摘要：本文介紹了英威騰高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)CHH100在天津某鋼廠燒結(jié)廠同步電機(jī)上的應(yīng)用。詳述了英威騰高壓變頻在大功率同步電機(jī)改造的詳細(xì)過程及碰到的問題和解決方案。同時(shí)對同步電機(jī)高壓變頻改造節(jié)能效果進(jìn)行了分析。
一、引言
2011年是“十二五”的開局之年，國家對鋼鐵業(yè)的宏觀調(diào)控政策接連不斷出臺，其中最重要的當(dāng)屬節(jié)能減排，鋼鐵工業(yè)是節(jié)能減排潛力最大的行業(yè)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，鋼鐵行業(yè)的能耗占全國工業(yè)總能耗的15%以上，在節(jié)能減排工作中具有舉足輕重的意義。可見鋼鐵業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域眾多高耗能產(chǎn)業(yè)中節(jié)能減排的“重中之重”。
二、項(xiàng)目概況
天津某鋼廠是以鋼鐵為主的大型聯(lián)合企業(yè),在中國企業(yè)500強(qiáng)中名列125位，中國制造業(yè)500強(qiáng)第58位，中國黑色冶金及壓延企業(yè)排名第21位，連續(xù)多年列天津市百強(qiáng)民營企業(yè)第1位。
天津某鋼廠擁有大型燒結(jié)機(jī)各四臺，已形成了年生產(chǎn)燒結(jié)礦476萬噸，其中200平米燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)中燒結(jié)風(fēng)機(jī)和冷卻風(fēng)機(jī)功率較大，分別為5000KW高壓同步機(jī)和3500KW高壓同步機(jī)，最初設(shè)計(jì)電機(jī)啟動依靠水電阻啟動，而風(fēng)量調(diào)節(jié)則是采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量存在著很大的局限性，主要表現(xiàn)在：
1. 風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量改變了風(fēng)道的阻力特性，而驅(qū)動源電機(jī)的輸出功率并沒有改變，節(jié)流損失相當(dāng)大，電能浪費(fèi)大。
2. 風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量是把風(fēng)量消耗在擋風(fēng)板上，造成擋風(fēng)板前后壓差大，風(fēng)門易磨損。
3. 風(fēng)機(jī)電機(jī)全速運(yùn)行，震動大、噪聲大、損耗大、軸承磨損嚴(yán)重。
4. 調(diào)節(jié)精度低、線性度差，動態(tài)響應(yīng)慢。
5. 水電阻只是在電機(jī)啟動時(shí)起作用，對風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量來說還是依靠風(fēng)門調(diào)節(jié)，電機(jī)能耗依然較高，而且水電阻維護(hù)量較大。
針對上述問題，同時(shí)為響應(yīng)國家的節(jié)能減排的政策方針，全面提高公司的運(yùn)營水平與核心競爭力，天津某鋼廠經(jīng)過多方調(diào)研、比較，最后決定采用深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列同步機(jī)專用高壓變頻器，對其燒結(jié)系統(tǒng)5000KW高壓同步機(jī)和3500KW高壓同步機(jī)進(jìn)行了變頻改造。
三、現(xiàn)場數(shù)據(jù)
本次變頻改造項(xiàng)目為天津某鋼廠燒結(jié)廠200平米燒結(jié)爐系統(tǒng)中的5000KW燒結(jié)風(fēng)機(jī)和3500KW冷卻風(fēng)機(jī)，電機(jī)均為上海電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的高壓同步電機(jī)，參數(shù)如下：
5000KW燒結(jié)同步電機(jī)系統(tǒng)額定參數(shù) | 3550KW燒結(jié)同步電機(jī)系統(tǒng)額定參數(shù) |
風(fēng)機(jī)型號 | L3N32430822 DBL6T | 風(fēng)機(jī)型號 | L3N32430822 DBL6T |
額定風(fēng)量 | 15500 m3/min | 額定風(fēng)量 | 15000 m3/min |
電動機(jī)型號 | TD5000-6/1730 | 電動機(jī)型號 | TD3500-6/1430 |
額定電壓 | 6kV | 額定電壓 | 6kV |
功率因數(shù) | 0.9 | 功率因數(shù) | 0.9 |
