摘要：

鋼鐵廠高壓同步電機(jī)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(dòng)可以有效解決異步啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大、工頻運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。本文結(jié)合在某鋼鐵變頻控制系統(tǒng)方案以及庫(kù)馬克ES9000高壓變頻器，闡述了該項(xiàng)目施工方案和實(shí)施過(guò)程，對(duì)鋼鐵廠燒結(jié)機(jī)高壓同步電機(jī)變頻改造工程具有明顯借鑒意義。

關(guān)鍵字：自動(dòng)勵(lì)磁切換;空水冷系統(tǒng);變頻啟動(dòng);同步電動(dòng)機(jī)

1、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

在鋼鐵廠的生產(chǎn)工藝?yán)锩妫瑹Y(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(guò)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(diǎn)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(xué)變化，將礦粉顆粒粘結(jié)成塊。燒結(jié)機(jī)的主抽風(fēng)機(jī)是其主要配套設(shè)備之一，它直接地影響燒結(jié)機(jī)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(guò)煙道進(jìn)行抽風(fēng)，產(chǎn)生負(fù)壓，使燒結(jié)料面點(diǎn)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(shí)將燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的各種氣體通過(guò)煙道，電除塵器凈化后由煙囪排出。由于環(huán)保的要求：抽風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)配套的高壓同步電機(jī)采用水電阻啟動(dòng)，采用定勵(lì)控制，不調(diào)速，存在較大的節(jié)能潛力。

生產(chǎn)工藝過(guò)程如圖1所示：

圖1燒結(jié)生產(chǎn)工藝流程圖

通過(guò)流體力學(xué)的比例定律可知（圖1）：離心風(fēng)機(jī)、離心泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，風(fēng)機(jī)的流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)的壓力與電機(jī)的轉(zhuǎn)速的兩次方成正比，風(fēng)機(jī)的軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。根據(jù)上述原理可知，當(dāng)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變風(fēng)機(jī)的功率。例如：將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由1484r/min降到1200 r/min時(shí) ，電機(jī)功率只有原來(lái)的60%左右。

圖 2 風(fēng)機(jī)節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速N1下的風(fēng)壓風(fēng)量（H-Q）特性曲線，曲線（2）為風(fēng)門全開時(shí)的管網(wǎng)阻力特性，它們的交點(diǎn)A為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)最高工作點(diǎn)，風(fēng)機(jī)在A點(diǎn)工作其效率最高。此時(shí)的風(fēng)壓為P2，風(fēng)量Q1，軸功率N1=K.Q1.P2，在圖中可用面積AP2OQ1來(lái)表示。

圖 3

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，需要將風(fēng)量從Q1減小至Q2，傳統(tǒng)的方式是將關(guān)小風(fēng)門的方式，相當(dāng)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(lái)的工作點(diǎn)A變到新的工作點(diǎn)B運(yùn)行。此時(shí)的風(fēng)壓為P1,風(fēng)量為Q2，軸功率為N2=K.Q2.P1，在圖中可用面積BP1OQ2來(lái)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(jī)輸出頻率，就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降為n2，由于風(fēng)機(jī)的靜壓Pst=0，符合相似定律，可直接畫出在轉(zhuǎn)速N2下的風(fēng)壓風(fēng)量(P-Q)特性曲線（4）與管網(wǎng)特性曲線（2）相交于C點(diǎn)運(yùn)行，此時(shí)的風(fēng)壓為P3，風(fēng)量為Q2，軸功率N3=K.Q2.P3，在圖2可用面積CP3OQ2來(lái)表示，可見隨著風(fēng)壓的大幅度下降，軸功率N3明顯減少。相對(duì)于風(fēng)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(jì)方案

2.1同步電動(dòng)機(jī)變頻原理

高壓同步電動(dòng)機(jī)是一種雙邊勵(lì)磁電機(jī)，一般情況在電機(jī)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(lì)磁電源。同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由氣隙合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)之間相互作用產(chǎn)生的，只有在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與氣隙合成磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)（即兩者相對(duì)靜止）時(shí)，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，又稱為同步轉(zhuǎn)矩。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的磁極轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，它的恒定磁場(chǎng)則變?yōu)樾D(zhuǎn)磁場(chǎng)，該轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速就是此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)稱交流電源，則該電源在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它的轉(zhuǎn)速為：

式中，f為電源的頻率，p為電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，若，則電機(jī)的轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速必須等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于電源的頻率和電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，與負(fù)荷變化無(wú)關(guān)，并保持同步速恒定不變。

技術(shù)人員經(jīng)過(guò)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(chǎng)工藝，決定采用深圳庫(kù)馬克科技有限公司生產(chǎn)的ES9000S系列高壓同步機(jī)專用高壓變頻器控制系統(tǒng)和高效率的空水冷系統(tǒng)，實(shí)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(chǎng)有1臺(tái)2#主抽風(fēng)機(jī)，配套1臺(tái)10KV高壓同步電動(dòng)機(jī)、1臺(tái)工頻勵(lì)磁柜、1臺(tái)水阻柜。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況和設(shè)備參數(shù)，經(jīng)過(guò)調(diào)研、計(jì)算，選用了深圳庫(kù)馬克科技有限公司生產(chǎn)的ES9000S系列高壓同步機(jī)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(tái)同步電動(dòng)機(jī)專用高壓變頻器，型號(hào)為ES9000S-7000-10K；

