摘要：本文主要介紹了大功率電勵(lì)磁同步機(jī)的基本特點(diǎn)、變頻改造的難點(diǎn)分析，以及匯川技術(shù)大傳動(dòng)產(chǎn)品線針對(duì)電勵(lì)磁同步電機(jī)的解決方案，通過(guò)公司HD93系列10MVA產(chǎn)品目前的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，了解同步機(jī)變頻改造需注意的關(guān)鍵點(diǎn)以及改造效果分析。
一、概述
國(guó)家“十二五”規(guī)劃明確提出了關(guān)于節(jié)能減排的規(guī)范文件，如未能采取更加有效的應(yīng)對(duì)措施，我國(guó)面臨的資源環(huán)境約束將日益強(qiáng)化。從國(guó)內(nèi)看，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級(jí)，我國(guó)能源需求呈剛性增長(zhǎng)，受?chē)?guó)內(nèi)資源保障能力和環(huán)境容量制約，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的資源環(huán)境瓶頸約束更加突出，節(jié)能減排工作難度不斷加大。從國(guó)際看，圍繞能源安全和氣候變化的博弈更加激烈。一方面，貿(mào)易保護(hù)主義抬頭，部分發(fā)達(dá)國(guó)家憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)開(kāi)征碳稅并計(jì)劃實(shí)施碳關(guān)稅，綠色貿(mào)易壁壘日益突出。另一方面，全球范圍內(nèi)綠色經(jīng)濟(jì)、低碳技術(shù)正在興起，不少發(fā)達(dá)國(guó)家大幅增加投入，支持節(jié)能環(huán)保、新能源和低碳技術(shù)等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展，搶占未來(lái)發(fā)展制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。
規(guī)劃中提出對(duì)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)施變頻調(diào)速、永磁調(diào)速、無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙?jié)能改造，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行和控制，提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。變頻調(diào)速尤其在大功率風(fēng)機(jī)類(lèi)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載場(chǎng)合應(yīng)用效果尤為明顯。
冶金行業(yè)向來(lái)是耗能大戶，尤其在目前產(chǎn)能過(guò)剩、利潤(rùn)低的情況下，節(jié)能顯得尤為重要，鋼鐵行業(yè)中的大功率電動(dòng)機(jī)耗費(fèi)了大量的電費(fèi)，由于實(shí)際過(guò)程導(dǎo)致工頻運(yùn)行大馬拉小車(chē)現(xiàn)象嚴(yán)重，變頻改造成了不二之選。
目前鋼鐵行業(yè)中的燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)，功率一般為整個(gè)鋼鐵廠除了高爐鼓風(fēng)機(jī)第二大功率的設(shè)備，而且多為大功率同步機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步機(jī)的變頻改造一直以來(lái)就是一大技術(shù)難點(diǎn)，下面將介紹一下同步機(jī)的改造方案及應(yīng)用效果。
二、同步機(jī)及燒結(jié)工藝介紹
1、大功率同步機(jī)變頻改造難點(diǎn)
同步機(jī)相比于異步機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)：
(1)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快;
(2)在極低電源頻率下也能運(yùn)行，調(diào)速范圍寬;
(3)通過(guò)改變勵(lì)磁電流，功率因數(shù)可調(diào);
(4)穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)矩與端電壓成正比;
上述的諸多優(yōu)點(diǎn)使得其使用越來(lái)越廣泛，但是大功率同步機(jī)變頻控制技術(shù)一直是高壓變頻領(lǐng)域的一大難點(diǎn)，各廠家技術(shù)參差不齊，導(dǎo)致其最終的控制效果差距較大，以下為有刷同步電機(jī)變頻改造需要注意的事項(xiàng)：
