高壓變頻調速在主抽風機同步電機上的應用

（濟南鋼鐵集團公司 煉鐵廠燒結自動化部，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），比如煉鐵燒結工序的主抽同步電機，使用國產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量；2）針對同步電機的控制，要求變頻器有完善的功能和關鍵技術。

濟鋼煉鐵廠大燒結區域由1臺320m2燒結機和1臺400m2燒結機組成。兩燒結機分別對應2臺燒結主抽風機，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燒結機于2009年9月投產，主抽風機調速設計為高壓變頻調速，投用至今；320m2燒結機于2005年9月投產，投產初期，主抽風機通過使用擋板調節開度大小來控制風量，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同步電機變頻調速為國產品牌于大功率同步電機變頻調速的首次應用，5 600kW同步電機變頻調速為國內同等級同步電機的首次改造。兩處變頻調速的應用都極具代表性。

2 應用

2.1 7 500kW同步電機變頻應用方案

整個系統由2臺高壓變頻器、11臺高壓開關柜、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臺協調控制柜實現。

2.2 5 600kW同步電機變頻應用方案

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，通過調節擋板開度來控制風量大小。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，構成新的高壓一次系統，改造后的主回路圖如圖3所示。

實現功能如下：一般情況下使用高壓變頻器TF1和TF2完成同步電機的啟動、停止和轉速調節，同步電機工作在變頻狀態；當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。2臺同步電機的啟停包括變頻器的控制由1臺獨立的協調控制柜完成。

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 高壓變頻調速系統結構

高壓變頻器本身采用市場上成熟的單元串聯多電平拓撲結構，由移相變壓器柜、功率單元柜和控制柜組成。為協調各高壓柜動作、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施等的工作，設置了協調控制柜（PLC柜），以實現系統功能。這樣，由高壓開關柜、高壓變頻器、協調控制柜、勵磁系統、冷卻系統組成了整個高壓變頻調速系統。

由于兩處應用1個為新建項目，1個為改造項目，對應的同步電機功率不同，所以方案不同，高壓變頻器系統結構必定有所區別。系統組成的確定來源于現場實際和具體的應用方案，這里只是提供參考。

2.4 應用分析

2.4.1 產品質量

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

2.4.2 關鍵技術

三相電壓的中心點漂移技術。當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，相位角調整，輸出電壓對稱，能維持生產，可減少突然停機造成的損失。此技術也是保證質量的一個方法。

同步投切技術。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，將變頻器輸出電壓參考電網電壓進行幅值、頻率、相位的同期后，由變頻器和工頻電網同時向負載并聯供電，并根據工況投切過程的需要，完成負載在變頻器和工頻電網間的轉移，最終使負載獨立工作在工頻或變頻運行狀態。此技術為各種方案設計提供了支持。

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，旋轉啟動中需要磁場位置識別，勵磁的給定方式和自動調節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進行解決。

2.4.3 系統穩定

主抽風機的穩定運行直接決定著燒結的正常生產，所以系統的穩定是第1位的。不論是7 500 kW主抽同步電機的變頻設計還是5 600kW主抽同步電機變頻改造，在變頻器質量可靠和技術成熟的基礎上，都從系統穩定方面做了詳細的考慮：7 500kW主抽同步電機變頻應用中，一臺變頻器出現問題，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，當一臺變頻器出現問題時，由變頻控制切換為工頻控制。通過這些設計，保證了整個系統的穩定可靠。

2.4.4 附屬設施

區別于異步電機，同步電機有油站、空水冷等附屬設施，同步電機變頻調速應用前后，這些附屬設施都需要相應改造，以適應不同工況。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定。根據我廠實際，采取空水冷系統，相對于其他冷卻方式，這種方式更加穩定可靠。

2.4.5 管理模式

隨著國家節能減排工作的深入進行，一種新的財務管理方法—— 合同能源管理被不斷推廣。合同能源管理（EMC），就是專業的節能服務公司通過能源服務合同為客戶企業提供能源診斷、方案設計、技術選擇、項目融資、設備采購、安裝調試、運行維護、人員培訓、節能量監測、節能量跟蹤等一整套系統的財務管理方法。不用資金投入，即可完成節能技術改造；合同期內，支付全部來自項目效益；合同結束后，節能設備和全部節能效益歸企業；EMC為企業承擔技術風險和經濟風險。本文的兩處變頻調速應用都采取EMC模式。

3 應用效果及結論

3.1 調速

變頻調速是真正意義上的無級調速，與傳統的同步電機啟動方式相比，變頻啟動對電網的沖擊幾乎可以忽略不計。改變傳統的風門調節風量方式，由控制頻率來完成風量調節，控制更加精確。

3.2 功能

同步電機應用變頻調速，使整個主抽系統更加穩定可靠，功能更加完善，如實現了“飛車”啟動功能，即同步電機在旋轉過程未停穩的情況下啟動；使工／變頻的自由切換成為可能。大大減少了停機時間。

3.3 節能

無疑，主抽同步電機相對其它風機來說，有著更大的節能空間。應用變頻調速，風門調節風量方式變為調節頻率（轉速）方式，節能效果顯著。以5 600kW同步電機為例，改造前后應用數據見表1。

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

由表1數據可以看出，電機利用效率、功率因數顯著提高；根據監測數據各次諧波電流均小于國家標準規定的諧波電流，電壓畸變率＜3%；節電率達22%；年節電約1 800萬kW·h，節能效果顯著。

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

［1］袁立新.關于燒結主抽風機節能及同步或異步電機變頻調速［J］.燒結球團，2010，35（2）：10－13.

［2］王靜.高壓大中型風機調速節能淺析［J］.攀鋼技術，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除塵風機電氣節能改造［J］.河南冶金，2009，17（2）：32－35.