關(guān)鍵詞：10MVA、大功率同步機、燒結主抽、冶金

    Keywords：10MVA、high-power synchronous motor、sintering main exhauster、metallurgy

    摘要：本文主要介紹了大功率電勵磁同步機的基本特點(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(xiàn)針對電勵磁同步電機的解決方案，通過(guò)公司HD93系列10MVA產(chǎn)品目前的現場(chǎng)應用，了解同步機變頻改造需注意的關(guān)鍵點(diǎn)以及改造效果分析。

    一、概述

    國家“十二五”規劃明確提出了關(guān)于節能減排的規范文件，如未能采取更加有效的應對措施，我國面臨的資源環(huán)境約束將日益強化。從國內看，隨著(zhù)工業(yè)化、城鎮化進(jìn)程加快和消費結構升級，我國能源需求呈剛性增長(cháng)，受?chē)鴥荣Y源保障能力和環(huán)境容量制約，我國經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展面臨的資源環(huán)境瓶頸約束更加突出，節能減排工作難度不斷加大。從國際看，圍繞能源安全和氣候變化的博弈更加激烈。一方面，貿易保護主義抬頭，部分發(fā)達國家憑借技術(shù)優(yōu)勢開(kāi)征碳稅并計劃實(shí)施碳關(guān)稅，綠色貿易壁壘日益突出。另一方面，全球范圍內綠色經(jīng)濟、低碳技術(shù)正在興起，不少發(fā)達國家大幅增加投入，支持節能環(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)的競爭日趨激烈。

    規劃中提出對電機系統實(shí)施變頻調速、永磁調速、無(wú)功補償等節能改造，優(yōu)化系統運行和控制，提高系統整體運行效率。變頻調速尤其在大功率風(fēng)機類(lèi)平方轉矩負載場(chǎng)合應用效果尤為明顯。

    冶金行業(yè)向來(lái)是耗能大戶(hù)，尤其在目前產(chǎn)能過(guò)剩、利潤低的情況下，節能顯得尤為重要，鋼鐵行業(yè)中的大功率電動(dòng)機耗費了大量的電費，由于實(shí)際過(guò)程導致工頻運行大馬拉小車(chē)現象嚴重，變頻改造成了不二之選。

    目前鋼鐵行業(yè)中的燒結主抽風(fēng)機，功率一般為整個(gè)鋼鐵廠(chǎng)除了高爐鼓風(fēng)機第二大功率的設備，而且多為大功率同步機驅動(dòng)，同步機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的改造方案及應用效果。

    二、同步機及燒結工藝介紹

    1、大功率同步機變頻改造難點(diǎn)

    同步機相比于異步機有諸多優(yōu)點(diǎn)：

    （1）對轉矩擾動(dòng)具有更強的承受能力，動(dòng)態(tài)響應快；

    （2）在極低電源頻率下也能運行，調速范圍寬；

    （3）通過(guò)改變勵磁電流，功率因數可調；

    （4）穩定性高，轉矩與端電壓成正比；

    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(chǎng)家技術(shù)參差不齊，導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(dòng)問(wèn)題：電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內，否則將導致系統失步；

    （2）同步電機調速期間和勵磁裝置的協(xié)調問(wèn)題，防止正常調速期間同步機失步；

    （3）同步電機正常停機和故障滅磁問(wèn)題。

    2、匯川技術(shù)HD93同步機控制技術(shù)

    匯川依據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(guò)我們大量的仿真實(shí)驗以及現場(chǎng)實(shí)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(shí)現了真正的同步機變頻無(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、轉矩響應快，穩定性好。


                    

                                 圖1：匯川同步機磁鏈閉環(huán)矢量控制原理圖


                    

                                   圖2：匯川同步機變頻啟動(dòng)過(guò)程圖

   基于電機d - q軸 系數學(xué)方程，對電機的磁鏈、電流進(jìn)行解耦控制，具有磁鏈、電壓閉環(huán)特點(diǎn)。

    和進(jìn)行比較再通過(guò)比例積分調節器得到，在和比較再通過(guò)比例積分調節器得到；和比較得到，和再通過(guò)比例積分調節器得到，和比較再通過(guò)比例積分調節器得到，和比較得到；和2/3轉換得到、、，、、，進(jìn)行發(fā)波控制。

