高壓變頻技術(shù)在軌梁廠大功率風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

劉自彩，青海泉，張劍峰，劉 琦

(攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩股份有限公司軌梁廠,四川 攀枝花 617000)

1 前言

進(jìn)入21世紀(jì)，如何做好提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本已成為鋼鐵企業(yè)生存的關(guān)鍵因素。將軟啟動(dòng)技術(shù)改造為高壓變頻器啟動(dòng)技術(shù)，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(jī)能夠接近于同功率直流電機(jī)的啟動(dòng)力矩，解決了啟動(dòng)困難問題，消除了電機(jī)啟動(dòng)對供電電網(wǎng)的波動(dòng)影響；在風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，替代現(xiàn)有調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板的方式，降低電機(jī)能耗[1]，提升了企業(yè)設(shè)備裝備水平，同時(shí)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)的長足發(fā)展提供有力保障。在攀鋼軌梁廠使用幾年來，節(jié)能效果良好，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠。

2 大功率風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、電機(jī)參數(shù)及存在的問題

2.1 大功率風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

軌梁廠大功率風(fēng)機(jī)是陜西鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司制造的AII系列離心鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)本體、軸承箱、電機(jī)、潤滑系統(tǒng)等構(gòu)成。風(fēng)機(jī)本體由機(jī)殼、葉輪、傳動(dòng)部件組成。其中機(jī)殼由蝸殼、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口組成，在進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置有調(diào)節(jié)門，調(diào)節(jié)門由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過位置反饋模擬量可以精確控制調(diào)節(jié)門的開度，其主要負(fù)責(zé)對進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳動(dòng)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(fēng)機(jī)采用兩個(gè)軸承箱作為風(fēng)機(jī)支撐，其中非驅(qū)動(dòng)端為支撐軸承箱，驅(qū)動(dòng)側(cè)為止推軸承箱，兩套軸承箱采用的是滑動(dòng)軸承。軸承箱上安裝有油位指示器、溫度檢測元件及震動(dòng)檢測元件等。

電機(jī)由本體、冷卻器及安裝底座構(gòu)成。電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間采用撓性聯(lián)軸器直連驅(qū)動(dòng)，采用哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的YKS800系列高壓交流異步電動(dòng)機(jī)。

2.2 大功率風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)

大功率風(fēng)機(jī)使用的是AII系列雙吸結(jié)構(gòu)離心鼓風(fēng)機(jī)，具有兩進(jìn)一出風(fēng)口，兩端都有支撐軸承座，其相對于單吸離心風(fēng)機(jī)，具有風(fēng)量大、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，其風(fēng)機(jī)型號為：AI8850-1.096/0.883； 主軸轉(zhuǎn)速: 1485 r/min； 軸功率: 3545 kw； 轉(zhuǎn)子GD2：6450 kg·m2。

風(fēng)機(jī)電機(jī)的設(shè)備參數(shù)：電機(jī)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(zhuǎn)速：1490 r/min；相數(shù): 3；極數(shù): 4；防護(hù)等級: IP44；絕緣等級: F；冷卻方式: IC81W；轉(zhuǎn)子型式: 鼠籠；功率因數(shù): 0.88。

2.3 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

原風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是采用高壓軟啟動(dòng)降壓啟動(dòng)，待風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完成后，旁路接觸器合閘，切入工頻進(jìn)行長期運(yùn)行，其高壓驅(qū)動(dòng)部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如1圖所示。

圖1 風(fēng)機(jī)高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 風(fēng)機(jī)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

軌梁廠大功率風(fēng)機(jī)根據(jù)軋制品種平均每月運(yùn)行4次，每次運(yùn)行平均時(shí)間為連續(xù)3天，即每月運(yùn)行12天；其中啟動(dòng)次數(shù)正常為4次，但由于各種問題，經(jīng)常導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不能正常啟動(dòng)，通常每啟動(dòng)2次會失敗1次。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)平均作業(yè)率為70%，即風(fēng)機(jī)每月平均工作時(shí)間為200小時(shí)。正常工作期間，風(fēng)機(jī)流量通過入口風(fēng)門擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)不同軋制品種，入口風(fēng)門擋板開度位置在60%-100%之間進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)值，風(fēng)門擋板開度每月有40%時(shí)間工作在100%位置，有60%時(shí)間工作在65%位置，即每月有80小時(shí)風(fēng)機(jī)通風(fēng)風(fēng)量為100%，有120小時(shí)風(fēng)機(jī)工作通風(fēng)風(fēng)量為70%。

