變頻調(diào)速裝置在燒結(jié)機(jī)雙主抽同步電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

徐朝平 顏群英

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005）

0 前言

隨著冶金工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，燒結(jié)機(jī)越來越大，勢(shì)必采用雙主抽風(fēng)機(jī)配置，政府對(duì)節(jié)能和環(huán)保的考核指標(biāo)越來越高。所以采用先進(jìn)的高壓調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)主抽風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速控制，對(duì)于提高燒結(jié)產(chǎn)品質(zhì)量及節(jié)能降耗具有非常重要的意義。以下就一工程實(shí)例進(jìn)行深入的論述。

1 系統(tǒng)方案

1.1 工程概況

某工程項(xiàng)目中建設(shè)的2臺(tái)燒結(jié)機(jī)。每臺(tái)燒結(jié)機(jī)配置兩臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用容量為5000kW交流有刷同步電動(dòng)機(jī)。為了提高燒結(jié)產(chǎn)品質(zhì)量及節(jié)能降耗滿足燒結(jié)工藝需求，所以采用兩臺(tái)高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速或交叉軟啟動(dòng)兩臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)。

1.2 電機(jī)數(shù)據(jù)：

電機(jī)電壓：10kV

額定功率：5000kW

1.3 變頻器的選型分別為：

VFD 型號(hào)∶CIMR-MV2BH5HD400E1AA

額定輸出容量7600kVA

額定輸出電流400A

1.4 控制方式：PG的矢量控制

1.5 系統(tǒng)單線圖及控制述

1）單線圖

2）系統(tǒng)構(gòu)成說明

該項(xiàng)目每臺(tái)燒結(jié)的兩臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用容量為5000kW的同步電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)燒結(jié)采用兩臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)變頻二拖二互為備用拖動(dòng)，雙母線并列運(yùn)行，同時(shí)具備工頻無擾動(dòng)啟動(dòng)功能。整套裝置如單線圖所示可劃分成如下幾大部分：電源配電系統(tǒng)，變頻電源切換系統(tǒng)，高壓變頻器，變頻輸出切換系統(tǒng)，同步電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)，變頻器切換控制系統(tǒng)。

電源配電系統(tǒng)主要由VCB1～6，六臺(tái)真空斷路器配電系統(tǒng)構(gòu)成。其中VCB1及VCB4分別為A、B母線的進(jìn)線饋線開關(guān)，并配置一般饋線保護(hù)功能。VCB3及VCB6為A、B母線上的變頻器配電開關(guān)，并按照高壓變頻器的輸入變壓器特性進(jìn)行配電保護(hù)。VCB2及VCB5為A、B母線上驅(qū)動(dòng)A，B電機(jī)的工頻開關(guān)，并配合同步電機(jī)的特性進(jìn)行保護(hù)，含對(duì)電機(jī)的差動(dòng)保護(hù)。

變頻電源切換系統(tǒng)由VCS1～3，3臺(tái)真空接觸器構(gòu)成。用于當(dāng)變頻器需要切換到另一條母線工作時(shí)仍能使用電機(jī)對(duì)應(yīng)的母線電源，不過此時(shí)一臺(tái)變頻器處于無法通電的狀態(tài)。正常時(shí)VCS1斷開；VCS2合上時(shí)，變頻器1可接受A母線電源；VCS3合上時(shí)，變頻器2可接受B母線電源。當(dāng)需要切換時(shí)，VCS1，VCS3合上，VCS2斷開，變頻器2可接受A母線電源，變頻器1此時(shí)處于斷電狀態(tài)；反之VCS1，VCS2合上，VCS3斷開，變頻器1可接受B母線電源，變頻器2此時(shí)處于斷電狀態(tài)。相關(guān)邏輯連鎖由真空接觸器控制回路間電氣聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)。

