產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在主抽風(fēng)機(jī)同步電機(jī)上的應(yīng)用
1引言
主抽風(fēng)機(jī)是燒結(jié)廠最重要的設(shè)備之一,其作用是利用風(fēng)機(jī)抽風(fēng)產(chǎn)生的負(fù)壓將燒嘴噴出的火焰引至燒結(jié)料中,使其充分燃燒,生成合格的燒結(jié)礦。因此其運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù),對(duì)燒結(jié)礦的質(zhì)量有很大的影響,同時(shí),該風(fēng)機(jī)電機(jī)又是耗能大戶,其電耗高達(dá)整個(gè)燒結(jié)生產(chǎn)線的三分之二。因此,實(shí)現(xiàn)對(duì)主抽風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù),特別是風(fēng)量、風(fēng)壓的合理的控制,是燒結(jié)廠提高生產(chǎn)效率、降低消耗的重要手段之一。目前濟(jì)南庚辰鋼鐵有限公司主抽風(fēng)機(jī)配備為同步電機(jī),電機(jī)工頻啟動(dòng)采用串液水阻柜啟動(dòng)方式,采用控制風(fēng)門(mén)開(kāi)度的方式,來(lái)實(shí)現(xiàn)主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié),這種控制方式運(yùn)行效率低下。
(1)無(wú)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)整,滿足不了生產(chǎn)過(guò)程中需要根據(jù)燒結(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量的要求。
(2)電機(jī)始終處于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,運(yùn)行效率低。
(3)水阻啟動(dòng)柜無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的軟啟動(dòng)功能,且由于水電阻溫度的限制,連續(xù)啟動(dòng)次數(shù)不允許超過(guò)3次。
鑒于以上問(wèn)題,現(xiàn)在高壓大功率變頻器技術(shù)越來(lái)越成熟,鋼鐵廠領(lǐng)導(dǎo)決定采用高壓變頻器來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速,以提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。
廠領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過(guò)多方調(diào)研、比較,決定采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的同步電機(jī)高壓變頻器JD-BP37-5600F(5600kW/6kV),對(duì)其燒結(jié)系統(tǒng)主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能控制。
2 設(shè)備參數(shù)
該廠燒結(jié)系統(tǒng)主抽風(fēng)機(jī)電機(jī)額定電壓6kV,額定功率4200kW,具體參數(shù)如表1所示。
表1 主抽風(fēng)機(jī)參數(shù) | ||
設(shè)備 | 分類(lèi) | 參數(shù) |
電機(jī)參數(shù) | 廠家 | 上海電機(jī)廠 |
型號(hào) | T4200-4 | |
額定電壓 | 6000V | |
額定電流 | 465A | |
額定功率 | 4200 kW | |
功率因數(shù) | 0.9 | |
接法 | Y | |
額定轉(zhuǎn)速 | 1500r/min | |
勵(lì)磁電壓 | 46V |
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)及工藝為客戶選配的高壓變頻器JD-BP37-5600F技術(shù)參數(shù)如表2所示。
表2 風(fēng)光高壓變頻器基本參數(shù) | ||
序號(hào) | 名 稱 | 參數(shù) |
1 | 型式及型號(hào) | 高-高方式JD-BP37-5600F |
2 | 技術(shù)方案 | 多電平串聯(lián)、電壓源型、高高方式 |
