摘要：

鋼鐵廠高壓同步電機一般功率較大、處于重要生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，采用高壓變頻器驅動可以有效解決異步啟動時沖擊電流大、工頻運行不經(jīng)濟等問題。本文結合在某鋼鐵變頻控制系統(tǒng)方案以及庫馬克ES9000高壓變頻器，闡述了該項目施工方案和實施過程，對鋼鐵廠燒結機高壓同步電機變頻改造工程具有明顯借鑒意義。

關鍵字：自動勵磁切換;空水冷系統(tǒng);變頻啟動;同步電動機

1、項目簡介

在鋼鐵廠的生產(chǎn)工藝里面，燒結是為高爐冶煉提供“精料”的重要環(huán)節(jié)。燒結是將各種原料（精礦、礦粉、燃料、熔劑、返礦及含鐵生產(chǎn)廢料等），按一定比例經(jīng)過配料、混合與制粒，得到符合要求的高爐原料。燒結料經(jīng)點火借助碳的燃燒和鐵礦物的氧化而產(chǎn)生高溫，發(fā)生物理化學變化，將礦粉顆粒粘結成塊。燒結機的主抽風機是其主要配套設備之一，它直接地影響燒結機的產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗，是燒結生產(chǎn)的“心臟”，主要作業(yè)是通過煙道進行抽風，產(chǎn)生負壓，使燒結料面點好火，燒結料中的固體燃料充分燃燒，為燒結供給能量，同時將燒結過程中產(chǎn)生的各種氣體通過煙道，電除塵器凈化后由煙囪排出。由于環(huán)保的要求：抽風機后與煙囪之間的配裝脫硫回收裝置。

福建某鋼鐵公司鋼鐵廠2#燒結廠主抽風機配套的高壓同步電機采用水電阻啟動，采用定勵控制，不調(diào)速，存在較大的節(jié)能潛力。

生產(chǎn)工藝過程如圖1所示：

圖1燒結生產(chǎn)工藝流程圖

通過流體力學的比例定律可知（圖1）：離心風機、離心泵類設備均屬平方轉矩負載，風機的流量與電機的轉速成正比，風機的壓力與電機的轉速的兩次方成正比，風機的軸功率與電機的轉速的三次方成正比。根據(jù)上述原理可知，當改變風機的轉速就可改變風機的功率。例如：將風機轉速由1484r/min降到1200 r/min時 ，電機功率只有原來的60%左右。

圖 2 風機節(jié)能原理

風機的靜壓Pst=0，其節(jié)能原理可用下圖表示。在圖3中，曲線（1）為風機在額定轉速N1下的風壓風量（H-Q）特性曲線，曲線（2）為風門全開時的管網(wǎng)阻力特性，它們的交點A為風機的設計最高工作點，風機在A點工作其效率最高。此時的風壓為P2，風量Q1，軸功率N1=K.Q1.P2，在圖中可用面積AP2OQ1來表示。

圖 3

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，需要將風量從Q1減小至Q2，傳統(tǒng)的方式是將關小風門的方式，相當于增加了管網(wǎng)的阻力，將管網(wǎng)阻力特性變到曲線（3），系統(tǒng)由原來的工作點A變到新的工作點B運行。此時的風壓為P1,風量為Q2，軸功率為N2=K.Q2.P1，在圖中可用面積BP1OQ2來表示，顯然軸功率下降不大。依據(jù)n＝60f/p×（1－s）可知，改變電機輸出頻率，就可以改變電機的轉速，風機轉速由n1降為n2，由于風機的靜壓Pst=0，符合相似定律，可直接畫出在轉速N2下的風壓風量(P-Q)特性曲線（4）與管網(wǎng)特性曲線（2）相交于C點運行，此時的風壓為P3，風量為Q2，軸功率N3=K.Q2.P3，在圖2可用面積CP3OQ2來表示，可見隨著風壓的大幅度下降，軸功率N3明顯減少。相對于風門截流法調(diào)節(jié)，節(jié)省的軸功率△N=K.(P1-P3).Q2，即圖中陰影部分的面積，節(jié)能效果十分顯著。

