负压风机厂家高速旋转机械的频谱分析国产高压变频器在济钢第三炼

来源：佳工机电网　作者：济南钢铁集团公司 李兆华 钟爱光

【关键词】空压机组，干熄焦循环主风机
【论文摘要】介绍了氧气厂2＃DA350空压机组、干熄焦循环主风机、辅风机等振动故障的诊断及处理方法。总结了应用先进的设备故障诊断技术的重要性。

一、前言

我公司绝大多数关键设备为旋转机械设备，如各类风机、空压机、大型电机等。设备的日常维护和安装调试过程中，经常遇到因剧烈振动而无法正常生产的情况，而振动的原因错综复杂，仅靠耳听、手摸的原始方法，很难全面准确的分析判断故障的原因。采用先进的设备状态检测和故障诊断技术，通过振动检测掌握各类设备在一定时期的运行状态，为从事设备维护、安装、调试的工程技术人员提供一套完整的设备运行状态资料，根据这些资料进行数据分析，可以准确的分析判断故障原因，缩短检修工期，合理的安排关键设备的预防维修计划，从而避免因突发性设备故障而造成的经济损失，确保产生的顺利进行。

二、采用故障诊断技术处理设备故障的几个实例

1．氧气厂2＃DA350一61型空压机组振动故障的处理

氧气厂DA350～61型空压机是制氧机的动力设备，机组进行是否正常，直接关系到第一炼钢厂的生产，是总公司的关键设备。

1999年4月份，该机组借第一炼钢厂停产机会，解体大修，组装后试车时，机组振动超标，无法正常运行，严重影响检修工期。如解体检查至少需要3天的时间，况且对能否检查到故障点也没有十分把握。于是我们利用NG一8902多通道数据采集故障诊断工程，对该机组进行了全面的测试。

(1)空压机组的测点布置如图1所示。

(2) 机组的测试情况（取振动值最大的方向）见表1

表 1

由表1可见，1#、2#、3#、4#、5#、6#测点，振动情况良好。7#、8#测点振动速度超标，8#测点振值8.25mm/s，严重超标，7#、8#测点的轴向振动谱图如图2、图3。

又测量了7#、8#测点的振动加速度，见表2(取振动值最大的方向)。

表2

7#、8#测点轴向振动加速度谱图如图4、图5。

根据以上的振动测量及频谱图分析，空压机组的振动故障分析如下：3#、4#、5#、6#测点振动速度良好，说明大小齿轮运行状态正常，振源不在大小齿轮处。振速最大值发生在7#、8#测点处，故障频率为146 Hz，其对应的转速为146×60=8760r/min，振动频率特征基本是工频振动，说明振源在7#、8#测点处，其原因可能是风机转子高速动平衡不良，因为虽然低速动平衡已校验平衡良好，但高速下动平衡不一定满足。7#、8#测点的振动加速明显增大，故障能量集中的高频区域2625 Hz，说明风机零部件可能被惯性力破坏，如转子了出现裂纹、叶片腐蚀有掉块等。于是我们打开风机大盖，仔细检查风机转子、叶片、轴等部件。检查情况与我们的诊断基本一致，故障点为风机转子叶片根部有一约40mm长的裂纹，重新更换了风机转子，投运后运行正常。



2．干熄焦循环风机振动故障的处理

总公司干熄焦工程是国家经贸委节能示范项目，1999年2月份，干熄焦工程试车过程中，发现1#、2#循环风机振动严重，无法正常运行，严重影响工程的进度。

风机的主要技术参数：介质温度180-200℃，主风机风量195000m3/h，辅风机风量17000 m3/h，主风机风压8250Pa，辅风机风压6500 Pa，主风机电机P=800kW，n=1500r/min，辅风机电机P=630 kW，n=1500 r/min。

利用HG-8902多通道数据采集故障诊断工程，现场进行了振动测量，分析故障原因。1#循环风机初始振动频谱图见图6。

由图6可以看出，其振动频率单一，在工频处有一最大峰值为21.89 mm/s.属于明显的不平衡故障。于是利用现场动平衡软件包，在现场进行转子做动平衡校验。现场处理后的振动频谱见图7所示。

由图7可以看出振动幅值明显减少，投运后，至今运行正常。

2#辅风机振动频谱图见图8

由图8可见，二倍频处有一轴向振动峰值为12.97 mm/s，分析振动原因，应是机组中心对不良.于是重新调整了机组中心，投运后，机组运行正常.

