高壓軟啟動器在煉鐵廠的應用

姜濤

（廣東省韶鋼集團公司煉鐵部煉鐵分廠，廣東 韶關512123）

1 引言

韶鋼煉鐵廠目前共有11臺大型風機，負責給1～7號高爐供風，電動機的功率由2 000～18 000 kW不等，目前這類風機的起動不是直接起動，大部分都通過串入水電阻進行降流起動，這種水阻降流起動目前已不適應生產(chǎn)的需求，在使用過程中也發(fā)現(xiàn)這類起動方式存在不少的弊病，已嚴重制約了生產(chǎn)的發(fā)展，目前較好的起動方式有高壓變頻器起動裝置、高壓軟起動器裝置及高壓磁控軟起動裝置，性能最好的是高壓變頻器起動裝置，但價格昂貴，所以采用高壓軟起動器裝置對水電阻起動進行改造。

2 水電阻起動的原理及缺點

煉鐵廠2號風機房8號風機起動通過電動機的定子繞組串入水電阻起動，8號風機的額定功率為4 750kW，額定電流為525A，圖1是8號風機串水電阻的一次回路圖，當風機起動時，起動柜閉合，電機接入水電阻起動，水電阻工作是利用三相極板在水電阻箱內(nèi)慢慢下探，通過實時控制兩塊極板的距離，調(diào)節(jié)電解液的電導率，從而達到軟起動的要求。通過改變電阻值，使電阻值由最大變至最小時，即三相極板動極板與三相極板靜極板相連時（40s相連），運行柜合閘，甩開水電阻完成整個起動過程，起動過程由s7－200來實現(xiàn)控制。

根據(jù)現(xiàn)場的實際使用情況，水電阻起動方式存在較多缺點，以下幾點是在運用過程中遇到的具體情況。

（1）水電阻（液態(tài)）軟起裝置設計方法不科學，不同功率及同功率不同負載（轉(zhuǎn)動裝置）軟起裝置需要重新設計，沒有統(tǒng)一系統(tǒng)的方法。

（2）水電阻（液態(tài)）軟起裝置在使用過程中，揮發(fā)的鹽霧會對其它電氣設備造成腐蝕。梅雨季節(jié)或潮濕氣候，裝置往往達不到6MΩ絕緣值而無法起動機組，要在水電阻箱處加裝烤燈烘烤去除濕氣，這種做法如果不得當或時間長會烤壞水電阻箱絕緣層而引發(fā)系統(tǒng)接地事故。裝置對使用環(huán)境要求高，軟起重復性差。

圖1 水電阻裝置一次回路

（3）需要經(jīng)常添加水或電解液，濃度不易控制，起動重復性能較差，維護工作量大，環(huán)境適應性差。

（4）體積龐大，增加基建投資費用，裝置壽命周期費用高。軟起裝置的正常應用依賴于現(xiàn)場的使用人員的技術水平和責任感。

（5）起動時有大量能耗，發(fā)熱嚴重，通常只適用于兩次起動的場合。當連續(xù)起動過兩次后，水溫基本達到60℃，不允許再次起動（夏天環(huán)境溫度高時一般只允許起動一次）。

（6）水電阻軟起動裝置，通過液阻本身在軟起過程中的溫升。借助電解液的電導率與溫度的正相關性，實現(xiàn)軟啟動。其可行性更是大受質(zhì)疑。在起動過程中不具備過流、過載等保護，需要另設保護裝置對機組進行保護。

（7）起動時起動電流大，有大量能耗，節(jié)能效果差，并且大的起動電流對機組造成較大沖擊，易損壞機組。

3 高壓軟起動改造內(nèi)容

根據(jù)韶鋼的現(xiàn)實要求，把8號風機水電阻起動改為高壓軟起動器起動是較為理想的，目前韶鋼采用長沙奧托自動化技術有限公司QB－H06／6300高壓軟起動裝置。圖2是QB－H06／6300高壓軟起動裝置一次回路圖，該起動裝置的額定電壓為6kV，額定功率為6 300kW，軟起動柜部分包括可控硅組件、高壓真空斷路器、過壓保護器、電壓互感器、電流互感器、電流變換器以及電子控制系統(tǒng)。改造的內(nèi)容是把原有的運行柜去除，將運行柜回路做為軟起裝置的旁路柜回路。軟起控制方式采用斜坡電壓控制，電機在起動過程中，按照給定的初始電壓V0（現(xiàn)場設定3 000V）和軟起時間T（現(xiàn)場設定68s），軟起動裝置以步 距為（Vt－V0）×μ／T的值控制電機電壓隨時間線性上升，直至達速而后全電壓。μ為輸出電 壓與可控硅導通角的換算系數(shù)，Vt為電機達速時的電壓。

