匯川技術(shù)HD93系列10MVA高壓變頻器在大功率同步機上的應(yīng)用

      本文主要介紹了大功率電勵磁同步機的基本特點、變頻改造的難點分析，以及匯川技術(shù)大傳動產(chǎn)品線針對電勵磁同步電機的解決方案，通過公司HD93系列10MVA產(chǎn)品目前的現(xiàn)場應(yīng)用，了解同步機變頻改造需注意的關(guān)鍵點以及改造效果分析。

一、概述

      國家“十二五”規(guī)劃明確提出了關(guān)于節(jié)能減排的規(guī)范文件，如未能采取更加有效的應(yīng)對措施，我國面臨的資源環(huán)境約束將日益強化。從國內(nèi)看，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快和消費結(jié)構(gòu)升級，我國能源需求呈剛性增長，受國內(nèi)資源保障能力和環(huán)境容量制約，我國經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的資源環(huán)境瓶頸約束更加突出，節(jié)能減排工作難度不斷加大。從國際看，圍繞能源安全和氣候變化的博弈更加激烈。一方面，貿(mào)易保護主義抬頭，部分發(fā)達國家憑借技術(shù)優(yōu)勢開征碳稅并計劃實施碳關(guān)稅，綠色貿(mào)易壁壘日益突出。另一方面，全球范圍內(nèi)綠色經(jīng)濟、低碳技術(shù)正在興起，不少發(fā)達國家大幅增加投入，支持節(jié)能環(huán)保、新能源和低碳技術(shù)等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展，搶占未來發(fā)展制高點的競爭日趨激烈。

      規(guī)劃中提出對電機系統(tǒng)實施變頻調(diào)速、永磁調(diào)速、無功補償?shù)裙?jié)能改造，優(yōu)化系統(tǒng)運行和控制，提高系統(tǒng)整體運行效率。變頻調(diào)速尤其在大功率風(fēng)機類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載場合應(yīng)用效果尤為明顯。

      冶金行業(yè)向來是耗能大戶，尤其在目前產(chǎn)能過剩、利潤低的情況下，節(jié)能顯得尤為重要，鋼鐵行業(yè)中的大功率電動機耗費了大量的電費，由于實際過程導(dǎo)致工頻運行大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，變頻改造成了不二之選。

      目前鋼鐵行業(yè)中的燒結(jié)主抽風(fēng)機，功率一般為整個鋼鐵廠除了高爐鼓風(fēng)機第二大功率的設(shè)備，而且多為大功率同步機驅(qū)動，同步機的變頻改造一直以來就是一大技術(shù)難點，下面將介紹一下同步機的改造方案及應(yīng)用效果。

二、     同步機及燒結(jié)工藝介紹

1、大功率同步機變頻改造難點

同步機相比于異步機有諸多優(yōu)點：

（1）對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強的承受能力，動態(tài)響應(yīng)快；

（2）在極低電源頻率下也能運行，調(diào)速范圍寬；

（3）通過改變勵磁電流，功率因數(shù)可調(diào)；

（4）穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)矩與端電壓成正比；

      上述的諸多優(yōu)點使得其使用越來越廣泛，但是大功率同步機變頻控制技術(shù)一直是高壓變頻領(lǐng)域的一大難點，各廠家技術(shù)參差不齊，導(dǎo)致其最終的控制效果差距較大，以下為有刷同步電機變頻改造需要注意的事項：

（1）同步電機的起動問題：電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步；

（2）同步電機調(diào)速期間和勵磁裝置的協(xié)調(diào)問題，防止正常調(diào)速期間同步機失步；

（3）同步電機正常停機和故障滅磁問題。

2、匯川技術(shù)HD93同步機控制技術(shù)

      匯川依據(jù)自身多年同步機控制經(jīng)驗，在高壓大功率同步機控制方面，通過我們大量的仿真實驗以及現(xiàn)場實驗分析，研發(fā)了適用于高壓大功率領(lǐng)域同步機的矢量控制方案，依托于磁鏈閉環(huán)矢量控制（SFOC）這一平臺，實現(xiàn)了真正的同步機變頻無速度傳感器矢量控制技術(shù)啟動方式（SVC），整個啟動過程平滑、無沖擊，不存在啟動整步問題，并且控制精度高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。

圖1：匯川同步機磁鏈閉環(huán)矢量控制原理圖

圖2：匯川同步機變頻啟動過程圖

      基于電機d - q軸系數(shù)學(xué)方程，對電機的磁鏈、電流進行解耦控制，具有磁鏈、電壓閉環(huán)特點。

      和進行比較再通過比例積分調(diào)節(jié)器得到，在和比較再通過比例積分調(diào)節(jié)器得到；和比較得到，和再通過比例積分調(diào)節(jié)器得到，和比較再通過比例積分調(diào)節(jié)器得到，和比較得到；和2/3轉(zhuǎn)換得到、、，、、，進行發(fā)波控制。

