荣信电力变频器在无刷励磁同步电机所驱动的烧结主抽风机上的应用

一、烧结主抽风机变频改造的意义

烧结的生产过程是经配料和处理过的烧结料铺到烧结机的台车上，进行点火和强制抽风（靠主抽风机抽风产生负压）的作用下烧结料中的燃料燃烧产生高温使得局部软化和融化发生一系列物理化学反应生成一定数量的液相，随后由于温度降低液相冷却凝固成块形成成品烧结料，随后供给高炉进行炼铁，整个烧结料的生产过程中烧结主抽风机占据着不可忽视的重要作用。

由于烧结出抽风机负载的电机容量相对较大，普遍在于3000kW—10000kW不等，并且由于相关电网容量的限制，烧结主抽风机负载一般无法进行工频直接起动。现今国内现有大多数烧结主抽风机一般都采用水电阻或者高压软启动器起动，工频拖动的运行方式，较少使用变频器驱动。由于电机长期工频运行，加之长期利用风门进行相关的流量压力调节，造成烧结主抽风机运行起来非常不经济；同时由于电机大多采取水电阻起动的方式，不仅达不到良好的起动效果，而且造成频繁维护、频繁更换电解液的情况，甚至起动过程中的“开锅”“漏液”现象也时有发生，危害人员及设备的安全。在机械上产生剧烈冲击和磨损、风机无法运行在高效区等问题都会给企业带来很大的经济问题。这对于构建节约型社会，贯彻国家“十二五”节能减排计划是不相符合的，对烧结主抽风机进行变频改造对节约能源、提高生产效率、增加企业的经济效益都具有非常现实的经济意义和社会意义。

高压变频调速是近年来兴起的一门基于电力电子器件的新技术，它是将工频电网进行一系列的处理变换后输出一种频率可变、电压可调的电能的技术，主要改工频频率来实现速度的调节，因其具有调速精度高、范围广、稳定性强、dV/dt小、瞬态稳定性高、节能等特性越来越被人们所重视，近年来也得到了广泛的应用。

二、项目概述

邢台钢铁有限责任公司(以下简称邢钢)，是国内最大规模的高端线材专业化生产企业，全国五一劳动奖状获奖企业， 2008年“中国最佳诚信企业”和“全国钢铁工业先进集体”，为国外法人独资企业。

邢钢实施“做精、做专、做强”发展战略，实现了从普钢到精品钢的战略转移。作为高端线材专业化生产企业，在全国长材生产企业中第一家配备了RH真空精炼炉，使用了铁水预脱硫、轻压下大方坯连铸机等高端技术，现可生产出70多个钢种600余个产品，形成了冷镦钢、预应力钢、焊接用钢、帘线钢、弹簧钢、轴承钢、机械结构用钢、硬线钢、锚链钢等十五大系列产品。邢钢是国内第一家可生产42mm全规格光面线材和盘卷螺纹的企业，成品精度可达±0.1mm。5条采用国际最先进轧钢技术的高速线材生产线，年生产能力300万吨，实现了线材生产的专业化，可充分满足用户多品种、多规格、小批量、多频次的需求。

邢钢烧结机情况如下：

对于邢钢第二烧结厂185mm2烧结线，烧结主抽风机是其主要的生产设备，但由于其长期的工频运行，为了满足烧结生产过程中产生所需负压、风量，此风机只能采取风门调节的方式以牺牲风机本身效率，改变管网的特性曲线来勉强维持生产的持续，实际工频运行电流可达650A，平均实际运行压力14.75KPA，平均实际运行风量700000(m3/h)平均实际运行风门开度约75%见图一。并且现场为西门子无刷励磁同步电机。

图1 邢钢烧结主抽风机工频运行电流

三、现场存在的问题

1、电机现有起动方式为西门子软起动器起动，起动电流可达空载电流的2倍左右。见图二现有系统接线方式

图2 现有系统接线方式

2、挡板调节，风机处于低效率运行区间，改变的是管网特性曲线，能源损耗严重。

图3 工作性能曲线

3、工频50HZ下长期运行，机械损坏程度高，降低设备使用寿命。

4、自动化水平较低，人工干预程序多，整个运行过程十分复杂。

5、现场维护量大。

6、无刷励磁同步电机投励量不可控，导致电机无法根据实际需求智能化投励。

3、变频改造方案

3.1改造后系统单线图

根据提供的负载参数，对于6500kW电机，过载能力按照150%进行核算（预估）出需配置的变频器容量约为9000kVA，选择与其对应的荣信变频器型号为：RHVC4000-A60/9000（额定容量9000kVA）完全满足本系统调速的要求。 系统控制方案采用一拖一手动切换预案启动系统工频备用方式。

图4 系统单线图

3.2无刷励磁同步电机解决方案

在主电动机上加装变频器；对给主电动机提供励磁的励磁装置的控制部分进行整体改造。

改造后的励磁控制系统接收变频器发出的励磁给定指令, 从而控制励磁随电机的转速的增加而投入,无刷励磁同步电动机实现变速运行。无刷励磁电机变频起动前，励磁电源加满，使旋转整流部分尽可能的产生足够的备起电流，变频器起动后，利用4-20mA信号跟踪并输出给新增励磁控制系统，使励磁机跟随变频器的起动需求投励，在起动完成后，励磁机时刻听从变频器的模拟量给定指令投励以实现无刷励磁同步电机的起动与调速过程。

