一、前言
冶金行業(yè)向來是耗能大戶，尤其在目前產(chǎn)能過剩、利潤低的情況下，節(jié)能顯得尤為重要，鋼鐵行業(yè)中的大功率電動機耗費了大量的電費，由于實際過程導(dǎo)致工頻運行大馬拉小車現(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，功率一般為整個鋼鐵廠除了高爐鼓風(fēng)機第二大功率的設(shè)備，而且多為大功率同步機驅(qū)動，同步機的變頻改造一直以來就是一大技術(shù)難點，下面將介紹一下同步機的改造方案及應(yīng)用效果。
二、有刷電勵磁同步機及燒結(jié)工藝介紹
2.1大功率同步機變頻改造難點
同步機相比于異步機有諸多優(yōu)點：
(1)對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強的承受能力，動態(tài)響應(yīng)快;
(2)在極低電源頻率下也能運行，調(diào)速范圍寬;
(3)通過改變勵磁電流，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)點使得其使用越來越廣泛，但是大功率同步機變頻控制技術(shù)一直是高壓變頻領(lǐng)域的一大難點，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變頻改造需要注意的事項：
(1)同步電機的起動問題：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)同步電機調(diào)速期間和勵磁裝置的協(xié)調(diào)問題，防止正常調(diào)速期間同步機失步;
(3)同步電機正常停機和故障滅磁問題。
2.2匯川技術(shù)HD93同步機控制技術(shù)
匯川依據(jù)自身多年同步機控制經(jīng)驗，在高壓大功率同步機控制方面，通過我們大量的仿真實驗以及現(xiàn)場實驗分析，研發(fā)了適用于高壓大功率領(lǐng)域同步機的矢量控制方案，依托于磁鏈閉環(huán)矢量控制(SFOC)這一平臺，實現(xiàn)了真正的同步機變頻無速度傳感器矢量控制技術(shù)啟動方式(SVC)，整個啟動過程平滑、無沖擊，不存在啟動整步問題，并且控制精度高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。
圖1：匯川同步機變頻啟動過程圖
基于電機d - q軸系數(shù)學(xué)方程，對電機的磁鏈、電流進行解耦控制，具有磁鏈、電流、速度三閉環(huán)的特點。
通過匯川多個大容量同步機變頻改造應(yīng)用現(xiàn)場的調(diào)試運行情況來看，匯川同步機控制方案還具有調(diào)試簡單、調(diào)試時間短，以及運行穩(wěn)定的眾多優(yōu)點，得到了用戶的一致好評，匯川的同步機控制技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)建立了絕對的領(lǐng)先地位。
2.3燒結(jié)工藝簡介
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，強化燒結(jié)生產(chǎn)過程，能夠獲得先進的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，保證實現(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、項目改造方案
3.1項目簡介
本次我司HD93系列同步機專用高壓變頻器改造對象為河北省邯鄲市某鋼鐵集團燒結(jié)廠燒結(jié)主抽風(fēng)機，此燒結(jié)線為200m2規(guī)模燒結(jié)線，配備有5600kW功率燒結(jié)主抽一臺，在整個燒結(jié)廠屬于耗電大戶，工頻運行采用水阻啟動方式，啟動沖擊大，所以每次啟動此電機都比較困難，另外由于要根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)風(fēng)量，平時采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的方式進行，風(fēng)門一般在60%~80%調(diào)節(jié)，能量浪費嚴(yán)重，所以節(jié)能改造迫在眉睫。
3.2改造系統(tǒng)方案
圖2：系統(tǒng)一次圖
3.3系統(tǒng)方案說明
系統(tǒng)采用HD93高性能型同步機專用高壓變頻器、勵磁柜、開關(guān)柜和旁路柜完成對同步機負(fù)載的同步電機控制。整個系統(tǒng)方案在保留客戶原勵磁系統(tǒng)的情況下，我們重新配備變頻勵磁柜，在變頻器正常運行的情況下，變頻器與變頻勵磁柜配合來控制客戶同步電機啟動與運行，而為了保證電機的可靠運行，我們配備了工頻旁路旁路系統(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)跟原工頻勵磁系統(tǒng)來進行控制電機的啟動運行。
總結(jié)高壓變頻器方案如下:
(1) 系統(tǒng)采周一拖一配手動工頻旁路柜，工頻運行時，可以配合原有水阻軟啟動方式運行;
(2) 控制系統(tǒng)改造，實現(xiàn)新舊高壓柜的遠(yuǎn)程操作及聯(lián)鎖;
(3) 勵磁系統(tǒng)改造，實現(xiàn)工變頻狀態(tài)的勵磁控制轉(zhuǎn)換;
3.4電氣配置說明
(1)SM為客戶現(xiàn)場電勵磁同步電動機，基本電氣參數(shù)為5600kW/10kV。
(2)Mg1為變頻運行專用勵磁柜。在變頻狀態(tài)下，通過變頻器內(nèi)部運算給定勵磁電流指令，勵磁柜與變頻器實現(xiàn)勵磁電流閉環(huán)控制，MG2為客戶原有工頻勵磁柜，MG1與MG2之間設(shè)置有切換開關(guān)，需要工頻運行時，勵磁系統(tǒng)切換至MG2。
圖3：勵磁系統(tǒng)切換
(3)QS1、QS2、QS3為工頻旁路柜內(nèi)高壓隔離開關(guān)，用于變頻或工頻啟動同步電機。
(4)變頻器為匯川HD93高性能型同步機高壓變頻器，基本型號為HD93-J100/8000-DN，額定頻率50Hz，最大運行頻率為50 Hz。輸入變壓器為8000kVA/10kV干式移相變壓器，絕緣等級H級，功率單元為兩象限兩電平單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)含每相9個單元，總共27個功率單元?？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)。
3.5系統(tǒng)功能說明(變頻工況)
(1)系統(tǒng)控制電源380V和冷卻風(fēng)機電源上電，變頻勵磁柜選擇并且控制電源上電;
