高壓變頻器在鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯主抽風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用

梁 兵

（安徽馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯式球團(tuán)礦生產(chǎn)線的主電除塵高壓風(fēng)機(jī)（簡稱主抽風(fēng)機(jī)），電機(jī)為10KV 2240KW，原采用液力耦合器進(jìn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。液力耦合器多次傳遞動能，造成功率消耗，不能提高設(shè)備的啟動性能。高壓變頻器取代液力耦合器后，高壓變頻器通過改變電源頻率，來啟動電機(jī)和進(jìn)行無級調(diào)速，直接對高壓電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)效率高；減小啟動電流、消除對電氣和機(jī)械的沖擊，保護(hù)傳動系統(tǒng)的設(shè)備，簡化工藝機(jī)械結(jié)構(gòu)；根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)節(jié)設(shè)備工藝參數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能效果，改造可以說是一舉三得。

1 高壓變頻器結(jié)構(gòu)原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻電源轉(zhuǎn)換為所需要的頻率的一種電能控制裝置。高壓變頻器以多個功率單元串聯(lián)多電平輸出高壓，主電路采用交-直-交變流結(jié)構(gòu)。成套高壓變頻器主要由高壓開關(guān)設(shè)備、移相變壓器、功率單元（IGBT）、控制單元及冷卻設(shè)備組成。高壓開關(guān)設(shè)備用于接通或斷開輸入電源和負(fù)載，進(jìn)行工頻旁路的切換；移相變壓器將進(jìn)線側(cè)的高壓電源變換為多組低壓，每個副邊的繞組都采用延邊三角形的接法，相互之間有一定的相位差。功率單元是變頻器核心，采用多重電路星形接法結(jié)構(gòu)將其均分成三組，每組一相，每個單元將三相交流電進(jìn)行整流、儲能、濾波、逆變后輸出單相低壓交流電，每組多個功率單元輸出側(cè)串聯(lián)起來形成高壓，各功率單元具有故障自檢自動退出功能，非故障功率單元正常工作可保障電機(jī)繼續(xù)運行或自動切換到高壓旁路工頻運行，避免停機(jī)造成損失。功率單元的模塊化設(shè)計有利于故障時迅速替換。控制單元對變頻器主回路進(jìn)行檢測、控制及保護(hù)，對外傳輸接收指令信號及參數(shù)，控制單元通過光纖對每一個功率單元進(jìn)行整流、逆變控制與檢測，實現(xiàn)電氣隔離。高壓變頻器柜的頂部，安裝有一排冷卻風(fēng)扇，以往外抽風(fēng)的方式進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。[1]

2 改造方案

在風(fēng)機(jī)運行中，液耦調(diào)速與變頻器調(diào)速在能源利用上差別很大。變頻器能在很短的時間內(nèi)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速，也就是輸出轉(zhuǎn)速比能快速地達(dá)到1，效率很高。在傳動效率方面相比液力耦合器效率更高，調(diào)節(jié)性更強(qiáng)。（如圖1 所示）

圖1 兩種調(diào)速方式效率曲線圖

為確保變頻改造后變頻設(shè)備得到充分利用，因此，實施改造時采用一拖一自動旁路方案。如果變頻設(shè)備故障后處于待修狀態(tài)，則主抽風(fēng)機(jī)可在旁路方式選擇工頻啟動的方式運行。（具體一次接線圖如圖2 所示）

圖2 一次接線圖

該方案具備高壓電機(jī)的啟動在變頻方式與工頻方式之間進(jìn)線切換的功能，即當(dāng)變頻調(diào)速裝置出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，能立刻斷開進(jìn)、出線斷路器，將變頻調(diào)速裝置隔離，并自動將高壓電機(jī)切換至工頻方式，此時高壓電機(jī)采用工頻方式啟動，維持高壓電機(jī)運行；當(dāng)變頻調(diào)速裝置故障處理好或檢修完畢后，也能通過控制指令將高壓電機(jī)由工頻運行狀態(tài)平穩(wěn)地切換至變頻運行狀態(tài)。

切換說明：

1.工頻旁路斷路器QF3 與變頻器出線斷路器QF2具備電氣互鎖功能，不能同時閉合，保證系統(tǒng)不會因工頻與變頻短路造成設(shè)備損壞。

2.在變頻運行狀況下，QF1、QF2 閉合，QF3 斷開。如需切換至工頻運行，要先停止變頻器的輸出，此時由電氣線路控制順序為：跳閘QF2、QF1，接收到風(fēng)機(jī)風(fēng)門到位信號后，然后合閘QF3，使電機(jī)工頻運行。

