一、燒結主抽風機變頻改造的意義

燒結的生產(chǎn)過程是經(jīng)配料和處理過的燒結料鋪到燒結機的臺車上，進行點火和強制抽風（靠主抽風機抽風產(chǎn)生負壓）的作用下燒結料中的燃料燃燒產(chǎn)生高溫使得局部軟化和融化發(fā)生一系列物理化學反應生成一定數(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料，隨后供給高爐進行煉鐵，整個燒結料的生產(chǎn)過程中燒結主抽風機占據(jù)著不可忽視的重要作用。

由于燒結出抽風機負載的電機容量相對較大，普遍在于3000kW—10000kW不等，并且由于相關電網(wǎng)容量的限制，燒結主抽風機負載一般無法進行工頻直接起動。現(xiàn)今國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)燒結主抽風機一般都采用水電阻或者高壓軟啟動器起動，工頻拖動的運行方式，較少使用變頻器驅動。由于電機長期工頻運行，加之長期利用風門進行相關的流量壓力調節(jié)，造成燒結主抽風機運行起來非常不經(jīng)濟；同時由于電機大多采取水電阻起動的方式，不僅達不到良好的起動效果，而且造成頻繁維護、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，危害人員及設備的安全。在機械上產(chǎn)生劇烈沖擊和磨損、風機無法運行在高效區(qū)等問題都會給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟問題。這對于構建節(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，對燒結主抽風機進行變頻改造對節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率、增加企業(yè)的經(jīng)濟效益都具有非?，F(xiàn)實的經(jīng)濟意義和社會意義。

高壓變頻調速是近年來興起的一門基于電力電子器件的新技術，它是將工頻電網(wǎng)進行一系列的處理變換后輸出一種頻率可變、電壓可調的電能的技術，主要改工頻頻率來實現(xiàn)速度的調節(jié)，因其具有調速精度高、范圍廣、穩(wěn)定性強、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用。

二、項目概述

邢臺鋼鐵有限責任公司(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)先進集體”，為國外法人獨資企業(yè)。

邢鋼實施“做精、做專、做強”發(fā)展戰(zhàn)略，實現(xiàn)了從普鋼到精品鋼的戰(zhàn)略轉移。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，使用了鐵水預脫硫、輕壓下大方坯連鑄機等高端技術，現(xiàn)可生產(chǎn)出70多個鋼種600余個產(chǎn)品，形成了冷鐓鋼、預應力鋼、焊接用鋼、簾線鋼、彈簧鋼、軸承鋼、機械結構用鋼、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±0.1mm。5條采用國際最先進軋鋼技術的高速線材生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力300萬噸，實現(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。

邢鋼燒結機情況如下：

對于邢鋼第二燒結廠185mm2燒結線，燒結主抽風機是其主要的生產(chǎn)設備，但由于其長期的工頻運行，為了滿足燒結生產(chǎn)過程中產(chǎn)生所需負壓、風量，此風機只能采取風門調節(jié)的方式以犧牲風機本身效率，改變管網(wǎng)的特性曲線來勉強維持生產(chǎn)的持續(xù)，實際工頻運行電流可達650A，平均實際運行壓力14.75KPA，平均實際運行風量700000(m3/h)平均實際運行風門開度約75%見圖一。并且現(xiàn)場為西門子無刷勵磁同步電機。

圖1 邢鋼燒結主抽風機工頻運行電流

三、現(xiàn)場存在的問題

1、電機現(xiàn)有起動方式為西門子軟起動器起動，起動電流可達空載電流的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、擋板調節(jié)，風機處于低效率運行區(qū)間，改變的是管網(wǎng)特性曲線，能源損耗嚴重。

圖3 工作性能曲線

3、工頻50HZ下長期運行，機械損壞程度高，降低設備使用壽命。

4、自動化水平較低，人工干預程序多，整個運行過程十分復雜。

5、現(xiàn)場維護量大。

6、無刷勵磁同步電機投勵量不可控，導致電機無法根據(jù)實際需求智能化投勵。

3、變頻改造方案

3.1改造后系統(tǒng)單線圖

根據(jù)提供的負載參數(shù)，對于6500kW電機，過載能力按照150%進行核算（預估）出需配置的變頻器容量約為9000kVA，選擇與其對應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)調速的要求。 系統(tǒng)控制方案采用一拖一手動切換預案啟動系統(tǒng)工頻備用方式。