图5 传统无刷励磁同步电机组

图6 无刷励磁同步电机的整体调速装置

无刷励磁同步电机的整体调速装置，其特征在于 ：

在主电动机上加装变频器 ；

对给主电动机提供励磁的励磁装置的控制部分进行整体改造,增设新的能与变频器配合的无刷励磁控制系统；

新增励磁控制系统与变频器；

增设新的能与变频器配合的无刷励磁控制系统,使无刷励磁同步电机实现变频运行。

3.3自动化控制方案

1.可通过上位机进行变频控制，监控等。

2.电机电流、频率反馈、电机轴承温度，电机定子温度等相关在线数据精确上传至PLC，内加安全隔离珊，安全隔离珊为一路两出，保证原仪表显示功能，并且在上位机显示实时数据以及历史数据。

3．具备电机过热保护功能，电机温度报警值和故障停车值可在上位机进行设定。

4.上位机具备保留变频故障，运行时间，频率等信息。

5. 上位机与plc采用TCP/IP的通讯模式，增强上位机与下位机的通讯速率。

6.启动方式一键式，操作建议，无需现场操作。

7.与用户控制系统通讯，采集主抽风机仪表监测数据和油站控制参数，参与变频连锁控制和上位机监测。

网络拓扑如下：

图7自动化网络拓扑

3.4变频器配置方案

对于6kV变频系统，荣信电力电子股份有限公司采用6级单元串联设计方案，实现高压直接输出。每个功率单元由移相变压器的一组二次侧绕组供电，为三相输入单相输出的电压源型结构，每个单元承受全部输出电流，但仅承受1/18的功率。功率器件采用原装进口的IGBT模块，功率单元控制上采用目前应用最成熟的PWM调节技术，功率输出相同的基波电压，但各单元的调制波错开一定相位，使系统具有高的等效开关频率和电平数，使极高的动态响应能力，和最低的IGBT开关损耗，同时保证系统在不额外加装输入功率因数补偿和输出滤波器的情况下，输出符合IEEE 519 1992及中国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。

图8高压变频器拓扑结构图

3.4.1H桥功率单元原理

功率单元为交直交型式，核心功率器件采用德国英飞凌（原西门子）生产的高压IGBT模块，系统采用目前应用最成熟的PWM调节方式，系统具有极高的动态响应能力，和最低的IGBT开关损耗。

图9 变频功率单元原理示意图

图10 功率单元输出波形

输入端R、S、T接变压器二次侧绕组低压输出端，经过三相全波整流桥后，形成直流电压经电容滤波后，供给由IGBT功率模块组成的H桥逆变电路，通过接收光纤触发信号，经过PWM控制技术，控制A+、A-、B+、B-的导通和关断，使其输出单相脉宽调制波形。

4、变频改造达到的效果

4.1节能效果

离心式或轴流式风机、泵类流体设备属于平方转矩负载，拟定变频调速节能方案，依据相似定律：

f（频率）∝n（转速）∝Q（出口流量）

f（频率）∝n（转速）∝H1/2（出口压力）

f（频率）∝n（转速）∝P1/3（轴功率即功耗）

整体节能核算统计如下表：

合计：经核算,邢台钢铁公司的一台烧结主抽风机，采用荣信电力电子股份有限公司的高压变频装置进行节能改造以后，一年共计可节省电量为： 520.6万度，一年共计节省电费： 312.4万元

4.2其他效果

● 减少了对电网的冲击

采用智能变频节能控制系统调节后，系统实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。

● 节能

利用智能变频节能控制系统的节能模式，可使电机以最高效率运行，减少不必要的电能损耗；由于电机在高效率状态下运行，功率因数较高，降低了无功损耗，节约了大量电能。

● 噪音低

使用荣信变频节能控制系统运行时,机房平均噪音为70dB（A），由于噪音降低,改善了工作环境。

● 工作强度降低

由于荣信变频节能控制系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的无人操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

● 延长设备使用寿命

由于荣信变频控制系统直接可以内置PID调节器，可开环运行，可闭环运行，具有保持恒定值的优点,使之压力-转速-功率达到动态匹配,转数明显降低,一般情况下,机械磨损减小,延长设备的使用寿命。

● 提高运行可靠性

原电控系统与改造后电控系统可互为备用,提高了运行可靠性,同时各项保护措施更加完善。

● 减小现场维护量

采用荣信高压变频装置调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作，通常情况下，智能变频节能控制系统调速系统的应用主要是为了降低电机的转速。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大的减轻了对管道和阀组的冲击，有效延长了管道和阀组的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量的维护费用。

综上所述，烧结主抽风机变频控制系统可以实时的对烧结主抽风机进行转速控制，实际上改变了风机的运行特性曲线，大大的提高了风机的运行效率；有效的解决了大型电机起动困难的问题；降低了现场设备的运行噪音；提高了整个烧结主抽系统的稳定性和自动化水平；软起动及软调速大大提高了设备的使用寿命，有效的保护了电网；改善了原系统的高耗能状态，更加有效的利用了能源，得到了可观的节能效果。

四、 结论

在无刷励磁同步电机所驱动的烧结主抽风机上采用RHVC系列高压变频调速装置，在技术上是完全可行的，在节约的经济效益上也是非常可观。并且在降低设备故障率、提高系统自动化水平和减少现场设备维护量方面，高压变频调速装置有着不可忽视的作用，在未来无刷励磁同步电机所驱动的烧结主抽风机的变频改造将会越来越普及。