安江輝 郭皖輝 白麗霞

（寧波鋼鐵有限公司 浙江寧波）

一、概述

目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)430 m2燒結(jié)主排風機同步電機控制用高壓變頻系統(tǒng)，一直采用進口變頻器。進口變頻器與豪頓主排風機配套使用較多，具有工藝銜接好、自動化程度高、故障率低和設備占地面積小等優(yōu)點，但價格昂貴。相應的國產(chǎn)高壓變頻器尚處于試用研發(fā)階段，雖然主要元件選用進口件，但工藝集成度差，制造工藝、制造質(zhì)量均與進口產(chǎn)品有較大差距，優(yōu)點是價格較低，可降低投資成本。

經(jīng)調(diào)研國內(nèi)高壓變頻器的主要制造廠家、高壓變頻器在鋼鐵行業(yè)用戶，認為國產(chǎn)變頻器關(guān)鍵元器件仍采用進口，雖然在國內(nèi)應用較少，但使用中未出現(xiàn)大問題，可通過成立專家組加強技術(shù)支撐、進行周密的設計、監(jiān)控設備制造質(zhì)量、周密的設備A檢等手段，避免國產(chǎn)變頻器可能出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)降低采購成本和電耗的目的。

二、主排風機高壓變頻系統(tǒng)

1.工作原理

圖1 變頻器系統(tǒng)單線圖

寧波鋼鐵有限公司兩臺主排風機采用英國豪頓離心式風機（風量21 000 m3/h），同步電機為進口西門子電機（功率7800 kW、額定電壓10 kV）。經(jīng)技術(shù)論證，選用廣州智光電氣股份有限公司進行設計生產(chǎn)7800 kW同步電機高壓變頻器（輸入電壓10 kV，額定容量10 000 kV·A，采用10級模塊串聯(lián)，交直交、高—高方式）。在燒結(jié)主控室通過調(diào)節(jié)主排風機轉(zhuǎn)速或入口擋板開度滿足工藝對風箱負壓、風量的需求，穩(wěn)定生產(chǎn)?？紤]到該系統(tǒng)對整個燒結(jié)線生產(chǎn)的重要性，采用2臺同步電機—拖一變頻驅(qū)動、互為備用工頻運行的動力系統(tǒng)（圖1）?？杀ＷC在1臺變頻器故障時，無需停產(chǎn)，主抽風機能夠無擾動切換至工頻電網(wǎng)運行，通過調(diào)節(jié)入口擋板，滿足燒結(jié)機平穩(wěn)生產(chǎn)的需要。圖1中QF—高壓開關(guān)，TF—變頻器，QF1—I段母線饋電進線開關(guān)，QF2—Ⅱ段母線饋電進線開關(guān)，QF0—兩端母線的聯(lián)絡開關(guān)，GN—兩端母線的聯(lián)絡隔離開關(guān)。

（1）1#主排風機電機運行模式。①Q(mào)F101—QF10—TF1—QF111—M1電機，為變頻運行模式，TF1正常時采用該模式；②QF201—QF20—TF2—QF112—M1電機，為變頻運行模式，TF1故障時采用該模式；③QF103—QF11—M1電機，為工頻運行模式。

（2）2#主排風機電機運行模式。①Q(mào)F102—QF20—TF2—QF211—M2電機，為變頻運行模式，TF2正常時采用該模式；②QF202—QF10—TF1—QF212—M2電機，為變頻運行模式，TF2故障時采用該模式；③QF203—QF21—M2電機，為工頻運行模式。

正常情況下，電機運行于模式①。當其中一臺變頻設備故障時，另一臺正常運行的變頻器將原先驅(qū)動的同步電機投入工頻電網(wǎng)，即運行于模式③，然后驅(qū)動故障設備所在電機運行于模式②。模式①至模式③切換過程中，系統(tǒng)自動檢測調(diào)整變頻器輸出電源電壓、頻率、相位與網(wǎng)側(cè)電壓、頻率、相位相一致，并計算合閘時機，操作峰值＜1.2In。與此同時，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)主抽風機入口擋板開度與變頻轉(zhuǎn)速之間關(guān)系，保持主抽風機在由變頻切換至工頻時風道風壓、風量實現(xiàn)平穩(wěn)切換，不影響燒結(jié)線正常生產(chǎn)。變頻器故障排除后，在盡量不影響正常生產(chǎn)情況下，將電機由模式③切換至模式①。更重要的是解決了1臺變頻器故障狀態(tài)下，兩臺大容量電機的啟動問題。