2.5 風(fēng)機(jī)采用高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)存在的問題

攀鋼軌梁廠大功率風(fēng)機(jī)采用高壓固態(tài)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流大，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，風(fēng)量通過調(diào)整風(fēng)門擋板開口度的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，擋板開度經(jīng)常處于60%～80%之間運(yùn)行,使大量的電能都浪費(fèi)在擋板節(jié)流、介質(zhì)擾動(dòng)和風(fēng)壓損耗上，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

2.5.1大電流啟動(dòng)影響現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行

鼓風(fēng)機(jī)高壓電機(jī)通過軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)，啟動(dòng)電流達(dá)1150-1300 A，且啟動(dòng)時(shí)間長達(dá)40秒，由于上級變電站供電能力限制，在啟動(dòng)過程中，電網(wǎng)電壓跌幅嚴(yán)重，不能同時(shí)滿足其它設(shè)備運(yùn)行需求，出現(xiàn)了啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)高壓電機(jī)必須停止熱軋線軋制的尷尬局面。

2.5.2風(fēng)機(jī)啟動(dòng)困難

高壓鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)為間歇性生產(chǎn)設(shè)備，在風(fēng)機(jī)停止期間，由于電機(jī)及風(fēng)機(jī)軸在重力作用下導(dǎo)致的軸擾度變形，致使啟動(dòng)力矩增大，使用軟啟動(dòng)方式，在啟動(dòng)電壓區(qū)階段，電機(jī)輸出力矩不足以克服風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，如果調(diào)高啟動(dòng)電壓，則又會導(dǎo)致啟動(dòng)電流過大而斷路器跳閘，因此經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)機(jī)停機(jī)幾天后再次啟動(dòng)失敗的情況,且故障時(shí)間較多,給生產(chǎn)造成較大影響。

3 大功率風(fēng)機(jī)變頻改造的實(shí)施

采用高壓變頻器技術(shù)改造現(xiàn)有的軟啟動(dòng)技術(shù)，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(jī)啟動(dòng)力矩的情況下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)2倍額定電流的啟動(dòng)，將消除電機(jī)啟動(dòng)對于供電電網(wǎng)的影響，同時(shí)使風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的成功率到達(dá)100%；通過對高壓變頻器的選型、參數(shù)選取，完成對電氣系統(tǒng)、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、功率單元構(gòu)成、輸入輸出側(cè)結(jié)構(gòu)、控制器、系統(tǒng)保護(hù)、散熱的設(shè)計(jì),并對系統(tǒng)的安全性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，達(dá)到了預(yù)期良好效果[2]。變頻器結(jié)構(gòu)及變頻器主回路結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)

圖3 HV-IGBT三電平電壓源型變頻器主回路結(jié)構(gòu)

3.1 高壓變頻器選型

軌梁廠大功率風(fēng)機(jī)的額定電壓10 kV，額定轉(zhuǎn)速1490 r/min，其電機(jī)為普通鼠籠式高壓電機(jī)，工作負(fù)荷為離心風(fēng)機(jī)，根據(jù)電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)，本系統(tǒng)選擇單元串聯(lián)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(jī)啟動(dòng)時(shí)，在啟動(dòng)電流不大于電機(jī)額定電流的啟動(dòng)狀態(tài)下可以提供1.5倍額定轉(zhuǎn)矩，相對直接全壓啟動(dòng)和軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)曲線平滑、減少了機(jī)械沖擊，更大程度上改善了電機(jī)運(yùn)行對電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響。變頻器的所有部件采用內(nèi)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(lián)多電平結(jié)構(gòu)”，該高壓變頻器適應(yīng)于中國用戶電網(wǎng)工況，主電源+15%～-35%波動(dòng)不停機(jī)，瞬時(shí)失電5個(gè)周期可滿載運(yùn)行不跳閘，掉電20 s內(nèi)不會停機(jī)；輸入功率因數(shù)高，網(wǎng)側(cè)不需要添加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；電流諧波少，滿足國際、國家標(biāo)準(zhǔn)要求，對電網(wǎng)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(jī)；對電纜、電機(jī)絕緣無損害，電機(jī)諧波少，減少軸承、葉片的機(jī)械振動(dòng)，輸出線可以長達(dá)1000米[3]。

3.2 主回路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1主回路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主回路采用一拖一自動(dòng)系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由2個(gè)高壓斷路器QF1、QF2，變電所高壓斷路器QF，電動(dòng)機(jī)M及高壓變頻器組成，如圖4所示。QF為現(xiàn)有10 kV變電所饋出斷路器 ，QF1,QF2進(jìn)線隔離柜利用原軟啟動(dòng)柜的兩個(gè)開關(guān)柜移位安裝在新的變頻器室[4]。

