高壓變頻器在鏈箅機-回轉窯主抽風機節能改造中的應用

梁 兵

（安徽馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

鏈箅機-回轉窯式球團礦生產線的主電除塵高壓風機（簡稱主抽風機），電機為10KV 2240KW，原采用液力耦合器進行風機轉速的調整。液力耦合器多次傳遞動能，造成功率消耗，不能提高設備的啟動性能。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，來啟動電機和進行無級調速，直接對高壓電機的轉速進行調節，調節效率高；減小啟動電流、消除對電氣和機械的沖擊，保護傳動系統的設備，簡化工藝機械結構；根據系統需求調節設備工藝參數，實現節能效果，改造可以說是一舉三得。

1 高壓變頻器結構原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用，將工頻電源轉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多電平輸出高壓，主電路采用交-直-交變流結構。成套高壓變頻器主要由高壓開關設備、移相變壓器、功率單元（IGBT）、控制單元及冷卻設備組成。高壓開關設備用于接通或斷開輸入電源和負載，進行工頻旁路的切換；移相變壓器將進線側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構將其均分成三組，每組一相，每個單元將三相交流電進行整流、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串聯起來形成高壓，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繼續運行或自動切換到高壓旁路工頻運行，避免停機造成損失。功率單元的模塊化設計有利于故障時迅速替換。控制單元對變頻器主回路進行檢測、控制及保護，對外傳輸接收指令信號及參數，控制單元通過光纖對每一個功率單元進行整流、逆變控制與檢測，實現電氣隔離。高壓變頻器柜的頂部，安裝有一排冷卻風扇，以往外抽風的方式進行強制風冷。[1]

2 改造方案

在風機運行中，液耦調速與變頻器調速在能源利用上差別很大。變頻器能在很短的時間內達到所要求的轉速，也就是輸出轉速比能快速地達到1，效率很高。在傳動效率方面相比液力耦合器效率更高，調節性更強。（如圖1 所示）

圖1 兩種調速方式效率曲線圖

為確保變頻改造后變頻設備得到充分利用，因此，實施改造時采用一拖一自動旁路方案。如果變頻設備故障后處于待修狀態，則主抽風機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的啟動在變頻方式與工頻方式之間進線切換的功能，即當變頻調速裝置出現嚴重故障時，能立刻斷開進、出線斷路器，將變頻調速裝置隔離，并自動將高壓電機切換至工頻方式，此時高壓電機采用工頻方式啟動，維持高壓電機運行；當變頻調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由工頻運行狀態平穩地切換至變頻運行狀態。

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，保證系統不會因工頻與變頻短路造成設備損壞。

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，接收到風機風門到位信號后，然后合閘QF3，使電機工頻運行。

3.在工頻運行狀態下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切換到變頻運行狀態的操作。

由于高壓電機在工頻啟動時，還需要水電阻進行降壓啟動，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.當選擇變頻運行時，風門全關，短接星點柜，水電阻啟動柜斷開，QF1 閉合，QF2 閉合，啟動變頻，到一定負荷后風門逐步打開至全開。

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

4.變頻轉工頻的切換動作過程為：分用戶開關→分QF1、QF2 →合QF3 →恢復水電阻啟動柜控制回路→合用戶開關，按原有工頻水電阻啟動、進風門調節的控制方式啟動、運行。

5.工頻轉變頻的切換動作過程為：分用戶開關→停止工頻定子水電阻啟動柜→分QF3 →合QF1、QF2 →合用戶開關→啟動變頻器→逐步調速，按進風門全開、變頻調速調節的控制方式啟動、運行。

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

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.保留差動保護配置，但通過適當電氣改造，設置自動投退功能，電動機在變頻運行時自動退出差動保護，在變頻故障或檢修工頻旁路運行時投入差動保護。

3 改造為變頻器后的節電效益

根據主抽風機在兩種控制方式下風量-負載特性曲線和現場運行的實際負荷變化情況進行計算，該風機的工藝參數為：額定流量90×104m3/h、壓力5500Pa、額定功率2240KW、額定轉速990rpm/min。額定電流160A，目前正常運行時電流約為100A。

風機在液力耦合器調速控制和采用變頻器調速控制時的風量-負載特性曲線如圖3 所示。

圖3 風量-負載特性曲線圖

按照實際生產要求，風機連續運行24 小時，基本在60%負荷，全年運行時間在340 天。用風量-負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約電費：0.60 元×4569600KWh=2741760 元=274 萬元。

經以上計算分析，高壓變頻技術在節能效果方面是相當顯著的。

4 結語

本文通過對液力耦合器改為高壓變頻器進行轉速調節方案的論述，以及經濟效益的計算，說明了高壓變頻器在主抽風機的改造中，節能效果明顯。同時，工頻回路的保留，為高壓變頻器故障后的應急生產提供了保障。隨著對冶金行業綠色節能的要求越來越高，智能化程度的不斷提高，電力電子技術的不斷發展，采用高壓變頻器對風機類負載進行轉速控制，不但對生產工藝、提高產品質量有好處，也是節能和設備穩定運行的要求，更是可持續發展的必然趨勢。