    通過(guò)匯川多個(gè)大容量同步機變頻改造應用現場(chǎng)的調試運行情況來(lái)看，匯川同步機控制方案還具有調試簡(jiǎn)單、調試時(shí)間短，以及運行穩定的眾多優(yōu)點(diǎn)，得到了用戶(hù)的一直好評，匯川的同步機控制技術(shù)已經(jīng)在國內建立了絕對的領(lǐng)先地位。

    3、燒結工藝簡(jiǎn)介


                    

                                            圖3：燒結工藝

    燒結工藝是指根據原料特性所選擇的加工程序和燒結工藝制度，它對燒結生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量有著(zhù)直接而重要的影響。按照燒結過(guò)程的內在規律選擇合適的工藝流程和操作制度，利用現代科學(xué)技術(shù)成果，強化燒結生產(chǎn)過(guò)程，能夠獲得先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟指標，保證實(shí)現高產(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，抽風(fēng)冷卻，破碎篩分，除塵等環(huán)節組成。目前生產(chǎn)上廣泛采用帶式抽風(fēng)燒結機生產(chǎn)燒結礦。燒結生產(chǎn)的工藝流程如上圖所示。主要包括燒結料的準備，配料與混合，燒結和產(chǎn)品處理等工序。

    三、客戶(hù)現場(chǎng)改造方案

    1、項目背景

    本次我司HD93產(chǎn)品改造對象為河北省武安市某鋼鐵集團燒結廠(chǎng)燒結主抽風(fēng)機，此燒結線(xiàn)為220m2規模燒結線(xiàn)，配備有8000kW功率燒結主抽一臺，是整個(gè)燒結廠(chǎng)的最大耗電設備，在整個(gè)鋼廠(chǎng)也屬于耗能大戶(hù)，工頻運行采用水阻啟動(dòng)方式，啟動(dòng)沖擊大，所以每次啟動(dòng)此電機都比較困難，另外由于要根據生產(chǎn)情況調節風(fēng)量，平時(shí)采用風(fēng)門(mén)調節的方式進(jìn)行，風(fēng)門(mén)一般在60%~80%調節，能量浪費嚴重，所以節能改造迫在眉睫。

    2、設備參數介紹

                    

    3、改造系統方案


                    

                                           圖4：系統一次圖

    4、系統方案說(shuō)明

    系統采用HD93高性能型同步機專(zhuān)用高壓變頻器、勵磁柜、開(kāi)關(guān)柜和旁路柜完成對同步機負載的同步電機控制。整個(gè)系統方案在保留客戶(hù)原勵磁系統的情況下，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(lái)控制客戶(hù)同步電機啟動(dòng)與運行，而為了保證電機的可靠運行，我們配備了工頻旁路系統，在變頻器出現重故障的情況下，客戶(hù)還可以利用旁路系統跟原工頻勵磁系統來(lái)進(jìn)行控制電機的啟動(dòng)運行。

    總結高壓變頻器方案如下:

    （1）系統采周一拖一配手動(dòng)工頻旁路柜，工頻運行時(shí)，可以配合原有水阻軟啟動(dòng)方式運行；

    （2）控制系統改造，實(shí)現新舊高壓柜的遠程操作及聯(lián)鎖；

    （3）勵磁系統改造，實(shí)現工變頻狀態(tài)的勵磁控制轉換；

    （4）配套上位監控系統，遠程監控變頻器系統狀態(tài)；

    5、電氣配置說(shuō)明

    （1）SM為客戶(hù)現場(chǎng)電勵磁同步電動(dòng)機，基本電氣參數為8000kW/10kV。

    （2）Mg1為變頻運行專(zhuān)用勵磁柜。在變頻狀態(tài)下，通過(guò)變頻器內部運算給定勵磁電流指令，勵磁柜與變頻器實(shí)現勵磁電流閉環(huán)控制，MG2為客戶(hù)原有工頻勵磁柜，MG1與MG2之間設置有切換開(kāi)關(guān)，需要工頻運行時(shí)，勵磁系統切換至MG2。

    （3）QS1、QS2、QS3為工頻旁路柜內高壓隔離開(kāi)關(guān)，用于變頻或工頻啟動(dòng)同步電機。

    （4）系統配置工頻勵磁與變頻勵磁的切換裝置，采用切換刀閘形式，安全可靠。

    （5）變頻器為匯川HD93高性能型同步機高壓變頻器，基本電氣參數為10000kVA/10kV，額定頻率50Hz，最大運行頻率為50/60 Hz。輸入變壓器為10000kVA/10kV干式移相變壓器，絕緣等級H級，功率單元為兩象限兩電平單元級聯(lián)結構?？刂乒駜菼O板提供標準IO接口和總線(xiàn)通訊接口（CAN、Modbus485、Profibus-DP）。

