國產大功率高壓變頻器在430 m2燒結主排風機的應用

安江輝 郭皖輝 白麗霞

（寧波鋼鐵有限公司 浙江寧波）

一、概述

目前國內鋼鐵企業(yè)430 m2燒結主排風機同步電機控制用高壓變頻系統(tǒng)，一直采用進口變頻器。進口變頻器與豪頓主排風機配套使用較多，具有工藝銜接好、自動化程度高、故障率低和設備占地面積小等優(yōu)點，但價格昂貴。相應的國產高壓變頻器尚處于試用研發(fā)階段，雖然主要元件選用進口件，但工藝集成度差，制造工藝、制造質量均與進口產品有較大差距，優(yōu)點是價格較低，可降低投資成本。

經調研國內高壓變頻器的主要制造廠家、高壓變頻器在鋼鐵行業(yè)用戶，認為國產變頻器關鍵元器件仍采用進口，雖然在國內應用較少，但使用中未出現(xiàn)大問題，可通過成立專家組加強技術支撐、進行周密的設計、監(jiān)控設備制造質量、周密的設備A檢等手段，避免國產變頻器可能出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)降低采購成本和電耗的目的。

二、主排風機高壓變頻系統(tǒng)

1.工作原理

圖1 變頻器系統(tǒng)單線圖

寧波鋼鐵有限公司兩臺主排風機采用英國豪頓離心式風機（風量21 000 m3/h），同步電機為進口西門子電機（功率7800 kW、額定電壓10 kV）。經技術論證，選用廣州智光電氣股份有限公司進行設計生產7800 kW同步電機高壓變頻器（輸入電壓10 kV，額定容量10 000 kV·A，采用10級模塊串聯(lián)，交直交、高—高方式）。在燒結主控室通過調節(jié)主排風機轉速或入口擋板開度滿足工藝對風箱負壓、風量的需求，穩(wěn)定生產。考慮到該系統(tǒng)對整個燒結線生產的重要性，采用2臺同步電機—拖一變頻驅動、互為備用工頻運行的動力系統(tǒng)（圖1）?？杀ＷC在1臺變頻器故障時，無需停產，主抽風機能夠無擾動切換至工頻電網運行，通過調節(jié)入口擋板，滿足燒結機平穩(wěn)生產的需要。圖1中QF—高壓開關，TF—變頻器，QF1—I段母線饋電進線開關，QF2—Ⅱ段母線饋電進線開關，QF0—兩端母線的聯(lián)絡開關，GN—兩端母線的聯(lián)絡隔離開關。

（1）1#主排風機電機運行模式。①QF101—QF10—TF1—QF111—M1電機，為變頻運行模式，TF1正常時采用該模式；②QF201—QF20—TF2—QF112—M1電機，為變頻運行模式，TF1故障時采用該模式；③QF103—QF11—M1電機，為工頻運行模式。

（2）2#主排風機電機運行模式。①QF102—QF20—TF2—QF211—M2電機，為變頻運行模式，TF2正常時采用該模式；②QF202—QF10—TF1—QF212—M2電機，為變頻運行模式，TF2故障時采用該模式；③QF203—QF21—M2電機，為工頻運行模式。

正常情況下，電機運行于模式①。當其中一臺變頻設備故障時，另一臺正常運行的變頻器將原先驅動的同步電機投入工頻電網，即運行于模式③，然后驅動故障設備所在電機運行于模式②。模式①至模式③切換過程中，系統(tǒng)自動檢測調整變頻器輸出電源電壓、頻率、相位與網側電壓、頻率、相位相一致，并計算合閘時機，操作峰值＜1.2In。與此同時，系統(tǒng)自動調節(jié)主抽風機入口擋板開度與變頻轉速之間關系，保持主抽風機在由變頻切換至工頻時風道風壓、風量實現(xiàn)平穩(wěn)切換，不影響燒結線正常生產。變頻器故障排除后，在盡量不影響正常生產情況下，將電機由模式③切換至模式①。更重要的是解決了1臺變頻器故障狀態(tài)下，兩臺大容量電機的啟動問題。

2.變頻器設計選型

經考察國內大功率高壓變頻器在燒結廠的使用情況，發(fā)現(xiàn)變頻器工作原理基本成熟，但有些變頻器投入正常使用時間較長或運行不穩(wěn)定，諧波對電網波動影響大，影響燒結線生產。同時，變頻器存在功率較大、外形尺寸大、發(fā)熱和散熱等突出問題。為此，結合寧鋼工況，采取以下方案。

（1）同步電機采用采購一拖一變頻驅動，互為備用工頻的工作模式，在本身具有工頻備用線路的前提下，又互為備用工頻。同時，提高變頻器額定負載安全系數(shù)，在9級功率模塊串聯(lián)基礎上，再增加1個功率模塊，以增加系統(tǒng)冗余量，降低單元工作電壓，單元故障旁路情況下帶載能力更強，確保燒結系統(tǒng)穩(wěn)定生產。

（2）變頻器采用60脈沖代替54脈沖，減少諧波含量。

（3）變頻器輸出電壓由0～11 kV（輸出上限可設定）代替輸出電壓0～10 kV，便于實現(xiàn)同步切換，可保證短時過負荷情況下變頻器安全運行。

（4）整體考慮變頻器的冷卻系統(tǒng)與變頻器設計，變頻器的移相變壓器采用風道外循環(huán)冷卻，功率單元體采用閉循環(huán)的空水冷卻方式（圖2）。這樣降低了對冷卻水量的要求和運營成本，從根本上解決單位散熱密度高、發(fā)熱功率大、通風速度快，外界條件對變頻器可靠穩(wěn)定性的影響等問題。此外，為應對夏季溫度較高，空水冷卻不明顯的問題，在變頻器室加裝大功率空調（圖3），一方面增加夏季冷卻效果，另一方面做為冷卻系統(tǒng)故障時的備用方案。

圖2 空氣水冷器

圖3 變頻器冷卻系統(tǒng)

（5）變頻器柜體采用前后開門，內部實現(xiàn)模塊化，接線簡單、操作簡便。

（6）借鑒國內其他鋼廠的使用情況，將控制柜操作面板設計在功率柜的側端面，在不改變柜體及空間布置情況下，擴大操作空間，便于檢查、維護變頻器。

3.變頻器試運轉

考慮到本次使用的變頻器在國內無使用先例，為了保證可靠性，變頻器制造完畢后，在制造廠進行了1∶1的動態(tài)帶載試驗，實現(xiàn)額定10 kV電壓下成套設備額定輸出電流（600 A）的整體運行與測試，并確保變頻系統(tǒng)帶載試驗＞72 h，檢驗項目包括、輸出電壓諧波、輸出電壓波形、飛車重啟功能、變頻轉工頻、保護功能、單元旁路試驗等。

三、應用效果

主排風機同步電機高壓頻器于2012年11月投入使用至今，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，變頻無級調速滿足要求、工頻變頻可以成功切換、總諧波量＜4%，變頻裝置運行率指標≥99.8%，系統(tǒng)溫升在正常范圍內。比較風機不同工作模式下的耗電量，風機在變頻模式下工作時，用電量比工頻模式下節(jié)約41%，全年平均節(jié)電2000多萬元。此次變頻器的成功使用對同類超大功率高壓變頻器在燒結機主排風機上的應用具有推廣價值。