崔士選 劉慶來 潘永亮

（1. 濟(jì)南庚辰鑄造材料有限公司，濟(jì)南 250109；2. 寧波天安（集團(tuán)）股份有限公司，浙江 寧波 315700）

燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)的變頻控制和節(jié)能

崔士選1劉慶來1潘永亮2

（1. 濟(jì)南庚辰鑄造材料有限公司，濟(jì)南 250109；2. 寧波天安（集團(tuán)）股份有限公司，浙江 寧波 315700）

本文采用高壓變頻控制技術(shù)對(duì)燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無沖擊起動(dòng)和無級(jí)調(diào)速，并實(shí)現(xiàn)變頻控制系統(tǒng)與工頻系統(tǒng)的雙向無擾切換，以取得顯著的節(jié)電效果。

高壓變頻器；變頻控制；同步電動(dòng)機(jī)；無擾切換

高壓大功率同步電動(dòng)機(jī)是當(dāng)前燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)的常規(guī)配置，也是鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序中的核心設(shè)備。主抽風(fēng)機(jī)的能耗一般占整個(gè)燒結(jié)工序的50%左右。燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)的起動(dòng)多采用降壓軟起動(dòng)（如液阻起動(dòng)、磁控軟起動(dòng)、晶閘管固態(tài)軟起動(dòng)等），起動(dòng)電流通常是額定電流的3～5倍，不僅嚴(yán)重沖擊電網(wǎng)和電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備，而且沖擊電流導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)振動(dòng)大、發(fā)熱快、絕緣易老化。因燒結(jié)工藝參數(shù)或配料變化，通常采用調(diào)節(jié)主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)門開起度的方式來調(diào)節(jié)燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱的風(fēng)壓和風(fēng)量，但是電動(dòng)機(jī)的輸出功率幾乎不變，導(dǎo)致電能較大浪費(fèi)。因此，采用先進(jìn)的高壓變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)主抽風(fēng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速控制，是燒結(jié)生產(chǎn)提高產(chǎn)量和質(zhì)量、降低能耗的重要措施。

濟(jì)南庚辰鑄造材料有限公司帶燒主抽風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為6kV、4200kW同步電動(dòng)機(jī)，初始配置為水電阻起動(dòng)，起動(dòng)電流為額定電流的2.8～3.5倍。廠區(qū)變電站總供電容量偏小，每次起動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)，都需要對(duì)全廠降負(fù)荷；并且在燒結(jié)機(jī)短時(shí)檢修或處理故障時(shí)，風(fēng)機(jī)仍要保持運(yùn)行狀態(tài)，造成電能浪費(fèi)。公司決定，對(duì)主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。

1 主抽風(fēng)機(jī)變頻控制實(shí)施方案

1.1 高壓變頻控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及技術(shù)方案

高壓同步電動(dòng)機(jī)相對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說，變頻控制上最大的技術(shù)難點(diǎn)是解決失步現(xiàn)象，因此，必須解決好同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題、調(diào)速期間和勵(lì)磁裝置的協(xié)調(diào)問題、同步電動(dòng)機(jī)正常停機(jī)和故障滅磁問題[1]。高壓大功率同步電動(dòng)機(jī)的變頻控制技術(shù)在我國(guó)處于初級(jí)階段，為此，在方案設(shè)計(jì)中我們與設(shè)備供貨單位寧波天安（集團(tuán)）股份有限公司作了深入探討，通過完善配置、控制和電氣系統(tǒng)設(shè)置多項(xiàng)保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能，確保了關(guān)鍵技術(shù)的可靠性，并實(shí)現(xiàn)該變頻系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)的相互無擾切換。

高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由移相變壓器柜、功率單元柜和控制柜組成；重點(diǎn)核心部件采用德國(guó)INFINEON、美國(guó)ALTERA品牌。每個(gè)功率單元通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形，多個(gè)功率單元移相串聯(lián)，電壓疊加，完成變壓、變頻功能；輸入側(cè)的變壓器采用移相方式，可有效消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。這種組成結(jié)構(gòu)具有諧波小、功率因數(shù)高的優(yōu)異性能。

變頻調(diào)速時(shí)，變頻裝置通過內(nèi)置的PID控制器輸出4～20mA信號(hào)給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，實(shí)時(shí)控制同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流。

改造前同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)采用水電阻方式，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板門開起度來控制風(fēng)壓和風(fēng)量，電氣主回路如圖1所示。