3 | 系統(tǒng)輸入電壓(kV) | 6 |
4 | 系統(tǒng)輸出電壓(kV) | 0~6kV |
5 | 系統(tǒng)輸出電流(A) | 673 |
6 | 額定輸入頻率/允許變化范圍 | 45-55Hz |
7 | 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的敏感性 | +10%~-10%滿載輸出;降低35%以內(nèi)降額連續(xù)運(yùn)行;輸入電壓波動(dòng)到額定電壓65%以下或突然停電在3秒內(nèi)恢復(fù)可立即再啟動(dòng) |
8 | 變頻電源效率 | >96%(額定輸出時(shí),含變壓器) |
9 | 輸入輸出電流諧波 | <3% |
10 | 輸入側(cè)功率因數(shù) | >0.98(20%負(fù)載以上) |
11 | 控制方式 | 多級(jí)正弦PWM控制 |
12 | 整流形式 | 二極管全橋整流 |
13 | 逆變形式 | IGBT單相逆變 |
14 | 過(guò)載能力 | 120%1min,150%3s |
15 | 模擬量信號(hào)(輸入)規(guī)格及數(shù)量 | 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào):4~20mA 3路 |
16 | 模擬量信號(hào)(輸出)規(guī)格及數(shù)量 | 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào):4~20mA 4路 |
17 | 防護(hù)等級(jí) | IP31 |
18 | 操作鍵盤(pán) | 人機(jī)界面 |
19 | 界面語(yǔ)言 | 簡(jiǎn)體中文 |
3主回路改造方案
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載情況,配置由新風(fēng)光公司生產(chǎn)的高壓變頻器JD-BP37-5600F,主回路采用一拖一手動(dòng)旁路方案。改造后,保留原液阻軟啟動(dòng)裝置及原高壓柜,改造后的主回路如圖1所示。
圖1 主回路方案
變頻運(yùn)行方式:QF為用戶側(cè)高壓開(kāi)關(guān)柜,其中變頻器旁路柜QS1、QS2、QS3為隔離開(kāi)關(guān), QS1、QS2與QS3之間有電氣互鎖。手動(dòng)旁路柜變頻勵(lì)磁柜與變頻器配套提供,電機(jī)及用戶側(cè)高壓斷路器QF保留甲方原有設(shè)備。
變頻運(yùn)行時(shí),QS3斷開(kāi),變頻勵(lì)磁系統(tǒng)可以利用新風(fēng)光同步勵(lì)磁控制系統(tǒng),QS1與QS2閉合,將勵(lì)磁刀閘切換到變頻勵(lì)磁系統(tǒng)。變頻器上電時(shí),斷路器QF閉合,新風(fēng)光高壓變頻器啟動(dòng)時(shí),以電勵(lì)磁同步機(jī)矢量控制方式拖動(dòng)同步電機(jī)啟動(dòng)。
變頻停機(jī)時(shí),從現(xiàn)場(chǎng)向變頻器下達(dá)“停機(jī)”命令,變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)減速至完全停機(jī),然后停止輸出電壓電流。最后在現(xiàn)場(chǎng)分?jǐn)鄶嗦菲鱍F,由其輔助觸點(diǎn)通知?jiǎng)?lì)磁裝置滅磁,滅磁完成后關(guān)閉勵(lì)磁裝置電源。遇到故障時(shí),變頻器在停止電壓電流輸出的同時(shí),立即分?jǐn)嗌霞?jí)斷路器QF,由變頻器主控通知?jiǎng)?lì)磁裝置滅磁,然后投到工頻運(yùn)行。
工頻運(yùn)行時(shí),QS1、QS2斷開(kāi),將勵(lì)磁刀閘切換到工頻勵(lì)磁系統(tǒng);QS3閉合,水阻軟起裝置投入工頻回路,同步電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)過(guò)程按照原有邏輯進(jìn)行。
4 高壓變頻器在同步機(jī)上的技術(shù)保證
風(fēng)光高壓變頻器除了具有一般的高壓變頻功能外,還具有矢量控制技術(shù)、星點(diǎn)漂移技術(shù)、同步投切技術(shù)等,為保證高壓變頻器控制同步電機(jī)提供了有力保障。
(1)星點(diǎn)漂移技術(shù):變頻器某相有單元故障后,為了使線電壓平衡,傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓,而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調(diào)整相與相之間的夾角,在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出,提高了變頻器的可靠性。
