（濟南鋼鐵集團公司 煉鐵廠燒結(jié)自動化部，山東 濟南 250101）

1 引言

在2009年前，對于大功率同步電機（5 600kW等級），比如煉鐵燒結(jié)工序的主抽同步電機，使用國產(chǎn)高壓變頻器的還沒有成功先例。決定因素有2個：1）變頻器的主要元器件質(zhì)量；2）針對同步電機的控制，要求變頻器有完善的功能和關(guān)鍵技術(shù)。

濟鋼煉鐵廠大燒結(jié)區(qū)域由1臺320m2燒結(jié)機和1臺400m2燒結(jié)機組成。兩燒結(jié)機分別對應(yīng)2臺燒結(jié)主抽風(fēng)機，各配套2臺同步電機，電機功率分別為5 600kW，7 500kW，都是10kV電壓等級。其中，400m2燒結(jié)機于2009年9月投產(chǎn)，主抽風(fēng)機調(diào)速設(shè)計為高壓變頻調(diào)速，投用至今；320m2燒結(jié)機于2005年9月投產(chǎn)，投產(chǎn)初期，主抽風(fēng)機通過使用擋板調(diào)節(jié)開度大小來控制風(fēng)量，啟動同步電機采用液阻軟啟動方式，2010年進行了高壓變頻改造，投用至今。7 500kW同步電機變頻調(diào)速為國產(chǎn)品牌于大功率同步電機變頻調(diào)速的首次應(yīng)用，5 600kW同步電機變頻調(diào)速為國內(nèi)同等級同步電機的首次改造。兩處變頻調(diào)速的應(yīng)用都極具代表性。

2 應(yīng)用

2.1 7 500kW同步電機變頻應(yīng)用方案

整個系統(tǒng)由2臺高壓變頻器、11臺高壓開關(guān)柜、2臺電抗器柜、2臺勵磁柜組成。其主回路圖如圖1所示。在圖1中，QF1～QF11為高壓開關(guān)柜，TF1，TF2為高壓變頻器，M1，M2為2臺同步電機。

圖1 7 500kW主抽同步電機主回路圖Fig.1 Main circuit of 7 500kW synchronous motor for exhaust fan

實現(xiàn)功能如下：TF1可以拖動M1變頻運行；TF2可以拖動M2變頻運行；TF1可以拖動M2變頻運行；TF2可以拖動M1變頻運行；當(dāng)變頻運行的電機運行至50Hz時，可以切換至工頻運行。2套變頻器的控制由獨立的1臺協(xié)調(diào)控制柜實現(xiàn)。

2.2 5 600kW同步電機變頻應(yīng)用方案

2.2.1 改造前

改造前同步電機的啟動采取液阻軟啟動方式，通過調(diào)節(jié)擋板開度來控制風(fēng)量大小。改造前的主回路圖如圖2所示。

圖2 5 600kW主抽同步電機改造前主回路圖Fig.2 Main circuit of 5 600kW synchronous motor for exhaust fan before rebuild

2.2.2 改造后

改造后，保留原液阻軟啟動裝置及原高壓柜，加上變頻器的進線高壓柜、出線高壓柜、旁路高壓柜以及勵磁柜，構(gòu)成新的高壓一次系統(tǒng)，改造后的主回路圖如圖3所示。

實現(xiàn)功能如下：一般情況下使用高壓變頻器TF1和TF2完成同步電機的啟動、停止和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，同步電機工作在變頻狀態(tài)；當(dāng)某臺變頻器檢修或者故障情況下，使用原有液阻軟啟動器完成同步電機啟動，同步電機工作在工頻狀態(tài)。2臺同步電機的啟停包括變頻器的控制由1臺獨立的協(xié)調(diào)控制柜完成。

圖3 5 600kW主抽同步電機改造后主回路圖Fig.3 Main circuit of 5 600kW synchronous motor for exhaust fan after rebuild

2.3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓變頻器本身采用市場上成熟的單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，由移相變壓器柜、功率單元柜和控制柜組成。為協(xié)調(diào)各高壓柜動作、勵磁柜的投切、高壓變頻器控制以及高壓變頻器附屬冷卻設(shè)施等的工作，設(shè)置了協(xié)調(diào)控制柜（PLC柜），以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。這樣，由高壓開關(guān)柜、高壓變頻器、協(xié)調(diào)控制柜、勵磁系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成了整個高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。

由于兩處應(yīng)用1個為新建項目，1個為改造項目，對應(yīng)的同步電機功率不同，所以方案不同，高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必定有所區(qū)別。系統(tǒng)組成的確定來源于現(xiàn)場實際和具體的應(yīng)用方案，這里只是提供參考。

2.4 應(yīng)用分析

2.4.1 產(chǎn)品質(zhì)量

目前國內(nèi)外流行的高壓變頻器多為功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，每個功率單元通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形，多個功率單元移相串聯(lián)，電壓疊加，完成變壓變頻功能。功率單元的內(nèi)部元器件的質(zhì)量是變頻器應(yīng)用選型首先應(yīng)該考慮的問題。

2.4.2 關(guān)鍵技術(shù)

三相電壓的中心點漂移技術(shù)。當(dāng)某個功率單元故障時，變頻器旁路此故障功率單元，同時，將三相電壓的中心點進行漂移，以保證三相輸出電壓對稱。中心點漂移后，相位角調(diào)整，輸出電壓對稱，能維持生產(chǎn)，可減少突然停機造成的損失。此技術(shù)也是保證質(zhì)量的一個方法。

