榮信電力變頻器在無刷勵磁同步電機(jī)所驅(qū)動的燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

一、燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)變頻改造的意義

燒結(jié)的生產(chǎn)過程是經(jīng)配料和處理過的燒結(jié)料鋪到燒結(jié)機(jī)的臺車上，進(jìn)行點(diǎn)火和強(qiáng)制抽風(fēng)（靠主抽風(fēng)機(jī)抽風(fēng)產(chǎn)生負(fù)壓）的作用下燒結(jié)料中的燃料燃燒產(chǎn)生高溫使得局部軟化和融化發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)生成一定數(shù)量的液相，隨后由于溫度降低液相冷卻凝固成塊形成成品燒結(jié)料，隨后供給高爐進(jìn)行煉鐵，整個燒結(jié)料的生產(chǎn)過程中燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)占據(jù)著不可忽視的重要作用。

由于燒結(jié)出抽風(fēng)機(jī)負(fù)載的電機(jī)容量相對較大，普遍在于3000kW—10000kW不等，并且由于相關(guān)電網(wǎng)容量的限制，燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)負(fù)載一般無法進(jìn)行工頻直接起動?，F(xiàn)今國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)一般都采用水電阻或者高壓軟啟動器起動，工頻拖動的運(yùn)行方式，較少使用變頻器驅(qū)動。由于電機(jī)長期工頻運(yùn)行，加之長期利用風(fēng)門進(jìn)行相關(guān)的流量壓力調(diào)節(jié)，造成燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)運(yùn)行起來非常不經(jīng)濟(jì)；同時由于電機(jī)大多采取水電阻起動的方式，不僅達(dá)不到良好的起動效果，而且造成頻繁維護(hù)、頻繁更換電解液的情況，甚至起動過程中的“開鍋”“漏液”現(xiàn)象也時有發(fā)生，危害人員及設(shè)備的安全。在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊和磨損、風(fēng)機(jī)無法運(yùn)行在高效區(qū)等問題都會給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)問題。這對于構(gòu)建節(jié)約型社會，貫徹國家“十二五”節(jié)能減排計劃是不相符合的，對燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造對節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率、增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有非常現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。

高壓變頻調(diào)速是近年來興起的一門基于電力電子器件的新技術(shù)，它是將工頻電網(wǎng)進(jìn)行一系列的處理變換后輸出一種頻率可變、電壓可調(diào)的電能的技術(shù)，主要改工頻頻率來實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，因其具有調(diào)速精度高、范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)、dV/dt小、瞬態(tài)穩(wěn)定性高、節(jié)能等特性越來越被人們所重視，近年來也得到了廣泛的應(yīng)用。

二、項目概述

邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司(以下簡稱邢鋼)，是國內(nèi)最大規(guī)模的高端線材專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，全國五一勞動獎狀獲獎企業(yè)， 2008年“中國最佳誠信企業(yè)”和“全國鋼鐵工業(yè)先進(jìn)集體”，為國外法人獨(dú)資企業(yè)。

邢鋼實(shí)施“做精、做專、做強(qiáng)”發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)了從普鋼到精品鋼的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。作為高端線材專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，在全國長材生產(chǎn)企業(yè)中第一家配備了RH真空精煉爐，使用了鐵水預(yù)脫硫、輕壓下大方坯連鑄機(jī)等高端技術(shù)，現(xiàn)可生產(chǎn)出70多個鋼種600余個產(chǎn)品，形成了冷鐓鋼、預(yù)應(yīng)力鋼、焊接用鋼、簾線鋼、彈簧鋼、軸承鋼、機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼、硬線鋼、錨鏈鋼等十五大系列產(chǎn)品。邢鋼是國內(nèi)第一家可生產(chǎn)42mm全規(guī)格光面線材和盤卷螺紋的企業(yè)，成品精度可達(dá)±0.1mm。5條采用國際最先進(jìn)軋鋼技術(shù)的高速線材生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力300萬噸，實(shí)現(xiàn)了線材生產(chǎn)的專業(yè)化，可充分滿足用戶多品種、多規(guī)格、小批量、多頻次的需求。

邢鋼燒結(jié)機(jī)情況如下：

對于邢鋼第二燒結(jié)廠185mm2燒結(jié)線，燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)是其主要的生產(chǎn)設(shè)備，但由于其長期的工頻運(yùn)行，為了滿足燒結(jié)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生所需負(fù)壓、風(fēng)量，此風(fēng)機(jī)只能采取風(fēng)門調(diào)節(jié)的方式以犧牲風(fēng)機(jī)本身效率，改變管網(wǎng)的特性曲線來勉強(qiáng)維持生產(chǎn)的持續(xù)，實(shí)際工頻運(yùn)行電流可達(dá)650A，平均實(shí)際運(yùn)行壓力14.75KPA，平均實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量700000(m3/h)平均實(shí)際運(yùn)行風(fēng)門開度約75%見圖一。并且現(xiàn)場為西門子無刷勵磁同步電機(jī)。