(2)同步投切技術(shù):在變頻器輸出能力足夠的情況下,利用電壓跟蹤和鎖相技術(shù),將變頻器輸出電壓參考電網(wǎng)電壓進(jìn)行幅值、頻率、相位的同期后,由變頻器和工頻電網(wǎng)同時(shí)向負(fù)載并網(wǎng)供電,并根據(jù)工況投切過(guò)程的需要,完成負(fù)載在變頻器和工頻電網(wǎng)間的轉(zhuǎn)移,最終使負(fù)載獨(dú)立工作在工頻或變頻運(yùn)行狀態(tài),此技術(shù)為各種方案設(shè)計(jì)提供了支持。
不同于異步電機(jī),同步電機(jī)的變頻控制,還需要解決以下問(wèn)題:?jiǎn)?dòng)整步問(wèn)題,旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)中需要磁場(chǎng)位置識(shí)別,勵(lì)磁的給定方式和調(diào)節(jié)問(wèn)題以及故障保護(hù)下的緊急滅磁等,都需要高壓變頻器具有先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行解決。
5 高壓變頻器同步電機(jī)的調(diào)試
5.1變頻器與勵(lì)磁柜的連線
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)與勵(lì)磁柜連接關(guān)系如圖2所示。
圖2 變頻器與勵(lì)磁柜連線
變頻器系統(tǒng)輸出給勵(lì)磁柜信號(hào):
(1)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)給定(4-20mA模擬量信號(hào)):變頻器給定到勵(lì)磁柜,通過(guò)4-20mA電流控制勵(lì)磁柜輸出勵(lì)磁電流的大小。(注:有的勵(lì)磁柜通過(guò)接收增、減勵(lì)磁常開(kāi)觸點(diǎn)信號(hào)來(lái)控制勵(lì)磁電流大小,通常是4-20mA模擬量)
(2)變頻器啟動(dòng)信號(hào)(常開(kāi)觸點(diǎn)):變頻器給到勵(lì)磁柜啟動(dòng)信號(hào),勵(lì)磁柜開(kāi)始投勵(lì)磁。
(3)變頻器故障信號(hào)(常開(kāi)觸點(diǎn)):變頻器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí),將故障信號(hào)給定到勵(lì)磁柜,勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)滅磁。
(4)工頻運(yùn)行信號(hào)(常開(kāi)觸點(diǎn)):變頻器給到勵(lì)磁柜工頻運(yùn)行信號(hào)指示。工頻運(yùn)行信號(hào)有效時(shí),勵(lì)磁柜按照工頻運(yùn)行的邏輯執(zhí)行;工頻運(yùn)行信號(hào)無(wú)效時(shí),即處于變頻運(yùn)行狀態(tài),勵(lì)磁柜執(zhí)行變頻運(yùn)行邏輯。
勵(lì)磁柜輸出給變頻器系統(tǒng)信號(hào):
(1)實(shí)測(cè)勵(lì)磁電流(4-20mA模擬量信號(hào)):勵(lì)磁柜向變頻器傳輸實(shí)際輸出的勵(lì)磁電流。
(2)勵(lì)磁就緒信號(hào)(常開(kāi)觸點(diǎn)):勵(lì)磁柜自檢無(wú)故障,具備投勵(lì)要求,此時(shí)勵(lì)磁柜向變頻器輸出勵(lì)磁就緒信號(hào)。
(3)勵(lì)磁故障信號(hào)(常開(kāi)觸點(diǎn)):勵(lì)磁柜本身出現(xiàn)故障,勵(lì)磁柜將該信號(hào)傳給變頻器。
(4)勵(lì)磁啟動(dòng)信號(hào)(常開(kāi)觸點(diǎn)):變頻器給到勵(lì)磁柜開(kāi)機(jī)信號(hào),勵(lì)磁柜執(zhí)行命令開(kāi)機(jī)運(yùn)行后,反饋給變頻器勵(lì)磁啟動(dòng)信號(hào)。
根據(jù)以上對(duì)信號(hào)的說(shuō)明,測(cè)試常開(kāi)點(diǎn)和常閉點(diǎn)的狀態(tài)。
5.2 開(kāi)關(guān)邏輯、模擬量、勵(lì)磁電流等參數(shù)調(diào)試