(1)同步電機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題：電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步;
(2)同步電機(jī)調(diào)速期間和勵(lì)磁裝置的協(xié)調(diào)問(wèn)題，防止正常調(diào)速期間同步機(jī)失步;
(3)同步電機(jī)正常停機(jī)和故障滅磁問(wèn)題。
2、匯川技術(shù)HD93同步機(jī)控制技術(shù)
匯川依據(jù)自身多年同步機(jī)控制經(jīng)驗(yàn)，在高壓大功率同步機(jī)控制方面，通過(guò)我們大量的仿真實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析，研發(fā)了適用于高壓大功率領(lǐng)域同步機(jī)的矢量控制方案，依托于磁鏈閉環(huán)矢量控制(SFOC)這一平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了真正的同步機(jī)變頻無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)啟動(dòng)方式(SVC)，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程平滑、無(wú)沖擊，不存在啟動(dòng)整步問(wèn)題，并且控制精度高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。
圖1：匯川同步機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制原理圖
圖2：匯川同步機(jī)變頻啟動(dòng)過(guò)程圖
基于電機(jī)d - q軸 系數(shù)學(xué)方程，對(duì)電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解耦控制，具有磁鏈、電壓閉環(huán)特點(diǎn)。
通過(guò)匯川多個(gè)大容量同步機(jī)變頻改造應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試運(yùn)行情況來(lái)看，匯川同步機(jī)控制方案還具有調(diào)試簡(jiǎn)單、調(diào)試時(shí)間短，以及運(yùn)行穩(wěn)定的眾多優(yōu)點(diǎn)，得到了用戶的一直好評(píng)，匯川的同步機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)建立了絕對(duì)的領(lǐng)先地位。
3、燒結(jié)工藝簡(jiǎn)介
圖3：燒結(jié)工藝
燒結(jié)工藝是指根據(jù)原料特性所選擇的加工程序和燒結(jié)工藝制度，它對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量有著直接而重要的影響。按照燒結(jié)過(guò)程的內(nèi)在規(guī)律選擇合適的工藝流程和操作制度，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，強(qiáng)化燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程，能夠獲得先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，保證實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗。本生產(chǎn)工藝流程有原料的接受，兌灰，拌合，篩分破碎及溶劑燃料的破碎篩分，配料，混料，點(diǎn)火，抽風(fēng)燒結(jié)，抽風(fēng)冷卻，破碎篩分，除塵等環(huán)節(jié)組成。目前生產(chǎn)上廣泛采用帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)燒結(jié)礦。燒結(jié)生產(chǎn)的工藝流程如上圖所示。主要包括燒結(jié)料的準(zhǔn)備，配料與混合，燒結(jié)和產(chǎn)品處理等工序。
三、 客戶現(xiàn)場(chǎng)改造方案
1、項(xiàng)目背景
本次我司HD93產(chǎn)品改造對(duì)象為河北省武安市某鋼鐵集團(tuán)燒結(jié)廠燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)，此燒結(jié)線為220m2規(guī)模燒結(jié)線，配備有8000kW功率燒結(jié)主抽一臺(tái)，是整個(gè)燒結(jié)廠的最大耗電設(shè)備，在整個(gè)鋼廠也屬于耗能大戶，工頻運(yùn)行采用水阻啟動(dòng)方式，啟動(dòng)沖擊大，所以每次啟動(dòng)此電機(jī)都比較困難，另外由于要根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)風(fēng)量，平時(shí)采用風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行，風(fēng)門(mén)一般在60%~80%調(diào)節(jié)，能量浪費(fèi)嚴(yán)重，所以節(jié)能改造迫在眉睫。
