国产大功率高压变频器在430 m2烧结主排风机的应用

安江辉 郭皖辉 白丽霞

（宁波钢铁有限公司 浙江宁波）

一、概述

目前国内钢铁企业430 m2烧结主排风机同步电机控制用高压变频系统，一直采用进口变频器。进口变频器与豪顿主排风机配套使用较多，具有工艺衔接好、自动化程度高、故障率低和设备占地面积小等优点，但价格昂贵。相应的国产高压变频器尚处于试用研发阶段，虽然主要元件选用进口件，但工艺集成度差，制造工艺、制造质量均与进口产品有较大差距，优点是价格较低，可降低投资成本。

经调研国内高压变频器的主要制造厂家、高压变频器在钢铁行业用户，认为国产变频器关键元器件仍采用进口，虽然在国内应用较少，但使用中未出现大问题，可通过成立专家组加强技术支撑、进行周密的设计、监控设备制造质量、周密的设备A检等手段，避免国产变频器可能出现的问题，实现降低采购成本和电耗的目的。

二、主排风机高压变频系统

1.工作原理

图1 变频器系统单线图

宁波钢铁有限公司两台主排风机采用英国豪顿离心式风机（风量21 000 m3/h），同步电机为进口西门子电机（功率7800 kW、额定电压10 kV）。经技术论证，选用广州智光电气股份有限公司进行设计生产7800 kW同步电机高压变频器（输入电压10 kV，额定容量10 000 kV·A，采用10级模块串联，交直交、高—高方式）。在烧结主控室通过调节主排风机转速或入口挡板开度满足工艺对风箱负压、风量的需求，稳定生产。考虑到该系统对整个烧结线生产的重要性，采用2台同步电机—拖一变频驱动、互为备用工频运行的动力系统（图1）。可保证在1台变频器故障时，无需停产，主抽风机能够无扰动切换至工频电网运行，通过调节入口挡板，满足烧结机平稳生产的需要。图1中QF—高压开关，TF—变频器，QF1—I段母线馈电进线开关，QF2—Ⅱ段母线馈电进线开关，QF0—两端母线的联络开关，GN—两端母线的联络隔离开关。

（1）1#主排风机电机运行模式。①QF101—QF10—TF1—QF111—M1电机，为变频运行模式，TF1正常时采用该模式；②QF201—QF20—TF2—QF112—M1电机，为变频运行模式，TF1故障时采用该模式；③QF103—QF11—M1电机，为工频运行模式。

（2）2#主排风机电机运行模式。①QF102—QF20—TF2—QF211—M2电机，为变频运行模式，TF2正常时采用该模式；②QF202—QF10—TF1—QF212—M2电机，为变频运行模式，TF2故障时采用该模式；③QF203—QF21—M2电机，为工频运行模式。

正常情况下，电机运行于模式①。当其中一台变频设备故障时，另一台正常运行的变频器将原先驱动的同步电机投入工频电网，即运行于模式③，然后驱动故障设备所在电机运行于模式②。模式①至模式③切换过程中，系统自动检测调整变频器输出电源电压、频率、相位与网侧电压、频率、相位相一致，并计算合闸时机，操作峰值＜1.2In。与此同时，系统自动调节主抽风机入口挡板开度与变频转速之间关系，保持主抽风机在由变频切换至工频时风道风压、风量实现平稳切换，不影响烧结线正常生产。变频器故障排除后，在尽量不影响正常生产情况下，将电机由模式③切换至模式①。更重要的是解决了1台变频器故障状态下，两台大容量电机的启动问题。

2.变频器设计选型

经考察国内大功率高压变频器在烧结厂的使用情况，发现变频器工作原理基本成熟，但有些变频器投入正常使用时间较长或运行不稳定，谐波对电网波动影响大，影响烧结线生产。同时，变频器存在功率较大、外形尺寸大、发热和散热等突出问题。为此，结合宁钢工况，采取以下方案。

（1）同步电机采用采购一拖一变频驱动，互为备用工频的工作模式，在本身具有工频备用线路的前提下，又互为备用工频。同时，提高变频器额定负载安全系数，在9级功率模块串联基础上，再增加1个功率模块，以增加系统冗余量，降低单元工作电压，单元故障旁路情况下带载能力更强，确保烧结系统稳定生产。

（2）变频器采用60脉冲代替54脉冲，减少谐波含量。

（3）变频器输出电压由0～11 kV（输出上限可设定）代替输出电压0～10 kV，便于实现同步切换，可保证短时过负荷情况下变频器安全运行。

（4）整体考虑变频器的冷却系统与变频器设计，变频器的移相变压器采用风道外循环冷却，功率单元体采用闭循环的空水冷却方式（图2）。这样降低了对冷却水量的要求和运营成本，从根本上解决单位散热密度高、发热功率大、通风速度快，外界条件对变频器可靠稳定性的影响等问题。此外，为应对夏季温度较高，空水冷却不明显的问题，在变频器室加装大功率空调（图3），一方面增加夏季冷却效果，另一方面做为冷却系统故障时的备用方案。

图2 空气水冷器

图3 变频器冷却系统

（5）变频器柜体采用前后开门，内部实现模块化，接线简单、操作简便。

（6）借鉴国内其他钢厂的使用情况，将控制柜操作面板设计在功率柜的侧端面，在不改变柜体及空间布置情况下，扩大操作空间，便于检查、维护变频器。

3.变频器试运转

考虑到本次使用的变频器在国内无使用先例，为了保证可靠性，变频器制造完毕后，在制造厂进行了1∶1的动态带载试验，实现额定10 kV电压下成套设备额定输出电流（600 A）的整体运行与测试，并确保变频系统带载试验＞72 h，检验项目包括、输出电压谐波、输出电压波形、飞车重启功能、变频转工频、保护功能、单元旁路试验等。

三、应用效果

主排风机同步电机高压频器于2012年11月投入使用至今，系统运行稳定，变频无级调速满足要求、工频变频可以成功切换、总谐波量＜4%，变频装置运行率指标≥99.8%，系统温升在正常范围内。比较风机不同工作模式下的耗电量，风机在变频模式下工作时，用电量比工频模式下节约41%，全年平均节电2000多万元。此次变频器的成功使用对同类超大功率高压变频器在烧结机主排风机上的应用具有推广价值。