数字微机控制，有自诊断功能。 电机参数自动检测、控制系统参数自动优化。 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。 控制系统具有在线检测变频器输入电压、电流、 输入有功功率、无功功率、输入功率因素、累计用电 量、输出电压、电流、功率、频率、电机转速等。 调速范围：Ｏ一１００ 连续可调。 加／减速时间０．１—３６００秒（根据负载情况可 设定）。 输出频率０—１２０ＨＺ（根据电机情况可设定）。 变频器抗地震能力为８级，振动０．５Ｇ。 临界速度可跳过（共３组，可任意设定）。 用户可调的数字表，可显示速度，电流，电压，功 率，用电度数等。 ２０１４年第１６期 李海宽 变频器调速技术在煤化工项目的应用 １０３ 保护等级ＩＰ３１，整个变频系统采用空冷。 高压柜门保护连锁 带工业以太网和ＭｏＤＢＵＳ４８５／ＰＲＯＦｌＢＵＳ通 讯接口。 ３．３ 变频器控制接口 ２路４￣２０ｍＡ或０～１０Ｖ模拟量输入。 ４路４￣２０ｍＡ模拟量输出或Ｏ￣ＩＯＶ用以输出 电机电压，电流和频率等指示信号（可程序修改）。 ７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，容量２４ＶＤＣ／１Ａ。 ７点开关量无源输出；变频器就绪，运行，故障 等，容量２２０ＶＡｃ／１Ａ。 １点开关量无源输出：容量２２ＯＶＤＣ／５Ａ。 变频器带有ＭＯＤＢＵＳ４８５／ＰＲＯＦＩＢＵＳ通讯接 口和以太网接口，可以将功率因素、输出频率、输出 电压等参数通过通讯接口传送至ＰＬＣ或ＤＣＳ。 ３．４ 结构 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１Ｏ分 钟。逆变器侧采用高开关频率的ＩＧＢＴ器件，保证良 好的输出波形。输入侧的隔离变压器能保护电机不 受共模电压的影响。整个变频系统采用空冷。变频 系统正面开门，可靠墙布置。 ３．５保护 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。 变频装置有隔离变压器的各种保护。 ３．６变频调速系统的主要应用特点 完美无谐波系列高压变频器采用先进的矢量控 制技术，能与负载构成高性能的交流调速系统，广泛 地应用于恒转矩负载及平方转矩负载等各类负载。 矢量控制技术的采用，使得系统具有极高的动态响 应速度和响应精度，在低速下具有较大的转矩和转 矩过载能力，满足恒转矩负载驱动的要求。 变频器由多个功率单元串联而成，各个功率单 元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电。电 网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率 单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交 ＰＷＭ电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压 直接输出，供给高压电动机。由于输出电压为６ｋＶ， 故每相由６个额定电压为６３０Ｖ的功率单元串联而 成，输出相电压达３７８０Ｖ，线电压达６ｋＶ，每个功率 单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元 之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采 用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐 波电流的目的。对于６ＫＶ／６ｋＶ电压等级变频而言， 就是３６脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正 弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综 合因数可达到０．９５以上。下图为该变频器的输入电 压、电流。 逆变器输出采用多电平移相式ＰＷＭ技术， ６ｋＶ相电压输出１３电平，线电压输出２５电平。输出 线电压非常接近正弦波，ｄｖ／ｄｔ很小 电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引 起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这 种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异 步电机，不需要输出滤波器，对输出电缆长度无特殊 要求。 与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于 不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出， 而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压 为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器 件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问 题。功率单元中采用的低压ＩＧＢＴ功率模块，驱动电 路简单，技术成熟可靠。 功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所 有功率单元可以互换，维修也非常方便。 ４ 总结 随着国家能源战略转变，煤化工在国家能源供 给的比重越来越大。煤化工项目对工控技术的要求 也越来越来高，要求集中控制、可靠性高、无谐波污 染。中海石油天野化工原料路线改造项目将变频器 控制技术应用到各个工段，实现了项目的自动化控 制，提高了效率，降低了运行人员的劳动强度。请各 仁批评指正。 ［参考文献］ Ｅｌｉ 黄万永，张克让．电力系统继电保护［Ｍ］．北 京：中国电力出版社． Ｅ２３康宏青．现代煤化工新技术ｒＭ］．北京：化学 工业出版社．