勵(lì)磁電壓 | 91V | 勵(lì)磁電壓 | 68V |
全壓全壓 | 15 kPa(m) | 全壓 | 10 kPa(m) |
額定轉(zhuǎn)速 | 1000 r/min | 額定轉(zhuǎn)速 | 1000 r/min |
額定功率 | 5000kW | 額定功率 | 3500kW |
額定電流 | 549A | 額定電流 | 386A |
額定轉(zhuǎn)速 | 1000r/min | 額定轉(zhuǎn)速 | 1000r/min |
勵(lì)磁電流 | 268A | 勵(lì)磁電流 | 262A |
四、變頻器配置
我司根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)及工藝為客戶選配的兩臺高壓變頻器，技術(shù)參數(shù)如下：
5000KW變頻器參數(shù) | 3550KW變頻器參數(shù) |
變頻器型號 | CHH100-5000-6 | 變頻器型號 | CHH100-3550-6 |
額定功率 | 5000 kW | 額定功率 | 3550 kw |
額定電流 | 595 A | 額定電流 | 428 A |
額定容量 | 6250 kVA | 額定容量 | 4500 kVA |
額定電壓 | 6 kV | 額定電壓 | 6 kv |
五、用戶負(fù)載情況
用戶兩臺高壓同步電機(jī)功率分別為5000KW和3500KW，且電機(jī)與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸并不是剛性連接，而是通過蛇形彈簧連接，類似于柔性連接，即通過一個(gè)聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器的兩端是一個(gè)獨(dú)立的部分，中間用蛇形彈簧把它拉緊。從控制系統(tǒng)上看，整個(gè)電機(jī)的負(fù)載就變?yōu)榱艘粋€(gè)二階慣性環(huán)節(jié), 并且該二階慣性環(huán)節(jié)的阻尼非常小。在控制理論上看，其為一個(gè)很容易震蕩的系統(tǒng)。
這對變頻器的啟動控制，提出很高的要求。如果控制不好，負(fù)載機(jī)械產(chǎn)生抖動，而機(jī)械的抖動會造成力矩的抖動，同步電機(jī)的力矩抖動最終則變成勵(lì)磁磁場與轉(zhuǎn)子磁場夾角的震蕩，反應(yīng)到變頻器上則為電流的震蕩。變頻器電流的震蕩則很容易造成變頻器跳過壓、過流的故障，從而無法正常啟動負(fù)載。
負(fù)載圖示如下：
六、變頻系統(tǒng)一次回路改造方案
同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由用戶開關(guān)、變頻器、旁路柜、同步電機(jī)和勵(lì)磁柜組成。變頻器通過信號來控制勵(lì)磁柜勵(lì)磁電流的投切實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的啟停控制，實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)變頻調(diào)速。系統(tǒng)控制示意圖如下所示：
變頻調(diào)速系統(tǒng)由用戶開關(guān)、手動旁路柜、水阻柜、CHH100系列高壓變頻器、高壓電機(jī)組成。手動旁路柜是由三個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3組成。電機(jī)以變頻方式運(yùn)行時(shí)， QS1、QS2閉合，QS3斷開；電機(jī)以工頻方式運(yùn)行時(shí)，QS3閉合， QS1、QS2斷開。手動旁路柜嚴(yán)格按照“五防”聯(lián)鎖要求設(shè)計(jì)，變頻輸出開關(guān)QS2和工頻開關(guān)QS3互鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。
在啟動方式的選擇上，采用同步啟動（即變頻器啟動前即投入勵(lì)磁電流，使得其直接按照同步機(jī)的方式啟動），而不是行業(yè)內(nèi)常用的異步啟動(即變頻器啟動前控制勵(lì)磁柜先不投入勵(lì)磁電流，依靠阻尼繞組的作用，首先按照異步機(jī)的方式啟動電機(jī)，在電機(jī)啟動后，變頻器再緩緩的增加勵(lì)磁電流，當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到一定程度后，則同步機(jī)才可以按照同步速運(yùn)行)。
對于同步啟動，啟動環(huán)節(jié)簡單，但是對啟動的控制過程要求很高。而異步啟動恰恰相反。依靠在電機(jī)控制領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，英威騰的CHH100高壓變頻器完全支持在如此復(fù)雜的負(fù)載連接方式的直接同步啟動。
七、高壓變頻器調(diào)試運(yùn)行情況