高壓變頻器為兩臺(tái)MV1000系列高壓變頻器產(chǎn)品。變頻輸出切換系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)1，2號(hào)變頻器分別分時(shí)驅(qū)動(dòng)A，B兩臺(tái)同步電機(jī)的功能，同時(shí)也具備了軟起工頻切換的電抗緩沖功能。由VCS4～9六個(gè)真空接觸器及兩臺(tái)啟動(dòng)電抗器構(gòu)成。當(dāng)VCS4，VCS6閉合，VCS7，VCS9斷開時(shí)，變頻器1帶動(dòng)電機(jī)A正常調(diào)速運(yùn)行；VCS5，VCS8閉合，VCS7，VCS9斷開時(shí)，變頻器2帶電動(dòng)機(jī)B正常調(diào)速運(yùn)行。當(dāng)變頻器需要切換到另一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，比如只需斷開VCS6，VCS8閉合VCS7就可使變頻器1帶動(dòng)電機(jī)B運(yùn)行。反之也可使變頻器2帶動(dòng)電機(jī)A運(yùn)行。各VCS間相互連鎖避免出現(xiàn)一臺(tái)變頻器帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)或兩臺(tái)變頻器間輸出互通的現(xiàn)現(xiàn)象，同時(shí)也和電源系統(tǒng)的VCB2，VCB5工頻開關(guān)連鎖，避免出現(xiàn)變、工頻同時(shí)正常運(yùn)行的現(xiàn)象。啟動(dòng)電抗器的使用只在變頻器需要啟動(dòng)電機(jī)并無擾切換至工頻時(shí)投入，投入時(shí)只需斷開對(duì)應(yīng)的VCS4，VCS5的開關(guān)即可。

同步電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)。變頻運(yùn)行時(shí)同步電機(jī)的運(yùn)行保護(hù)由變頻器執(zhí)行，此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)按照變頻器的勵(lì)磁指令對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁。工頻運(yùn)行時(shí)同步電機(jī)的運(yùn)行保護(hù)由工頻電源配電系統(tǒng)配合勵(lì)磁系統(tǒng)執(zhí)行，變頻器不參與保護(hù)。

變頻器切換控制系統(tǒng)主要由PLC及觸摸顯示設(shè)備構(gòu)成，用于和上位主控制系統(tǒng)通訊，控制整個(gè)變頻切換驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯操作。

3）控制方案整個(gè)系統(tǒng)可分成如下幾個(gè)控制模式運(yùn)行：

Ⅰ.變頻器1正常變頻運(yùn)行

正常模式下，先閉合 VCS2，4，6，確認(rèn) VCS1，7，9 斷開，此時(shí)依次合上VCB1和VCB3，變頻器1得電正常后，上位的指令通過切換控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)后控制變頻器輸出對(duì)電機(jī)A進(jìn)行調(diào)速。

Ⅱ.變頻器1備用B電機(jī)變頻運(yùn)行

備用模式下，先確認(rèn)變頻器1停機(jī)，確認(rèn)斷開VCB3，5，6及VCS1，2，3，4，5，6，7，8，9。然后合上 VCS1，2，4，7。回路構(gòu)成后，依次合上VCB4，5，變頻器1從B母線取電正常后，上位的指令通過切換控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)后控制變頻器輸出對(duì)電機(jī)B進(jìn)行調(diào)速。

Ⅲ.變頻器1正常軟起A電機(jī)工頻運(yùn)行

在正常變頻運(yùn)行模式下，一旦上位發(fā)出A電機(jī)工頻運(yùn)行的指令，切換控制系統(tǒng)將先暫時(shí)切斷變頻器輸出，依次分開VCS6，VCS4，投入啟動(dòng)電抗器再投入VCS6。然后切換控制系統(tǒng)向變頻器下達(dá)工頻切換指令。變頻器1將重新直接從當(dāng)前速度帶動(dòng)電機(jī)A運(yùn)行至工頻50Hz，頻率到達(dá)后，變頻器1將自動(dòng)比較A母線電源的電壓、相位以及頻率是否在允許條件內(nèi)。一旦達(dá)到條件變頻器將立即直接向VCB2請(qǐng)求工頻合閘。VCB2工頻合閘反饋到位后，切換控制系統(tǒng)將向變頻發(fā)出停止指令，并切除VCS6。同時(shí)請(qǐng)求分?jǐn)郪CB3，及分?jǐn)郪CS2切除變頻器的電源。此時(shí)電機(jī)A已在A母線工頻運(yùn)行。

Ⅳ.變頻器1備用軟起B(yǎng)電機(jī)工頻運(yùn)行

在變頻器1的備用運(yùn)行模式下，一旦上位發(fā)出B電機(jī)工頻運(yùn)行的指令，切換控制系統(tǒng)將先暫時(shí)切斷變頻器輸出，依次分開VCS7，VCS4，投入啟動(dòng)電抗器再投入VCS7。然后切換控制系統(tǒng)向變頻器下達(dá)工頻切換指令。變頻器1將重新直接從當(dāng)前速度帶動(dòng)電機(jī)B運(yùn)行至工頻50Hz，頻率到達(dá)后，變頻器1將自動(dòng)比較B母線電源的電壓、相位以及頻率是否在允許條件內(nèi)。一旦達(dá)到條件變頻器將立即直接向VCB5請(qǐng)求工頻合閘。VCB5工頻合閘反饋到位后，切換控制系統(tǒng)將向變頻發(fā)出停止指令，并切除VCS7。同時(shí)請(qǐng)求分?jǐn)郪CB6，及分?jǐn)郪CS1，2切除變頻器的電源。此時(shí)電機(jī)B已在B母線工頻運(yùn)行。

