变频调速渣浆泵的电压选择

韩 亮

(中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038)

0 前言

随着电力电子技术的发展以及市场应用的广泛,电力电子元器件的成本逐渐降低,ROBICON 原理的完美无谐波高压变频器产品国产化已成熟,质量和性能均可以和进口产品相媲美,而且价格优势明显,打破了进口品牌的垄断地位、拉低了这些品牌的价格[3],同时也扩展了高压变频器的使用范围。之前由于进口品牌高压变频器价格太高,国产产品又不太成熟,对于一些中小功率的应用,如250 kW以上场合,只能选用低压变频器,而目前对于这些功率范围,采用高压变频器的成本并不比低压变频器高太多,也就是说高压变频器的应用范围更大了。

某选矿厂磨浮车间改造工程新增1 台280 kW渣浆泵,要求变频调速,根据目前的变频器技术水平和应用的成熟度,结合磨浮车间的现有电压等级,新增渣浆泵变频器可以采用380 V 或10 kV,技术应用角度均已成熟,因此需要比较两种不同电压方案的费用情况,以确定哪种电压更合适。

费用可比范围主要是初始设备投资以及后期运行费用,初始设备投资主要包括变频器、变压器、开关柜、电缆、电动机等,后期运行费用主要包括电缆线路损耗、变频器及变压器损耗等。由于现有配电室空间足够使用,因此尽管两种电压对应的电气设备占地面积不同,但在初始投资对比中未考虑建筑费用的差别。

1 车间配电设施现状

磨浮车间现有配电室包含10 kV 配电站及10 kV/0.4 kV 变电所:10 kV 配电站一座,10 kV 为单母线接线,双回路10 kV 电源进线,一回路使用另一回路备用,为本车间10 kV/0.4 kV 变电所的两台变压器、车间高压电动机提供10 kV 电源;10 kV/0.4 kV变电所一座,两台10 kV/0.4 kV 干式变压器,380 V母线为单母线分段接线,分段开关为框架式断路器,由该两段380 V 母线为车间低压用电设备供电。

(1)磨浮车间10 kV 配电站的双回路10 kV 进线为电缆线路,分别引自矿山110 kV 总降压变电所的10 kV 甲母线和乙母线,两回路电缆型号均为YJV22-8.7/10 kV 3 ×185 mm2,主要沿厂区综合管架上的电缆桥架敷设,线路长度约490 m。配电站安装10 kV 中置式金属铠装开关柜11 台,其中进线柜2 台、母线避雷器及电压互感器柜1 台、50 kVA所用变压器柜1 台、出线柜7 台,断路器柜均配置630 A 25 kA 固封式真空断路器及微机综合保护装置,配电站按高压柜双排布置设计,现有的10 kV 开关柜采用单排布置,两端各有3 个备用位置,另有一排共17 个备用柜的位置。目前该配电站总负荷约3 800 kVA,10 kV 进线电流约220 A。配电站直流电源采用智能型免维护铅酸蓄电池电源系统,DC220V 65 Ah,配套AC220V 5 kVA 逆变电源一套,主要为高压开关柜提供直流操作电源、控制电源,尚有多个直流备用出线回路。

本次改造工程新增1 台280 kW 渣浆泵,现有进线柜断路器额定电流、电流互感器变比等均满足扩容后使用,且预留有多个备用位置,可用于安装新增的高压开关柜以及变频器。

(2)磨浮车间10 kV/0.4 kV 变电所安装1 000 kVA 变压器2 台,10 kV 电源均引自本车间10 kV 配电站,安装抽出式低压配电柜17 台,采用双排面对面布置,其中进线柜2 台、母联柜1 台、补偿柜2 台,其他均为出线柜,备用柜位置7 个。出线柜尚有多个备用出线回路,其中400 A 出线回路2 个、250 A出线回路1 个,其余均为100 A 及以下出线回路。变电所现有总负荷约1 680 kVA,其中1#变压器约780 kVA、2#变压器约900 kVA。

本次改造工程新增1 台280 kW 渣浆泵,若采用380 V 电压等级,由于现有两台变压器均接近满载运行,无法增加380 V 用电负荷,因此需要更换变压器,但低压柜备用位置较多,可以根据需要增加配电柜。

2 380 V 变频器方案

380 V 低压变频器具有统一的拓扑结构,主要采用交-直-交方式,根据分类方式不同有以下几种类型[3-4]:

(1)根据拖动负载的机械特性可以分为:恒转矩负载、恒功率负载、风机泵类负载;

(2)根据整流方式可分为:6 脉冲整流、12 脉冲整流、有源前端整流,主要区别是对电网侧的谐波污染不同;

对于本工程的应用场合,采用6 脉冲整流风机泵类通用性变频机即可,同时需要配套有源滤波装置。本方案需要为渣浆泵配套380 V 电动机,新增一台380 V 280 kW 变频器实现渣浆泵的调速运行。考虑到现有10 kV/0.4 kV 变电所的2 台变压器均已经接近满载,该方案需要更换其中一台变压器,结合变电所实际负荷情况,将1 000 kVA 2#变压器拆除,新装一台1 600 kVA 干式变压器,配套更换现有2#变压器低压侧进线柜,新增1 台出线柜用于为280 kW 变频器供电。由于采用了6 脉波通用型变频器,为了保证低压配电系统的谐波限值,还需增加1 台有源滤波器柜。