2、系統(tǒng)設計方案

2.1同步電動機變頻原理

高壓同步電動機是一種雙邊勵磁電機，一般情況在電機的定子和轉子都要加電源，定子側加三相交流電源，轉子側加直流勵磁電源。同步電動機的電磁轉矩是由氣隙合成磁場與轉子勵磁磁場之間相互作用產(chǎn)生的，只有在轉子磁場與氣隙合成磁場同步旋轉（即兩者相對靜止）時，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉矩，又稱為同步轉矩。當同步電動機的磁極轉子旋轉后，它的恒定磁場則變?yōu)樾D磁場，該轉子的機械轉速就是此旋轉磁場的轉速，設轉子轉速為。若在定子的三相繞組上加三相對稱交流電源，則該電源在電機的氣隙中產(chǎn)生旋轉磁場，它的轉速為：

式中，f為電源的頻率，p為電機的磁極對數(shù)，若，則電機的轉子在電磁力的作用下，以同步轉速旋轉，電機的轉速可用下式表示：

其轉速均稱為同步轉速。同步電動機的運行轉速必須等于旋轉磁場的同步轉速，運行時的轉速決定于電源的頻率和電機的磁極對數(shù)，與負荷變化無關，并保持同步速恒定不變。

技術人員經(jīng)過深入分析研究，為鋼鐵廠節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率，改善現(xiàn)場工藝，決定采用深圳庫馬克科技有限公司生產(chǎn)的ES9000S系列高壓同步機專用高壓變頻器控制系統(tǒng)和高效率的空水冷系統(tǒng)，實施節(jié)能改造工程。

2.2系統(tǒng)主回路圖

福建某鋼鐵公司現(xiàn)場有1臺2#主抽風機，配套1臺10KV高壓同步電動機、1臺工頻勵磁柜、1臺水阻柜。結合現(xiàn)場工況和設備參數(shù)，經(jīng)過調(diào)研、計算，選用了深圳庫馬克科技有限公司生產(chǎn)的ES9000S系列高壓同步機專用高壓變頻器控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主回路圖如圖4所示：

                圖4  系統(tǒng)主回路圖

 

系統(tǒng)主回路主要配置以下設備：

● 1臺同步電動機專用高壓變頻器，型號為ES9000S-7000-10K；

● 1臺旁路切換柜；

● 1臺單刀旁路切換柜；

● 1臺WKLF-112型多功能同步電動機微機勵磁柜；

● 1臺勵磁切換柜；

      ● 1套上位機監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3自動勵磁切換

同步電動機具有功率因數(shù)可調(diào)、轉速恒定等優(yōu)點，其中勵磁系統(tǒng)是同步電動機的重要組成部分，直接影響其運行特性。因此同步電動機的勵磁裝置對提高功率因數(shù)、節(jié)約能源起著至關重要的作用。

本系統(tǒng)中配置的WKLF-112型多功能同步電動機微機勵磁裝置，采用微機控制技術，勵磁系統(tǒng)具有完善的勵磁控制、系統(tǒng)保護、故障報警及顯示功能。勵磁裝置提供手動可以選擇的“變頻運行”和“工頻運行”兩種控制模式。當選擇“變頻運行”模式，系統(tǒng)能滿足動電變頻器啟動機及調(diào)速運行對勵磁控制和接口的要求，系統(tǒng)根據(jù)高壓變頻器給出的4-20mA信號來調(diào)節(jié)勵磁的投入及大小，當接收到變頻器對勵磁裝置發(fā)出“變頻切換工頻”無源干接點信號時，勵磁系統(tǒng)可不停機自動完成由變頻控制切換到工頻控制，滿足在工頻條件下運行的控制要求。當選擇“工頻運行”模式，系統(tǒng)可滿足測頻、投勵、保護等獨立運行自行調(diào)節(jié)及控制的要求。

