產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在主抽風機同步電機上的應用
1引言
主抽風機是燒結廠最重要的設備之一，其作用是利用風機抽風產生的負壓將燒嘴噴出的火焰引至燒結料中，使其充分燃燒，生成合格的燒結礦。因此其運行中的各項參數，對燒結礦的質量有很大的影響，同時，該風機電機又是耗能大戶，其電耗高達整個燒結生產線的三分之二。因此，實現對主抽風機各項參數，特別是風量、風壓的合理的控制，是燒結廠提高生產效率、降低消耗的重要手段之一。目前濟南庚辰鋼鐵有限公司主抽風機配備為同步電機，電機工頻啟動采用串液水阻柜啟動方式，采用控制風門開度的方式，來實現主抽風機風量的調節，這種控制方式運行效率低下。
（1）無法實現風機的實時調整，滿足不了生產過程中需要根據燒結工藝參數進行隨時調節風量的要求。
（2）電機始終處于額定轉速運行，運行效率低。
（3）水阻啟動柜無法實現真正意義上的軟啟動功能，且由于水電阻溫度的限制，連續啟動次數不允許超過3次。
鑒于以上問題，現在高壓大功率變頻器技術越來越成熟，鋼鐵廠領導決定采用高壓變頻器來調節風機電機的運行轉速，以提高風機的運行效率。
廠領導經過多方調研、比較，決定采用新風光電子科技股份有限公司生產的同步電機高壓變頻器JD-BP37-5600F（5600kW/6kV），對其燒結系統主抽風機進行變頻節能控制。
2 設備參數
該廠燒結系統主抽風機電機額定電壓6kV，額定功率4200kW，具體參數如表1所示。
表1 主抽風機參數 | ||
設備 | 分類 | 參數 |
電機參數 | 廠家 | 上海電機廠 |
型號 | T4200-4 | |
額定電壓 | 6000V | |
額定電流 | 465A | |
額定功率 | 4200 kW | |
功率因數 | 0.9 | |
接法 | Y | |
額定轉速 | 1500r/min | |
勵磁電壓 | 46V | |
根據現場設備參數及工藝為客戶選配的高壓變頻器JD-BP37-5600F技術參數如表2所示。
表2 風光高壓變頻器基本參數 | ||
序號 | 名 稱 | 參數 |
1 | 型式及型號 | 高-高方式JD-BP37-5600F |
2 | 技術方案 | 多電平串聯、電壓源型、高高方式 |
3 | 系統輸入電壓（kV） | 6 |
4 | 系統輸出電壓（kV） | 0～6kV |
5 | 系統輸出電流（A） | 673 |
6 | 額定輸入頻率/允許變化范圍 | 45-55Hz |
7 | 對電網電壓波動的敏感性 | +10%~-10%滿載輸出；降低35%以內降額連續運行；輸入電壓波動到額定電壓65%以下或突然停電在3秒內恢復可立即再啟動 |
8 | 變頻電源效率 | >96％(額定輸出時，含變壓器) |
9 | 輸入輸出電流諧波 | <3％ |
10 | 輸入側功率因數 | >0.98（20％負載以上） |
11 | 控制方式 | 多級正弦PWM控制 |
12 | 整流形式 | 二極管全橋整流 |
13 | 逆變形式 | IGBT單相逆變 |
14 | 過載能力 | 120％1min，150%3s |
15 | 模擬量信號(輸入)規格及數量 | 工業標準信號：4～20mA 3路 |
16 | 模擬量信號(輸出)規格及數量 | 工業標準信號：4～20mA 4路 |
17 | 防護等級 | IP31 |
18 | 操作鍵盤 | 人機界面 |
19 | 界面語言 | 簡體中文 |
3主回路改造方案
根據現場負載情況，配置由新風光公司生產的高壓變頻器JD-BP37-5600F，主回路采用一拖一手動旁路方案。改造后，保留原液阻軟啟動裝置及原高壓柜，改造后的主回路如圖1所示。
圖1 主回路方案
變頻運行方式：QF為用戶側高壓開關柜，其中變頻器旁路柜QS1、QS2、QS3為隔離開關, QS1、QS2與QS3之間有電氣互鎖。手動旁路柜變頻勵磁柜與變頻器配套提供，電機及用戶側高壓斷路器QF保留甲方原有設備。