2、設(shè)備參數(shù)介紹
3、改造系統(tǒng)方案
圖4：系統(tǒng)一次圖
4、系統(tǒng)方案說(shuō)明
系統(tǒng)采用HD93高性能型同步機(jī)專(zhuān)用高壓變頻器、勵(lì)磁柜、開(kāi)關(guān)柜和旁路柜完成對(duì)同步機(jī)負(fù)載的同步電機(jī)控制。整個(gè)系統(tǒng)方案在保留客戶原勵(lì)磁系統(tǒng)的情況下，我們重新配備變頻勵(lì)磁柜，在變頻器正常運(yùn)行的情況下，變頻器與變頻勵(lì)磁柜配合來(lái)控制客戶同步電機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)行，而為了保證電機(jī)的可靠運(yùn)行，我們配備了工頻旁路系統(tǒng)，在變頻器出現(xiàn)重故障的情況下，客戶還可以利用旁路系統(tǒng)跟原工頻勵(lì)磁系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制電機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行。
總結(jié)高壓變頻器方案如下:
(1) 系統(tǒng)采周一拖一配手動(dòng)工頻旁路柜，工頻運(yùn)行時(shí)，可以配合原有水阻軟啟動(dòng)方式運(yùn)行;
(2) 控制系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)新舊高壓柜的遠(yuǎn)程操作及聯(lián)鎖;
(3) 勵(lì)磁系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)工變頻狀態(tài)的勵(lì)磁控制轉(zhuǎn)換;
(4) 配套上位監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器系統(tǒng)狀態(tài);
5、電氣配置說(shuō)明
(1)SM為客戶現(xiàn)場(chǎng)電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，基本電氣參數(shù)為8000kW/10kV。
(2)Mg1為變頻運(yùn)行專(zhuān)用勵(lì)磁柜。在變頻狀態(tài)下，通過(guò)變頻器內(nèi)部運(yùn)算給定勵(lì)磁電流指令，勵(lì)磁柜與變頻器實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制，MG2為客戶原有工頻勵(lì)磁柜，MG1與MG2之間設(shè)置有切換開(kāi)關(guān)，需要工頻運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)切換至MG2。
(3)QS1、QS2、QS3為工頻旁路柜內(nèi)高壓隔離開(kāi)關(guān)，用于變頻或工頻啟動(dòng)同步電機(jī)。
(4)系統(tǒng)配置工頻勵(lì)磁與變頻勵(lì)磁的切換裝置，采用切換刀閘形式，安全可靠。
(5)變頻器為匯川HD93高性能型同步機(jī)高壓變頻器，基本電氣參數(shù)為10000kVA/10kV，額定頻率50Hz，最大運(yùn)行頻率為50/60 Hz。輸入變壓器為10000kVA/10kV干式移相變壓器，絕緣等級(jí)H級(jí)，功率單元為兩象限兩電平單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)?？刂乒駜?nèi)IO板提供標(biāo)準(zhǔn)IO接口和總線通訊接口(CAN、Modbus485、Profibus-DP)。
6、系統(tǒng)功能說(shuō)明(變頻工況)
(1)系統(tǒng)控制電源380V和冷卻風(fēng)機(jī)電源上電，變頻勵(lì)磁柜選擇并且控制電源上電;
(2)對(duì)變頻器和勵(lì)磁柜進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，變頻勵(lì)磁柜和變頻器置于“遠(yuǎn)方”控制;
(3)將變頻輸入隔離刀閘QS1、輸出隔離刀閘QS2合閘，勵(lì)磁切換開(kāi)關(guān)切換至變頻勵(lì)磁，變頻器及勵(lì)磁柜控制系統(tǒng)自檢，如無(wú)故障，輸出“合閘允許”信號(hào);
(4)用戶開(kāi)關(guān)柜斷路器QF1合閘，待水阻柜啟動(dòng)完成后，星點(diǎn)柜QF2合閘;
(5)變頻器及勵(lì)磁柜如上電正常，輸出“變頻器準(zhǔn)備就緒”和“勵(lì)磁柜就緒”信號(hào)到總控臺(tái);
(6)總控臺(tái)對(duì)變頻器給定運(yùn)行頻率，發(fā)啟動(dòng)指令。
(7)變頻器接收到啟動(dòng)命令后，發(fā)勵(lì)磁啟動(dòng)指令給勵(lì)磁柜，同時(shí)發(fā)出動(dòng)態(tài)勵(lì)磁電流指令;