三、结束语

通过以上几个机组的故障诊断及处理的实例，主要有以下几点收获：

1.科学应用设备故障诊断技术，采用先进的多通道数据采集诊断工程，可以准确分析振动原因，制定科学合理的故障处理方案，尽快消除设备故障，可为企业创造大量的经济效益。

2.多通道数据采集故障诊断工程的转子现场平衡软件包，为我们提供了很大的方便，不但缩短了检修工期，还确保了重点工程的工程质量，为企业赢得了时间，创造了效益。

3.目前，大部分企业主要设备还是采用计划检修，如果科学利用设备故障诊断技术，并根据诊断结果有针对性的制定检修方案，提前做好备品、备件准备，检修时有的方矢，可减少检修时间，提高检修质量

生命：
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1引言
随着市场竞争的不断加剧，节能降耗成为企业提高产品市场占有率、竞争力的有效手段之一。而高压大功率变频调速技术的日益成熟，使得该项技术广泛应用于冶金、石油、化工、电力等各个行业。济钢集团公司第三炼钢厂10台除尘风机控制工程目前采用的是直接启动和液力耦合器调速工程，调速和起动方法仍很落后，浪费了大量的能源且造成机械寿命的降低。在这种形势下，济钢第三炼钢厂决定对除尘工程进行高压变频技术改造，经多方考察研究，首先选用广州智光公司生产的高压变频调速工程对1#精炼除尘风机进行调速节能改造。

21#精炼除尘风机设备概况
济钢三炼钢厂1#精炼除尘风机电机为湘潭电机厂生产的1250kW高压异步电机，机组的主要参数如下:
（1）精炼除尘电机参数
型号：YKK630-6;
功率：1250kW;
电压：10kV;
电流：87.1A;
转速：995r/min;
频率：50Hz；
接法：Y;
防护等级：IP54;
冷却方式：IC611;
绝缘等级：F；
厂家：湘潭电机厂。
（2）精炼除尘风机工艺参数
型号：Y5-2 48-14NO2LF；
形式：双吸入离心式；
布置方式:进气135°/出气0°;
支撑方式:双支撑；
处理量：3.7×105m3/h；
全压：6100Pa（70℃）；
转速：980r/min；
轴功率：934.7kW（20℃）；
厂家：南通金通风机有限公司。

3高压变频器节能效益分析和产品应用
3.1 应用高压变频器节能效益分析
根据风机、泵类平方转矩负载关系式:P/P0=(n/n0)3计算,(式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率),1#精炼除尘风机P=1250kW,运行工况以24h连续运行计算，其中每天18h运行在90%负荷（频率按46Hz计算），6h运行在50%负荷（频率按25Hz计算）；全年运行时间按照300天计算,则高压变频调速时每年节电量为Wb:
高速运行时节电量：Wb1=1250×18×[1-(46/50)3]×300=1493375kW?h
低速运行时节电量：Wb2=1250×6×[1-(25/50)3] ×300=1968750 kW?h
所以高压变频器调速总的节电量为:Wb=Wb1+Wb2=1493375+1968750=3462125kW?h
若按0.5元/ kW?h进行计算，则1#精炼除尘风机采用高压变频调速后每年节约电费：3462125×0.95×0.5=164万元。
3.2 目前高压变频器产品应用分析
近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高―低―高型，根据有无中间直流环节来分，可以分为交―交变频器和交―直―交变频器，在交―直―交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分电压源型和电流源型。下面将对目前使用较为广泛的几种高压变频器进行分析，指出各自的优缺点。
电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。而且变频器的性能与电机的参数有关，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响。AB公司Power Flex 7000系列采用耐压值为6.5kV的SGCT功率管，最高电压也仅做到6.6kV。
电压源型变频器由于输出侧的dv/dt比较严重，需要采用输出滤波器。由于受到器件耐压水平的限制，最高电压只能做到4160V。
单元串联多电平PWM电压源型变频器具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电动机。单元串联多电平变频器的输出电压可以达到10kV，甚至更高。
比较以上三种类型高压变频器，由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年来发展迅速，在我国得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能领域，几乎形成垄断的态势。在济钢第三炼钢厂1#精炼除尘高压电机为电压等级为10kV的普通笼型异步电动机，单元串联多电平电压源型变频器是最合适的选择。
单元串联多电平电压源型变频器由西门子罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美无谐波变频器。由于罗宾康公司的专利申请仅在美国，在我国该技术属于公知技术，北京利德华福生产的高压变频器也是采用这种结构。除了上述两家外，国内外有山东新风光、上海艾帕、合康亿盛、湖北三环、广州智光等许多厂家生产该类型变频器。济钢经多方考察、比较、招标，选用了广州智光公司生产的高压变频调速工程。

