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北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 供稿
一、引言
冶金工業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶，已被列為國家節(jié)約資源的重點領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會的政策環(huán)境下，提高冶金行業(yè)的節(jié)能技術(shù)和應(yīng)用水平，建立節(jié)約型冶金工業(yè)體系意義重大。在當前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，冶金生產(chǎn)企業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟效益和最高的勞動生產(chǎn)率。
在冶金的生產(chǎn)中，風機大馬拉小車現(xiàn)象嚴重，同時由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需求的風量也隨之變化。大部分風機采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進、出風口擋板開度大小來實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)，而該方法是以增加風阻、犧牲風機的效率來達到要求的，損耗嚴重。風機電動機如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度，以調(diào)節(jié)風量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達到節(jié)約電能，同時減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失。在冶金行業(yè)中電動機負載電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，目前，行業(yè)普遍認為高壓風機電動機的變頻調(diào)速改造是降耗增效的主要措施。
二、項目介紹
2.1項目簡介
某鋼鐵公司二期燒結(jié)有兩條240㎡燒結(jié)機生產(chǎn)線，有四臺燒結(jié)主抽風機。有四臺燒結(jié)主抽風機，電機都是4800KW的同步機。燒結(jié)主抽風機是燒結(jié)生產(chǎn)的主要設(shè)備，擔負著燒結(jié)燃燒過程中持續(xù)送風功能，并產(chǎn)生負壓，使燒結(jié)混勻礦在臺車中至上而下充分燃燒，從而形成燒結(jié)礦。由于受燒結(jié)生產(chǎn)中諸多因素（料層厚度、設(shè)備漏風等）的影響，在生產(chǎn)過程中常常需要根據(jù)燒結(jié)機的實際情況不斷調(diào)整主抽風機的風量、負壓等風系統(tǒng)參數(shù)，使之滿足燒結(jié)生產(chǎn)。原來為滿足不同的進料量和工藝指標，要靠調(diào)節(jié)風門擋板開度調(diào)節(jié)風量。采用此方法調(diào)節(jié)精度低，能耗高，啟動沖擊大。用戶經(jīng)過多方調(diào)研，將這4臺燒結(jié)主抽風機改造為用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)速，節(jié)能效果非常顯著，調(diào)節(jié)風量方便，精度高，啟動平滑無沖擊，用戶非常認可。
2.2電機參數(shù)：
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參數(shù)名稱 |
數(shù) 值 |
單位 |
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電機型號 |
T4800-6/1730 |
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出品編號 |
08T0610 |
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電機額定電壓 |
10000 |
V |
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電機額定電流 |
319 |
A |
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電機額定頻率 |
50 |
Hz |
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電機額定功率 |
4800 |
kW |
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電機額定轉(zhuǎn)速 |
10000 |
rpm |
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電機極對數(shù) |
3 |
對極 |
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電機額定效率 |
0.9 |
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額定勵磁電流 |
395 |
A |
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額定勵磁電壓 |
67 |
V |
2.3運行工況： 傳統(tǒng)形式的燒結(jié)主抽風系統(tǒng)為，主抽風機電機始終工作在工頻電網(wǎng)下，對燒結(jié)生產(chǎn)中的風量、負壓的調(diào)節(jié)僅通過改變風機擋板開度來實現(xiàn)，此種方式已沿用多年，并逐漸暴露出了其內(nèi)在的不足：
1、對風機擋板控制相對粗略，無法較準確地調(diào)整風機的風量等系統(tǒng)參數(shù)。
2、風機始終工作在工頻狀態(tài)，無節(jié)能效果，提高了燒結(jié)礦成本。
3、風機功率巨大，配套軟啟動器無法完全解決電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊，且連續(xù)啟動次數(shù)僅局限在3次以下。
采用高壓變頻器之后，對于燒結(jié)風系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，完全可以通過調(diào)整主抽電機轉(zhuǎn)速來完成，并能實時修改電動機的轉(zhuǎn)速，非常平滑地實現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)中風、負壓的調(diào)節(jié)功能。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，其主要優(yōu)勢在于：
1、風機擋板可開至100%，生產(chǎn)中僅需調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速即可滿足燒結(jié)生產(chǎn)所需系統(tǒng)參數(shù)，滿足生產(chǎn)。
2、由于設(shè)計風機時均考慮了功率的富裕量，故在實際生產(chǎn)中，風機僅工作在工頻以下便能滿足生產(chǎn)，從而節(jié)省大量電能，降低燒結(jié)礦噸耗成本。