圖1 邢鋼燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行電流

三、現(xiàn)場存在的問題

1、電機(jī)現(xiàn)有起動方式為西門子軟起動器起動，起動電流可達(dá)空載電流的2倍左右。見圖二現(xiàn)有系統(tǒng)接線方式

圖2 現(xiàn)有系統(tǒng)接線方式

2、擋板調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)處于低效率運(yùn)行區(qū)間，改變的是管網(wǎng)特性曲線，能源損耗嚴(yán)重。

圖3 工作性能曲線

3、工頻50HZ下長期運(yùn)行，機(jī)械損壞程度高，降低設(shè)備使用壽命。

4、自動化水平較低，人工干預(yù)程序多，整個運(yùn)行過程十分復(fù)雜。

5、現(xiàn)場維護(hù)量大。

6、無刷勵磁同步電機(jī)投勵量不可控，導(dǎo)致電機(jī)無法根據(jù)實(shí)際需求智能化投勵。

3、變頻改造方案

3.1改造后系統(tǒng)單線圖

根據(jù)提供的負(fù)載參數(shù)，對于6500kW電機(jī)，過載能力按照150%進(jìn)行核算（預(yù)估）出需配置的變頻器容量約為9000kVA，選擇與其對應(yīng)的榮信變頻器型號為：RHVC4000-A60/9000（額定容量9000kVA）完全滿足本系統(tǒng)調(diào)速的要求。 系統(tǒng)控制方案采用一拖一手動切換預(yù)案啟動系統(tǒng)工頻備用方式。

圖4 系統(tǒng)單線圖

3.2無刷勵磁同步電機(jī)解決方案

在主電動機(jī)上加裝變頻器；對給主電動機(jī)提供勵磁的勵磁裝置的控制部分進(jìn)行整體改造。

改造后的勵磁控制系統(tǒng)接收變頻器發(fā)出的勵磁給定指令, 從而控制勵磁隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速的增加而投入,無刷勵磁同步電動機(jī)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。無刷勵磁電機(jī)變頻起動前，勵磁電源加滿，使旋轉(zhuǎn)整流部分盡可能的產(chǎn)生足夠的備起電流，變頻器起動后，利用4-20mA信號跟蹤并輸出給新增勵磁控制系統(tǒng)，使勵磁機(jī)跟隨變頻器的起動需求投勵，在起動完成后，勵磁機(jī)時刻聽從變頻器的模擬量給定指令投勵以實(shí)現(xiàn)無刷勵磁同步電機(jī)的起動與調(diào)速過程。

圖5 傳統(tǒng)無刷勵磁同步電機(jī)組

圖6 無刷勵磁同步電機(jī)的整體調(diào)速裝置

無刷勵磁同步電機(jī)的整體調(diào)速裝置，其特征在于 ：

在主電動機(jī)上加裝變頻器 ；

對給主電動機(jī)提供勵磁的勵磁裝置的控制部分進(jìn)行整體改造,增設(shè)新的能與變頻器配合的無刷勵磁控制系統(tǒng)；

新增勵磁控制系統(tǒng)與變頻器；

增設(shè)新的能與變頻器配合的無刷勵磁控制系統(tǒng),使無刷勵磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。

3.3自動化控制方案

1.可通過上位機(jī)進(jìn)行變頻控制，監(jiān)控等。

2.電機(jī)電流、頻率反饋、電機(jī)軸承溫度，電機(jī)定子溫度等相關(guān)在線數(shù)據(jù)精確上傳至PLC，內(nèi)加安全隔離珊，安全隔離珊為一路兩出，保證原儀表顯示功能，并且在上位機(jī)顯示實(shí)時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)。

3．具備電機(jī)過熱保護(hù)功能，電機(jī)溫度報警值和故障停車值可在上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定。

4.上位機(jī)具備保留變頻故障，運(yùn)行時間，頻率等信息。

5. 上位機(jī)與plc采用TCP/IP的通訊模式，增強(qiáng)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊速率。

6.啟動方式一鍵式，操作建議，無需現(xiàn)場操作。

7.與用戶控制系統(tǒng)通訊，采集主抽風(fēng)機(jī)儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)和油站控制參數(shù)，參與變頻連鎖控制和上位機(jī)監(jiān)測。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦拢?/p>

圖7自動化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3.4變頻器配置方案

對于6kV變頻系統(tǒng)，榮信電力電子股份有限公司采用6級單元串聯(lián)設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)高壓直接輸出。每個功率單元由移相變壓器的一組二次側(cè)繞組供電，為三相輸入單相輸出的電壓源型結(jié)構(gòu)，每個單元承受全部輸出電流，但僅承受1/18的功率。功率器件采用原裝進(jìn)口的IGBT模塊，功率單元控制上采用目前應(yīng)用最成熟的PWM調(diào)節(jié)技術(shù)，功率輸出相同的基波電壓，但各單元的調(diào)制波錯開一定相位，使系統(tǒng)具有高的等效開關(guān)頻率和電平數(shù)，使極高的動態(tài)響應(yīng)能力，和最低的IGBT開關(guān)損耗，同時保證系統(tǒng)在不額外加裝輸入功率因數(shù)補(bǔ)償和輸出濾波器的情況下，輸出符合IEEE 519 1992及中國供電部門對電壓失真最嚴(yán)格的要求，高于國標(biāo)GB14549-93對諧波失真的要求。

