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負壓風機廠家高速旋轉機械的頻譜分析國產高壓變頻器在濟鋼第三煉
來源：佳工機電網 作者：濟南鋼鐵集團公司 李兆華 鐘愛光
【關鍵詞】空壓機組，干熄焦循環主風機
【論文摘要】介紹了氧氣廠2＃DA350空壓機組、干熄焦循環主風機、輔風機等振動故障的診斷及處理方法。總結了應用先進的設備故障診斷技術的重要性。
一、前言
我公司絕大多數關鍵設備為旋轉機械設備，如各類風機、空壓機、大型電機等。設備的日常維護和安裝調試過程中，經常遇到因劇烈振動而無法正常生產的情況，而振動的原因錯綜復雜，僅靠耳聽、手摸的原始方法，很難全面準確的分析判斷故障的原因。采用先進的設備狀態檢測和故障診斷技術，通過振動檢測掌握各類設備在一定時期的運行狀態，為從事設備維護、安裝、調試的工程技術人員提供一套完整的設備運行狀態資料，根據這些資料進行數據分析，可以準確的分析判斷故障原因，縮短檢修工期，合理的安排關鍵設備的預防維修計劃，從而避免因突發性設備故障而造成的經濟損失，確保產生的順利進行。
二、采用故障診斷技術處理設備故障的幾個實例
1．氧氣廠2＃DA350一61型空壓機組振動故障的處理
氧氣廠DA350～61型空壓機是制氧機的動力設備，機組進行是否正常，直接關系到第一煉鋼廠的生產，是總公司的關鍵設備。
1999年4月份，該機組借第一煉鋼廠停產機會，解體大修，組裝后試車時，機組振動超標，無法正常運行，嚴重影響檢修工期。如解體檢查至少需要3天的時間，況且對能否檢查到故障點也沒有十分把握。于是我們利用NG一8902多通道數據采集故障診斷工程，對該機組進行了全面的測試。
(1)空壓機組的測點布置如圖1所示。
(2) 機組的測試情況（取振動值最大的方向）見表1
表 1
由表1可見，1#、2#、3#、4#、5#、6#測點，振動情況良好。7#、8#測點振動速度超標，8#測點振值8.25mm/s，嚴重超標，7#、8#測點的軸向振動譜圖如圖2、圖3。
又測量了7#、8#測點的振動加速度，見表2(取振動值最大的方向)。
表2
7#、8#測點軸向振動加速度譜圖如圖4、圖5。
根據以上的振動測量及頻譜圖分析，空壓機組的振動故障分析如下：3#、4#、5#、6#測點振動速度良好，說明大小齒輪運行狀態正常，振源不在大小齒輪處。振速最大值發生在7#、8#測點處，故障頻率為146 Hz，其對應的轉速為146×60=8760r/min，振動頻率特征基本是工頻振動，說明振源在7#、8#測點處，其原因可能是風機轉子高速動平衡不良，因為雖然低速動平衡已校驗平衡良好，但高速下動平衡不一定滿足。7#、8#測點的振動加速明顯增大，故障能量集中的高頻區域2625 Hz，說明風機零部件可能被慣性力破壞，如轉子了出現裂紋、葉片腐蝕有掉塊等。于是我們打開風機大蓋，仔細檢查風機轉子、葉片、軸等部件。檢查情況與我們的診斷基本一致，故障點為風機轉子葉片根部有一約40mm長的裂紋，重新更換了風機轉子，投運后運行正常。
2．干熄焦循環風機振動故障的處理
總公司干熄焦工程是國家經貿委節能示范項目，1999年2月份，干熄焦工程試車過程中，發現1#、2#循環風機振動嚴重，無法正常運行，嚴重影響工程的進度。
風機的主要技術參數：介質溫度180-200℃，主風機風量195000m3/h，輔風機風量17000 m3/h，主風機風壓8250Pa，輔風機風壓6500 Pa，主風機電機P=800kW，n=1500r/min，輔風機電機P=630 kW，n=1500 r/min。
利用HG-8902多通道數據采集故障診斷工程，現場進行了振動測量，分析故障原因。1#循環風機初始振動頻譜圖見圖6。
由圖6可以看出，其振動頻率單一，在工頻處有一最大峰值為21.89 mm/s.屬于明顯的不平衡故障。于是利用現場動平衡軟件包，在現場進行轉子做動平衡校驗�，F場處理后的振動頻譜見圖7所示。
由圖7可以看出振動幅值明顯減少，投運后，至今運行正常。
2#輔風機振動頻譜圖見圖8
由圖8可見，二倍頻處有一軸向振動峰值為12.97 mm/s，分析振動原因，應是機組中心對不良.于是重新調整了機組中心，投運后，機組運行正常.
