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(qū)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(jié)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(jié)機高壓同步電機變頻改造工程具有明顯借鑒意義。

關(guān)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(jié)是為高爐冶煉提供“精料”的重要環(huán)節(jié)。燒結(jié)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(jié)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(jié)成塊。燒結(jié)機的主抽風機是其主要配套設(shè)備之一，它直接地影響燒結(jié)機的產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗，是燒結(jié)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(jié)料面點好火，燒結(jié)料中的固體燃料充分燃燒，為燒結(jié)供給能量，同時將燒結(jié)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(jié)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(jié)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(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，風機的流量與電機的轉(zhuǎn)速成正比，風機的壓力與電機的轉(zhuǎn)速的兩次方成正比，風機的軸功率與電機的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。根據(jù)上述原理可知，當改變風機的轉(zhuǎn)速就可改變風機的功率。例如：將風機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(guān)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(zhuǎn)速，風機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)子都要加電源，定子側(cè)加三相交流電源，轉(zhuǎn)子側(cè)加直流勵磁電源。同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由氣隙合成磁場與轉(zhuǎn)子勵磁磁場之間相互作用產(chǎn)生的，只有在轉(zhuǎn)子磁場與氣隙合成磁場同步旋轉(zhuǎn)（即兩者相對靜止）時，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，又稱為同步轉(zhuǎn)矩。當同步電動機的磁極轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，它的恒定磁場則變?yōu)樾D(zhuǎn)磁場，該轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速就是此旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場，它的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在電磁力的作用下，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電機的轉(zhuǎn)速可用下式表示：

其轉(zhuǎn)速均稱為同步轉(zhuǎn)速。同步電動機的運行轉(zhuǎn)速必須等于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，運行時的轉(zhuǎn)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(guān)，并保持同步速恒定不變。

技術(shù)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(jié)合現(xiàn)場工況和設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(guān)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(shù)，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(shè)計的是庫馬克公司研發(fā)設(shè)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(shè)計

為了保證高壓變頻器設(shè)備的長期、穩(wěn)定、可靠地運行，延長設(shè)備的使用壽命，考慮變頻器室冷卻的熱交換功率時，應(yīng)該留有足夠的余量。按照變頻器額定功率的4%來設(shè)計變頻器室的冷卻交換功率。變頻器室環(huán)境設(shè)計時應(yīng)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(shè)備。結(jié)合變頻器的散熱要求和設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(yīng)盡可能小，故在安裝時，出口處應(yīng)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(jié)近二十多年電氣傳動和自動化工程應(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)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(jié)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(jié)合客戶現(xiàn)場設(shè)備特性、生產(chǎn)狀況及工藝要求，能夠?qū)崿F(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(zhuǎn)速，大大提高了羅源閔光工廠自動化水平。