圖1 改造前主抽同步電動(dòng)機(jī)主回路示意圖

改造后，保留原水電阻軟起動(dòng)裝置及原高壓柜，增加了變頻進(jìn)線電源柜、移相變壓器柜、變頻器功率單元柜、控制柜、電抗器柜、旁路切換柜，配套了DCS檢測(cè)與控制系統(tǒng)，與原來的勵(lì)磁柜和工頻裝置共同構(gòu)成新的變頻控制及切換系統(tǒng)，電氣主回路如圖2所示。正常運(yùn)行狀態(tài)為變頻方式，圖2中QF0閉合、QF01斷開；變頻切換到工頻時(shí)，圖2中QF01閉合、QF0斷開。切換過程按變頻系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的邏輯程序和參數(shù)自動(dòng)執(zhí)行。

1.2 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

根據(jù)生產(chǎn)控制需要，該高壓變頻控制系統(tǒng)具有以下主要功能。

1）電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，變頻器開環(huán)運(yùn)行直至加載到設(shè)定頻率，然后轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)自動(dòng)控制；起動(dòng)過程中變頻器自動(dòng)跟蹤電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，電動(dòng)機(jī)電流從零到額定值平滑過渡，不僅實(shí)現(xiàn)了無沖擊起動(dòng)，還可以滿足頻繁起動(dòng)的特殊工況。有兩種停機(jī)方式可供用戶選擇：①減速停機(jī)，即變頻器接到停機(jī)命令后，按照設(shè)定的減速時(shí)間逐漸降低輸出頻率，頻率降為零后停機(jī)；②自由停機(jī)，即變頻器接到停機(jī)命令后，立即終止輸出，負(fù)載按照機(jī)械慣性自由停止。

圖2 改造后主抽同步電動(dòng)機(jī)主回路示意圖

2）對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)線性調(diào)速

調(diào)頻范圍為0～50Hz，變頻器輸出頻率分辯率為0.01Hz。通過點(diǎn)擊觸摸屏加減速按鈕或在工控機(jī)操作畫面上增減或設(shè)定目標(biāo)頻率，DCS系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行加減速指令。

3）變頻和工頻的雙向無擾切換

在變頻運(yùn)行模式下，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出工頻運(yùn)行指令時(shí)，變頻器從當(dāng)前頻率拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到50Hz，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)出投切請(qǐng)求，經(jīng)過操作人員確認(rèn)向工頻切換時(shí)，變頻系統(tǒng)自動(dòng)完成電壓跟蹤、相位檢測(cè)和鎖相，然后將電動(dòng)機(jī)無擾切換至工頻方式運(yùn)行，切換時(shí)擾動(dòng)電流小于1.5倍額定電流。

在工頻運(yùn)行模式下轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，在上位機(jī)上起動(dòng)“工頻轉(zhuǎn)變頻”按鈕并設(shè)定目標(biāo)頻率值，DCS系統(tǒng)得到切換指令后首先將旁路隔離開關(guān)分閘，然后自動(dòng)將工頻切換到旁路斷電狀態(tài)并轉(zhuǎn)入“飛車起動(dòng)”模式，延時(shí)一定時(shí)間（系統(tǒng)預(yù)設(shè)時(shí)間為5s）對(duì)變頻進(jìn)線開關(guān)合閘，控制系統(tǒng)發(fā)出搜頻指令，從設(shè)定的運(yùn)行頻率值向下開始搜頻，若在搜頻時(shí)間設(shè)定的時(shí)間內(nèi)搜索到合適的頻率，則開始轉(zhuǎn)入變頻拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

變頻與工頻雙向切換具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式，操作者可以根據(jù)實(shí)際情況從中選擇；選擇手動(dòng)切換時(shí)，切換系統(tǒng)的聯(lián)鎖解除，由人工按切換程序現(xiàn)場(chǎng)操作。

4）飛車起動(dòng)和星點(diǎn)漂移功能

“飛車起動(dòng)”是在同步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中未停穩(wěn)的情況下由高壓變頻器進(jìn)行起動(dòng)。變頻器自動(dòng)搜索到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后，按搜索到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來輸出頻率，顯著提高了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)效率。“星點(diǎn)漂移”功能實(shí)現(xiàn)了高壓變頻器在一個(gè)或多個(gè)單元發(fā)生故障后，使其輸出有效電壓保持最大的幅值，并調(diào)整三相輸出線電壓平衡，能夠繼續(xù)維持生產(chǎn)，減少突然停機(jī)事故的發(fā)生。

