摘要：本文介紹了風光高壓變頻器在包鋼集團固陽礦山公司球團廠磨煤引風機中的應用情況。現場運行情況表明，采用高壓變頻器對球團廠磨煤引風機進行調速節能，節能效果是明顯的。

關鍵詞：高壓變頻器球團磨煤引風機節能

1引言

包鋼集團固陽礦山公司是包頭鋼鐵集團的一個全資子公司。一期球團生產線建設1條240萬t/a鏈箅機-回轉窯球團生產線及配套設施。公司注意挖掘自身潛力，強化節能意識，并付諸于實施，于2013年11月就對球團廠磨煤引風機進行高壓變頻改造，取得了良好的經濟效益與社會效益。改造現場設備銘牌如表1所示。

2球團廠磨煤引風機現場情況介紹

球團生產主要有以下三個步驟：

首先，將細磨精礦粉、熔劑、燃料和黏結劑（皂土等）原料進行配料、混合；其次，在造球機上加適當的水，滾成10～15mm的生球；再次，

生球在高溫焙燒機上進行高溫焙燒，焙燒好的球團礦經過冷卻、破碎、篩分，得到成品球團礦。其中磨煤機工藝流程是：

球團廠煤粉制備中，煙煤通過膠帶機由儲煤場運至煙煤煤粉制備室粒煤礦倉內，倉下設密封式膠帶定量給煤機將煤定量給入輥盤式磨煤機中。磨煤機電動機通過減速機轉動磨盤，物料從下料口落到磨盤中央，在離心力的作用下向磨盤邊緣移動并受到磨輥的碾壓，并由沸騰爐供給低氧熱風，熱風將煤干燥同時進行風選，將粒度合格的煤粉由磨煤引風機吹送到煤粉布袋收集器，而后再由煤粉布袋收集器灰斗下口排放至煤粉倉，不合格的煤粉留在磨中繼續研磨。煤粉倉下設煤粉計量及噴吹系統，把煤粉利用羅茨風機送至回轉窯煤粉燒嘴處燃燒。磨煤引風機的轉速（煤粉布袋收集器所需風量）主要由磨煤機內工藝情況（產量及粉的細度）決定。

包鋼集團固陽礦山公司球團廠磨煤引風機為佳木斯電機股份有限公司生產的高壓隔爆異步電機（YB2-4506-4，10kV，400kW)拖動，原有的運行方式為電機全速運行，這樣的運行方式存在如下弊端：

（1）風機調節反應滯后，調節速度慢，調節精度不高。

依靠風門調節執行器來調節風門開度，受機械部分限制調節速度有限，調節精度亦受影響，往往對現場的風量控制不是很到位，造成調節的誤差增加。

（2）風門調節浪費電能，不科學，不經濟。

電機額定電流為28.5A，而電機實際運行電流平均為19A左右，閥門開啟僅為15%左右，采用風門調節，人為改變了風道的阻力曲線，大量的能源白白浪費在風門上。

（3）因電機全速運行，電機軸瓦和風機等機械部分磨損較快，電機和風機維護周期短，維護費用高。

3高壓變頻調速系統簡介

3.1變頻原理及高壓變頻特點

異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機最為合理的調速方法。目前，變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。

高壓變頻調速具有如下顯著的優點：

(1)高效節能：含變壓器在內的整機效率在96％以上，可減少由負載檔板或閥門調節方式導致的節流損失。

(2)提高功率因數：目前單元級聯式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標準的限制要求，功率因數可保證在0.97以上，輸入功率因數大大提高，無需投資功率補償設備，并可降低有關的設備投資與維護費用。

(3)軟啟、軟停：減少對電網和負載的沖擊，延長電機等設備的使用壽命。采用變頻調速后，可以實現軟起動和軟停止，幾乎不產生沖擊，正常運行時又大多低于電機額定轉速，可大大延長電機定子、轉子軸及軸承等電氣與機械壽命。

（4）節能效果明顯。

對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：

風機特性如圖1所示。風機工作在A點時，其功率為PA=H1×Q1／102；風機工作在B點時，其功率為PB=H2×Q2／102。因Q2H1，故PA與為PB的值變化較大，說明采用變工頻工作方式時，改變風機的風量，風機的軸功率減小很大，節能效果顯著。

圖1風機特性曲線圖

當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。可見，通過變頻對風機進行改造，可以實現節能，且節能空間可觀。

3.2風光牌JD-BP38-400F高壓變頻調速系統

這次改造公司選用了山東新風光電子公司生產的風光牌JD-BP38-400F高壓變頻調速系統，是新風光公司研發的第六代產品，具有領先于同行的高功率密度，控制性能高，完善的保護機制，產品投入市場后，大大提升了產品性能，受到了用戶的廣泛好評。該產品采用直接"高-高"變換方式，屬電壓源型，可直接10kV輸入，直接10kV輸出，電流諧波小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。