3.在工頻運行狀態(tài)下QF3 閉合，QF1、QF2 都斷開。如需切換至變頻運行，電氣線路的控制順序為：QF3斷開，其次將QF1 合閘，最后將QF2 合閘，啟動變頻器，完成由工頻旁路運行狀態(tài)切換到變頻運行狀態(tài)的操作。

由于高壓電機(jī)在工頻啟動時，還需要水電阻進(jìn)行降壓啟動，因此改造后選擇變頻運行和工頻運行時還需要注意以下幾點：

1.保留原有水電阻啟動柜與星點柜。

2.當(dāng)選擇變頻運行時，風(fēng)門全關(guān)，短接星點柜，水電阻啟動柜斷開，QF1 閉合，QF2 閉合，啟動變頻，到一定負(fù)荷后風(fēng)門逐步打開至全開。

3.當(dāng)選擇工頻運行時，QF1、QF2 斷開，用戶開關(guān)閉合、QF3 閉合，水電阻啟動柜和星點柜啟動。

4.變頻轉(zhuǎn)工頻的切換動作過程為：分用戶開關(guān)→分QF1、QF2 →合QF3 →恢復(fù)水電阻啟動柜控制回路→合用戶開關(guān)，按原有工頻水電阻啟動、進(jìn)風(fēng)門調(diào)節(jié)的控制方式啟動、運行。

5.工頻轉(zhuǎn)變頻的切換動作過程為：分用戶開關(guān)→停止工頻定子水電阻啟動柜→分QF3 →合QF1、QF2 →合用戶開關(guān)→啟動變頻器→逐步調(diào)速，按進(jìn)風(fēng)門全開、變頻調(diào)速調(diào)節(jié)的控制方式啟動、運行。

保留原有用戶開關(guān)作為原電機(jī)的供電開關(guān)，工頻旁路啟動時水電阻柜啟動，工頻投入時差動保護(hù)投入，變頻投入時差動保護(hù)退出。在用工頻回路啟動電機(jī)時需注意以下幾點：

1.保留水電阻柜的控制回路不變。

2.水電阻啟動完畢，星點柜短接后，再啟動變頻器。

3.水電阻啟動完畢星點柜短接后，取輔助接點接入變頻器急停回路，使得水電阻在啟動過程中，星點柜短接之前，不能啟動變頻器。

4.保留差動保護(hù)配置，但通過適當(dāng)電氣改造，設(shè)置自動投退功能，電動機(jī)在變頻運行時自動退出差動保護(hù)，在變頻故障或檢修工頻旁路運行時投入差動保護(hù)。

3 改造為變頻器后的節(jié)電效益

根據(jù)主抽風(fēng)機(jī)在兩種控制方式下風(fēng)量-負(fù)載特性曲線和現(xiàn)場運行的實際負(fù)荷變化情況進(jìn)行計算，該風(fēng)機(jī)的工藝參數(shù)為：額定流量90×104m3/h、壓力5500Pa、額定功率2240KW、額定轉(zhuǎn)速990rpm/min。額定電流160A，目前正常運行時電流約為100A。

風(fēng)機(jī)在液力耦合器調(diào)速控制和采用變頻器調(diào)速控制時的風(fēng)量-負(fù)載特性曲線如圖3 所示。

圖3 風(fēng)量-負(fù)載特性曲線圖

按照實際生產(chǎn)要求，風(fēng)機(jī)連續(xù)運行24 小時，基本在60%負(fù)荷，全年運行時間在340 天。用風(fēng)量-負(fù)載特性曲線圖計算液力耦合器和變頻器的耗電量分別為：

1.液力耦合器：

W1=2240×24×（1-60%）×340=7311360KWh

2.變頻器：

W2=2240×24×（1-35%）×340=11880960KWh

3.變頻器比液力耦合器多節(jié)電：

W=W2-W1=11880960-7311360=4569600KWh。

按每度電0.60 元計算，則每年變頻器比液力耦合器可多節(jié)約電費：0.60 元×4569600KWh=2741760 元=274 萬元。

經(jīng)以上計算分析，高壓變頻技術(shù)在節(jié)能效果方面是相當(dāng)顯著的。

4 結(jié)語

本文通過對液力耦合器改為高壓變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方案的論述，以及經(jīng)濟(jì)效益的計算，說明了高壓變頻器在主抽風(fēng)機(jī)的改造中，節(jié)能效果明顯。同時，工頻回路的保留，為高壓變頻器故障后的應(yīng)急生產(chǎn)提供了保障。隨著對冶金行業(yè)綠色節(jié)能的要求越來越高，智能化程度的不斷提高，電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，采用高壓變頻器對風(fēng)機(jī)類負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，不但對生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，也是節(jié)能和設(shè)備穩(wěn)定運行的要求，更是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。