4广州智光ZINVERT高压变频调速工程的特点
广州智光ZINVERT系列高压变频调速工程是集当代最先进高压大功率电力电子控制技术、微电子技术、光电通讯技术、计算机技术、自动化控制技术和高电压技术等为一体的高新技术产品，为直接高压输出型高压变频器，其采用功率单元串联技术，解决了器件耐压的问题，级间SPWM信号移相叠加，提高了输出电压谐波性能、降低了输出电压的dv/dt;通过电流多重化技术降低了输入侧谐波，减小了对电网的谐波污染；主控制器采用双数字信号处理器（DSP）、超大规模集成电路可编程器件（CPLD和FPGA）为核心，配合数据采集、单元控制和光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器（PLC）构成工程控制部分。
4.1 智光ZINVERT高压变频工程组成与原理
ZINVERT系列高压变频调速工程整体结构上由整流变压器、功率逆变柜及控制柜组成，实际使用时还可以按照用户要求配套手动或自动工频旁路切换柜。
4.1.1 整流变压器
整流变压器副边绕组相互隔离，并采用移相延边三角形接法，保证工程工作再在20%负载以上时电网侧的功率因数保持在0.96以上。输入变压器实行多重化设计，达到降低谐波电流的目的。输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。以6kV变频器为例，变压器的15个二次绕组，采用延边三角形联结，分为5个不同的相位组。互差12°，形成30脉波二极管整流电路结构，所以理论上29次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波。总的谐波电流失真可低于1％。
4.1.2 功率单元电气原理
功率单元主要由三相全桥整流器、滤波电容器组、IGBT逆变桥（H桥）构成，同时还包括功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通信等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。其电气原理如图1所示。



4.1.3 功率单元的串联
ZINVERT系列高压变频调速工程是由多个功率单元经过移相串联而成。电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术，以图2所示的6kV每相六单元串联为例，每个单元输出交流电压有效值为577V，相电压即达到3450V，线电压则为6kV，输出相电压谐波量很小，接近于标准正弦波。


图26kV工程叠加原理图
4.2 智光ZINVERT高压变频控制工程
ZINVERT系列高压变频调速工程的控制采用开环、压频比控制，结构简单、工作可靠，主控制部分以双数字信号处理器（DSP）为控制核心，辅以超大规模集成电路可编程逻辑器件（CPLD和FPGA）、模拟输入和模拟输出（AI/O）单元、数字量输出接口（DI/O）。人机界面由大屏幕汉化液晶显示器（LCD）、数码管显示（LED）和触摸按键组成。单元的控制部分以可编程器件（CPLD）为核心，配置专用的IGBT驱动和保护模块与输入电压、输出电流、直流电压、器件温度检测回路。主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行信号传输，有效地避免了电磁干扰，保证了工程控制信号传输的可靠性。
4.2.1 控制策略
ZINVERT系列高压变频调速工程采用输出压频比控制方式，根据异步电动机的稳态数学模型，只要保证电动机反电动势和定子频率比值恒定，就可以使电机运行在额定磁通的情况下，达到效率最优点。同时，在忽略定子电阻和漏感的情况下，电机的反电动势等于定子端电压。由于反电动势难以直接控制，所以在近似的情况下，采取保证电机端电压和定子频率比值恒定的策略。ZINVERT系列高压变频调速工程在恒压频比控制的基础上，提供两种类型V/F曲线，两种基本的V/F曲线如图3所示。由用户根据现场情况设置功能参数，选择合适的V/F曲线，以补偿定子电压，并根据负载类型选择效率更优的曲线。工程专门设计的单元直流母线检测回路，能够实时提供各个单元的直流母线电压值，及时修正调制系数，进一步提高工程的控制性能。对于风机类负载，这种控制方式提供了足够高的精度，若采用PID控制频率，则完全满足工艺现场对流量、压力的要求。


图3三种基本的V/F曲线
4.2.2 掉电再启动
用户的高

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