風光高壓變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，單元電路模塊化設計，維護簡單，互換性好，高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠，該10kV高壓變頻器，變壓器有24組付邊繞組，分為8個功率單元∕相，三相共24個單元，采用48脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規定，高壓變頻器系統結構如圖2所示，單元電路的主電路如圖3所示。

圖2高壓變頻器系統結構圖

圖3單元電路主電路

具體來說，風光第六代高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點：

(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。

(2)矢量控制技術，通過測量和控制交流電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對交流電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制交流電動機轉矩的目的。啟動轉矩大，轉矩動態響應快，調速精度高，帶負載能力強。

(3)快速飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。在變頻器受到負載沖擊保護后可對其自動復位，然后再自動啟動，即可避免重要場合（如水泥廠高溫風機）變頻保護停機造成的損失。快速飛車啟動技術可實現變頻器在0.1s之內從保護狀態復位重新帶載運行。

(4)工頻/變頻無擾切換技術。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。

(5)電網瞬時掉電重啟技術，電網瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間。

(6)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。

(7)振蕩抑制技術，電機輕載或者空載的時候會出現局部不穩定現象，這時電流幅值波動很大，電流的振蕩有可能會導致系統因為過流或過壓而觸發保護。新風光公司采用優越的電流算法，有效地抑制電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作。

(8)多機主從控制技術，變頻器具備主從控制功能，多臺變頻器之間可通過數據總線組成主從控制網絡。將其中的一臺設為主機，其他設為從機，主機實時采集各從機的狀態信息，同時發送給各從機頻率、轉矩指令，實現各臺變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術適用于皮帶機、摩擦式提升機等需要功率平衡控制的場合。

(9)輸出電壓自動穩壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩壓功能。避免電網波動對輸出電壓的影響。

(10)故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機。

（11）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。

（12）具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。

（13）限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。

（14）多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協議頻率設定可以現場給定、通訊給定等支持頻率預設、加減速功能。

3.3磨煤引風機控制方案

（1）主回路方案

高壓變頻器為“一拖一”，配置手動旁路柜。變頻器高壓進線端直接接于10kV電壓等級的主動力電源，輸出側直接連接電機。DL用戶現場高壓斷路器，為了實現對變頻器故障保護，變頻器與DL的合、分閘回路實現連鎖，只有變頻器控制系統正常才允許DL合閘，而變頻器重故障則跳開DL。手動旁路柜如圖4所示。

圖4手動旁路柜

（2）控制回路方案

按照用戶要求，變頻器可以根據用戶反饋的風壓信號來調節風機的風壓，也可以與用戶的風門進行開、合聯動。變頻器控制柜有“本機控制/遠程控制”選擇開關，可以方便地選擇本地操作或遠程操作，變頻器支持MODBUS、PROFIBUS等協議及硬接線連接來實現遠程操作，本套系統與用戶中控室DCS采用硬接線連接。即DCS給變頻器發啟動、停止指令及一路頻率給定信號，變頻器反饋給DCS“就緒”、“運行”、“報警”、“故障”四路開關量信號及“電機轉速”、“電機電流”兩路模擬量信號。

本高壓變頻器采用風冷裝置，只對變頻器的出風處加裝通風管道，將熱風直接排出室外，降低柜體內的微環境溫度，確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。未對變頻器房間設置空調設備，只增加房間換氣軸流風機一臺。

4改造效果

（1）節能效果明顯，經濟效益顯著。

固陽礦球團廠磨煤引風機變頻改造后，取得了顯著的節能效果，改造前風機風門的開啟經常在15%左右，電機全速運行；變頻改造后，風機變速運行，風門全開。因現場工況變化不是很大，變頻調速系統經常運行在32Hz左右，與調節檔板時的消耗功率大大減少，節電效果與經濟效益顯著，變頻改造前后，磨煤引風機的運行數據如表2所示。

改造后，磨煤引風機的節能率為：（263.3-127.3）/263.3=51.6%，該引風機年運行時間按300天，每天運行24小時。每度電按0.5元計算，年節省電費：

（263.3-127.3）kW×24h×300d×0.5元/kW•h=489600元。

（2）磨煤引風機變頻改造后，取得的間接效果也十分明顯。

由于變頻調速系統經常運行在32Hz（生產時），電機及風機轉速降低，電機及風機的磨損降低，噪音和振動降低，整體維護周期大大延長。由于電機變頻改造后轉速降低，輸出功率大大降低，電機的溫升也沒有升高。

5結束語

目前很多球團廠的風機大馬拉小車現象嚴重。風機的風量調節方式基本通過擋板進行調節，耗能大，經濟效益差，設備損壞嚴重，急需采用先進的高壓變頻調速進行技術改造，以降低球團廠的電耗，提高企業的經濟效益。實踐證明，冶金行業風機采用高壓變頻調速技術，是必要、可行的，且經濟效益顯著。

參考文獻

[1]山東新風光電子使用手冊[Z]山東新風光電子科技發展有限公司

作者簡介

馬健凱，高級工程師，供職于包鋼集團固陽礦山公司機動部。

徐西甲，技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發展有限公司。