變頻運行時，QS3斷開，變頻勵磁系統可以利用新風光同步勵磁控制系統，QS1與QS2閉合，將勵磁刀閘切換到變頻勵磁系統。變頻器上電時，斷路器QF閉合，新風光高壓變頻器啟動時，以電勵磁同步機矢量控制方式拖動同步電機啟動。
變頻停機時，從現場向變頻器下達“停機”命令，變頻器驅動同步電機減速至完全停機，然后停止輸出電壓電流。最后在現場分斷斷路器QF，由其輔助觸點通知勵磁裝置滅磁，滅磁完成后關閉勵磁裝置電源。遇到故障時，變頻器在停止電壓電流輸出的同時，立即分斷上級斷路器QF，由變頻器主控通知勵磁裝置滅磁，然后投到工頻運行。
工頻運行時，QS1、QS2斷開，將勵磁刀閘切換到工頻勵磁系統；QS3閉合，水阻軟起裝置投入工頻回路，同步電機的啟動、運行、停機過程按照原有邏輯進行。
4 高壓變頻器在同步機上的技術保證
風光高壓變頻器除了具有一般的高壓變頻功能外，還具有矢量控制技術、星點漂移技術、同步投切技術等，為保證高壓變頻器控制同步電機提供了有力保障。
（1）星點漂移技術：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出，提高了變頻器的可靠性。
（2）同步投切技術：在變頻器輸出能力足夠的情況下，利用電壓跟蹤和鎖相技術，將變頻器輸出電壓參考電網電壓進行幅值、頻率、相位的同期后，由變頻器和工頻電網同時向負載并網供電，并根據工況投切過程的需要，完成負載在變頻器和工頻電網間的轉移，最終使負載獨立工作在工頻或變頻運行狀態，此技術為各種方案設計提供了支持。
不同于異步電機，同步電機的變頻控制，還需要解決以下問題：啟動整步問題，旋轉啟動中需要磁場位置識別，勵磁的給定方式和調節問題以及故障保護下的緊急滅磁等，都需要高壓變頻器具有先進的技術進行解決。
5 高壓變頻器同步電機的調試
5.1變頻器與勵磁柜的連線
高壓變頻調速系統與勵磁柜連接關系如圖2所示。
圖2 變頻器與勵磁柜連線
變頻器系統輸出給勵磁柜信號：
（1）勵磁電流調節給定（4-20mA模擬量信號）：變頻器給定到勵磁柜，通過4-20mA電流控制勵磁柜輸出勵磁電流的大小。（注：有的勵磁柜通過接收增、減勵磁常開觸點信號來控制勵磁電流大小，通常是4-20mA模擬量）
（2）變頻器啟動信號（常開觸點）：變頻器給到勵磁柜啟動信號，勵磁柜開始投勵磁。
（3）變頻器故障信號（常開觸點）：變頻器在運行過程中出現故障時，將故障信號給定到勵磁柜，勵磁系統進行停機滅磁。
（4）工頻運行信號（常開觸點）：變頻器給到勵磁柜工頻運行信號指示。工頻運行信號有效時，勵磁柜按照工頻運行的邏輯執行；工頻運行信號無效時，即處于變頻運行狀態，勵磁柜執行變頻運行邏輯。
勵磁柜輸出給變頻器系統信號：
（1）實測勵磁電流（4-20mA模擬量信號）：勵磁柜向變頻器傳輸實際輸出的勵磁電流。
（2）勵磁就緒信號（常開觸點）：勵磁柜自檢無故障，具備投勵要求，此時勵磁柜向變頻器輸出勵磁就緒信號。
（3）勵磁故障信號（常開觸點）：勵磁柜本身出現故障，勵磁柜將該信號傳給變頻器。
（4）勵磁啟動信號（常開觸點）：變頻器給到勵磁柜開機信號，勵磁柜執行命令開機運行后，反饋給變頻器勵磁啟動信號。
根據以上對信號的說明，測試常開點和常閉點的狀態。
5.2 開關邏輯、模擬量、勵磁電流等參數調試
（1）調試和勵磁柜之間的信號邏輯調試：通控制電，模擬調試開關量信號，變頻器報出勵磁柜開機異常，此時為變頻器停機，工頻運行狀態。與勵磁柜廠家溝通，要求勵磁柜廠家修改邏輯，無論變頻或者工頻運行狀態下，勵磁柜都要返回開機信號，修改邏輯后，調試正常。
（2）調試模擬量信號：4-20mA給定勵磁柜勵磁電流信號，勵磁柜廠家不斷調整，勵磁電流很難對準，后放棄小電流對應，直接對應250A以上勵磁電流，調整對應關系基本正常，偏差在10A以內。調試反饋勵磁電流，電流信號同樣從250A開始對應，基本線性對應。
（3）工變頻邏輯調試：使用外部單獨一塊主控板發送電網電壓數據，模擬調試工變頻轉換的邏輯，并觀察勵磁電流的變化，邏輯正常，勵磁電流轉工頻時有個突然變大的趨勢，通過與勵磁柜廠家溝通，轉工頻設置的為投強勵，可以修改勵磁電流數值，可以設置為與變頻器轉工頻時勵磁電流數值相當的值。將大線進行核對后，上高壓調試轉換邏輯，轉工頻和轉變頻邏輯正常。