● 1臺(tái)旁路切換柜；

● 1臺(tái)單刀旁路切換柜；

● 1臺(tái)WKLF-112型多功能同步電動(dòng)機(jī)微機(jī)勵(lì)磁柜；

● 1臺(tái)勵(lì)磁切換柜；

      ● 1套上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3自動(dòng)勵(lì)磁切換

同步電動(dòng)機(jī)具有功率因數(shù)可調(diào)、轉(zhuǎn)速恒定等優(yōu)點(diǎn)，其中勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電動(dòng)機(jī)的重要組成部分，直接影響其運(yùn)行特性。因此同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁裝置對(duì)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(dòng)機(jī)微機(jī)勵(lì)磁裝置，采用微機(jī)控制技術(shù)，勵(lì)磁系統(tǒng)具有完善的勵(lì)磁控制、系統(tǒng)保護(hù)、故障報(bào)警及顯示功能。勵(lì)磁裝置提供手動(dòng)可以選擇的“變頻運(yùn)行”和“工頻運(yùn)行”兩種控制模式。當(dāng)選擇“變頻運(yùn)行”模式，系統(tǒng)能滿足動(dòng)電變頻器啟動(dòng)機(jī)及調(diào)速運(yùn)行對(duì)勵(lì)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(hào)來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的投入及大小，當(dāng)接收到變頻器對(duì)勵(lì)磁裝置發(fā)出“變頻切換工頻”無(wú)源干接點(diǎn)信號(hào)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)可不停機(jī)自動(dòng)完成由變頻控制切換到工頻控制，滿足在工頻條件下運(yùn)行的控制要求。當(dāng)選擇“工頻運(yùn)行”模式，系統(tǒng)可滿足測(cè)頻、投勵(lì)、保護(hù)等獨(dú)立運(yùn)行自行調(diào)節(jié)及控制的要求。

與勵(lì)磁裝置配套設(shè)計(jì)的是庫(kù)馬克公司研發(fā)設(shè)計(jì)的勵(lì)磁切換柜，一次系統(tǒng)圖如圖5所示。

                  圖5勵(lì)磁切換柜一次系統(tǒng)圖

2.4空水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證高壓變頻器設(shè)備的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，考慮變頻器室冷卻的熱交換功率時(shí)，應(yīng)該留有足夠的余量。按照變頻器額定功率的4%來(lái)設(shè)計(jì)變頻器室的冷卻交換功率。變頻器室環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)貧鉁亍⑹覂?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(fēng)或制冷設(shè)備。結(jié)合變頻器的散熱要求和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)適用等因素，現(xiàn)場(chǎng)變頻室的空水冷系統(tǒng)采取一體化設(shè)計(jì)方案，1個(gè)變頻室同時(shí)布置3臺(tái)庫(kù)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(gè)變頻室 3臺(tái)變頻器散熱做整體設(shè)計(jì)，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(jì)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，制冷量減小；為降低空水冷系統(tǒng)故障對(duì)變頻器運(yùn)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(dá)到480KW，依然滿足變頻器最大散熱需求；部分變頻器停止運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，關(guān)停部分冷卻系統(tǒng)，以達(dá)到最大節(jié)能效果，提供檢修條件。

為達(dá)到較好冷卻效果，保證3臺(tái)變頻器熱風(fēng)均衡，在變頻器柜頂（不含風(fēng)機(jī)）處制作做一隔層收集變頻器熱風(fēng)，使得上層熱風(fēng)及時(shí)被空水冷系統(tǒng)抽出，不與下層冷風(fēng)接觸，提高冷卻效率。為使空水冷系統(tǒng)達(dá)到最好冷卻效果，減小系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)負(fù)荷，空水冷系統(tǒng)冷風(fēng)出口阻力應(yīng)盡可能小，故在安裝時(shí)，出口處應(yīng)盡可能避免障礙物。

3、項(xiàng)目實(shí)施情況

3.1實(shí)施效果

ES9000S系列高壓變頻器是深圳庫(kù)馬科技有限公司集結(jié)近二十多年電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化工程應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(duì)同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和自身控制要求，設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)用、高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中逐漸占據(jù)特有的地位，為客戶帶去可觀的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為庫(kù)馬克公司贏得無(wú)限商機(jī)。目前設(shè)備經(jīng)過(guò)安裝、調(diào)試后，成功投運(yùn)，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足工藝控制需求。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(shí)施主抽風(fēng)機(jī)變頻改造的同時(shí)，將燒結(jié)配套的冷卻風(fēng)機(jī)、脫硫風(fēng)機(jī)的變頻改造同步進(jìn)行，2015年9月項(xiàng)目順利完成，到2016年6月份穩(wěn)定運(yùn)行,節(jié)能效果十分顯著。
主抽風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)每天電度50850，變頻運(yùn)行時(shí)每天電度40160，每天省電10690度，每個(gè)月省電320700度，每年按照十個(gè)月連續(xù)運(yùn)行計(jì)算，年省電3207000度，按照每度電費(fèi)0.65元計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)2084550元。

4、結(jié)語(yǔ)

采用深圳庫(kù)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(shí)能夠緊密結(jié)合客戶現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備特性、生產(chǎn)狀況及工藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率、調(diào)節(jié)控制可靠、方便，完美地調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，大大提高了羅源閔光工廠自動(dòng)化水平。