2.變頻器設計選型

經(jīng)考察國內(nèi)大功率高壓變頻器在燒結(jié)廠的使用情況，發(fā)現(xiàn)變頻器工作原理基本成熟，但有些變頻器投入正常使用時間較長或運行不穩(wěn)定，諧波對電網(wǎng)波動影響大，影響燒結(jié)線生產(chǎn)。同時，變頻器存在功率較大、外形尺寸大、發(fā)熱和散熱等突出問題。為此，結(jié)合寧鋼工況，采取以下方案。

（1）同步電機采用采購一拖一變頻驅(qū)動，互為備用工頻的工作模式，在本身具有工頻備用線路的前提下，又互為備用工頻。同時，提高變頻器額定負載安全系數(shù)，在9級功率模塊串聯(lián)基礎上，再增加1個功率模塊，以增加系統(tǒng)冗余量，降低單元工作電壓，單元故障旁路情況下帶載能力更強，確保燒結(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)。

（2）變頻器采用60脈沖代替54脈沖，減少諧波含量。

（3）變頻器輸出電壓由0～11 kV（輸出上限可設定）代替輸出電壓0～10 kV，便于實現(xiàn)同步切換，可保證短時過負荷情況下變頻器安全運行。

（4）整體考慮變頻器的冷卻系統(tǒng)與變頻器設計，變頻器的移相變壓器采用風道外循環(huán)冷卻，功率單元體采用閉循環(huán)的空水冷卻方式（圖2）。這樣降低了對冷卻水量的要求和運營成本，從根本上解決單位散熱密度高、發(fā)熱功率大、通風速度快，外界條件對變頻器可靠穩(wěn)定性的影響等問題。此外，為應對夏季溫度較高，空水冷卻不明顯的問題，在變頻器室加裝大功率空調(diào)（圖3），一方面增加夏季冷卻效果，另一方面做為冷卻系統(tǒng)故障時的備用方案。

圖2 空氣水冷器

圖3 變頻器冷卻系統(tǒng)

（5）變頻器柜體采用前后開門，內(nèi)部實現(xiàn)模塊化，接線簡單、操作簡便。

（6）借鑒國內(nèi)其他鋼廠的使用情況，將控制柜操作面板設計在功率柜的側(cè)端面，在不改變柜體及空間布置情況下，擴大操作空間，便于檢查、維護變頻器。

3.變頻器試運轉(zhuǎn)

考慮到本次使用的變頻器在國內(nèi)無使用先例，為了保證可靠性，變頻器制造完畢后，在制造廠進行了1∶1的動態(tài)帶載試驗，實現(xiàn)額定10 kV電壓下成套設備額定輸出電流（600 A）的整體運行與測試，并確保變頻系統(tǒng)帶載試驗＞72 h，檢驗項目包括、輸出電壓諧波、輸出電壓波形、飛車重啟功能、變頻轉(zhuǎn)工頻、保護功能、單元旁路試驗等。

三、應用效果

主排風機同步電機高壓頻器于2012年11月投入使用至今，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，變頻無級調(diào)速滿足要求、工頻變頻可以成功切換、總諧波量＜4%，變頻裝置運行率指標≥99.8%，系統(tǒng)溫升在正常范圍內(nèi)。比較風機不同工作模式下的耗電量，風機在變頻模式下工作時，用電量比工頻模式下節(jié)約41%，全年平均節(jié)電2000多萬元。此次變頻器的成功使用對同類超大功率高壓變頻器在燒結(jié)機主排風機上的應用具有推廣價值。