摘 要：解析了氧化铝的生产流程过程中对变频器的要求，介绍了变频器在有色金属氧化铝厂中的实践应用和维护保养等内容，大大降低了企业的生产成本和生产设备的故障率，产生了较大的经济效益和社会、环境效益。
关键词：变频器;氧化铝;实践;应用;维护保养
0 前 言
解决好氧化铝厂设备运行中存在严重的能源浪费问题，是增强企业竞争力的要求，更是创建资源节约型社会的国策的要求。变频调速技术是风机、水泵等设备调速技术发展的必然方向。对设备采用变频技术，可以降低企业的生产成本，降低生产设备的故障率，延长设备的使用寿命，产生较大的经济效益和社会、环境效益，提高企业的综合竞争力和发展后劲。
1 氧化铝生产流程
从铝矾土矿石生产出合格的氧化铝需要经过原料、溶出、沉降、分解、焙烧等几大生产流程，按工艺流程的次序组织分为原料、溶出、沉降、分解、焙烧等几大车间，为充分利用母液，再设置一个蒸发工序车间。原料车间用以制备粒度、成份比例等指标都符合要求的原矿浆;溶出车间通过多级预热套管及压煮器为原矿浆提供高温、高压环境，并保证足够的溶出时间，以使原矿浆中的氧化铝成份溶出至铝酸钠溶液中。沉降车间通过沉降和多次反向洗涤，将料浆中的粗液及附着碱与各种杂质构成的赤泥进行分离，分离出的粗液经叶滤机过滤后制得精液，再送至分解车间与晶种混合，逐级进入各分解槽进行降温、搅拌，以充分析出氢氧化铝，析出的氢氧化铝浆液经分级后细料进种子过滤制备晶种，粗料送焙烧车间经过滤后进行高温焙烧，最终制得成品氧化铝。蒸发车间用于对循环母液进行浓缩处理，以除去在流程中进入母液中的多余水分，达到工艺要求的母液浓度。
2 氧化铝生产对变频器的要求
整个氧化铝生产过程对物料的运送由浆泵、进料泵、出料泵、母液泵、碱液泵、循环泵等各种各样的泵承担。生产过程中，物料及反应容器的温度、压力、配料流量等指标的控制非常严格;同时为保证分解槽搅拌等要求不间断运转设备的连续运行，以及隔膜泵、压煮器等高温、高压、高碱设备和焙烧系统易燃易爆设备的安全运行，要求对运送物料的各种泵能够在DCS的控制下变速运行。氧化铝生产工序比较复杂，生产环境差，温度高，粉尘多，对变频器的主要要求有：
(1 )浆泵、进料泵、出料泵等的工作介质是非常粘稠的矿浆，其负载特性接近恒转矩负载特性。由于某种原因使生产短时停顿，粘稠的矿浆会产生沉降，恢复生产再次起动时，这些泵的起动力矩非常大，因此要求变频器有足够大的起动力矩和较高的过载能力。
(2 )氧化铝生产线占地的面积很大，其电气控制设备和变频器均安装在配电房内，大部分的电机与变频器的距离在100～300m，要求变频器的输出接上100～300m电缆能够正常工作。
(3 )变频器的输出含有高次谐波，现场使用的变频器的数量多，必须考虑谐波对DCS控制系统和现场控制仪表干扰，要求变频的输出谐波含量低于国家标准GB12668-2.2002、GB12668-3.2003所要求的谐波含量。
(4 )氧化铝生产具有连续性，生产过程中因某台设备故障引起全线停产，将带来极大的损失，因此，对变频器的可靠性要求极高。风机泵类机械设备主要进行转速控制，以调节风量、阀门的开口度等方法完成工艺流程的要求。利用变频装置对风机进行转速控制属于有效的节电方法，它和一般常用的调节风门控制风量方法比较，有着明显的节能效果。
3 变频器的选择
变频调速技术近年在低压风机水泵类机械中得到广泛的应用，同时交流变频调速技术也正朝着大容量，高电压和高性能的方向发展。在氧化铝行业，大量的大功率风机和泵类设备目前仍采用通过挡板、阀门等方式调整供应流量，由于挡板、阀门等方式是通过提高管道阻力来达到降低流量的目的的，应用中造成了大量的能源浪费，甚至影响企业的竞争能力。下面介绍高压变频器的几种选择。
(1)直接高压控制(高成本)，目前以采用美国罗宾康类似的无谐波变频技术，由低压模块串接起来成为高压输出，其优点是极低的谐波，但是需要专用输入变压器装置，投入成本最高，低频运转时因为I G B T的饱和压降串联会产生效率较低的问题。
(2)三电平(四电平)控制(中等成本)由于功率半导体的耐压较低，采用串联方案以提高输出电压，与低压变频器技术类似：差异性在于输出电压提高一倍, 输出电流谐波较低等优点,比较适用于中压场合(690～3300V)，容量也属中等，由于也有使用I G C T 高压功率模块，所以电压也可以提高到6000V，但是目前市场应用较少。三电平变频器的结构简单，但二极管的增多、线路增多，况且每个I G B T的驱动波形不一致，也必将导致箝位和开关性能的不一致。功率元件的导通和关断是由箝位二极管来保证的。箝位二极管的耐压要求高，快恢复性能好，主器件数量多，致使系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。
(3)高低压控制(低成本)。高低压控制变频器指利用变压器将高压降为低压，再购买低压变频器装置驱动低压电机。此系统技术最成熟，可靠性最高，运行效率最高，投入成本最低，维修服务方便。中低容量电机(一般指2000kW以下)最适合使用。变压器+690V变频器+专用变频电机就属于此类。另外还有高- 低- 高方式，即采用降压变压器+低压变频器+特殊升压变压器+电机的配置，由于输出变压器需特殊制造，成本高、功率因数低、效率低、自损耗大、笨重、系统性能差，可用于一般工艺调速，不宜于调速节能的应用。
4 节电分析
4.1 变频节能