3、高壓變頻啟動風機電機，對電網(wǎng)無沖擊，啟動曲線平滑，延長電機壽命，在啟動條件允許的情況下，重復(fù)啟動次數(shù)不受任何限制。
三、利德華福高壓變頻器原理及主要功能
3.1原理簡介：HARSVERT-s系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬“高-高”電壓源型變頻器，為單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對電網(wǎng)諧波污染小，總諧波畸變小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用于普通的同步電機， 10kV每個系統(tǒng)共有24個功率單元，每8個功率單元串連構(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1：高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt 很小。功率單元采用相對較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，提高效率，變頻器額定效率可達98%，考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上
3.2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和用戶勵磁柜的協(xié)調(diào)控制
a、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)提供給勵磁系統(tǒng)的開關(guān)量輸出3路：
■勵磁啟動/停止指令：表示勵磁系統(tǒng)在接受到此信號后，以當前設(shè)定的勵磁電壓、勵磁電流、工作方式立即投入運行，無此信號時勵磁系統(tǒng)應(yīng)處于停止狀態(tài)，此信號為連續(xù)信號。
■ 增加勵磁信號：表示勵磁系統(tǒng)接受到此信號后，以一定的斜率增大勵磁電壓或勵磁電流，此信號為脈沖信號。
■ 減少勵磁信號：表示勵磁系統(tǒng)接受到此信號后，以一定的斜率減少勵磁電壓或勵磁電流，此信號為脈沖信號。
以上所有數(shù)字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
b、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)提供給勵磁系統(tǒng)的模擬量1路：
■變頻運行功率因數(shù)（需要在勵磁系統(tǒng)柜體上安裝一塊數(shù)字顯示的儀表, 顯示范圍可設(shè)定）。
變頻器提供1路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。
c、勵磁系統(tǒng)提供給高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)量輸出3路：
■勵磁系統(tǒng)就緒：表示勵磁系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，收到啟動信號后即可立即投入運行，此信號為連續(xù)信號。
■勵磁系統(tǒng)運行/停止：0表示勵磁系統(tǒng)處于停止狀態(tài)，1表示勵磁系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，此信號為連續(xù)信號。
■ 勵磁系統(tǒng)故障：表示勵磁系統(tǒng)有故障，處于停止狀態(tài)時不能啟動，處于運行狀態(tài)時需要立即停機，此信號為連續(xù)信號。
經(jīng)過上面的于勵磁系統(tǒng)的改造后，變頻器可以根據(jù)電機運行的實際功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)勵磁電流。原來勵磁系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)功能取消，勵磁系統(tǒng)根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的增勵磁信號和減勵磁信號來做相應(yīng)的調(diào)整即可。因此用戶調(diào)節(jié)風量時，只要調(diào)節(jié)變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行頻率即可，變頻調(diào)速系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)勵磁電流。此種方法簡單可靠，操作方便，應(yīng)用效果良好。
3.3上位機控制：上位機控制系統(tǒng)，采用RS485通訊。可靠性高，不受現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的干擾，傳輸距離遠，運行穩(wěn)定，得到用戶的好評。操作員可以在上位機上時刻監(jiān)視變頻運行情況，并可在上位機進行啟動、停機、復(fù)位、調(diào)頻等操作。此系統(tǒng)操作簡單，中文界面，人機會話功能實用可靠。
四、現(xiàn)場應(yīng)用效果
（1）變頻器采用觸摸式人機界面，可隨時顯示電壓、電流、頻率、電機轉(zhuǎn)速，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態(tài)。可以查看輸出電壓及輸出電流波形，及時掌握運行情況。
（2）精確的頻率分辨率和調(diào)速精度，完全可以滿足生產(chǎn)工藝工況的需要。
（3）采用自主研發(fā)的上位機控制系統(tǒng)，可靠性高，不受現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的干擾，傳輸距離遠，運行穩(wěn)定，得到用戶的好評。
（4）具有電力電子保護和工業(yè)電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時安全可靠。由于變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置的保護值較小，所以用戶對其電機的保護非常放心。
（5）電機可實現(xiàn)軟啟動、軟制動；啟動電流小，小于電機的額定電流；電機啟動的時間連續(xù)可調(diào)，減少了對電網(wǎng)的影響。
（7）減少配件損耗，提高勞動生產(chǎn)效率。
（8）系統(tǒng)效率得到提高，消除了風門擋板的損失，取得節(jié)能效果。
（9）由于風機采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長設(shè)備使用壽命。
五、結(jié)論
變頻調(diào)速系統(tǒng)在主抽風機上的應(yīng)用，又一次證明了高壓風機電動機的變頻調(diào)速是降耗增效的主要措施。對冶金行業(yè)燒結(jié)主抽風機進行高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造，將使企業(yè)改善工藝，提高調(diào)速精度，使生產(chǎn)線設(shè)備利用率得到保證，降低設(shè)備運行與維護費用，延長電機等設(shè)備使用壽命，獲得顯著的經(jīng)濟效益。
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