燒結主抽風機的變頻控制和節能

崔士選 劉慶來 潘永亮

（1. 濟南庚辰鑄造材料有限公司，濟南 250109；2. 寧波天安（集團）股份有限公司，浙江 寧波 315700）

燒結主抽風機的變頻控制和節能

崔士選1劉慶來1潘永亮2

（1. 濟南庚辰鑄造材料有限公司，濟南 250109；2. 寧波天安（集團）股份有限公司，浙江 寧波 315700）

本文采用高壓變頻控制技術對燒結主抽風機同步電動機實現無沖擊起動和無級調速，并實現變頻控制系統與工頻系統的雙向無擾切換，以取得顯著的節電效果。

高壓變頻器；變頻控制；同步電動機；無擾切換

高壓大功率同步電動機是當前燒結主抽風機的常規配置，也是鋼鐵企業燒結工序中的核心設備。主抽風機的能耗一般占整個燒結工序的50%左右。燒結主抽風機的起動多采用降壓軟起動（如液阻起動、磁控軟起動、晶閘管固態軟起動等），起動電流通常是額定電流的3～5倍，不僅嚴重沖擊電網和電網中的其他用電設備，而且沖擊電流導致電動機振動大、發熱快、絕緣易老化。因燒結工藝參數或配料變化，通常采用調節主抽風機風門開起度的方式來調節燒結機風箱的風壓和風量，但是電動機的輸出功率幾乎不變，導致電能較大浪費。因此，采用先進的高壓變頻技術實現主抽風機的起動和調速控制，是燒結生產提高產量和質量、降低能耗的重要措施。

濟南庚辰鑄造材料有限公司帶燒主抽風機驅動電動機為6kV、4200kW同步電動機，初始配置為水電阻起動，起動電流為額定電流的2.8～3.5倍。廠區變電站總供電容量偏小，每次起動風機時，都需要對全廠降負荷；并且在燒結機短時檢修或處理故障時，風機仍要保持運行狀態，造成電能浪費。公司決定，對主抽風機進行變頻節能改造。

1 主抽風機變頻控制實施方案

1.1 高壓變頻控制系統組成結構及技術方案

高壓同步電動機相對于異步電動機來說，變頻控制上最大的技術難點是解決失步現象，因此，必須解決好同步電動機的起動問題、調速期間和勵磁裝置的協調問題、同步電動機正常停機和故障滅磁問題[1]。高壓大功率同步電動機的變頻控制技術在我國處于初級階段，為此，在方案設計中我們與設備供貨單位寧波天安（集團）股份有限公司作了深入探討，通過完善配置、控制和電氣系統設置多項保護和監測功能，確保了關鍵技術的可靠性，并實現該變頻系統與原工頻系統的相互無擾切換。

高壓變頻器采用功率單元串聯多電平拓撲結構，由移相變壓器柜、功率單元柜和控制柜組成；重點核心部件采用德國INFINEON、美國ALTERA品牌。每個功率單元通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形，多個功率單元移相串聯，電壓疊加，完成變壓、變頻功能；輸入側的變壓器采用移相方式，可有效消除對電網的諧波污染。這種組成結構具有諧波小、功率因數高的優異性能。

變頻調速時，變頻裝置通過內置的PID控制器輸出4～20mA信號給勵磁調節器，實時控制同步電動機的勵磁電流。

改造前同步電動機的起動采用水電阻方式，通過調節風機擋板門開起度來控制風壓和風量，電氣主回路如圖1所示。

圖1 改造前主抽同步電動機主回路示意圖

改造后，保留原水電阻軟起動裝置及原高壓柜，增加了變頻進線電源柜、移相變壓器柜、變頻器功率單元柜、控制柜、電抗器柜、旁路切換柜，配套了DCS檢測與控制系統，與原來的勵磁柜和工頻裝置共同構成新的變頻控制及切換系統，電氣主回路如圖2所示。正常運行狀態為變頻方式，圖2中QF0閉合、QF01斷開；變頻切換到工頻時，圖2中QF01閉合、QF0斷開。切換過程按變頻系統預先設置好的邏輯程序和參數自動執行。

1.2 系統功能及特點

根據生產控制需要，該高壓變頻控制系統具有以下主要功能。

1）電動機拖動風機可以實現軟起動和軟制動

電動機起動時，變頻器開環運行直至加載到設定頻率，然后轉變為閉環自動控制；起動過程中變頻器自動跟蹤電動機的轉速和方向，電動機電流從零到額定值平滑過渡，不僅實現了無沖擊起動，還可以滿足頻繁起動的特殊工況。有兩種停機方式可供用戶選擇：①減速停機，即變頻器接到停機命令后，按照設定的減速時間逐漸降低輸出頻率，頻率降為零后停機；②自由停機，即變頻器接到停機命令后，立即終止輸出，負載按照機械慣性自由停止。

圖2 改造后主抽同步電動機主回路示意圖

2）對電動機實現線性調速

調頻范圍為0～50Hz，變頻器輸出頻率分辯率為0.01Hz。通過點擊觸摸屏加減速按鈕或在工控機操作畫面上增減或設定目標頻率，DCS系統自動執行加減速指令。

3）變頻和工頻的雙向無擾切換

在變頻運行模式下，當上位機發出工頻運行指令時，變頻器從當前頻率拖動電動機運行到50Hz，此時系統發出投切請求，經過操作人員確認向工頻切換時，變頻系統自動完成電壓跟蹤、相位檢測和鎖相，然后將電動機無擾切換至工頻方式運行，切換時擾動電流小于1.5倍額定電流。

