解決方案
高壓變頻器在大功率同步電機中的應用
1引言
河北某民營企業是集鋼鐵冶煉、鋼材加工、鋼材貿易為一體的鋼鐵聯合企業，該鋼廠200平米燒結機系統中燒結風機功率較大，燒結主抽風機為4500kW高壓同步機，電機啟動依靠水電阻啟動，而風量調節則是采用風門擋板調節，采用風門擋板調節風量存在著很大的局限性，主要表現在：
（1）風門擋板調節風量改變了風道的阻力特性，而電機的輸出功率并沒有改變，節流損失相當大，電能浪費大。
（2）風門擋板調節風量是把風量消耗在擋風板上，造成擋風板前后壓差大，風門易磨損。
（3）風機電機全速運行，震動大、噪聲大、損耗大、軸承磨損嚴重。
（4）調節精度低、線性度差，動態響應慢。
（5）水電阻只是在電機啟動時起作用，對風機調節風量來說還是依靠風門調節，電機能耗依然較高，而且水電阻維護量較大。
該廠領導經過多方調研、比較，決定采用游艇会·YTH(中国)官方网生產的同步機高壓變頻器JD-BP38-5000F（5000kW/10kV），對其燒結系統主抽風機進行了變頻改造。
2 設備參數
該廠燒結系統主抽風機電機額定電壓10kV，額定功率4500kW，具體參數如表1所示。
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表 1 主抽風機參數 |
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設備 |
分類 |
參數 |
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電機參數 |
廠家 |
上海電機廠 |
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型號 |
T4500-4 |
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額定電壓 |
10000V |
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額定電流 |
297A |
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額定功率 |
4500 kW |
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功率因數 |
0.9 |
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接法 |
Y |
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額定轉速 |
1500r/min |
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勵磁電壓 |
45V |
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風機 |
勵磁電流 |
394A |
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額定風量 |
14000m 3 /min |
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根據現場設備參數及工藝為客戶選配的高壓變頻器JD-BP38-5000F技術參數如表2所示。
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表 2 風光高壓變頻器基本參數 |
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序號 |
名 稱 |
參數 |
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1 |
型式及型號 |
高 - 高方式 JD-BP38-5 0 00F |
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2 |
技術方案 |
多電平串聯、電壓源型、高高方式 |
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3 |
系統輸入電壓（ kV ） |
10 |
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4 |
系統輸出電壓（ kV ） |
0 ～ 10kV |
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5 |
系統輸出電流（ A ） |
360 |
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6 |
額定輸入頻率 / 允許變化范圍 |
45-55Hz |
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7 |
對電網電壓波動的敏感性 |
+10%~-10% 滿載輸出；降低 35% 以內降額連續運行；輸入電壓波動到額定電壓 65% 以下或突然停電在 3 秒內恢復可立即再啟動 |
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8 |
變頻電源效率 |
>96 ％ ( 額定輸出時，含變壓器 ) |
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9 |
輸入輸出電流諧波 |
<3 ％ |
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10 |
輸入側功率因數 |
>0.98 （ 20 ％負載以上） |
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11 |
控制方式 |
多級正弦 PWM 控制 |
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12 |
整流形式 |
二極管全橋整流 |
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13 |
逆變形式 |
IGBT 單相逆變 |