(2)對變頻器和勵磁柜進行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，變頻勵磁柜和變頻器置于“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，勵磁切換開關(guān)切換至變頻勵磁，變頻器及勵磁柜控制系統(tǒng)自檢，如無故障，輸出“合閘允許”信號;
(4)用戶開關(guān)柜斷路器QF1合閘，待水阻柜啟動完成后，星點柜QF2合閘;
(5)變頻器及勵磁柜如上電正常，輸出“變頻器準(zhǔn)備就緒”和“勵磁柜就緒”信號到總控臺;
(6)總控臺對變頻器給定運行頻率，發(fā)啟動指令。
(7)變頻器接收到啟動命令后，發(fā)勵磁啟動指令給勵磁柜，同時發(fā)出動態(tài)勵磁電流指令;
(8)當(dāng)運行頻率達(dá)到50Hz時，變頻器輸出電壓達(dá)到10kV。
(9)在運行過程中，當(dāng)變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，會同時聯(lián)跳輸入斷路器QF，且通知勵磁柜進行滅磁。
(10)QS2和QS3設(shè)有機械聯(lián)鎖，當(dāng)QS2閉合時，QS3不能合閘。
(11)當(dāng)工藝需要停機時，通過總控臺向變頻器發(fā)送“停機”指令，變頻器接受指令后封鎖變頻器輸出。
3.7改造后節(jié)能對比
變頻改造之后實現(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，降低了整個公司的生產(chǎn)成本，得到了客戶的一致認(rèn)可。
四、匯川HD93系列高壓變頻器簡介
4.1 HD93系統(tǒng)工作原理
圖4：產(chǎn)品原理圖
4.1.1主電路拓?fù)湓?/FONT>
電網(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯(lián)星接后形成三相變頻電源給高壓電動機供電。根據(jù)串聯(lián)單元級數(shù)的不同，產(chǎn)品分為3kV、6kV、10kV三個系列。主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數(shù)高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無需任何功因補償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術(shù)，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾器。電動機諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動小，無明顯電動機噪聲。電動機不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機無附加電應(yīng)力損害。
4.1.2功率單元原理
功率單元采用三相交流輸入，整流濾波后形成直流電壓，經(jīng)IGBT H橋逆變后輸出脈寬調(diào)制(PWM)電壓。功率單元控制板由IGBT驅(qū)動電路和監(jiān)測保護電路、光纖通信電路、單元旁路電路和控制電源組成。運行中功率單元故障時，變頻器可將故障單元自動旁路并繼續(xù)運行，等情況允許時再停機排除故障。
圖5：單元原理圖
4.2 HD93技術(shù)特點與優(yōu)勢
匯川HD93系列同步機專用高壓變頻器為完美無諧波型變頻器，采用功率單元級聯(lián)式技術(shù)路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級完成，因此控制波形和逆變波形可以實時校驗。具有國際領(lǐng)先的技術(shù)!
所有產(chǎn)品均進行滿載72小時測試，除一些保護功能外，同磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)(SFOC)、同步機矢量變頻控制、永磁同步高頻技術(shù)、快速疊頻技術(shù)、Syn-transfer技術(shù)、同步機飛車啟動、非對稱機械旁路技術(shù)、雙路控制電源等功能，這些功能技術(shù)上處于國際領(lǐng)先水平。
公司的電力電子，自動控制和計算機等領(lǐng)域具有理論水平和實踐經(jīng)驗的優(yōu)秀科研隊伍，長期致力于電力電子領(lǐng)域各類產(chǎn)品的開發(fā)研制，對于關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)工藝也作了大量的完善和改進，如：其中層疊直流母線的制作工藝保證了直流母線的分布電感最小，有效抑制了功率器件在開關(guān)過程中的di/dt電壓尖峰;高密度FPGA貼片工藝保證了控制器在惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定運行;整流橋、功率器件和電解電容的安裝工藝使整個系統(tǒng)的離散性達(dá)到最小，保證質(zhì)量和性能的高度一致性。為保障質(zhì)量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調(diào)試工裝，建全了相應(yīng)的質(zhì)量管理體系。
五、現(xiàn)場應(yīng)用照片
圖6：電機及負(fù)載
圖7：變頻器上電沖擊波形示意
圖8：動態(tài)勵磁過程波形(紅色曲線為勵磁電流)
六、總結(jié)
冶金行業(yè)歷來屬于高耗能行業(yè)，大功率電機數(shù)量巨大，常年工頻運行導(dǎo)致能源浪費嚴(yán)重，變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著地節(jié)能效果，且能夠改善運行工藝，達(dá)到多重改造效果，經(jīng)濟效益及社會效益顯著，燒結(jié)主抽風(fēng)機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)大功率同步電機的啟動調(diào)速問題。匯川技術(shù)HD93系列同步機專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，也是產(chǎn)品高性能、高可靠性的一個證明。
匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對冶金行業(yè)的變頻改造具有獨到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工、市政、裝備制造業(yè)等多個應(yīng)用領(lǐng)域。
（轉(zhuǎn)載）