三、結束語
通過以上幾個機組的故障診斷及處理的實例，主要有以下幾點收獲：
1.科學應用設備故障診斷技術，采用先進的多通道數據采集診斷工程，可以準確分析振動原因，制定科學合理的故障處理方案，盡快消除設備故障，可為企業創造大量的經濟效益。
2.多通道數據采集故障診斷工程的轉子現場平衡軟件包，為我們提供了很大的方便，不但縮短了檢修工期，還確保了重點工程的工程質量，為企業贏得了時間，創造了效益。
3.目前，大部分企業主要設備還是采用計劃檢修，如果科學利用設備故障診斷技術，并根據診斷結果有針對性的制定檢修方案，提前做好備品、備件準備，檢修時有的方矢，可減少檢修時間，提高檢修質量
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1引言
隨著市場競爭的不斷加劇，節能降耗成為企業提高產品市場占有率、競爭力的有效手段之一。而高壓大功率變頻調速技術的日益成熟，使得該項技術廣泛應用于冶金、石油、化工、電力等各個行業。濟鋼集團公司第三煉鋼廠10臺除塵風機控制工程目前采用的是直接啟動和液力耦合器調速工程，調速和起動方法仍很落后，浪費了大量的能源且造成機械壽命的降低。在這種形勢下，濟鋼第三煉鋼廠決定對除塵工程進行高壓變頻技術改造，經多方考察研究，首先選用廣州智光公司生產的高壓變頻調速工程對1#精煉除塵風機進行調速節能改造。
21#精煉除塵風機設備概況
濟鋼三煉鋼廠1#精煉除塵風機電機為湘潭電機廠生產的1250kW高壓異步電機，機組的主要參數如下:
（1）精煉除塵電機參數
型號：YKK630-6;
功率：1250kW;
電壓：10kV;
電流：87.1A;
轉速：995r/min;
頻率：50Hz；
接法：Y;
防護等級：IP54;
冷卻方式：IC611;
絕緣等級：F；
廠家：湘潭電機廠。
（2）精煉除塵風機工藝參數
型號：Y5-2 48-14NO2LF；
形式：雙吸入離心式；
布置方式:進氣135°/出氣0°;
支撐方式:雙支撐；
處理量：3.7×105m3/h；
全壓：6100Pa（70℃）；
轉速：980r/min；
軸功率：934.7kW（20℃）；
廠家：南通金通風機有限公司。
3高壓變頻器節能效益分析和產品應用
3.1 應用高壓變頻器節能效益分析
根據風機、泵類平方轉矩負載關系式:P/P0=(n/n0)3計算,(式中為P0額定轉速n0時的功率；P為轉速n時的功率),1#精煉除塵風機P=1250kW,運行工況以24h連續運行計算，其中每天18h運行在90%負荷（頻率按46Hz計算），6h運行在50%負荷（頻率按25Hz計算）；全年運行時間按照300天計算,則高壓變頻調速時每年節電量為Wb:
高速運行時節電量：Wb1=1250×18×[1-(46/50)3]×300=1493375kW?h
低速運行時節電量：Wb2=1250×6×[1-(25/50)3] ×300=1968750 kW?h
所以高壓變頻器調速總的節電量為:Wb=Wb1+Wb2=1493375+1968750=3462125kW?h
若按0.5元/ kW?h進行計算，則1#精煉除塵風機采用高壓變頻調速后每年節約電費：3462125×0.95×0.5=164萬元。
3.2 目前高壓變頻器產品應用分析
近年來，各種高壓變頻器不斷出現，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統一的拓撲結構。根據高壓組成方式可分為直接高壓型和高―低―高型，根據有無中間直流環節來分，可以分為交―交變頻器和交―直―交變頻器，在交―直―交變頻器中，按中間直流濾波環節的不同，可分電壓源型和電流源型。下面將對目前使用較為廣泛的幾種高壓變頻器進行分析，指出各自的優缺點。
電流源型變頻器技術成熟，且可四象限運行，但由于高壓時器件串聯的均壓問題，輸入諧波對電網的影響和輸出諧波對電機的影響等問題，使其應用受到限制。而且變頻器的性能與電機的參數有關，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電機的絕緣有影響。AB公司Power Flex 7000系列采用耐壓值為6.5kV的SGCT功率管，最高電壓也僅做到6.6kV。
電壓源型變頻器由于輸出側的dv/dt比較嚴重，需要采用輸出濾波器。由于受到器件耐壓水平的限制，最高電壓只能做到4160V。
單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器具有對電網諧波污染小、輸入功率因數高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動機。單元串聯多電平變頻器的輸出電壓可以達到10kV，甚至更高。
比較以上三種類型高壓變頻器，由于單元串聯式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網的諧波污染小，輸出適用普通電動機，近幾年來發展迅速，在我國得到廣泛應用，尤其在風機水泵等節能領域，幾乎形成壟斷的態勢。在濟鋼第三煉鋼廠1#精煉除塵高壓電機為電壓等級為10kV的普通籠型異步電動機，單元串聯多電平電壓源型變頻器是最合適的選擇。