      通過匯川多個大容量同步機變頻改造應(yīng)用現(xiàn)場的調(diào)試運行情況來看，匯川同步機控制方案還具有調(diào)試簡單、調(diào)試時間短，以及運行穩(wěn)定的眾多優(yōu)點，得到了用戶的一直好評，匯川的同步機控制技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)建立了絕對的領(lǐng)先地位。

3、燒結(jié)工藝簡介

圖3：燒結(jié)工藝

      燒結(jié)工藝是指根據(jù)原料特性所選擇的加工程序和燒結(jié)工藝制度，它對燒結(jié)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量有著直接而重要的影響。按照燒結(jié)過程的內(nèi)在規(guī)律選擇合適的工藝流程和操作制度，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，強化燒結(jié)生產(chǎn)過程，能夠獲得先進的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，保證實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗。本生產(chǎn)工藝流程有原料的接受，兌灰，拌合，篩分破碎及溶劑燃料的破碎篩分，配料，混料，點火，抽風(fēng)燒結(jié)，抽風(fēng)冷卻，破碎篩分，除塵等環(huán)節(jié)組成。目前生產(chǎn)上廣泛采用帶式抽風(fēng)燒結(jié)機生產(chǎn)燒結(jié)礦。燒結(jié)生產(chǎn)的工藝流程如上圖所示。主要包括燒結(jié)料的準(zhǔn)備，配料與混合，燒結(jié)和產(chǎn)品處理等工序。

三、     客戶現(xiàn)場改造方案

1、項目背景

      本次我司HD93產(chǎn)品改造對象為河北省武安市某鋼鐵集團燒結(jié)廠燒結(jié)主抽風(fēng)機，此燒結(jié)線為220m2規(guī)模燒結(jié)線，配備有8000kW功率燒結(jié)主抽一臺，是整個燒結(jié)廠的最大耗電設(shè)備，在整個鋼廠也屬于耗能大戶，工頻運行采用水阻啟動方式，啟動沖擊大，所以每次啟動此電機都比較困難，另外由于要根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)風(fēng)量，平時采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的方式進行，風(fēng)門一般在60%~80%調(diào)節(jié)，能量浪費嚴(yán)重，所以節(jié)能改造迫在眉睫。

2、設(shè)備參數(shù)介紹

3、改造系統(tǒng)方案

圖4：系統(tǒng)一次圖

4、系統(tǒng)方案說明

系統(tǒng)采用HD93高性能型同步機專用高壓變頻器、勵磁柜、開關(guān)柜和旁路柜完成對同步機負(fù)載的同步電機控制。整個系統(tǒng)方案在保留客戶原勵磁系統(tǒng)的情況下，我們重新配備變頻勵磁柜，在變頻器正常運行的情況下，變頻器與變頻勵磁柜配合來控制客戶同步電機啟動與運行，而為了保證電機的可靠運行，我們配備了工頻旁路系統(tǒng)，在變頻器出現(xiàn)重故障的情況下，客戶還可以利用旁路系統(tǒng)跟原工頻勵磁系統(tǒng)來進行控制電機的啟動運行。

總結(jié)高壓變頻器方案如下:

（1）      系統(tǒng)采周一拖一配手動工頻旁路柜，工頻運行時，可以配合原有水阻軟啟動方式運行；

（2）      控制系統(tǒng)改造，實現(xiàn)新舊高壓柜的遠(yuǎn)程操作及聯(lián)鎖；

（3）   勵磁系統(tǒng)改造，實現(xiàn)工變頻狀態(tài)的勵磁控制轉(zhuǎn)換；

（4）   配套上位監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器系統(tǒng)狀態(tài)；

5、電氣配置說明

（1）SM為客戶現(xiàn)場電勵磁同步電動機，基本電氣參數(shù)為8000kW/10kV。（2）Mg1為變頻運行專用勵磁柜。在變頻狀態(tài)下，通過變頻器內(nèi)部運算給定勵磁電流指令，勵磁柜與變頻器實現(xiàn)勵磁電流閉環(huán)控制，MG2為客戶原有工頻勵磁柜，MG1與MG2之間設(shè)置有切換開關(guān)，需要工頻運行時，勵磁系統(tǒng)切換至MG2。（3）QS1、QS2、QS3為工頻旁路柜內(nèi)高壓隔離開關(guān)，用于變頻或工頻啟動同步電機。（4）系統(tǒng)配置工頻勵磁與變頻勵磁的切換裝置，采用切換刀閘形式，安全可靠。（5）變頻器為匯川HD93高性能型同步機高壓變頻器，基本電氣參數(shù)為10000kVA/10kV，額定頻率50Hz，最大運行頻率為50/60 Hz。輸入變壓器為10000kVA/10kV干式移相變壓器，絕緣等級H級，功率單元為兩象限兩電平單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)。控制柜內(nèi)IO板提供標(biāo)準(zhǔn)IO接口和總線通訊接口（CAN、Modbus485、Profibus-DP）。