圖4 系統(tǒng)單線圖

3.2無刷勵磁同步電機解決方案

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

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的轉速的增加而投入,無刷勵磁同步電動機實現(xiàn)變速運行。無刷勵磁電機變頻起動前，勵磁電源加滿，使旋轉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)，使勵磁機跟隨變頻器的起動需求投勵，在起動完成后，勵磁機時刻聽從變頻器的模擬量給定指令投勵以實現(xiàn)無刷勵磁同步電機的起動與調速過程。

圖5 傳統(tǒng)無刷勵磁同步電機組

圖6 無刷勵磁同步電機的整體調速裝置

無刷勵磁同步電機的整體調速裝置，其特征在于 ：

在主電動機上加裝變頻器 ；

對給主電動機提供勵磁的勵磁裝置的控制部分進行整體改造,增設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實現(xiàn)變頻運行。

3.3自動化控制方案

1.可通過上位機進行變頻控制，監(jiān)控等。

2.電機電流、頻率反饋、電機軸承溫度，電機定子溫度等相關在線數(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，并且在上位機顯示實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)。

3．具備電機過熱保護功能，電機溫度報警值和故障停車值可在上位機進行設定。

4.上位機具備保留變頻故障，運行時間，頻率等信息。

5. 上位機與plc采用TCP/IP的通訊模式，增強上位機與下位機的通訊速率。

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，采集主抽風機儀表監(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監(jiān)測。

網(wǎng)絡拓撲如下：

圖7自動化網(wǎng)絡拓撲

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)設計方案，實現(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繞組供電，為三相輸入單相輸出的電壓源型結構，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口的IGBT模塊，功率單元控制上采用目前應用最成熟的PWM調節(jié)技術，功率輸出相同的基波電壓，但各單元的調制波錯開一定相位，使系統(tǒng)具有高的等效開關頻率和電平數(shù)，使極高的動態(tài)響應能力，和最低的IGBT開關損耗，同時保證系統(tǒng)在不額外加裝輸入功率因數(shù)補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格的要求，高于國標GB14549-93對諧波失真的要求。

圖8高壓變頻器拓撲結構圖

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)采用目前應用最成熟的PWM調節(jié)方式，系統(tǒng)具有極高的動態(tài)響應能力，和最低的IGBT開關損耗。

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，控制A+、A-、B+、B-的導通和關斷，使其輸出單相脈寬調制波形。

4、變頻改造達到的效果

4.1節(jié)能效果

離心式或軸流式風機、泵類流體設備屬于平方轉矩負載，擬定變頻調速節(jié)能方案，依據(jù)相似定律：

f（頻率）∝n（轉速）∝Q（出口流量）

f（頻率）∝n（轉速）∝H1/2（出口壓力）

f（頻率）∝n（轉速）∝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主抽風機，采用榮信電力電子股份有限公司的高壓變頻裝置進行節(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： 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)調節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。

● 節(jié)能

利用智能變頻節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能模式，可使電機以最高效率運行，減少不必要的電能損耗；由于電機在高效率狀態(tài)下運行，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)運行時,機房平均噪音為70dB（A），由于噪音降低,改善了工作環(huán)境。

● 工作強度降低

由于榮信變頻節(jié)能控制系統(tǒng)在運轉設備與備用設備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制，機組實現(xiàn)自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變?yōu)楸O(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。

● 延長設備使用壽命

由于榮信變頻控制系統(tǒng)直接可以內(nèi)置PID調節(jié)器，可開環(huán)運行，可閉環(huán)運行，具有保持恒定值的優(yōu)點,使之壓力-轉速-功率達到動態(tài)匹配,轉數(shù)明顯降低,一般情況下,機械磨損減小,延長設備的使用壽命。

● 提高運行可靠性

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

● 減小現(xiàn)場維護量

采用榮信高壓變頻裝置調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統(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)調速系統(tǒng)的應用主要是為了降低電機的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低，相應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，減少了檢修維護開支，節(jié)約大量的維護費用。

綜上所述，燒結主抽風機變頻控制系統(tǒng)可以實時的對燒結主抽風機進行轉速控制，實際上改變了風機的運行特性曲線，大大的提高了風機的運行效率；有效的解決了大型電機起動困難的問題；降低了現(xiàn)場設備的運行噪音；提高了整個燒結主抽系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動化水平；軟起動及軟調速大大提高了設備的使用壽命，有效的保護了電網(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、 結論

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