高壓變頻技術在軌梁廠大功率風機上的應用

劉自彩，青海泉，張劍峰，劉 琦

(攀鋼集團攀枝花鋼釩股份有限公司軌梁廠,四川 攀枝花 617000)

1 前言

進入21世紀，如何做好提高產品質量、降低產品成本已成為鋼鐵企業生存的關鍵因素。將軟啟動技術改造為高壓變頻器啟動技術，充分利用高壓變頻器和無速度傳感器矢量控制性能，使交流電機能夠接近于同功率直流電機的啟動力矩，解決了啟動困難問題，消除了電機啟動對供電電網的波動影響；在風量調節過程中，通過調節變頻器的輸出頻率，替代現有調節風門擋板的方式，降低電機能耗[1]，提升了企業設備裝備水平，同時創造較大的經濟效益，為企業的長足發展提供有力保障。在攀鋼軌梁廠使用幾年來，節能效果良好，設備運行穩定、安全可靠。

2 大功率風機結構、電機參數及存在的問題

2.1 大功率風機結構

軌梁廠大功率風機是陜西鼓風機(集團)有限公司制造的AII系列離心鼓風機，風機系統由風機本體、軸承箱、電機、潤滑系統等構成。風機本體由機殼、葉輪、傳動部件組成。其中機殼由蝸殼、進風口和出風口組成，在進風口處設置有調節門，調節門由電機驅動，通過位置反饋模擬量可以精確控制調節門的開度，其主要負責對進風量進行調節。傳動部件由主軸、軸承組成。軸承箱由軸承及底座組成，AII系列離心鼓風機采用兩個軸承箱作為風機支撐，其中非驅動端為支撐軸承箱，驅動側為止推軸承箱，兩套軸承箱采用的是滑動軸承。軸承箱上安裝有油位指示器、溫度檢測元件及震動檢測元件等。

電機由本體、冷卻器及安裝底座構成。電機與風機之間采用撓性聯軸器直連驅動，采用哈爾濱電機廠生產的YKS800系列高壓交流異步電動機。

2.2 大功率風機電機參數

大功率風機使用的是AII系列雙吸結構離心鼓風機，具有兩進一出風口，兩端都有支撐軸承座，其相對于單吸離心風機，具有風量大、運行穩定等特點，其風機型號為：AI8850-1.096/0.883； 主軸轉速: 1485 r/min； 軸功率: 3545 kw； 轉子GD2：6450 kg·m2。

風機電機的設備參數：電機型號：YKS800-4； 額定功率：4000 kw; 額定電壓：10 kV； 額定電流: 269 A；額定轉速：1490 r/min；相數: 3；極數: 4；防護等級: IP44；絕緣等級: F；冷卻方式: IC81W；轉子型式: 鼠籠；功率因數: 0.88。

2.3 風機驅動方式

原風機電機驅動方式是采用高壓軟啟動降壓啟動，待風機啟動完成后，旁路接觸器合閘，切入工頻進行長期運行，其高壓驅動部分系統結構如1圖所示。

圖1 風機高壓驅動系統結構

2.4 風機負荷統計

軌梁廠大功率風機根據軋制品種平均每月運行4次，每次運行平均時間為連續3天，即每月運行12天；其中啟動次數正常為4次，但由于各種問題，經常導致風機不能正常啟動，通常每啟動2次會失敗1次。風機在運行時間內平均作業率為70%，即風機每月平均工作時間為200小時。正常工作期間，風機流量通過入口風門擋板進行調節，根據不同軋制品種，入口風門擋板開度位置在60%-100%之間進行調整。

根據統計值，風門擋板開度每月有40%時間工作在100%位置，有60%時間工作在65%位置，即每月有80小時風機通風風量為100%，有120小時風機工作通風風量為70%。

2.5 風機采用高壓固態軟啟動器啟動存在的問題

攀鋼軌梁廠大功率風機采用高壓固態軟啟動器啟動方式，啟動電流大，在風機運行期間，風量通過調整風門擋板開口度的方式進行調節，擋板開度經常處于60%～80%之間運行,使大量的電能都浪費在擋板節流、介質擾動和風壓損耗上，給企業帶來較大的經濟負擔。

2.5.1大電流啟動影響現場設備運行

鼓風機高壓電機通過軟啟動方式啟動，啟動電流達1150-1300 A，且啟動時間長達40秒，由于上級變電站供電能力限制，在啟動過程中，電網電壓跌幅嚴重，不能同時滿足其它設備運行需求，出現了啟動鼓風機高壓電機必須停止熱軋線軋制的尷尬局面。

2.5.2風機啟動困難

高壓鼓風機電機為間歇性生產設備，在風機停止期間，由于電機及風機軸在重力作用下導致的軸擾度變形，致使啟動力矩增大，使用軟啟動方式，在啟動電壓區階段，電機輸出力矩不足以克服風機轉動力矩，如果調高啟動電壓，則又會導致啟動電流過大而斷路器跳閘，因此經常出現風機停機幾天后再次啟動失敗的情況,且故障時間較多,給生產造成較大影響。

3 大功率風機變頻改造的實施

采用高壓變頻器技術改造現有的軟啟動技術，利用高壓變頻器無速度傳感器矢量控制性能，在不損失電機啟動力矩的情況下，實現電機2倍額定電流的啟動，將消除電機啟動對于供電電網的影響，同時使風機啟動的成功率到達100%；通過對高壓變頻器的選型、參數選取，完成對電氣系統、高壓變頻調速系統、功率單元構成、輸入輸出側結構、控制器、系統保護、散熱的設計,并對系統的安全性能實現最優控制，達到了預期良好效果[2]。變頻器結構及變頻器主回路結構如圖2和圖3所示。