    6、系統功能說(shuō)明（變頻工況）

    （1）系統控制電源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(jìn)行相關(guān)的參數設定，變頻勵磁柜和變頻器置于“遠方”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(kāi)關(guān)切換至變頻勵磁，變頻器及勵磁柜控制系統自檢，如無(wú)故障，輸出“合閘允許”信號；

    （4）用戶(hù)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）變頻器及勵磁柜如上電正常，輸出“變頻器準備就緒”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(dòng)指令。

    （7）變頻器接收到啟動(dòng)命令后，發(fā)勵磁啟動(dòng)指令給勵磁柜，同時(shí)發(fā)出動(dòng)態(tài)勵磁電流指令；

    （8）當運行頻率達到50Hz時(shí)，變頻器輸出電壓達到10kV。

    （9）在運行過(guò)程中，當變頻器出現嚴重故障時(shí)，會(huì )同時(shí)聯(lián)跳輸入斷路器QF，且通知勵磁柜進(jìn)行滅磁。

    （10）QS2和QS3設有機械聯(lián)鎖，當QS2閉合時(shí)，QS3不能合閘。

    （11）當工藝需要停機時(shí)，通過(guò)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。

    7、改造后節能對比

                    

    變頻改造之后實(shí)現了較為可觀(guān)的節電量，為公司的節能減排工作做出了較大的貢獻，降低了整個(gè)公司的生產(chǎn)成本，得到了客戶(hù)的一致認可。

    8、變頻改造優(yōu)勢

    （1）完美解決了大容量同步機的啟動(dòng)問(wèn)題；

    （2）節電，大大降低運行成本；

    （3）提高了機組自動(dòng)裝置的穩定性，為機組的經(jīng)濟優(yōu)化運行提供了可靠保證；

    （4）同步機的運行參數得到了改善，提高了運行效率；

    （5）可實(shí)現大功率同步機負載的變頻軟啟動(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)力矩造成對電機的機械沖擊，延長(cháng)了電機的壽命，減少了對電機的維護工作量；

    （6）節流裝置全開(kāi)，不僅達到了降耗節能的目的，同時(shí)還減小了管道系統的振動(dòng)，使管道壓力波動(dòng)減小，延長(cháng)了管道的使用壽命和檢修周期及檢修的工作量，使系統運行穩定性得到改善；

    （7）頻率的調節性能優(yōu)越，有利于實(shí)現分散控制系統改造，進(jìn)一步提高系統的優(yōu)化改造；

    （8）采用變頻調節，電動(dòng)機轉速降低使環(huán)境噪音影響得到大大改善。

    （9）勵磁完全變頻控制，只需操作變頻器，一鍵啟動(dòng)/停機，方便操作。

    四、現場(chǎng)應用照片


                    

                                 圖5：現場(chǎng)工作人員調試照片


                    

                                   圖6：現場(chǎng)電機照片


                    

                                圖7：變頻系統整機圖


                    

                     圖8：現場(chǎng)電機飛車(chē)啟動(dòng)時(shí)定子電流及勵磁電流變化波形圖（動(dòng)態(tài)勵磁控制）

    五、結束語(yǔ)

    冶金行業(yè)歷來(lái)屬于高耗能行業(yè)，大功率電機數量巨大，常年工頻運行導致能源浪費嚴重，變頻改造不僅能夠實(shí)現顯著(zhù)地節能效果，且能夠改善運行工藝，達到多重改造效果，經(jīng)濟效益及社會(huì )效益顯著(zhù)，燒結主抽風(fēng)機的變頻改造不僅能夠實(shí)現較高的節能效果，還能夠實(shí)現大功率同步電機的啟動(dòng)調速問(wèn)題。匯川技術(shù)HD93系列同步機專(zhuān)用高壓變頻器之所以能夠成功的改造此次大功率燒結主抽風(fēng)機，也是產(chǎn)品高性能、高可靠性的一個(gè)證明。

    匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動(dòng)化行業(yè)的應用經(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)品適用于冶金、電力、化工、市政等多個(gè)應用領(lǐng)域。