我司技術(shù)人員首先根據(jù)負(fù)載的特性，采用勵(lì)磁電流與輸出電壓同步調(diào)節(jié)的方式，選擇了適合本電機(jī)運(yùn)行的最優(yōu)勵(lì)磁電流、電壓變化曲線，并把該最優(yōu)的勵(lì)磁電流曲線直接固化到同步機(jī)的勵(lì)磁柜上，把電壓曲線采用多點(diǎn)V/F的方式，固化到變頻器的參數(shù)中；然后又采用CHH100變頻器所獨(dú)有的同步機(jī)抑制震蕩技術(shù)，有效的解決了負(fù)載啟動不平穩(wěn)，容易抖動，造成電流震蕩的問題，出色的完成了兩臺高壓同步電機(jī)的啟動和穩(wěn)定運(yùn)行，該兩臺CHH100系列高壓變頻器于2011年11月13日投入生產(chǎn)連續(xù)無故障穩(wěn)定運(yùn)行。
調(diào)試完成后，客戶對變頻器的啟停、運(yùn)行階段的控制，只是調(diào)節(jié)一下輸出頻率，啟停一下而已，并且整個(gè)啟停、運(yùn)行過程都可以在中控室完成，整個(gè)過程中也不用關(guān)心勵(lì)磁柜的調(diào)節(jié)問題，大大降低了啟動階段的工作強(qiáng)度，以及降低了工作的復(fù)雜性，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也減少了出錯(cuò)的可能。
兩臺CHH100系列高壓變頻器穩(wěn)定運(yùn)行中
頻器室出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口采取防塵、防水處理
八、節(jié)電分析
1）高壓變頻運(yùn)行界面：
2）5000KW冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析：
工頻運(yùn)行數(shù)據(jù) | 變頻運(yùn)行數(shù)據(jù) |
運(yùn)行頻率 | 50HZ | 運(yùn)行頻率 | 40HZ |
輸入電壓 | 6 .1KV | 輸入電壓 | 5.8KV |
輸入電流 | 432.3 A | 輸入電流 | 257.7A |
功率因素 | 0.9 | 變頻器效率 | 0.96 |
電機(jī)功率 | 4111 KW | 電機(jī)功率 | 2508KW |
根據(jù)上表數(shù)據(jù)計(jì)算得知，5000KW燒結(jié)風(fēng)機(jī)節(jié)電率達(dá)到39%。該套設(shè)備平均每年運(yùn)行300天以上，每天以24小時(shí)計(jì)算，電費(fèi)以0.4元/度計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用高達(dá)：300*24*（4111-2508）*0.4=461.7萬元。
3）3500KW冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析：
工頻運(yùn)行數(shù)據(jù) | 變頻運(yùn)行數(shù)據(jù) |
運(yùn)行頻率 | 50HZ | 運(yùn)行頻率 | 38HZ |
輸入電壓 | 6.1 KV | 輸入電壓 | 5.8KV |
輸入電流 | 226.2A | 輸入電流 | 166A |
功率因素 | 0.9 | 變頻器效率 | 0.96 |
電機(jī)功率 | 2150.9KW | 電機(jī)功率 | 1617.7KW |
根據(jù)上表數(shù)據(jù)計(jì)算得知， 3500KW冷卻風(fēng)機(jī)節(jié)電率達(dá)到24.8%，該套設(shè)備平均每年運(yùn)行300天以上，每天以24小時(shí)計(jì)算，電費(fèi)以0.4元/度計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用高達(dá)：300*24*（2150.9-2054.1）*0.4=153.6萬元。
總體節(jié)能效果顯著，而且性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，英威騰產(chǎn)品得到用戶的一致好評。
九、總結(jié)
變頻器改造，不僅提高設(shè)備的安全可靠性，提高了工藝流程的自動化水平，減少事故率，更為企業(yè)節(jié)約降耗提高經(jīng)濟(jì)效益作出貢獻(xiàn)，在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，減少環(huán)境污染政策的指引下，推廣和使用變頻器必將是降低能源消耗的有力措施。
深圳市英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的CHH100系列高壓變頻器在大功率同步電機(jī)上的成功投運(yùn)，標(biāo)志著英威騰已完全掌握了大功率高壓同步電機(jī)的高壓變頻拖動過程的啟停、還有柔性連接時(shí)低頻振蕩等行業(yè)難題。
作者介紹：
寫海：英威騰高壓產(chǎn)品線經(jīng)理
樓蓬勃：英威騰售后服務(wù)調(diào)試工程師