变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。下面以水泵为例来分析：由流体力学可知，P(功率)=Q(流量)×H(压力)，流量Q 与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P 与转速N 的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N 可成比例的下降，而此时轴输出功率P 成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q 减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n 按比例降低。这时，电动机的功率P 将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40%～50%，从而达到节电的目的。例如：一台离心泵电机功率为5 5 k W ，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW，省电48.8%，当转速下降到原转速的l/2时，其耗电量为6.875kW，省电87.5%。
4.2 功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
4.3 软启动节能
电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。
5 变频器的维护保养
由于电力电子技术和微电子技术的快速发展，变频器改型换代速度也比较快，不断推出新型产品，性能不断提高，功能不断充实、增强。现在国内市场销售的变频器品牌比较多，如Danfoss、ABB、SIEMENS、GE、Schneider等等，国产变频器品牌比较多，虽然种类繁多，但功能及使能用上也基本类似。总的来讲，其使用、维护保养及故障处理方法是基本相同的。在氧化铝生产过程中，变频器受周围的温度、湿度、振动、粉尘、腐蚀性气体等环境条件的影响，其性能会有一些变化。如使用合理、维护得当，则能延长使用寿命，并减少因突然故障造成的生产损失。如果使用不当，维护保养工作跟不上去，就会出现运行故障，导致变频器不能正常工作，甚至造成变频器过早的损坏, 而影响生产设备的正常运行。因此日常维护与定期检查是必不可少的。
5.1 日常维护与检查
对于连续运行的变频器，可以从外部目视检查运行状态。定期对变频器进行巡视检查，检查变频器运行时是否有异常现象。通常应作如下检查：
(1)环境温度是否正常，要求在-10℃～+40℃范围内，以25℃左右为好;
(2)变频器在显示面板上显示的输出电流、电压、频率等各种数据是否正常;
( 3 ) 显示面板上显示的字符是否清楚，是否缺少字符;
(4)用测温仪器检测变频器是否过热，是否有异味;
(5)变频器风扇运转是否正常，有无异常，散热风道是否通畅;
(6) 变频器运行中是否有故障报警显示;
(7)检查变频器交流输入电压是否超过最大值。如果主电路外加输入电压超过极限，即使变频器没运行，也会对变频器线路板造成损坏;
(8)变频器的接地是否良好。变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，变频器接地端子E ( G )接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于2mm2，长度应控制在20m以内。变频器的接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。信号输入线的屏蔽层，应接至E ( G )上，其另一端绝不能接于地端，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不止。变频器与控制柜之间应电气连通，如果实际安装有困难，可利用铜芯导线跨接。
5.2 定期检查
利用每年一次的大修时间，将检查重点放在变频器日常运行时无法巡视到的部位。
(1)作定期检查时，操作前必须切断电源，变频器停电后待操作面板电源指示灯熄灭后，等待4min(变频器的容量越大，等待时间越长，最长为15min)使得主电路直流滤波电容器充分放电，用万用表确认电容器放电完后，再进行操作。
(2)将变频器控制板、主板拆下，用毛刷、吸尘器清扫变频器线路板及内部I G B T 模块、输入输出电抗器等部位。线路板脏污的地方，应用棉布沾上酒精或中性化学剂擦除。
(3)检查变频器内部导线绝缘是否有腐蚀过热的痕迹及变色或破损等，如发现应及时进行处理或更换。
(4)变频器由于振动、温度变化等影响，螺丝等紧固部件往往松动，应将所有螺丝全部紧固一遍。
(5)检查输入输出电抗器、变压器等是否过热，变色烧焦或有异味。
(6 )检查中间直流回路滤波电解电容器小凸肩( 安全阀) 是否胀出，外表面是否有裂纹、漏液、膨胀等。一般情况下滤波电容器使用周期大约为5 年，检查周期最长为一年，接近寿命时，检查周期最好为半年。电容器的容量可用数字电容表测量，当容量下降到额定容量的80%以下时，应予更换。
(7)检查冷却风扇运行是否完好，如有问题则应进行更换。冷却风扇的寿命受限于轴承，根据变频器运行情况需要2 ～3 年更换一次风扇或轴承。检查时如发现异常声音、异常振动，同样需要更换。
(8 )检查变频器绝缘电阻是否在正常范围内(所有端子与接地端子) ，注意不能用兆欧表对线路板进行测量，否则会损坏线路板的电子元器件。
(9)将变频器的R、S、T端子和电源端电缆断开，U、V 、W 端子和电机端电缆断开，用兆欧表测量电缆每相导线之间以及每相导线与保护接地之间的绝缘电阻是否符合要求，正常时应大于1 M Ω。
( 10)变频器在检修完毕投入运行前，应带电机空载试运行几分钟，并校对电机的旋转方向。
5.3 变频器本身的保护
变频器本身具有各种保护功能，如：负载侧接地保护、短路保护、电流限制、逆变器过热、过载等，其自诊断功能、报警警告功能也特别完善。了解这些功能对于正确使用变频器及故障查找是非常重要的。
6 结束语
随着技术的发展，变频器的性能愈加稳定，变频器在氧化铝生行业的应用也愈加广泛，节能的效果更加明显。对国家实行的节能降耗政策有着推进和促进作用。
参考文献
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作者简介:杨世勇(1973- )，男，工程师，从事供配电及电气自动化设计工作。