與勵磁裝置配套設計的是庫馬克公司研發(fā)設計的勵磁切換柜，一次系統(tǒng)圖如圖5所示。

                  圖5勵磁切換柜一次系統(tǒng)圖

2.4空水冷系統(tǒng)設計

為了保證高壓變頻器設備的長期、穩(wěn)定、可靠地運行，延長設備的使用壽命，考慮變頻器室冷卻的熱交換功率時，應該留有足夠的余量。按照變頻器額定功率的4%來設計變頻器室的冷卻交換功率。變頻器室環(huán)境設計時應綜合考慮當?shù)貧鉁?、室?nèi)空間大小、房間密閉性等多種因素，選擇合適的變頻室通風或制冷設備。結合變頻器的散熱要求和設備運行穩(wěn)定、維護簡易、經(jīng)濟適用等因素，現(xiàn)場變頻室的空水冷系統(tǒng)采取一體化設計方案，1個變頻室同時布置3臺庫馬克公司生產(chǎn)的高壓變頻器。變頻室空水冷系統(tǒng)布置圖如圖6所示，空水冷系統(tǒng)剖面圖如圖7所示。

圖6 變頻室空水冷系統(tǒng)布置圖

圖7 空水冷系統(tǒng)剖面圖

整個變頻室 3臺變頻器散熱做整體設計，考慮夏季氣溫、外循環(huán)水溫度變化、空水冷系統(tǒng)冗余設計因素，散熱總功率為540KW，總功耗約為40KW。在氣溫較高的夏季，外循環(huán)水溫度也隨之上升，將高于水冷器額定水溫，制冷量減??；為降低空水冷系統(tǒng)故障對變頻器運行影響，9套系統(tǒng)中任意一套系統(tǒng)停止工作，剩余制冷量仍達到480KW，依然滿足變頻器最大散熱需求；部分變頻器停止運行時，可根據(jù)實際情況，關停部分冷卻系統(tǒng)，以達到最大節(jié)能效果，提供檢修條件。

為達到較好冷卻效果，保證3臺變頻器熱風均衡，在變頻器柜頂（不含風機）處制作做一隔層收集變頻器熱風，使得上層熱風及時被空水冷系統(tǒng)抽出，不與下層冷風接觸，提高冷卻效率。為使空水冷系統(tǒng)達到最好冷卻效果，減小系統(tǒng)中風機負荷，空水冷系統(tǒng)冷風出口阻力應盡可能小，故在安裝時，出口處應盡可能避免障礙物。

3、項目實施情況

3.1實施效果

ES9000S系列高壓變頻器是深圳庫馬科技有限公司集結近二十多年電氣傳動和自動化工程應用實踐經(jīng)驗，研發(fā)生產(chǎn)的高可靠性、高性能變頻調(diào)速節(jié)能系列產(chǎn)品。本系列產(chǎn)品針對同步電動機的機械特性和自身控制要求，設計合理，控制方案穩(wěn)定可靠，極大地滿足了客戶的生產(chǎn)需求，其穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟實用、高效節(jié)能的優(yōu)勢，在市場競爭中逐漸占據(jù)特有的地位，為客戶帶去可觀的經(jīng)濟效益的同時，也為庫馬克公司贏得無限商機。目前設備經(jīng)過安裝、調(diào)試后，成功投運，運行穩(wěn)定，滿足工藝控制需求。

現(xiàn)場運行圖片如下所示：

ES9000S系列高壓變頻器

01顯示屏

3.2、節(jié)能收益

在實施主抽風機變頻改造的同時，將燒結配套的冷卻風機、脫硫風機的變頻改造同步進行，2015年9月項目順利完成，到2016年6月份穩(wěn)定運行,節(jié)能效果十分顯著。
主抽風機工頻運行時每天電度50850，變頻運行時每天電度40160，每天省電10690度，每個月省電320700度，每年按照十個月連續(xù)運行計算，年省電3207000度，按照每度電費0.65元計算，每年節(jié)約電費2084550元。

4、結語

采用深圳庫馬克科技有限公司生產(chǎn)的ES9000S系列高壓變頻器，節(jié)能效果顯著。同時能夠緊密結合客戶現(xiàn)場設備特性、生產(chǎn)狀況及工藝要求，能夠實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)勵磁功率、調(diào)節(jié)控制可靠、方便，完美地調(diào)節(jié)同步電動機轉速，大大提高了羅源閔光工廠自動化水平。