Ⅴ.變頻器2正常變頻運(yùn)行

正常模式下，先閉合 VCS3，5，8，確認(rèn) VCS1，7，9 斷開，此時(shí)依次合上VCB4和VCB6，變頻器2得電正常后，上位的指令通過切換控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)后控制變頻器輸出對(duì)電機(jī)B進(jìn)行調(diào)速。

Ⅵ.變頻器2備用A電機(jī)變頻運(yùn)行

備用模式下，先確認(rèn)變頻器2停機(jī)，確認(rèn)斷開 VCB2，3，6及VCS1，2，3，4，5，6，7，8，9。 然后合上 VCS1，3，5，9。 回路構(gòu)成后，依次合上VCB1，3，變頻器2從A母線取電正常后，上位的指令通過切換控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)后控制變頻器輸出對(duì)電機(jī)A進(jìn)行調(diào)速。

Ⅶ.變頻器2正常軟起B(yǎng)電機(jī)工頻運(yùn)行

在正常變頻運(yùn)行模式下，一旦上位發(fā)出B電機(jī)工頻運(yùn)行的指令，切換控制系統(tǒng)將先暫時(shí)切斷變頻器輸出，依次分開VCS8，VCS5，投入啟動(dòng)電抗器再投入VCS8。然后切換控制系統(tǒng)向變頻器下達(dá)工頻切換指令。變頻器2將帶動(dòng)電機(jī)B重新直接從當(dāng)前速度運(yùn)行至工頻50Hz，頻率到達(dá)后，變頻器2將自動(dòng)比較B母線電源的電壓、相位以及頻率是否在允許條件內(nèi)。一旦達(dá)到條件變頻器將立即直接向VCB5請(qǐng)求工頻合閘。VCB5工頻合閘反饋到位后，切換控制系統(tǒng)將向變頻發(fā)出停止指令，并切除VSC8。同時(shí)請(qǐng)求分?jǐn)郪CB6，及分?jǐn)郪CS3切除變頻器的電源。此時(shí)電機(jī)B已在B母線工頻運(yùn)行。

Ⅷ.變頻器2備用軟起A電機(jī)工頻運(yùn)行

在變頻器2的備用運(yùn)行模式下，一旦上位發(fā)出A電機(jī)工頻運(yùn)行的指令，切換控制系統(tǒng)將先暫時(shí)切斷變頻器輸出，依次分開VCS9，VCS5，投入啟動(dòng)電抗器再投入VCS9。然后切換控制系統(tǒng)向變頻器下達(dá)工頻切換指令。變頻器2將重新直接從當(dāng)前速度帶動(dòng)電機(jī)A運(yùn)行至工頻50Hz，頻率到達(dá)后，變頻器2將自動(dòng)比較A母線電源的電壓、相位以及頻率是否在允許條件內(nèi)。一旦達(dá)到條件變頻器將立即直接向VCB2請(qǐng)求工頻合閘。VCB2工頻合閘反饋到位后，切換控制系統(tǒng)將向變頻發(fā)出停止指令，并切除VCS9。同時(shí)請(qǐng)求分?jǐn)郪CB3，及分?jǐn)郪CS1，3切除變頻器的電源。此時(shí)電機(jī)A已在A母線工頻運(yùn)行。

燒結(jié)系統(tǒng)正常生產(chǎn)時(shí)，處于Ⅰ、Ⅴ模式正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)某臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障需要退出運(yùn)行時(shí)，可啟用Ⅲ、Ⅶ模式將正常變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)切換至工頻。變頻器退出正常運(yùn)行狀態(tài)。然后就可以啟用Ⅱ、Ⅵ模式將正常的變頻器投入備用運(yùn)行狀態(tài)，維持2臺(tái)主抽風(fēng)機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行。此時(shí)工藝上兩臺(tái)風(fēng)機(jī)一臺(tái)依靠風(fēng)門調(diào)節(jié)一臺(tái)依靠變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在故障變頻器修復(fù)后，或?yàn)榍蟀踩煽恳部蓡⒂芒?、Ⅷ模式將兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均投入工頻運(yùn)行。兩臺(tái)變頻器均正常需恢復(fù)Ⅰ、Ⅴ模式時(shí)，只需分別停運(yùn)工頻電機(jī)直接切入Ⅰ、Ⅴ模式即可。變頻器可以直接將墮走的電機(jī)直接加速至指令需求的轉(zhuǎn)速。