6、系統(tǒng)功能說明（變頻工況）

（1）系統(tǒng)控制電源380V和冷卻風(fēng)機電源上電，變頻勵磁柜選擇并且控制電源上電；

（2）對變頻器和勵磁柜進行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，變頻勵磁柜和變頻器置于“遠(yuǎn)方”控制；

（3）將變頻輸入隔離刀閘QS1、輸出隔離刀閘QS2合閘，勵磁切換開關(guān)切換至變頻勵磁，變頻器及勵磁柜控制系統(tǒng)自檢，如無故障，輸出“合閘允許”信號；

（4）用戶開關(guān)柜斷路器QF1合閘，待水阻柜啟動完成后，星點柜QF2合閘；

（5）變頻器及勵磁柜如上電正常，輸出“變頻器準(zhǔn)備就緒”和“勵磁柜就緒”信號到總控臺；

（6）總控臺對變頻器給定運行頻率，發(fā)啟動指令。

（7）變頻器接收到啟動命令后，發(fā)勵磁啟動指令給勵磁柜，同時發(fā)出動態(tài)勵磁電流指令；

（8）當(dāng)運行頻率達到50Hz時，變頻器輸出電壓達到10kV。

（9）在運行過程中，當(dāng)變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，會同時聯(lián)跳輸入斷路器QF，且通知勵磁柜進行滅磁。

（10）QS2和QS3設(shè)有機械聯(lián)鎖，當(dāng)QS2閉合時，QS3不能合閘。

（11）當(dāng)工藝需要停機時，通過總控臺向變頻器發(fā)送“停機”指令，變頻器接受指令后封鎖變頻器輸出。

7、改造后節(jié)能對比

變頻改造之后實現(xiàn)了較為可觀的節(jié)電量，為公司的節(jié)能減排工作做出了較大的貢獻，降低了整個公司的生產(chǎn)成本，得到了客戶的一致認(rèn)可。

8、變頻改造優(yōu)勢

（1） 完美解決了大容量同步機的啟動問題；

（2） 節(jié)電，大大降低運行成本；

（3） 提高了機組自動裝置的穩(wěn)定性，為機組的經(jīng)濟優(yōu)化運行提供了可靠保證；

（4） 同步機的運行參數(shù)得到了改善，提高了運行效率；

（5） 可實現(xiàn)大功率同步機負(fù)載的變頻軟啟動，啟動峰值電流和時間大為減少，避免了因大啟動電流造成的絕緣老化及由于較大電動力矩造成對電機的機械沖擊，延長了電機的壽命，減少了對電機的維護工作量；

（6） 節(jié)流裝置全開，不僅達到了降耗節(jié)能的目的，同時還減小了管道系統(tǒng)的振動，使管道壓力波動減小，延長了管道的使用壽命和檢修周期及檢修的工作量，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定性得到改善；

（7） 頻率的調(diào)節(jié)性能優(yōu)越，有利于實現(xiàn)分散控制系統(tǒng)改造，進一步提高系統(tǒng)的優(yōu)化改造；

（8） 采用變頻調(diào)節(jié)，電動機轉(zhuǎn)速降低使環(huán)境噪音影響得到大大改善。

（9） 勵磁完全變頻控制，只需操作變頻器，一鍵啟動/停機，方便操作。

四、現(xiàn)場應(yīng)用照片

圖5：現(xiàn)場工作人員調(diào)試照片

圖6：現(xiàn)場電機照片

圖7：變頻系統(tǒng)整機圖

圖8：現(xiàn)場電機飛車啟動時定子電流及勵磁電流變化波形圖（動態(tài)勵磁控制）

五、結(jié)束語

      冶金行業(yè)歷來屬于高耗能行業(yè)，大功率電機數(shù)量巨大，常年工頻運行導(dǎo)致能源浪費嚴(yán)重，變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著地節(jié)能效果，且能夠改善運行工藝，達到多重改造效果，經(jīng)濟效益及社會效益顯著，燒結(jié)主抽風(fēng)機的變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較高的節(jié)能效果，還能夠?qū)崿F(xiàn)大功率同步電機的啟動調(diào)速問題。匯川技術(shù)HD93系列同步機專用高壓變頻器之所以能夠成功的改造此次大功率燒結(jié)主抽風(fēng)機，也是產(chǎn)品高性能、高可靠性的一個證明。

      匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對冶金行業(yè)的變頻改造具有獨到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品適用于冶金、電力、化工、市政等多個應(yīng)用領(lǐng)域。