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14 |
過載能力 |
120 ％ 1min ， 150%3s |
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模擬量信號 ( 輸入 ) 規格及數量 |
工業標準信號： 4 ～ 20mA 3 路 |
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16 |
模擬量信號 ( 輸出 ) 規格及數量 |
工業標準信號： 4 ～ 20mA 4 路 |
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17 |
防護等級 |
IP31 |
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18 |
操作鍵盤 |
人機界面 |
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19 |
界面語言 |
簡體中文 |
3主回路改造方案
根據現場負載情況，配置由游艇会公司生產的高壓變頻器JD-BP38-5000F,主回路采用一拖一手動旁路方案，如圖1所示。
圖1 主回路方案
變頻運行方式：QF為用戶側高壓開關柜，其中QS1、QS2、QS3為隔離開關, QS1、QS2與QS3之間有電氣互鎖。手動旁路柜變頻勵磁柜與變頻器配套提供，電機及用戶側高壓斷路器QF保留甲方原有設備。
變頻運行時，QS3斷開，變頻勵磁系統可以利用游艇会同步勵磁控制系統，QS1與QS2閉合，將勵磁刀閘切換到變頻勵磁系統。變頻器上電時，斷路器QF閉合，游艇会高壓變頻器啟動時，以電勵磁同步機矢量控制方式拖動同步電機啟動。
變頻停機時，從現場向變頻器下達“停機”命令，變頻器驅動同步電機減速至完全停機，然后停止輸出電壓電流。最后在現場分斷斷路器QF，由其輔助觸點通知勵磁裝置滅磁，滅磁完成后關閉勵磁裝置電源。遇到故障時，變頻器在停止電壓電流輸出的同時，立即分斷上級斷路器QF，由變頻器主控通知勵磁裝置滅磁，然后投到工頻運行。
工頻運行時，QS1、QS2斷開，將勵磁刀閘切換到工頻勵磁系統；QS3閉合，水阻軟起裝置投入工頻回路，同步電機的啟動、運行、停機過程按照原有邏輯進行。
4變頻器與勵磁柜的連線與對調
高壓變頻調速系統與勵磁柜連接關系如圖2所示。
圖2 變頻器與勵磁柜連線
變頻器系統輸出給勵磁柜信號：
（1）勵磁電流調節給定（4-20mA模擬量信號）：變頻器給定到勵磁柜，通過4-20mA電流控制勵磁柜輸出勵磁電流的大小。（注：有的勵磁柜通過接收增、減勵磁常開觸點信號來控制勵磁電流大小，通常是4-20mA模擬量）
（2）變頻器啟動信號（常開觸點）：變頻器給到勵磁柜啟動信號，勵磁柜開始投勵磁。
（3）變頻器故障信號（常開觸點）：變頻器在運行過程中出現故障時，將故障信號給定到勵磁柜，勵磁系統進行停機滅磁。
（4）工頻運行信號（常開觸點）：變頻器給到勵磁柜工頻運行信號指示。工頻運行信號有效時，勵磁柜按照工頻運行的邏輯執行；工頻運行信號無效時，即處于變頻運行狀態，勵磁柜執行變頻運行邏輯。
勵磁柜輸出給變頻器系統信號：
（5）實測勵磁電流（4-20mA模擬量信號）：勵磁柜向變頻器傳輸實際輸出的勵磁電流。
（6）勵磁就緒信號（常開觸點）：勵磁柜自檢無故障，具備投勵要求，此時勵磁柜向變頻器輸出勵磁就緒信號。
（7）勵磁故障信號（常開觸點）：勵磁柜本身出現故障，勵磁柜將該信號傳給變頻器。
（8）勵磁啟動信號（常開觸點）：變頻器給到勵磁柜開機信號，勵磁柜執行命令開機運行后，反饋給變頻器勵磁啟動信號。
根據以上對信號的說明，測試常開點和常閉點的狀態。
測試模擬量信號時，需將勵磁柜上主電，輸出連接到同步電機的轉子上，勵磁柜的主電輸入需要勵磁柜廠家連接，有的廠家勵磁柜輸入需要核實相序。變頻器處于調試模式，不上主電。變頻器開機，在觸摸屏運行界面設定勵磁電流給定，觀察給定勵磁和勵磁電流的大小是否保持一致。和勵磁柜廠家進行溝通，讓勵磁柜廠家調整輸出線性度，讓給定勵磁和勵磁電流的大小保持基本一致，有的廠家的勵磁柜線性度不好，無法全程調試好，最后需保證在工作范圍內保證一定的線性度，一般為70%-100%勵磁給定范圍內基本一致。一般要求15%以內。
勵磁調整完畢之后，將變頻器上主電，進行空轉電機調試，VF勵磁控制模式，把電壓曲線采用多點V/F的方式，VF數值先按照一般經驗設置，開機運行觀察啟動電流的變化情況，是否電流存在較大的波動。
將界面打開到如圖3所示，觀察D軸電流輸出，數值應該為負數，調整勵磁電流大小，觀察D軸電流輸出變化，找到D軸電流輸出為負的最小勵磁電流，同步電機參數中最小勵磁不應小于這個數值。
圖3
變頻器帶載運行調試，VF勵磁控制模式，設為2，恒功率因數調整運行。開機運行過程中，觀察變頻器的輸出電流變化和勵磁電流的變化。計算變頻器穩定運行后的功率因數是否在設定功率因為的正負5%以內，比如設定為0.9范圍。應該為0.85-0.95之間。如果不再這個范圍，有可能是勵磁電流的范圍小，將勵磁電流的最大勵磁電流和最小勵磁電流數值進行適當修正。
5高壓變頻器節能情況
首先根據負載的特性，采用勵磁電流與輸出電壓同步調節的方式，選擇了適合本電機運行的較優勵磁電流、電壓變化曲線，并把該較優的勵磁電流曲線直接固化到同步機的勵磁柜上，把電壓曲線采用多點V/F的方式，固化到變頻器的參數中；然后又采用游艇会高壓變頻器抑制震蕩技術，有效的解決了負載啟動不平穩，容易抖動，造成電流震蕩的問題，出色的完成了高壓同步電機的啟動和穩定運行，該高壓變頻器于2016年1月13日投入生產連續無故障穩定運行。
根據上表數據計算得知，4500kW燒結風機節電率達到27.1%。該套設備平均每年運行300天以上，每天以24小時計算，電費以0.42元/度計算，年節約費用高達：300*24*（4459.1-3250.6）*0.42=365.4萬元。
6 結束語
游艇会·YTH(中国)官方网生產的高壓變頻器在大功率同步電機上的成功投運至今已經一年多，標志著游艇会已完全掌握了大功率高壓同步電機的高壓變頻拖動過程的啟停、低頻運行振蕩等難題，具有啟動轉矩大，啟動平穩，調速精度高，動態響應快，四象限運行等優點，該產品大大降低了高壓同步電機變頻改造的成本，為大量高壓同步電機負載節能提供了新的改造途徑。
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