(1)調(diào)試和勵(lì)磁柜之間的信號(hào)邏輯調(diào)試:通控制電,模擬調(diào)試開(kāi)關(guān)量信號(hào),變頻器報(bào)出勵(lì)磁柜開(kāi)機(jī)異常,此時(shí)為變頻器停機(jī),工頻運(yùn)行狀態(tài)。與勵(lì)磁柜廠家溝通,要求勵(lì)磁柜廠家修改邏輯,無(wú)論變頻或者工頻運(yùn)行狀態(tài)下,勵(lì)磁柜都要返回開(kāi)機(jī)信號(hào),修改邏輯后,調(diào)試正常。
(2)調(diào)試模擬量信號(hào):4-20mA給定勵(lì)磁柜勵(lì)磁電流信號(hào),勵(lì)磁柜廠家不斷調(diào)整,勵(lì)磁電流很難對(duì)準(zhǔn),后放棄小電流對(duì)應(yīng),直接對(duì)應(yīng)250A以上勵(lì)磁電流,調(diào)整對(duì)應(yīng)關(guān)系基本正常,偏差在10A以內(nèi)。調(diào)試反饋勵(lì)磁電流,電流信號(hào)同樣從250A開(kāi)始對(duì)應(yīng),基本線性對(duì)應(yīng)。
(3)工變頻邏輯調(diào)試:使用外部單獨(dú)一塊主控板發(fā)送電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù),模擬調(diào)試工變頻轉(zhuǎn)換的邏輯,并觀察勵(lì)磁電流的變化,邏輯正常,勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)工頻時(shí)有個(gè)突然變大的趨勢(shì),通過(guò)與勵(lì)磁柜廠家溝通,轉(zhuǎn)工頻設(shè)置的為投強(qiáng)勵(lì),可以修改勵(lì)磁電流數(shù)值,可以設(shè)置為與變頻器轉(zhuǎn)工頻時(shí)勵(lì)磁電流數(shù)值相當(dāng)?shù)闹怠⒋缶€進(jìn)行核對(duì)后,上高壓調(diào)試轉(zhuǎn)換邏輯,轉(zhuǎn)工頻和轉(zhuǎn)變頻邏輯正常。
(4)帶載調(diào)試:連接電機(jī),設(shè)置變頻器參數(shù),變頻器啟動(dòng)使用多段VF,轉(zhuǎn)矩提升設(shè)為0.6, 5.0Hz為1.5,8.0Hz為1.3,12.0Hz為1.0,中間頻率線性過(guò)渡。空電機(jī)啟動(dòng),啟動(dòng)低頻電流最大達(dá)到450A。啟動(dòng)電流比較大,但是可以正常啟動(dòng)。電流無(wú)劇烈震蕩變化。
電機(jī)運(yùn)行10分鐘后,停機(jī),廠家連接連軸器,帶風(fēng)機(jī)運(yùn)行,變頻器啟動(dòng)使用多段VF,轉(zhuǎn)矩提升設(shè)為0.6, 5.0Hz為1.4,8.0Hz為1.3,12.0Hz為1.0,變頻器開(kāi)機(jī)運(yùn)行正常。啟動(dòng)低頻電流最大達(dá)到350A。啟動(dòng)正常,電流變化拐點(diǎn)在9Hz。
風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始投產(chǎn),運(yùn)行到45Hz,功率為3000kW左右。
(5)工變頻切換
將工頻旁路柜的小車(chē)搖進(jìn)去,進(jìn)行轉(zhuǎn)換,變頻器與電網(wǎng)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在共存情況,轉(zhuǎn)過(guò)過(guò)程中的電流波形如圖3所示(100A/1V)。電流峰值在200A,有效值為140A,電機(jī)額定電流為464A。電流不大,說(shuō)明變頻器輸出角度與電網(wǎng)角度基本一致。
圖3(a) 圖3(b)
連接電機(jī)線,試驗(yàn)空電機(jī)的情況,轉(zhuǎn)工頻時(shí)電流波形如圖4所示。CH1為變頻器輸出電流,500A/5V,CH2為電機(jī)端電流,500A/500mV。轉(zhuǎn)工頻時(shí)變頻器輸出電流有效值約106A,與電網(wǎng)共存時(shí)電流變小。電機(jī)端電流稍微變大,與之前有1.1倍變化,又恢復(fù)正常。轉(zhuǎn)換時(shí),勵(lì)磁柜投0.9倍的勵(lì)磁電流,之后勵(lì)磁電流恢復(fù)變頻器給定勵(lì)磁電流。
圖4(a) 圖4(b)
轉(zhuǎn)變頻試驗(yàn),轉(zhuǎn)變頻時(shí)電流波形如圖5所示。CH1為變頻器輸出電流,500A/5V,CH2為電機(jī)端電流,500A/500mV。轉(zhuǎn)換時(shí),勵(lì)磁電流由工頻運(yùn)行控制勵(lì)磁電流,保持勵(lì)磁電流不變,轉(zhuǎn)換完畢后,勵(lì)磁電流由變頻器控制勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電流的初始值為工頻控制時(shí)的最后時(shí)刻的勵(lì)磁電流大小。轉(zhuǎn)換時(shí)輸出電流沒(méi)有突變。