该方案可比范围内主要设备有:1 台10 kV/0.4 kV 1 600 kVA 干式变压器、2 台低压配电柜、1 台有源滤波柜、1 台380 V 280 kW 鼠笼式异步电动机以及配套的低压电缆,参数及费用如表1 所示。

3 10 kV 变频器方案

不同于低压变频器,高压变频器没有统一的拓扑结构。根据分类方式不同有以下几种类型[3-4]。

(1)根据电压变换方式可以分为:高-低-高型、高-高型。ROBICON 原理高压变频器即高-高型;

(2)根据主电路结构不同可以分为:交-交变频、交-直-交变频;

(3)根据电平数不同可以分为:三电平、五电平、多电平。ROBICON 原理即多电平。三电平高压变频器受制于元器件的耐压不足,目前还做不到10 kV 电压等级的应用,且价格昂贵,代表品牌为ABB和西门子。

串联多电平式高压变频器的输入侧为降压移相变压器,采用18 脉冲以上的整流方式,输入侧波形好,网侧功率因数高,对电网侧的谐波污染小,输出侧采用多电平移相技术,波形接近正弦波,可用于普通异步电机[4];功率元件采用与低压变频器相同的IGBT,技术成熟。但由于移相变压器的存在,这种变频器体积较大。

本工程需要对渣浆泵实现变频调速控制,10 kV变频器方案采用串联多电平式高压变频器的高-高方案,变频器输入输出均为10 kV,需要为渣浆泵配套10 kV 高压电动机。该方案接线简单,仅需一回路10 kV 电源即可,结合配电站现状,在10 kV 配电室新增1 台KYN28A-12 型高压开关柜与现有7#高压柜并柜安装、新增1 套串联多电平10 kV 高压变频器装置安装在现有单排高压柜的对面,由于采用了无谐波的串联多电平式高压变频器,该方案不需要设置谐波治理装置。

该方案可比范围内主要设备有:1 台10 kV 高压开关柜、1 套10 kV 高压变频器、1 台10 kV 280 kW 鼠笼式异步电动机以及配套的高压电缆,参数及费用详见表2。

表2 10 kV 变频器方案主要设备及费用

(1)设备单价采用同时期国产设备报价

4 两种方案的对比分析

(1)设备投资费用对比

380 V 变频器方案和10 kV 变频器方案可比范围内的总投资费用分别为53 万元、40.5 万元。可以看出采用380 V 的低压方案并无成本优势,反而比10 kV 方案投资大,即使不考虑更换1 600 kVA 变压器的费用,380 V 方案也仅比高压方案节省投资5.5 万元。

(2)电能损耗对比

两种方案的电能损耗主要包括变压器(或高压变频器内置移相变压器)损耗、变频器开关器件(IGBT)损耗、电缆损耗、电动机损耗。鉴于10 kV变频器为串联多电平型式,内置一台具有多个二次绕组的移相变压器,而且开关器件(IGBT)同380 V变频器类似、10 kV 280 kW 电动机的效率同380 V接近,因此视为两种方案下的变压器损耗、开关器件(IGBT)损耗以及电动机损耗等同(实际情况是低压方案的上述损耗略高),两种方案的电能损耗主要对比电缆损耗。

本工程渣浆泵使用280 kW 四极电动机,380 V和10 kV 的额定电流分别为514 A、19.87 A;150 mm2铜芯电缆每千米电阻0.117 Ω、70 mm2铜芯电缆每千米电阻0.251 Ω[1-2],两种方案的电能损耗计算如下:

380 V 方案:ΔP=3I2R=3(514 A)2×(0.117 Ω/km×0.09 km×0.5)=4.173 kW

10 kV 方案:ΔP=3I2R=3(19.87 A)2×(0.251 Ω/km×0.1 km)=0.030 kW

本工程的综合电价为0.6 元/kWh,车间年最大负荷小时数约6 200 h,两种方案电缆损耗的年费用相差:

(4.173-0.030) kW×6 200 h ×0.6 元/kWh=15 412 元。

通过对两种方案的投资费用和运行费用(电能损耗)比较可以看出,按照设备投资和运行费用最低的原则,本工程新增渣浆泵应采用10 kV 变频方案。

5 结论

变频器电压的选择应该在技术方案成熟、满足工艺要求的基础上进行经济性分析比较,选择投资费用和运行费用较低的方案。

针对本文所述实例,新增280 kW 渣浆泵采用10 kV 变频方案比380 V 既节省投资又节省运行费用,考虑到本工程的特殊性(380 V 方案需要增加一台1 600 kVA 变压器替换现有变压器),对于其他工程如何选择仍需要具体分析,但是从建设绿色节能矿山的角度出发,节能降耗应该是首先考虑的因素,考虑到国产的串联多电平式高压变频器技术日趋成熟、价格越来越低,因此即使10 kV 变频方案投资稍高,也应作为优先考虑的方案。