同步投切技術(shù)。在變頻器輸出能力足夠的情況下，利用電壓跟蹤和鎖相技術(shù)，將變頻器輸出電壓參考電網(wǎng)電壓進行幅值、頻率、相位的同期后，由變頻器和工頻電網(wǎng)同時向負載并聯(lián)供電，并根據(jù)工況投切過程的需要，完成負載在變頻器和工頻電網(wǎng)間的轉(zhuǎn)移，最終使負載獨立工作在工頻或變頻運行狀態(tài)。此技術(shù)為各種方案設(shè)計提供了支持。

不同于異步電機，同步電機的變頻控制，還需要解決以下問題：啟動整步問題，旋轉(zhuǎn)啟動中需要磁場位置識別，勵磁的給定方式和自動調(diào)節(jié)問題以及故障保護下的緊急滅磁等。都需要高壓變頻器具有先進的技術(shù)進行解決。

2.4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定

主抽風(fēng)機的穩(wěn)定運行直接決定著燒結(jié)的正常生產(chǎn)，所以系統(tǒng)的穩(wěn)定是第1位的。不論是7 500 kW主抽同步電機的變頻設(shè)計還是5 600kW主抽同步電機變頻改造，在變頻器質(zhì)量可靠和技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，都從系統(tǒng)穩(wěn)定方面做了詳細的考慮：7 500kW主抽同步電機變頻應(yīng)用中，一臺變頻器出現(xiàn)問題，另一臺變頻器可將頻率提至50 Hz，將同步電機甩入工頻運行，然后用此變頻器對原故障變頻器拖動的同步電機進行控制；5 600 kW主抽同步電機變頻改造中，保留了液阻軟啟動裝置作為備用工頻手段，當(dāng)一臺變頻器出現(xiàn)問題時，由變頻控制切換為工頻控制。通過這些設(shè)計，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

2.4.4 附屬設(shè)施

區(qū)別于異步電機，同步電機有油站、空水冷等附屬設(shè)施，同步電機變頻調(diào)速應(yīng)用前后，這些附屬設(shè)施都需要相應(yīng)改造，以適應(yīng)不同工況。而隨著高壓變頻器功率的加大，冷卻問題顯得愈加突出，冷卻效果直接影響著變頻器的穩(wěn)定。根據(jù)我廠實際，采取空水冷系統(tǒng)，相對于其他冷卻方式，這種方式更加穩(wěn)定可靠。

2.4.5 管理模式

隨著國家節(jié)能減排工作的深入進行，一種新的財務(wù)管理方法—— 合同能源管理被不斷推廣。合同能源管理（EMC），就是專業(yè)的節(jié)能服務(wù)公司通過能源服務(wù)合同為客戶企業(yè)提供能源診斷、方案設(shè)計、技術(shù)選擇、項目融資、設(shè)備采購、安裝調(diào)試、運行維護、人員培訓(xùn)、節(jié)能量監(jiān)測、節(jié)能量跟蹤等一整套系統(tǒng)的財務(wù)管理方法。不用資金投入，即可完成節(jié)能技術(shù)改造；合同期內(nèi)，支付全部來自項目效益；合同結(jié)束后，節(jié)能設(shè)備和全部節(jié)能效益歸企業(yè)；EMC為企業(yè)承擔(dān)技術(shù)風(fēng)險和經(jīng)濟風(fēng)險。本文的兩處變頻調(diào)速應(yīng)用都采取EMC模式。

3 應(yīng)用效果及結(jié)論

3.1 調(diào)速

變頻調(diào)速是真正意義上的無級調(diào)速，與傳統(tǒng)的同步電機啟動方式相比，變頻啟動對電網(wǎng)的沖擊幾乎可以忽略不計。改變傳統(tǒng)的風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量方式，由控制頻率來完成風(fēng)量調(diào)節(jié)，控制更加精確。

3.2 功能

同步電機應(yīng)用變頻調(diào)速，使整個主抽系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，功能更加完善，如實現(xiàn)了“飛車”啟動功能，即同步電機在旋轉(zhuǎn)過程未停穩(wěn)的情況下啟動；使工／變頻的自由切換成為可能。大大減少了停機時間。

3.3 節(jié)能

無疑，主抽同步電機相對其它風(fēng)機來說，有著更大的節(jié)能空間。應(yīng)用變頻調(diào)速，風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量方式變?yōu)檎{(diào)節(jié)頻率（轉(zhuǎn)速）方式，節(jié)能效果顯著。以5 600kW同步電機為例，改造前后應(yīng)用數(shù)據(jù)見表1。

表1 5 600kW同步電機改造前后參數(shù)對比表Tab.1 Parameters contrast about rebuild of 5 600kW synchronous motor

由表1數(shù)據(jù)可以看出，電機利用效率、功率因數(shù)顯著提高；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)各次諧波電流均小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波電流，電壓畸變率＜3%；節(jié)電率達22%；年節(jié)電約1 800萬kW·h，節(jié)能效果顯著。

主抽同步電機有著廣闊的節(jié)能空間，隨著高壓變頻器質(zhì)量和技術(shù)的不斷提高，國產(chǎn)變頻器應(yīng)用于同步電機的案例將越來越多，僅以濟鋼煉鐵廠應(yīng)用為例，為同步電機的變頻調(diào)速應(yīng)用提供參考。

［1］袁立新.關(guān)于燒結(jié)主抽風(fēng)機節(jié)能及同步或異步電機變頻調(diào)速［J］.燒結(jié)球團，2010，35（2）：10－13.

［2］王靜.高壓大中型風(fēng)機調(diào)速節(jié)能淺析［J］.攀鋼技術(shù)，2002，25（3）：104－107.

［3］李長利，葉正文，陳海宗，等.濟鋼第二煉鐵廠燒結(jié)除塵風(fēng)機電氣節(jié)能改造［J］.河南冶金，2009，17（2）：32－35.