（濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)公司 煉鐵廠燒結(jié)自動(dòng)化部，山東 濟(jì)南 250101）

1 引言

在2009年前，對(duì)于大功率同步電機(jī)（5 600kW等級(jí)），比如煉鐵燒結(jié)工序的主抽同步電機(jī)，使用國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的還沒(méi)有成功先例。決定因素有2個(gè)：1）變頻器的主要元器件質(zhì)量；2）針對(duì)同步電機(jī)的控制，要求變頻器有完善的功能和關(guān)鍵技術(shù)。

濟(jì)鋼煉鐵廠大燒結(jié)區(qū)域由1臺(tái)320m2燒結(jié)機(jī)和1臺(tái)400m2燒結(jié)機(jī)組成。兩燒結(jié)機(jī)分別對(duì)應(yīng)2臺(tái)燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)，各配套2臺(tái)同步電機(jī)，電機(jī)功率分別為5 600kW，7 500kW，都是10kV電壓等級(jí)。其中，400m2燒結(jié)機(jī)于2009年9月投產(chǎn)，主抽風(fēng)機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)為高壓變頻調(diào)速，投用至今；320m2燒結(jié)機(jī)于2005年9月投產(chǎn)，投產(chǎn)初期，主抽風(fēng)機(jī)通過(guò)使用擋板調(diào)節(jié)開(kāi)度大小來(lái)控制風(fēng)量，啟動(dòng)同步電機(jī)采用液阻軟啟動(dòng)方式，2010年進(jìn)行了高壓變頻改造，投用至今。7 500kW同步電機(jī)變頻調(diào)速為國(guó)產(chǎn)品牌于大功率同步電機(jī)變頻調(diào)速的首次應(yīng)用，5 600kW同步電機(jī)變頻調(diào)速為國(guó)內(nèi)同等級(jí)同步電機(jī)的首次改造。兩處變頻調(diào)速的應(yīng)用都極具代表性。

2 應(yīng)用

2.1 7 500kW同步電機(jī)變頻應(yīng)用方案

整個(gè)系統(tǒng)由2臺(tái)高壓變頻器、11臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜、2臺(tái)電抗器柜、2臺(tái)勵(lì)磁柜組成。其主回路圖如圖1所示。在圖1中，QF1～QF11為高壓開(kāi)關(guān)柜，TF1，TF2為高壓變頻器，M1，M2為2臺(tái)同步電機(jī)。

圖1 7 500kW主抽同步電機(jī)主回路圖Fig.1 Main circuit of 7 500kW synchronous motor for exhaust fan

實(shí)現(xiàn)功能如下：TF1可以拖動(dòng)M1變頻運(yùn)行；TF2可以拖動(dòng)M2變頻運(yùn)行；TF1可以拖動(dòng)M2變頻運(yùn)行；TF2可以拖動(dòng)M1變頻運(yùn)行；當(dāng)變頻運(yùn)行的電機(jī)運(yùn)行至50Hz時(shí)，可以切換至工頻運(yùn)行。2套變頻器的控制由獨(dú)立的1臺(tái)協(xié)調(diào)控制柜實(shí)現(xiàn)。

2.2 5 600kW同步電機(jī)變頻應(yīng)用方案

2.2.1 改造前

改造前同步電機(jī)的啟動(dòng)采取液阻軟啟動(dòng)方式，通過(guò)調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度來(lái)控制風(fēng)量大小。改造前的主回路圖如圖2所示。

圖2 5 600kW主抽同步電機(jī)改造前主回路圖Fig.2 Main circuit of 5 600kW synchronous motor for exhaust fan before rebuild

2.2.2 改造后

改造后，保留原液阻軟啟動(dòng)裝置及原高壓柜，加上變頻器的進(jìn)線高壓柜、出線高壓柜、旁路高壓柜以及勵(lì)磁柜，構(gòu)成新的高壓一次系統(tǒng)，改造后的主回路圖如圖3所示。