圖8高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.4.1H橋功率單元原理

功率單元為交直交型式，核心功率器件采用德國英飛凌（原西門子）生產(chǎn)的高壓IGBT模塊，系統(tǒng)采用目前應(yīng)用最成熟的PWM調(diào)節(jié)方式，系統(tǒng)具有極高的動態(tài)響應(yīng)能力，和最低的IGBT開關(guān)損耗。

圖9 變頻功率單元原理示意圖

圖10 功率單元輸出波形

輸入端R、S、T接變壓器二次側(cè)繞組低壓輸出端，經(jīng)過三相全波整流橋后，形成直流電壓經(jīng)電容濾波后，供給由IGBT功率模塊組成的H橋逆變電路，通過接收光纖觸發(fā)信號，經(jīng)過PWM控制技術(shù)，控制A+、A-、B+、B-的導(dǎo)通和關(guān)斷，使其輸出單相脈寬調(diào)制波形。

4、變頻改造達(dá)到的效果

4.1節(jié)能效果

離心式或軸流式風(fēng)機(jī)、泵類流體設(shè)備屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，擬定變頻調(diào)速節(jié)能方案，依據(jù)相似定律：

f（頻率）∝n（轉(zhuǎn)速）∝Q（出口流量）

f（頻率）∝n（轉(zhuǎn)速）∝H1/2（出口壓力）

f（頻率）∝n（轉(zhuǎn)速）∝P1/3（軸功率即功耗）

整體節(jié)能核算統(tǒng)計如下表：

合計：經(jīng)核算,邢臺鋼鐵公司的一臺燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)，采用榮信電力電子股份有限公司的高壓變頻裝置進(jìn)行節(jié)能改造以后，一年共計可節(jié)省電量為： 520.6萬度，一年共計節(jié)省電費(fèi)： 312.4萬元

4.2其他效果

● 減少了對電網(wǎng)的沖擊

采用智能變頻節(jié)能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動，電機(jī)啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。

● 節(jié)能

利用智能變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能模式，可使電機(jī)以最高效率運(yùn)行，減少不必要的電能損耗；由于電機(jī)在高效率狀態(tài)下運(yùn)行，功率因數(shù)較高，降低了無功損耗，節(jié)約了大量電能。

● 噪音低

使用榮信變頻節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行時,機(jī)房平均噪音為70dB（A），由于噪音降低,改善了工作環(huán)境。

● 工作強(qiáng)度降低

由于榮信變頻節(jié)能控制系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)計算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證。

● 延長設(shè)備使用壽命

由于榮信變頻控制系統(tǒng)直接可以內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可開環(huán)運(yùn)行，可閉環(huán)運(yùn)行，具有保持恒定值的優(yōu)點(diǎn),使之壓力-轉(zhuǎn)速-功率達(dá)到動態(tài)匹配,轉(zhuǎn)數(shù)明顯降低,一般情況下,機(jī)械磨損減小,延長設(shè)備的使用壽命。

● 提高運(yùn)行可靠性

原電控系統(tǒng)與改造后電控系統(tǒng)可互為備用,提高了運(yùn)行可靠性,同時各項保護(hù)措施更加完善。

● 減小現(xiàn)場維護(hù)量

采用榮信高壓變頻裝置調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作，通常情況下，智能變頻節(jié)能控制系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命；同時極大的減輕了對管道和閥組的沖擊，有效延長了管道和閥組的檢修周期，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量的維護(hù)費(fèi)用。

綜上所述，燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)可以實(shí)時的對燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，實(shí)際上改變了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性曲線，大大的提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率；有效的解決了大型電機(jī)起動困難的問題；降低了現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行噪音；提高了整個燒結(jié)主抽系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動化水平；軟起動及軟調(diào)速大大提高了設(shè)備的使用壽命，有效的保護(hù)了電網(wǎng)；改善了原系統(tǒng)的高耗能狀態(tài)，更加有效的利用了能源，得到了可觀的節(jié)能效果。

四、 結(jié)論

在無刷勵磁同步電機(jī)所驅(qū)動的燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)上采用RHVC系列高壓變頻調(diào)速裝置，在技術(shù)上是完全可行的，在節(jié)約的經(jīng)濟(jì)效益上也是非?？捎^。并且在降低設(shè)備故障率、提高系統(tǒng)自動化水平和減少現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)量方面，高壓變頻調(diào)速裝置有著不可忽視的作用，在未來無刷勵磁同步電機(jī)所驅(qū)動的燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)的變頻改造將會越來越普及。