共直流母线节电技术在离心机上的应用

胡庆保

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

铜冶炼行业中，污酸处理大多采用硫化—石膏—中和铁盐法，在石膏工序会产生大量的石膏，该部分石膏属于一般固废，后续处理和使用的方便性和经济性就显得尤为重要。因此，通过使用先进的污泥脱水设备以降低石膏含水率，减少后续利用难度，可以为石膏处置寻找更好的出路。

主要使用脱水离心机来分离石膏和水。离心机在工作中，首先将回转机构加速，然后往回转腔体内加入石膏与水的混合液体，经过快速旋转后，水透过滤网排出，石膏粉留在回转腔内，待水分离充分后，离心机减速直至停止，刮取机构刮完回转腔内石膏粉后，完成一次循环。离心机就这样频繁的加速、减速进行工作，加速时变频器消耗能量，驱动着电机对负载进行加速，减速时负载机构存在巨大的转动惯量，会带着电机转动，电机处于第四象限运行，处于发电状态，电能回升至变频器后，被制动单元和制动电阻消耗，造成了能源的浪费，违背了节能减排的政策［1］。如果能够将减速过程中，被制动电阻消耗的能量回馈到电网进行再次利用，既可以节约能源，又能产生一定的经济效益，可谓一举两得。

2 离心机数据分析

2.1 现场数据

经过现场调查，某生产车间的离心机设备型号规格主要分为两类，其大致工况如下：

规格1：电机37kW，变频器采用ABB公司ACS800 系列ACS800-01-0060-3；最大工作频率约45Hz，减速时间3 分钟，制动过程中，输出转矩持续在50%左右。10 分钟为一个周期。

规格2：电机132kW，采用AB 品牌变频器，制动电流约120A。输出转矩持续在50%左右，减速时间3 分钟，最大频率约45Hz，10min 为一个周期。

2.2 数据分析

根据电机转矩与功率、转速的关系：T=9550*P/N。T 为输出转矩；P 为功率；N 为转速。减速过程中，恒扭矩，T 不变，则P 和N 是正比关系。

通过计算，规格1 系统减速过程中，电机的能量回馈为：

每小时电机回馈到变频器的能量8991kJ ≈2.5kW·h，每年按照300 工作日约为18000kW·h

规格2 系统减速过程中，电机的能量回馈为：

每小时电机回馈到变频器的能量32076kJ ≈8.91kW·h，每年按照300 工作日约为64152kW·h。

现场采用了制动单元配合制动电阻，共同消耗掉所有回升到变频器的能量，能源浪费非常严重。

2.3 节能方案分析

根据数据分析和生产现场实际情况，通过比较得出采用AFE 有源前端能量回馈系统是有效的能量回收方法。采用能量回馈系统后，制动功耗通过能量回馈系统回馈到电网，此部分功耗能够再利用，实现节能，降低整体功耗。

应用能量回馈系统后的节能率，以能量回馈系统的效率90%计算。

规格1 系统年回馈电能E=E1×90%=18000kW·h×90%=16200kW·h；

规格2 系统年回馈电能E=E1×90%=64152kW·h×90%=57736kW·h。

采用共直流母线很重要的一点就是上电时必须充分考虑到变频器的控制、传动故障、负载特性和输入主回路维护等［2］。

2.4 消谐节能分析

通过如下谐波畸变率产生的能耗表，分析变频器产生的谐波导致的能耗消谐节电率△P*表，见表1。

表1 能耗消谐节电率△P*表

图1 系统连接示意图

由于现场变频器数量较多，变频器输入端的电流谐波畸变较为明显，加装能量回馈系统后，谐波滤除率可达90%。

系统中的谐波电流无法被普通电表所计量，谐波导致的功耗主要是谐波电流产生的电缆、设备等发热严重［3］，消耗的有功功率，所以无法计量的消谐节电率可以转化为实际的有功功率，以经验推算，消除谐波后带来的实际有功节能率为3%左右。

3 改造方案

3.1 改造方案

利用能量回馈装置AFE，将能量回馈单元AFE 串联在驱动变频器的前端，能量回馈单元AFE 通过直流端子和变频器相连，当电机加速时，能量回馈单元AFE 为变频器提供所需要的能量，当电机制动时，电机发电，能量通过变频器的直流端子传递到能量回馈单元，AFE 将这部分能量逆变成与电网的幅值、相位、频率等完全一致的电源，回馈到电网中去，实现能量的回馈再利用［4］。同时在变频器的整个工作时间，AFE 可以消除变频器产生的谐波。

3.2 设备配置方案选择

AFE 的配置需考虑变频器驱动时的功率以及能量回馈时的功率，根据现场变频器的型号以及额定功率，做出如下AFE 的选型配置。

表2 AFE 的选型配置表

4 工作原理分析

4.1 系统主接线示意图

系统主接线示意图见图2。其中，B1—B4 接触器控制AFE 的BYPASS。B3，B4 断开的时候，B1，B2 投入，此时为正常不加AFE 的运行模式；B1，B3，B4 闭合，B2 断开为接入AFE 的节能模式。两种模式的切换会通过柜体上的按钮来实现，如果再生产过程中AFE 出现故障，那么可以手动操作切换到普通模式，从故障发现到切换普通模式只需几分钟便可以使生产继续。

图2 系统主接线示意图

4.2 对安装位置与环境的要求

AFE 产品可单独成柜，安装在距离现场变频柜较近的位置，使用电缆线连接。AFE 成柜可根据现场布置，多台合柜。AFE 对环境的适应性能与现场变频器同等条件，使用环境温度为-10℃到50℃，使用防护等级满足要求的柜体。

5 产生的效益

根据智能工厂系统上对石膏电单耗的数据分析，得出表3 每月石膏生产用电情况。

表3 硫酸车间2019 年石膏生产月电单耗

自4 月份项目实施以来，石膏电单耗逐月下降，最低在10 月下降至4.6kW·h/t，11 月份出现反弹，经分析是由于11 月开始大修，石膏浓度低，造成离心机负荷率较低，提升了电耗。硫酸车间平均年产石膏76000t，消耗总电量为83.4 万kW·h，目前节电10%以上，每年可以节约用电8.34 万kW·h。

能量回馈系统AFE 可以为变频器提供稳定的电源供应，降低由于电网电压波动导致的变频器出力不足及无法正常工作的几率。根据理论计算，变频器通过能量回馈系统改造后，可以降低整体的能耗，实现节能减排。使用直流母线方式供电,不仅改善整流器网侧电流波形,还减少了电压电流谐波对电网的污染；增大了功率因数，使有功功率得以回收利用，还降低了网侧变压器的容量［5］。

6 结束语

经过能量回馈系统改造后，在节能率、谐波改善、设备发热降低、故障率减少、变压器和其他设备的使用寿命延长、生产效率提高等方面，都产生了积极的作用，保障设备稳定运行的同时也达到了节能降耗的目的。