實(shí)現(xiàn)功能如下：一般情況下使用高壓變頻器TF1和TF2完成同步電機(jī)的啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，同步電機(jī)工作在變頻狀態(tài)；當(dāng)某臺(tái)變頻器檢修或者故障情況下，使用原有液阻軟啟動(dòng)器完成同步電機(jī)啟動(dòng)，同步電機(jī)工作在工頻狀態(tài)。2臺(tái)同步電機(jī)的啟停包括變頻器的控制由1臺(tái)獨(dú)立的協(xié)調(diào)控制柜完成。

圖3 5 600kW主抽同步電機(jī)改造后主回路圖Fig.3 Main circuit of 5 600kW synchronous motor for exhaust fan after rebuild

2.3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓變頻器本身采用市場(chǎng)上成熟的單元串聯(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。為協(xié)調(diào)各高壓柜動(dòng)作、勵(lì)磁柜的投切、高壓變頻器控制以及高壓變頻器附屬冷卻設(shè)施等的工作，設(shè)置了協(xié)調(diào)控制柜（PLC柜），以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。這樣，由高壓開(kāi)關(guān)柜、高壓變頻器、協(xié)調(diào)控制柜、勵(lì)磁系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成了整個(gè)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。

由于兩處應(yīng)用1個(gè)為新建項(xiàng)目，1個(gè)為改造項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)的同步電機(jī)功率不同，所以方案不同，高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必定有所區(qū)別。系統(tǒng)組成的確定來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和具體的應(yīng)用方案，這里只是提供參考。

2.4 應(yīng)用分析

2.4.1 產(chǎn)品質(zhì)量

目前國(guó)內(nèi)外流行的高壓變頻器多為功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，每個(gè)功率單元通過(guò)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。功率單元的內(nèi)部元器件的質(zhì)量是變頻器應(yīng)用選型首先應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

2.4.2 關(guān)鍵技術(shù)

三相電壓的中心點(diǎn)漂移技術(shù)。當(dāng)某個(gè)功率單元故障時(shí)，變頻器旁路此故障功率單元，同時(shí)，將三相電壓的中心點(diǎn)進(jìn)行漂移，以保證三相輸出電壓對(duì)稱。中心點(diǎn)漂移后，相位角調(diào)整，輸出電壓對(duì)稱，能維持生產(chǎn)，可減少突然停機(jī)造成的損失。此技術(shù)也是保證質(zhì)量的一個(gè)方法。

同步投切技術(shù)。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(shù)，將變頻器輸出電壓參考電網(wǎng)電壓進(jìn)行幅值、頻率、相位的同期后，由變頻器和工頻電網(wǎng)同時(shí)向負(fù)載并聯(lián)供電，并根據(jù)工況投切過(guò)程的需要，完成負(fù)載在變頻器和工頻電網(wǎng)間的轉(zhuǎn)移，最終使負(fù)載獨(dú)立工作在工頻或變頻運(yùn)行狀態(tài)。此技術(shù)為各種方案設(shè)計(jì)提供了支持。

不同于異步電機(jī)，同步電機(jī)的變頻控制，還需要解決以下問(wèn)題：?jiǎn)?dòng)整步問(wèn)題，旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)中需要磁場(chǎng)位置識(shí)別，勵(lì)磁的給定方式和自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)題以及故障保護(hù)下的緊急滅磁等。都需要高壓變頻器具有先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行解決。

2.4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定

主抽風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行直接決定著燒結(jié)的正常生產(chǎn)，所以系統(tǒng)的穩(wěn)定是第1位的。不論是7 500 kW主抽同步電機(jī)的變頻設(shè)計(jì)還是5 600kW主抽同步電機(jī)變頻改造，在變頻器質(zhì)量可靠和技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，都從系統(tǒng)穩(wěn)定方面做了詳細(xì)的考慮：7 500kW主抽同步電機(jī)變頻應(yīng)用中，一臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題，另一臺(tái)變頻器可將頻率提至50 Hz，將同步電機(jī)甩入工頻運(yùn)行，然后用此變頻器對(duì)原故障變頻器拖動(dòng)的同步電機(jī)進(jìn)行控制；5 600 kW主抽同步電機(jī)變頻改造中，保留了液阻軟啟動(dòng)裝置作為備用工頻手段，當(dāng)一臺(tái)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，由變頻控制切換為工頻控制。通過(guò)這些設(shè)計(jì)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