圖4 主回路系統(tǒng)單線

3.2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對風(fēng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)制造，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加合理，操作布局更加人性化，解決現(xiàn)場積水對設(shè)備及電纜的影響問題；傳動(dòng)系統(tǒng)采用了高壓變頻控制方式替換原軟啟動(dòng)的控制方式，以達(dá)到確保風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行，避免風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響電網(wǎng),同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

3.2.3控制系統(tǒng)與主電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)與主電路設(shè)計(jì)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(tǒng)與主電路設(shè)計(jì)圖

圖6 功率單元結(jié)構(gòu)

當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行，如此可減少很多場合下停機(jī)造成的損失。

圖7 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形

10 kV變頻器電網(wǎng)輸入側(cè)為三相10 kV，經(jīng)過移相變整流移相為8個(gè)獨(dú)立的低壓電源，每個(gè)二次電源接入功率電源模塊經(jīng)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(tǒng)安全保護(hù)功能

變頻器輕故障與重故障兩路信號為硬線進(jìn)高壓開關(guān)柜，同時(shí)也送風(fēng)機(jī)PLC系統(tǒng)，變頻器重故障時(shí)，從PLC控制邏輯和硬線回路上同時(shí)動(dòng)作，切斷高壓。(切斷進(jìn)線側(cè)QF1及出線側(cè)QF2)。風(fēng)機(jī)PLC邏輯控制中，對高壓開關(guān)柜QF1、QF2僅做故障狀態(tài)下的分?jǐn)喔邏嚎刂?。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?jǐn)嘀噶?，保證高壓柜在遠(yuǎn)程狀態(tài)下不能合閘。每個(gè)功率單元帶三相輸入熔斷器保護(hù)。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(jī)過載等保護(hù)功能[7]。

4 項(xiàng)目改造應(yīng)用后效果分析

4.1 改造后的節(jié)能效果

4.1.1改造前的用電量

根據(jù)調(diào)研情況，電機(jī)的效率η=96%，額定風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)的軸功率P1=3545 kW，風(fēng)機(jī)在100%風(fēng)量時(shí)月運(yùn)行時(shí)間T1是80小時(shí)，在70%風(fēng)量時(shí)月運(yùn)行時(shí)間T0.7是120小時(shí)。根據(jù)計(jì)算在風(fēng)門擋板控制的情況下，風(fēng)機(jī)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(jìn)行風(fēng)量控制，因電機(jī)的效率η=96%，額定風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)的軸功率P1=3545 kW，風(fēng)機(jī)在100%風(fēng)量時(shí)月運(yùn)行時(shí)間T1是80小時(shí)，在70%風(fēng)量時(shí)月運(yùn)行時(shí)間T0.7是120小時(shí)。

在變頻器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)控制下，每月電耗為45.372萬度，較之風(fēng)門調(diào)節(jié)，每月可節(jié)電21.516萬度，節(jié)電率達(dá)32%。

改造后的效果：電價(jià)以0.71元/度計(jì)算，每年可節(jié)電費(fèi)用為: 21.516×12×0.71=183.3163(萬元)。

4.2 維護(hù)量減少

采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時(shí)可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作，通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命；同時(shí)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(hù)費(fèi)用，節(jié)約大量維護(hù)成本。

4.3 工作強(qiáng)度降低

由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證。

4.4 減少了對電網(wǎng)的沖擊

采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，延長了電機(jī)的使用壽命。

5 結(jié)語

軌梁廠原提供熱處理風(fēng)源的鼓風(fēng)機(jī)高壓電機(jī)的啟動(dòng)方式,采用的是軟啟動(dòng)，風(fēng)量通過調(diào)整風(fēng)門擋板開口的方式進(jìn)行調(diào)節(jié),使大量的電能都浪費(fèi)在擋板節(jié)流、介質(zhì)擾動(dòng)和風(fēng)壓損耗上，增加了生產(chǎn)成本[8]。將原軟啟動(dòng)方式改造為高壓變頻器啟動(dòng)，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(jī)能夠接近于同功率直流電機(jī)的啟動(dòng)力矩，解決了啟動(dòng)困難，消除電機(jī)啟動(dòng)對供電電網(wǎng)的影響；在風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，降低了電機(jī)能耗，為企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和提升了設(shè)備裝備水平[9]。

采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時(shí)可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作，通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于啟動(dòng)緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命；同時(shí)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(hù)費(fèi)用[10]。

該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證,取得了較大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。