(8)當(dāng)運(yùn)行頻率達(dá)到50Hz時(shí)，變頻器輸出電壓達(dá)到10kV。
(9)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，會(huì)同時(shí)聯(lián)跳輸入斷路器QF，且通知?jiǎng)?lì)磁柜進(jìn)行滅磁。
(10)QS2和QS3設(shè)有機(jī)械聯(lián)鎖，當(dāng)QS2閉合時(shí)，QS3不能合閘。
(11)當(dāng)工藝需要停機(jī)時(shí)，通過(guò)總控臺(tái)向變頻器發(fā)送“停機(jī)”指令，變頻器接受指令后封鎖變頻器輸出。
7、改造后節(jié)能對(duì)比
改造前改造后
風(fēng)門(mén)開(kāi)度平均運(yùn)行電流風(fēng)門(mén)開(kāi)度平均運(yùn)行電流平均節(jié)電率
60%~80%460A100%385A16.3%
變頻改造之后實(shí)現(xiàn)了較為可觀的節(jié)電量，為公司的節(jié)能減排工作做出了較大的貢獻(xiàn)，降低了整個(gè)公司的生產(chǎn)成本，得到了客戶的一致認(rèn)可。
8、變頻改造優(yōu)勢(shì)
(1) 完美解決了大容量同步機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題;
(2) 節(jié)電，大大降低運(yùn)行成本;
(3) 提高了機(jī)組自動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，為機(jī)組的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠保證;
(4) 同步機(jī)的運(yùn)行參數(shù)得到了改善，提高了運(yùn)行效率;
(5) 可實(shí)現(xiàn)大功率同步機(jī)負(fù)載的變頻軟啟動(dòng)，啟動(dòng)峰值電流和時(shí)間大為減少，避免了因大啟動(dòng)電流造成的絕緣老化及由于較大電動(dòng)力矩造成對(duì)電機(jī)的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)的壽命，減少了對(duì)電機(jī)的維護(hù)工作量;
(6) 節(jié)流裝置全開(kāi)，不僅達(dá)到了降耗節(jié)能的目的，同時(shí)還減小了管道系統(tǒng)的振動(dòng)，使管道壓力波動(dòng)減小，延長(zhǎng)了管道的使用壽命和檢修周期及檢修的工作量，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性得到改善;
(7) 頻率的調(diào)節(jié)性能優(yōu)越，有利于實(shí)現(xiàn)分散控制系統(tǒng)改造，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的優(yōu)化改造;
(8) 采用變頻調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低使環(huán)境噪音影響得到大大改善。
(9) 勵(lì)磁完全變頻控制，只需操作變頻器，一鍵啟動(dòng)/停機(jī)，方便操作。
四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片
圖5：現(xiàn)場(chǎng)工作人員調(diào)試照片
圖6：現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)照片
圖7：變頻系統(tǒng)整機(jī)圖
圖8：現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)飛車(chē)啟動(dòng)時(shí)定子電流及勵(lì)磁電流變化波形圖(動(dòng)態(tài)勵(lì)磁控制)
五、結(jié)束語(yǔ)
冶金行業(yè)歷來(lái)屬于高耗能行業(yè)，大功率電機(jī)數(shù)量巨大，常年工頻運(yùn)行導(dǎo)致能源浪費(fèi)嚴(yán)重，變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著地節(jié)能效果，且能夠改善運(yùn)行工藝，達(dá)到多重改造效果，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著，燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)的變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較高的節(jié)能效果，還能夠?qū)崿F(xiàn)大功率同步電機(jī)的啟動(dòng)調(diào)速問(wèn)題。匯川技術(shù)HD93系列同步機(jī)專(zhuān)用高壓變頻器之所以能夠成功的改造此次大功率燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)，也是產(chǎn)品高性能、高可靠性的一個(gè)證明。
（轉(zhuǎn)載）