圖2 交-直-交變頻器結構

圖3 HV-IGBT三電平電壓源型變頻器主回路結構

3.1 高壓變頻器選型

軌梁廠大功率風機的額定電壓10 kV，額定轉速1490 r/min，其電機為普通鼠籠式高壓電機，工作負荷為離心風機，根據電機的詳細參數，本系統選擇單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器作為此次改造的變頻器類型。

變頻器控制電機啟動時，在啟動電流不大于電機額定電流的啟動狀態下可以提供1.5倍額定轉矩，相對直接全壓啟動和軟啟動器啟動電流小、啟動曲線平滑、減少了機械沖擊，更大程度上改善了電機運行對電網系統的穩定性影響。變頻器的所有部件采用內部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、AC220V控制電源和控制信號線；HARSVERT-A高壓變頻器采用“單元串聯多電平結構”，該高壓變頻器適應于中國用戶電網工況，主電源+15%～-35%波動不停機，瞬時失電5個周期可滿載運行不跳閘，掉電20 s內不會停機；輸入功率因數高，網側不需要添加功率因數補償裝置；電流諧波少，滿足國際、國家標準要求，對電網沒有諧波污染；輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，可接普通電機；對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米[3]。

3.2 主回路及控制系統設計

3.2.1主回路設計

系統主回路采用一拖一自動系統成套設計。系統由2個高壓斷路器QF1、QF2，變電所高壓斷路器QF，電動機M及高壓變頻器組成，如圖4所示。QF為現有10 kV變電所饋出斷路器 ，QF1,QF2進線隔離柜利用原軟啟動柜的兩個開關柜移位安裝在新的變頻器室[4]。

圖4 主回路系統單線

3.2.2控制系統設計

對風機PLC控制系統進行了重新設計制造，使網絡結構更加合理，操作布局更加人性化，解決現場積水對設備及電纜的影響問題；傳動系統采用了高壓變頻控制方式替換原軟啟動的控制方式，以達到確保風機可靠運行，避免風機運行影響電網,同時提高了生產效率，降低了能耗，增強了系統的可靠性。

3.2.3控制系統與主電路設計

控制系統與主電路設計包括移相變壓器、功率單元和控制器三部分，如圖5、圖6所示。

圖5 控制系統與主電路設計圖

圖6 功率單元結構

當某一個單元出現故障時，通過繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統而不影響其他單元的運行，變頻器可持續降額運行，如此可減少很多場合下停機造成的損失。

圖7 高壓變頻調速系統輸出的相電壓階梯PWM波形

10 kV變頻器電網輸入側為三相10 kV，經過移相變整流移相為8個獨立的低壓電源，每個二次電源接入功率電源模塊經過整流、濾波以及逆變等輸出單相交流電(如圖7所示)。

3.3 系統安全保護功能

變頻器輕故障與重故障兩路信號為硬線進高壓開關柜，同時也送風機PLC系統，變頻器重故障時，從PLC控制邏輯和硬線回路上同時動作，切斷高壓。(切斷進線側QF1及出線側QF2)。風機PLC邏輯控制中，對高壓開關柜QF1、QF2僅做故障狀態下的分斷高壓控制。如果變頻器允許合閘指令沒有檢測到，則邏輯上一直給出分斷指令，保證高壓柜在遠程狀態下不能合閘。每個功率單元帶三相輸入熔斷器保護。變頻裝置有過電壓，過電流，欠電壓，缺相，變頻器過載，變頻器過熱，電機過載等保護功能[7]。

4 項目改造應用后效果分析

4.1 改造后的節能效果

4.1.1改造前的用電量

根據調研情況，電機的效率η=96%，額定風量時風機的軸功率P1=3545 kW，風機在100%風量時月運行時間T1是80小時，在70%風量時月運行時間T0.7是120小時。根據計算在風門擋板控制的情況下，風機每月的用電量為66.888萬度。

4.1.2改造后的用電量及效果

采用變頻速度后進行風量控制，因電機的效率η=96%，額定風量時風機的軸功率P1=3545 kW，風機在100%風量時月運行時間T1是80小時，在70%風量時月運行時間T0.7是120小時。

在變頻器進行速度調節控制下，每月電耗為45.372萬度，較之風門調節，每月可節電21.516萬度，節電率達32%。

改造后的效果：電價以0.71元/度計算，每年可節電費用為: 21.516×12×0.71=183.3163(萬元)。

4.2 維護量減少

采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統在接近額定狀態下工作，通常情況下，變頻調速系統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的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護費用，節約大量維護成本。

4.3 工作強度降低

由于調速系統在運轉設備與備用設備之間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。

4.4 減少了對電網的沖擊

采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，延長了電機的使用壽命。

5 結語

軌梁廠原提供熱處理風源的鼓風機高壓電機的啟動方式,采用的是軟啟動，風量通過調整風門擋板開口的方式進行調節,使大量的電能都浪費在擋板節流、介質擾動和風壓損耗上，增加了生產成本[8]。將原軟啟動方式改造為高壓變頻器啟動，充分利用高壓變頻器的無速度傳感器矢量控制性能，使交流電機能夠接近于同功率直流電機的啟動力矩，解決了啟動困難，消除電機啟動對供電電網的影響；在風量調節過程中，通過調節變頻器的輸出頻率，降低了電機能耗，為企業創造較大的經濟效益和提升了設備裝備水平[9]。

采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統在接近額定狀態下工作，通常情況下，變頻調速系統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；同時減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護費用[10]。

該項目實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作由手動轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證,取得了較大的經濟、社會效益。