2 主要功能及特點(diǎn)

2.1 兩臺(tái)變頻器互為備用功能

當(dāng)一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，另外一臺(tái)變頻器可將自己拖動(dòng)的電機(jī)拖動(dòng)到50Hz，然后無擾動(dòng)切換到電網(wǎng)，接著，這臺(tái)變頻器又可以來拖動(dòng)另外一臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行；

2.2 激磁涌流抑制功能

如電機(jī)容量更大時(shí)可在變頻系統(tǒng)高壓進(jìn)線端設(shè)置了激磁涌流抑制裝置，可確保高壓變頻器上電瞬間，由干式整流移相變壓器引起的激磁涌流不會(huì)導(dǎo)致變頻器上口斷路器跳閘。

2.3 同步投切功能

無需再設(shè)置除變頻器以外的其它啟動(dòng)裝置，大型風(fēng)機(jī)也能實(shí)現(xiàn)交叉軟啟動(dòng)。變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)了同步投切功能，即：先由高壓變頻器將風(fēng)機(jī)拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，并完成鎖相及負(fù)載轉(zhuǎn)移過程后，然后將電機(jī)無擾的切換至工頻方式下運(yùn)行。

2.4 自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功能

高壓變頻器設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的功能，并且實(shí)現(xiàn)了在變頻至工頻、工頻至變頻間切換時(shí)的無擾轉(zhuǎn)換。

2.5 協(xié)調(diào)控制功能

由于系統(tǒng)復(fù)雜，外圍設(shè)備眾多，考慮到操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定的因素，變頻系統(tǒng)配備了基于PLC的協(xié)調(diào)控制柜，按照工藝需要通過協(xié)調(diào)控制柜簡(jiǎn)便操作即可實(shí)現(xiàn)各相關(guān)斷路器的分合閘、勵(lì)磁電流的控制、高壓變頻器的啟動(dòng)和停止等操作

3 必須同步解決高壓變頻器的散熱問題

考慮到高壓變頻器的功率等級(jí)較大，散熱量也較大，且現(xiàn)場(chǎng)空間受限，若采用空調(diào)將非常耗能，與節(jié)能降耗的意圖相違背；由于通風(fēng)量較大，考慮到日后的運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便，也不宜采用直接將熱風(fēng)排出室外的方式。變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)了利用主抽電機(jī)和風(fēng)機(jī)冷卻水設(shè)計(jì)有余量的條件，采用空-水冷卻系統(tǒng)解決高壓變頻器的散熱問題，空-水冷卻系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本都非常低，為確保在夏天出現(xiàn)酷熱天氣冷卻水溫?zé)o法保證時(shí)設(shè)備仍可保證正常運(yùn)行，在冷卻水入口處設(shè)置了輔助制冷的壓縮機(jī)，在水溫較高時(shí)起到輔助制冷的作用。

空水冷卻系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng)（如圖1）：

為考慮把變頻器散發(fā)的熱量集中冷卻，用彩鋼板把變頻器室分為上下兩層，下層為冷風(fēng)區(qū)，上層為熱風(fēng)區(qū)。變頻器散發(fā)的熱量從變頻器頂部排放至熱風(fēng)區(qū)，熱空氣再經(jīng)過空-水冷卻柜變換為冷空氣排放到冷風(fēng)區(qū)，這樣就形成一個(gè)反復(fù)循環(huán)的密閉式冷卻系統(tǒng)。

圖1 空水冷卻系統(tǒng)-風(fēng)系統(tǒng)

圖1中，放置在室外的為空-水冷卻柜，以實(shí)現(xiàn)熱冷空氣的轉(zhuǎn)換。

4 帶來的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

本設(shè)計(jì)，采用變頻二拖二互為備用拖動(dòng)方案，節(jié)省了備用軟啟動(dòng)器的一次投資和后續(xù)維護(hù)。

采用變頻調(diào)速控制，隨工藝要求調(diào)速實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗；同時(shí)主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備如軸承等磨損減輕，維護(hù)周期及設(shè)備壽命延長，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。實(shí)際的運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用大大降低。

大電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟軟停，啟動(dòng)電流不超過電機(jī)額定電流的1.2倍，避免了啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊。

隨生產(chǎn)工藝要求調(diào)節(jié)風(fēng)量，可提高燒結(jié)成品的質(zhì)量，為后續(xù)高爐高品質(zhì)冶煉奠定了基礎(chǔ)。