圖5(a) 圖5(b)
現(xiàn)場(chǎng)連接連軸器,進(jìn)行帶風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)。試驗(yàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí),風(fēng)門(mén)全部關(guān)閉。轉(zhuǎn)工頻時(shí)電流波形如圖6所示。CH1為變頻器輸出電流,500A/5V,CH2為電機(jī)端電流,500A/500mV。轉(zhuǎn)工頻時(shí)變頻器輸出電流有效值約220A,與電網(wǎng)共存時(shí)電流變小。電機(jī)端電流稍微變大,與之前有1.1倍變化,又恢復(fù)正常。
圖6(a) 圖6(b)
轉(zhuǎn)變頻試驗(yàn)。CH1為變頻器輸出電流,500A/5V,CH2為電機(jī)端電流,500A/500mV。轉(zhuǎn)換時(shí),勵(lì)磁電流由工頻運(yùn)行控制勵(lì)磁電流,保持勵(lì)磁電流不變,轉(zhuǎn)換完畢后,勵(lì)磁電流由變頻器控制勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電流的初始值為工頻控制時(shí)的最后時(shí)刻的勵(lì)磁電流大小。第一次轉(zhuǎn)換,出現(xiàn)失敗,多個(gè)單元出現(xiàn)單元過(guò)壓,波形如圖7所示。
圖7(a) 圖7(b)
根據(jù)電流分析,變頻器輸出電流與電機(jī)電流相反,正好給變頻器充電導(dǎo)致變頻器過(guò)壓保護(hù),變 頻器輸出角度滯后,將變頻器輸出角度補(bǔ)償增加3度,轉(zhuǎn)變頻功能試驗(yàn)3次,均成功,電流波形如圖8所示。電流沒(méi)有突變。
圖8(a) 圖8(b)
轉(zhuǎn)變頻完畢后,電抗器從串入回路到從回路中切除的電流變化如圖9所示。電流變化不大,工變頻切換過(guò)程中,電機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)工藝沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。
圖9
試驗(yàn)至此,現(xiàn)場(chǎng)人員表示試驗(yàn)很成功。
6高壓變頻器節(jié)能情況
主抽風(fēng)機(jī)同步電機(jī)相對(duì)其他風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō),有著更大的節(jié)能空間,該高壓變頻器于2016年5月19日投入生產(chǎn),至今運(yùn)行正常,改造達(dá)到了預(yù)期目的。
表3 4200kW/6kV同步電機(jī)改造前后參數(shù)對(duì)比表 | ||
運(yùn)行參數(shù) | 運(yùn)行電流(A) | |
改造前 | 風(fēng)門(mén)開(kāi)度50%左右 | 320.7 |
改造后 | 風(fēng)門(mén)開(kāi)度100% 運(yùn)行頻率40Hz | 240.5 |
根據(jù)上表數(shù)據(jù)計(jì)算得知,4200kW燒結(jié)風(fēng)機(jī)節(jié)電率達(dá)到25.0%。該套設(shè)備平均每年運(yùn)行300天以上,每天以24小時(shí)計(jì)算,電費(fèi)以0.41元/度計(jì)算,年節(jié)約費(fèi)用高達(dá):300*24*(3000.1-2249.3)*0.41=221.6萬(wàn)元。
7 結(jié)束語(yǔ)
新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器在濟(jì)南庚辰鋼鐵有限公司主抽風(fēng)機(jī)改造是成功的,改造后,主抽風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟起軟停止,可以對(duì)主抽風(fēng)機(jī)根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)速控制,大大降低了電機(jī)運(yùn)行電流,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,為大量高壓同步電機(jī)負(fù)載節(jié)能提供了新的改造途徑。