（4）帶載調試：連接電機，設置變頻器參數，變頻器啟動使用多段VF，轉矩提升設為0.6， 5.0Hz為1.5，8.0Hz為1.3，12.0Hz為1.0，中間頻率線性過渡。空電機啟動，啟動低頻電流最大達到450A。啟動電流比較大，但是可以正常啟動。電流無劇烈震蕩變化。
電機運行10分鐘后，停機，廠家連接連軸器，帶風機運行，變頻器啟動使用多段VF，轉矩提升設為0.6， 5.0Hz為1.4，8.0Hz為1.3，12.0Hz為1.0，變頻器開機運行正常。啟動低頻電流最大達到350A。啟動正常，電流變化拐點在9Hz。
風機運轉，現場開始投產，運行到45Hz，功率為3000kW左右。
（5）工變頻切換
將工頻旁路柜的小車搖進去，進行轉換，變頻器與電網在轉換過程中存在共存情況，轉過過程中的電流波形如圖3所示（100A/1V）。電流峰值在200A，有效值為140A，電機額定電流為464A。電流不大，說明變頻器輸出角度與電網角度基本一致。
圖3（a） 圖3（b）
連接電機線，試驗空電機的情況，轉工頻時電流波形如圖4所示。CH1為變頻器輸出電流，500A/5V，CH2為電機端電流，500A/500mV。轉工頻時變頻器輸出電流有效值約106A，與電網共存時電流變小。電機端電流稍微變大，與之前有1.1倍變化，又恢復正常。轉換時，勵磁柜投0.9倍的勵磁電流，之后勵磁電流恢復變頻器給定勵磁電流。
圖4（a） 圖4（b）
轉變頻試驗，轉變頻時電流波形如圖5所示。CH1為變頻器輸出電流，500A/5V，CH2為電機端電流，500A/500mV。轉換時，勵磁電流由工頻運行控制勵磁電流，保持勵磁電流不變，轉換完畢后，勵磁電流由變頻器控制勵磁電流。勵磁電流的初始值為工頻控制時的最后時刻的勵磁電流大小。轉換時輸出電流沒有突變。
圖5（a） 圖5（b）
現場連接連軸器，進行帶風機的試驗。試驗風機轉換時，風門全部關閉。轉工頻時電流波形如圖6所示。CH1為變頻器輸出電流，500A/5V，CH2為電機端電流，500A/500mV。轉工頻時變頻器輸出電流有效值約220A，與電網共存時電流變小。電機端電流稍微變大，與之前有1.1倍變化，又恢復正常。
圖6（a） 圖6（b）
轉變頻試驗。CH1為變頻器輸出電流，500A/5V，CH2為電機端電流，500A/500mV。轉換時，勵磁電流由工頻運行控制勵磁電流，保持勵磁電流不變，轉換完畢后，勵磁電流由變頻器控制勵磁電流。勵磁電流的初始值為工頻控制時的最后時刻的勵磁電流大小。第一次轉換，出現失敗，多個單元出現單元過壓，波形如圖7所示。
圖7（a） 圖7（b）
根據電流分析，變頻器輸出電流與電機電流相反，正好給變頻器充電導致變頻器過壓保護，變 頻器輸出角度滯后，將變頻器輸出角度補償增加3度，轉變頻功能試驗3次，均成功，電流波形如圖8所示。電流沒有突變。
圖8（a） 圖8（b）
轉變頻完畢后，電抗器從串入回路到從回路中切除的電流變化如圖9所示。電流變化不大，工變頻切換過程中，電機及現場工藝沒有發現異常。
圖9
試驗至此，現場人員表示試驗很成功。
6高壓變頻器節能情況
主抽風機同步電機相對其他風機來說，有著更大的節能空間，該高壓變頻器于2016年5月19日投入生產，至今運行正常，改造達到了預期目的。
表3 4200kW/6kV同步電機改造前后參數對比表 | ||
運行參數 | 運行電流（A） | |
改造前 | 風門開度50%左右 | 320.7 |
改造后 | 風門開度100% 運行頻率40Hz | 240.5 |
根據上表數據計算得知，4200kW燒結風機節電率達到25.0%。該套設備平均每年運行300天以上，每天以24小時計算，電費以0.41元/度計算，年節約費用高達：300*24*（3000.1-2249.3）*0.41=221.6萬元。
7 結束語
新風光電子科技股份有限公司生產的高壓變頻器在濟南庚辰鋼鐵有限公司主抽風機改造是成功的，改造后，主抽風機實現了軟起軟停止，可以對主抽風機根據生產需要進行調速控制，大大降低了電機運行電流，具有顯著的經濟效益和社會效益，為大量高壓同步電機負載節能提供了新的改造途徑。