5）完善的保護(hù)功能

具有運(yùn)行中開門、冷卻風(fēng)扇停運(yùn)、變頻器過熱、輸入電壓過低、負(fù)載超速、功率單元異常、接地等報(bào)警和檢測(cè)功能，各項(xiàng)檢測(cè)與保護(hù)由DCS系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行和記錄。

2 變頻器的散熱及維護(hù)

2.1 散熱方案

高壓大功率變頻器發(fā)熱量大，要求運(yùn)行環(huán)境溫度0～40℃，環(huán)境粉塵濃度低于950×10-6。溫度過高會(huì)導(dǎo)致變頻器過熱保護(hù)而跳閘甚至導(dǎo)致變頻器損壞，因此，高壓變頻器的散熱對(duì)保證穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。我公司變頻室周邊由于空間和水源受限，暫且只能采用室內(nèi)空調(diào)內(nèi)循環(huán)降溫，配置了6臺(tái)5匹的空調(diào)，總制冷量72kW，平均每小時(shí)耗電21kW，其缺點(diǎn)是相對(duì)“空水冷”方式能耗稍大、室外機(jī)易積灰，優(yōu)點(diǎn)是晚上或冬季氣溫較低時(shí)可關(guān)停部分空調(diào)，并且有空調(diào)損壞或檢修時(shí)，基本不影響正常冷卻。但是，如果將來?xiàng)l件允許，就改為“空-水”冷方式，更為清潔、高效。

2.2 散熱系統(tǒng)維護(hù)要求

1）每班定時(shí)巡檢變頻器單元柜上的排風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)情況、變頻器監(jiān)測(cè)溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

2）對(duì)變頻器柜內(nèi)清灰必須列為定修內(nèi)容，以防止粉塵積聚過多影響元器件散熱或短路。

3）每周對(duì)變頻器柜體濾網(wǎng)和空調(diào)室內(nèi)柜機(jī)濾網(wǎng)清灰一次，以確保冷卻效果。

4）每周對(duì)空調(diào)室外機(jī)清灰一次，積灰嚴(yán)重時(shí)停機(jī)對(duì)冷凝器翅片沖洗。

3 應(yīng)用效果

高壓變頻控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音和振動(dòng)明顯降低，電動(dòng)機(jī)定子溫度比工頻運(yùn)行狀態(tài)降低13℃以上；主抽風(fēng)機(jī)可以根據(jù)生產(chǎn)工藝需要隨時(shí)加減負(fù)荷，并根據(jù)檢修需要，隨時(shí)要以開機(jī)、停機(jī)，無需再協(xié)調(diào)全廠用電負(fù)荷。

應(yīng)用變頻調(diào)速后，主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)門始終處于100%開起狀態(tài)，完全通過變頻器來調(diào)節(jié)主抽風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓，節(jié)能效果顯著。改造前后節(jié)能數(shù)據(jù)見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)及改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)變頻器運(yùn)行后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，諧波電流小于2%，電壓畸變率小于3%。表1為改造前后各5個(gè)月的正常工況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平均節(jié)電率13.2%，年節(jié)電388.7萬kW·h（年運(yùn)行率90%）。

4 結(jié)論

我公司主抽風(fēng)機(jī)成功應(yīng)用了高壓大功率同步電動(dòng)機(jī)變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了4200kW高壓同步電動(dòng)機(jī)的無沖擊起動(dòng)和無級(jí)調(diào)速，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了變頻系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)的雙向無擾切換，比工頻運(yùn)行節(jié)電13.2%。變頻系統(tǒng)的飛車起動(dòng)和星點(diǎn)漂移功能具有其他軟起動(dòng)方式無法比擬的優(yōu)越性，為主抽風(fēng)機(jī)的高效起動(dòng)和安全運(yùn)行提供了保障。

[1] 梁安江, 張海燕, 柳毅, 等. 高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2010, 37(5): 42-45.

The Frequency Converter Controller and Energy Saving of Main Exhauster for Sinter Machine

Cui Shixuan1Liu Qinglai1Pan Yongliang2
(1. Ji’nan Gengchen Casting Materials Co., Ltd, Ji’nan 250109；
2. NingBo Tianan (Group) Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315700)

The synchronous motors of main exhauster for sinter machine can achieve free impact st art-up & continuously variable are based on the high voltage frequency converter controller technology, also can achieve the function for undisturbed switching between frequency converter control system & power frequency system with significant energy-saving effect.

high voltage frequency converter; frequency converter controller; synchronous motor; undisturbed switching

崔士選（1969-），男，山東濟(jì)南人，高級(jí)工程師，主要從事汽鼓風(fēng)系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)工作。