烧结主抽风机变频改造技术应用

摘 要 通过对首钢长钢烧结厂主抽风机同步电机变频改造技术讨论，介绍同步电机相关变频改造设计方案及技术难点，为大功率同步电机变频技术推广提供参考和借鉴。

关键词 同步电机 变频改造 节电应用

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A

0前言

目前由于钢铁行业产能过剩等因素，导致企业效益下滑，业内竞争日益激烈，如何在竞争中生存和发展，其中综合利用资源，降低一次能源消耗，走循环经济发展模式至关重要。

钢铁企业是电力消耗大户，而其中烧结工序耗电占10%以上。首钢长钢现有200平米烧结机2台，本次主要从烧结主抽风机的实际使用情况出发，对该系统的变频节电情况进行分析，提出方案设计和节能效益分析。

1 烧结主抽风机运行情况

烧结主抽风机共有4台，运行工况基本相同；电机为有刷励磁同步电机；电机与风机之间软连接；风机的流量通过风门加以调节。根据现场记录数据，风机全年运行8000小时以上，在90%流量工作时间20% ；80%流量工作时间为80% 。电机数据如下：

2 变频节电原理及技术难点

2.1节电原理

离心风机是一种平方转炬负载，其转速n与流量Q、风压H及风机的轴功率N的关系如下式所示：

本文主要讨论通过配置变频调速器后，对风压进行恒定PID控制，通过调节电机转速，匹配不断变化的负载需求，从而实现节电，同时可以降低机械应力和磨损，并提高设备的可靠性。

2.2存在的技术难题

目前，高压变频器主要应用于异步电机，而同步电机与异步电机在运行上的主要区别是同步电机在运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角必须在一定的范围之内，否则将导致系统失步。因此同步电机变频改造时，起动整步、运行励磁调节、同步电机灭磁等均是同步电机变频改造的关键问题。

3 改造方案设计

技术人员对烧结主抽风机运行情况经过大量的理论分析、计算机仿真和物理系统实验，并进行多方的考察、调研，考虑到变频调速在交流电机调速领域中有调速范围宽、精度高、稳定性好、效率高、等优点，同事可通过交直交单元串联多电平方式提高整流设备的脉波数，减小网侧高次谐波，降低dv/dt、脉动转矩和di/dt。

最终选用无速度传感器矢量控制、同步机高压变频调速系统，实现变频调速节电，并解决同步电机起动整步等关键问题，以下将简要进行介绍。

3.1变频器原理

变频器是通过改变电机频率或电压来达到调速目的。在变频器启动前，要把风门开到最大，然后启动变频器；设备运行后应始终保持风门开度最大，通过变频器进行调节。系统原理是由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3和高压开关QF、电动机M组成（系统单线图如下）。在QS2和QS3之间安装机械互锁装置，禁止同时闭合。变频运行时，开关QS3断开， QS1和QS2闭合；工频运行时，开关QS1和QS2断开，QS3闭合。高压开关QF、电动机M为现场原有设备。

3.2同步电机变频改造难点解决

3.2.1变频器起动整步问题

因同步电机特殊的运行模式，用变频起动时需使用带励起动。在起动之初须经过适当的整步使电机进入稳定的同步状态；同时要选择合适的定、转子磁势大小和控制好各步骤间的切换。具体启动步骤和图示如下：

（1）在变频器启动前，先由励磁系统给同步电机的励磁绕组一定的励磁电流，在电机转子上建立一定的磁场，完成励磁装置投励。

（2）变频器再给同步电机的电枢绕组适当的电压，产生转子电流。此时，转子在定、转子间电磁力的作用下开始转动，电机起动。

（3）变频器按照电机正常运行时的转动方向缓慢旋转，随着同步电机转子的转动和定子磁场的旋转，电压矢量与转子磁极之间的角度经过少量有阻尼的震荡后，逐渐趋于一个较小的常量。至此，同步电机进入同步运行状态，整步过程完成。

（4）变频器按照预先设定的加速度，逐渐加速到给定频率。此时，同步电机的转子角逐渐拉大到某一常值，然后电机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至期望转速，同步电机起动过程完成。

3.2.2变频器运行时的励磁调节

由于变频器具有调速功能，因此驱动同步电机时无需速度/位置传感器的控制方法，且变频器得输出波形与控制异步电机时的波形相同，均为PWM波形，因此在驱动同步电机运行过程中，变频器相当于一个正弦电压源，无转矩脉动，有很高的可靠性。

因为同步电机运行中的无功电流仅在电机和变频器之间流动，不进入外部电网，故不需要精确控制电机的励磁电流。通常可在同步电机正常运行的工况下，通过手动调节电机的励磁电流，达到变频器电流输出最小，功率因数逐渐接近1，然后在此运行工况下保持该电流不变即可。对于在电机运行时需要实时调整励磁电流的，可通过现场实测出变频器输出给电机的无功功率，然后下达励磁给定信号，调整励磁电流。

3.2.3同步电动机灭磁

同步电机正常停机时，通过变频器下达停机指令，驱动电机减速至停机转速，然后停止向电机输出电压。同步电机在此转速下进入无驱动滑行，在此过程中，高压变频器输出侧的耐受电压可以承受电机定子侧感应的电压，不需要即时灭磁。在现场断路器开关断开后，再通知励磁装置进行灭磁。

运行过程中突发故障时，变频器停止向电机的电枢绕组供电，但其励磁电流仍然存在，而高速旋转中的电机则持续地向其定子侧发出较高的电压，可能造成设备损坏。因此在遇到突发故障停机时，必须使变频器具有向励磁装置下达灭磁的功能。但同步电机的定子侧电压衰减一般需要数秒，因此驱动同步电机的变频器输出端必须具有承受短时过电压的能力。

4节电潜力分析与计算

4.1节能潜力分析

目前长钢烧结主抽工艺属于模糊控制，主要靠经验控制电机电流来满足工艺需求风量。现场查看时风机全速运行，流量通过进风口风门调节控制，风口开度为80～90%，电机实际电流在210A左右。经过测试而风门开度在70%时，电机实际电流接近220A，这意味着工艺实际需求流量大约为额定的70%以下，大量的能量损耗在风门处，所以具有节能空间。并且现场已有液力耦合器调节，将液耦拆除，可以提高设备的整体使用效率。

4.2节能计算

认为风机全年运行的时间基本恒定，全年的产品产量基本恒定的情况下，考核整个风机系统的能耗，由此，我们可以在理论上比较安装变频调速器前后，系统能量消耗的情况。

风机的额定轴功率通常按照电机功率的80%来计算，

即：P风轴额定=40000%=3200KW。

电机效率90%；变频器的效率98%；由于内外压差的关系，说明实际需求风量大约为85%左右，考虑到变频调速后，风机效率会略微下降，设定为正常效率的80%。我们根据离心风机自身特点，在一定调速范围内，风机轴功率与转速之间呈三次方的关系，可以得到采用变频器后，

电机输入功率P输入2==2785KW，

节电率=0%=13%。

安装同步电机变频降速运行后，打开风门进行系统调试，达到满足工艺需求的风量。在项目改造前、后可通过记录电流、有功功率、无功功率、实际转速、功率因数等参数，来验证项目改造前、后节能情况（同时记录产品的产量，确保生产工况正常）。

5小结

通过对烧结主抽同步电机变频技术改造设计，具有可操作性，不但可以确保系统稳定运行，节约电力消耗，而且使高压变频的应用领域更广泛，扩大了国家能源节约政策的实现途径，为我国建设节约型社会提供了更多的技术保障，具有较强的现实意义和推广价值。