在工頻運行模式下轉為變頻時，在上位機上起動“工頻轉變頻”按鈕并設定目標頻率值，DCS系統得到切換指令后首先將旁路隔離開關分閘，然后自動將工頻切換到旁路斷電狀態并轉入“飛車起動”模式，延時一定時間（系統預設時間為5s）對變頻進線開關合閘，控制系統發出搜頻指令，從設定的運行頻率值向下開始搜頻，若在搜頻時間設定的時間內搜索到合適的頻率，則開始轉入變頻拖動電動機。

變頻與工頻雙向切換具有手動和自動兩種操作模式，操作者可以根據實際情況從中選擇；選擇手動切換時，切換系統的聯鎖解除，由人工按切換程序現場操作。

4）飛車起動和星點漂移功能

“飛車起動”是在同步電動機旋轉過程中未停穩的情況下由高壓變頻器進行起動。變頻器自動搜索到電動機轉子轉速后，按搜索到的轉子轉速來輸出頻率，顯著提高了電動機起動效率。“星點漂移”功能實現了高壓變頻器在一個或多個單元發生故障后，使其輸出有效電壓保持最大的幅值，并調整三相輸出線電壓平衡，能夠繼續維持生產，減少突然停機事故的發生。

5）完善的保護功能

具有運行中開門、冷卻風扇停運、變頻器過熱、輸入電壓過低、負載超速、功率單元異常、接地等報警和檢測功能，各項檢測與保護由DCS系統自動執行和記錄。

2 變頻器的散熱及維護

2.1 散熱方案

高壓大功率變頻器發熱量大，要求運行環境溫度0～40℃，環境粉塵濃度低于950×10-6。溫度過高會導致變頻器過熱保護而跳閘甚至導致變頻器損壞，因此，高壓變頻器的散熱對保證穩定運行至關重要。我公司變頻室周邊由于空間和水源受限，暫且只能采用室內空調內循環降溫，配置了6臺5匹的空調，總制冷量72kW，平均每小時耗電21kW，其缺點是相對“空水冷”方式能耗稍大、室外機易積灰，優點是晚上或冬季氣溫較低時可關停部分空調，并且有空調損壞或檢修時，基本不影響正常冷卻。但是，如果將來條件允許，就改為“空-水”冷方式，更為清潔、高效。

2.2 散熱系統維護要求

1）每班定時巡檢變頻器單元柜上的排風扇運轉情況、變頻器監測溫度、室內環境溫度，確保設備正常運行。

2）對變頻器柜內清灰必須列為定修內容，以防止粉塵積聚過多影響元器件散熱或短路。

3）每周對變頻器柜體濾網和空調室內柜機濾網清灰一次，以確保冷卻效果。

4）每周對空調室外機清灰一次，積灰嚴重時停機對冷凝器翅片沖洗。

3 應用效果

高壓變頻控制系統自投入運行后，電動機運行平穩、噪音和振動明顯降低，電動機定子溫度比工頻運行狀態降低13℃以上；主抽風機可以根據生產工藝需要隨時加減負荷，并根據檢修需要，隨時要以開機、停機，無需再協調全廠用電負荷。

應用變頻調速后，主抽風機風門始終處于100%開起狀態，完全通過變頻器來調節主抽風機的風量和風壓，節能效果顯著。改造前后節能數據見表1。

表1 設備參數及改造前后運行數據對比

根據變頻器運行后監測數據，諧波電流小于2%，電壓畸變率小于3%。表1為改造前后各5個月的正常工況統計數據，平均節電率13.2%，年節電388.7萬kW·h（年運行率90%）。

4 結論

我公司主抽風機成功應用了高壓大功率同步電動機變頻控制技術，實現了4200kW高壓同步電動機的無沖擊起動和無級調速，同時實現了變頻系統與原工頻系統的雙向無擾切換，比工頻運行節電13.2%。變頻系統的飛車起動和星點漂移功能具有其他軟起動方式無法比擬的優越性，為主抽風機的高效起動和安全運行提供了保障。

[1] 梁安江, 張海燕, 柳毅, 等. 高壓同步電機變頻調速技術及應用[J]. 電機與控制應用, 2010, 37(5): 42-45.

The Frequency Converter Controller and Energy Saving of Main Exhauster for Sinter Machine

Cui Shixuan1Liu Qinglai1Pan Yongliang2
(1. Ji’nan Gengchen Casting Materials Co., Ltd, Ji’nan 250109；
2. NingBo Tianan (Group) Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315700)

The synchronous motors of main exhauster for sinter machine can achieve free impact st art-up & continuously variable are based on the high voltage frequency converter controller technology, also can achieve the function for undisturbed switching between frequency converter control system & power frequency system with significant energy-saving effect.

high voltage frequency converter; frequency converter controller; synchronous motor; undisturbed switching

崔士選（1969-），男，山東濟南人，高級工程師，主要從事汽鼓風系統和發電系統的工程設計和建設工作。