2.4.4 附屬設(shè)施

區(qū)別于異步電機(jī)，同步電機(jī)有油站、空水冷等附屬設(shè)施，同步電機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用前后，這些附屬設(shè)施都需要相應(yīng)改造，以適應(yīng)不同工況。而隨著高壓變頻器功率的加大，冷卻問(wèn)題顯得愈加突出，冷卻效果直接影響著變頻器的穩(wěn)定。根據(jù)我廠實(shí)際，采取空水冷系統(tǒng)，相對(duì)于其他冷卻方式，這種方式更加穩(wěn)定可靠。

2.4.5 管理模式

隨著國(guó)家節(jié)能減排工作的深入進(jìn)行，一種新的財(cái)務(wù)管理方法—— 合同能源管理被不斷推廣。合同能源管理（EMC），就是專(zhuān)業(yè)的節(jié)能服務(wù)公司通過(guò)能源服務(wù)合同為客戶企業(yè)提供能源診斷、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)選擇、項(xiàng)目融資、設(shè)備采購(gòu)、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)、人員培訓(xùn)、節(jié)能量監(jiān)測(cè)、節(jié)能量跟蹤等一整套系統(tǒng)的財(cái)務(wù)管理方法。不用資金投入，即可完成節(jié)能技術(shù)改造；合同期內(nèi)，支付全部來(lái)自項(xiàng)目效益；合同結(jié)束后，節(jié)能設(shè)備和全部節(jié)能效益歸企業(yè)；EMC為企業(yè)承擔(dān)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。本文的兩處變頻調(diào)速應(yīng)用都采取EMC模式。

3 應(yīng)用效果及結(jié)論

3.1 調(diào)速

變頻調(diào)速是真正意義上的無(wú)級(jí)調(diào)速，與傳統(tǒng)的同步電機(jī)啟動(dòng)方式相比，變頻啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊幾乎可以忽略不計(jì)。改變傳統(tǒng)的風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)量方式，由控制頻率來(lái)完成風(fēng)量調(diào)節(jié)，控制更加精確。

3.2 功能

同步電機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速，使整個(gè)主抽系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，功能更加完善，如實(shí)現(xiàn)了“飛車(chē)”啟動(dòng)功能，即同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程未停穩(wěn)的情況下啟動(dòng)；使工／變頻的自由切換成為可能。大大減少了停機(jī)時(shí)間。

3.3 節(jié)能

無(wú)疑，主抽同步電機(jī)相對(duì)其它風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，有著更大的節(jié)能空間。應(yīng)用變頻調(diào)速，風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)風(fēng)量方式變?yōu)檎{(diào)節(jié)頻率（轉(zhuǎn)速）方式，節(jié)能效果顯著。以5 600kW同步電機(jī)為例，改造前后應(yīng)用數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 5 600kW同步電機(jī)改造前后參數(shù)對(duì)比表Tab.1 Parameters contrast about rebuild of 5 600kW synchronous motor

由表1數(shù)據(jù)可以看出，電機(jī)利用效率、功率因數(shù)顯著提高；根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)各次諧波電流均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波電流，電壓畸變率＜3%；節(jié)電率達(dá)22%；年節(jié)電約1 800萬(wàn)kW·h，節(jié)能效果顯著。

主抽同步電機(jī)有著廣闊的節(jié)能空間，隨著高壓變頻器質(zhì)量和技術(shù)的不斷提高，國(guó)產(chǎn)變頻器應(yīng)用于同步電機(jī)的案例將越來(lái)越多，僅以濟(jì)鋼煉鐵廠應(yīng)用為例，為同步電機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)用提供參考。

［1］袁立新.關(guān)于燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)節(jié)能及同步或異步電機(jī)變頻調(diào)速［J］.燒結(jié)球團(tuán)，2010，35（2）：10－13.

［2］王靜.高壓大中型風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能淺析［J］.攀鋼技術(shù)，2002，25（3）：104－107.

［3］李長(zhǎng)利，葉正文，陳海宗，等.濟(jì)鋼第二煉鐵廠燒結(jié)除塵風(fēng)機(jī)電氣節(jié)能改造［J］.河南冶金，2009，17（2）：32－35.