單元串聯多電平電壓源型變頻器由西門子羅賓康公司發明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器。由于羅賓康公司的專利申請僅在美國，在我國該技術屬于公知技術，北京利德華福生產的高壓變頻器也是采用這種結構。除了上述兩家外，國內外有山東新風光、上海艾帕、合康億盛、湖北三環、廣州智光等許多廠家生產該類型變頻器。濟鋼經多方考察、比較、招標，選用了廣州智光公司生產的高壓變頻調速工程。
4廣州智光ZINVERT高壓變頻調速工程的特點
廣州智光ZINVERT系列高壓變頻調速工程是集當代最先進高壓大功率電力電子控制技術、微電子技術、光電通訊技術、計算機技術、自動化控制技術和高電壓技術等為一體的高新技術產品，為直接高壓輸出型高壓變頻器，其采用功率單元串聯技術，解決了器件耐壓的問題，級間SPWM信號移相疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低了輸出電壓的dv/dt;通過電流多重化技術降低了輸入側諧波，減小了對電網的諧波污染；主控制器采用雙數字信號處理器（DSP）、超大規模集成電路可編程器件（CPLD和FPGA）為核心，配合數據采集、單元控制和光纖通信回路以及內置的可編程邏輯控制器（PLC）構成工程控制部分。
4.1 智光ZINVERT高壓變頻工程組成與原理
ZINVERT系列高壓變頻調速工程整體結構上由整流變壓器、功率逆變柜及控制柜組成，實際使用時還可以按照用戶要求配套手動或自動工頻旁路切換柜。
4.1.1 整流變壓器
整流變壓器副邊繞組相互隔離，并采用移相延邊三角形接法，保證工程工作再在20%負載以上時電網側的功率因數保持在0.96以上。輸入變壓器實行多重化設計，達到降低諧波電流的目的。輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。以6kV變頻器為例，變壓器的15個二次繞組，采用延邊三角形聯結，分為5個不同的相位組�；ゲ�12°，形成30脈波二極管整流電路結構，所以理論上29次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波�？偟闹C波電流失真可低于1％。
4.1.2 功率單元電氣原理
功率單元主要由三相全橋整流器、濾波電容器組、IGBT逆變橋（H橋）構成，同時還包括功率器件驅動、保護、信號采集、光纖通信等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形。其電氣原理如圖1所示。
4.1.3 功率單元的串聯
ZINVERT系列高壓變頻調速工程是由多個功率單元經過移相串聯而成。電壓疊加原理類同于“電池組疊加”技術，以圖2所示的6kV每相六單元串聯為例，每個單元輸出交流電壓有效值為577V，相電壓即達到3450V，線電壓則為6kV，輸出相電壓諧波量很小，接近于標準正弦波。
圖26kV工程疊加原理圖
4.2 智光ZINVERT高壓變頻控制工程
ZINVERT系列高壓變頻調速工程的控制采用開環、壓頻比控制，結構簡單、工作可靠，主控制部分以雙數字信號處理器（DSP）為控制核心，輔以超大規模集成電路可編程邏輯器件（CPLD和FPGA）、模擬輸入和模擬輸出（AI/O）單元、數字量輸出接口（DI/O）。人機界面由大屏幕漢化液晶顯示器（LCD）、數碼管顯示（LED）和觸摸按鍵組成。單元的控制部分以可編程器件（CPLD）為核心，配置專用的IGBT驅動和保護模塊與輸入電壓、輸出電流、直流電壓、器件溫度檢測回路。主控制部分和單元控制部分的控制信號通過光纖進行信號傳輸，有效地避免了電磁干擾，保證了工程控制信號傳輸的可靠性。
4.2.1 控制策略
ZINVERT系列高壓變頻調速工程采用輸出壓頻比控制方式，根據異步電動機的穩態數學模型，只要保證電動機反電動勢和定子頻率比值恒定，就可以使電機運行在額定磁通的情況下，達到效率最優點。同時，在忽略定子電阻和漏感的情況下，電機的反電動勢等于定子端電壓。由于反電動勢難以直接控制，所以在近似的情況下，采取保證電機端電壓和定子頻率比值恒定的策略。ZINVERT系列高壓變頻調速工程在恒壓頻比控制的基礎上，提供兩種類型V/F曲線，兩種基本的V/F曲線如圖3所示。由用戶根據現場情況設置功能參數，選擇合適的V/F曲線，以補償定子電壓，并根據負載類型選擇效率更優的曲線。工程專門設計的單元直流母線檢測回路，能夠實時提供各個單元的直流母線電壓值，及時修正調制系數，進一步提高工程的控制性能。對于風機類負載，這種控制方式提供了足夠高的精度，若采用PID控制頻率，則完全滿足工藝現場對流量、壓力的要求。
圖3三種基本的V/F曲線
4.2.2 掉電再啟動
用戶的高
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