圖2 高壓軟起動裝置一次回路

4 QB－H軟起動裝置的工作原理

如圖3所示，高壓電機的供電回路經(jīng)由幾個串、并聯(lián)的可控硅構(gòu)成，這樣就可以達到一定的耐壓值。在高壓開關柜2QF接通送電的情況下，當系統(tǒng)收到電機起動信號時，由控制器按照控制曲線給出不同的可控硅導通角，就可以使電機按一定的斜率逐漸增加電壓，平穩(wěn)起動，直到電機達到額定轉(zhuǎn)速之后，加上全電壓，使旁路真空接觸器1KM（或真空斷路器）接通，然后關閉可控硅觸發(fā)信號，電機起動完畢。之后，軟起動裝置繼續(xù)監(jiān)視電機的運行狀態(tài)，并提供多種故障保護。

一對反并聯(lián)可控硅構(gòu)成一個組件，每相由多組可控硅組件串聯(lián)，空氣自然冷卻?？煽毓璞Ｗo采取常規(guī)的措施，如均壓、阻尼保護?？刂苹芈放c觸發(fā)系統(tǒng)間采用先進的光纖技術，觸發(fā)及可控硅短路的檢測信號由光纖傳送，實現(xiàn)了高壓隔離，同時也阻斷了對控制回路的干擾，保證了串聯(lián)元件觸發(fā)脈沖的同步性和一致性。系統(tǒng)設有組件狀態(tài)監(jiān)視，當其中任一組件損壞，控制器都能顯示報警，并快速封鎖脈沖，實現(xiàn)即時保護。

圖3 主回路原理

5 1QB－H軟起動裝置的特點

QB－H軟起動裝置，在高壓主回路與控制系統(tǒng)間采用了國際先進的光纖技術，控制器還采用了基于DSP控制和單片機管理的雙CPU系統(tǒng)，如圖4所示。DSP為16位數(shù)字信號處理器，指令流水線操作，響應速度快，執(zhí)行核心控制。單片機對參數(shù)設定，文字顯示和數(shù)據(jù)通信實行管理，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，高效可靠。薄膜面板，中文顯示屏，直觀良好的人機界面，操作簡單。通過RS－485或Profibus標準接口，與上位機進行通信，實現(xiàn)遙控、遙測或多級聯(lián)動（圖4）。

圖4 系統(tǒng)控制方框圖

5.1 系統(tǒng)的顯著功能特點

（1）起動方式靈活?，F(xiàn)場按鈕起動，鍵盤按鍵起動，上位機遙控動，組合起動。

（2）控制方式多樣。根據(jù)電機負載的不同，軟起動裝置可設定不同的控制方式。

（3）斜坡電壓控制。給予一定的初始輸出電壓和軟起時間，電機在起動過程中，電壓隨時間線性上升，直至電機達到額定轉(zhuǎn)速。初始電壓為全電壓的20%～80%，大小可隨負載性質(zhì)而調(diào)整，重負載初始電壓高一些。斜坡電壓控制方式簡單，不同負載可以有不同的斜坡，可靈活運用，如圖5（a）。

（4）限流控制。給予一定的限流系數(shù)，電機在起動過程中，按限流控制方式輸出電壓，電流大小限制在電機額定電流的100%～400%，如圖5（b）。

（5）恒壓控制。給予一定的輸出電壓，電機在起動過程中，按恒壓控制方式輸出電壓，電機在該電壓下起動。起動時間為0～120s。

圖5 軟起動器控制方式

（6）軟?？刂?。軟起動裝置軟停車的實現(xiàn)，在電機進入運行后，旁路接觸器1KM合閘，晶閘管在電源過零 點后自行關斷（控制及觸發(fā)電路不再發(fā)觸發(fā)信號）。當接收到“軟停”指令后，控制及觸發(fā)電 路將晶閘管再次全開通，然后旁路接觸器1KM分閘，控制及觸發(fā)電路開始將晶閘管的導通角 由全導通逐漸減小，使電機三相電壓從額定值逐漸降低，直至晶閘管關斷，電機的轉(zhuǎn)速也逐漸變小直至停車（軟停車的時間根據(jù)實際需要可在0～60s調(diào)整）。

5.2 軟起動裝置保護功能

（1）缺相、欠壓保護。為防止電源缺相或欠壓而導致大電流燒壞電機繞組，出現(xiàn)缺相故障時，則封鎖脈沖，并跳閘，報警。

（2）電源過壓保護。如果電網(wǎng)電壓高于設定的電壓上限值，軟起動立即跳閘，報警。

（3）過流、速斷保護。在軟起或運行過程中，如果電機繞組匝間短路，相繞組間短路，或電纜損壞，將出現(xiàn)大的 短路電流，此種情況下將快速封鎖脈沖，跳閘，報警。

（4）晶閘管組件保護。如果任一可控硅短路或高壓脈沖觸發(fā)器件故障，以及光纖連接脫落，則立即封鎖脈沖，并跳閘、報警。

6 效果分析

水電阻軟起裝置和高壓軟起動裝置相比，高壓軟起動裝置具有較多的優(yōu)點，高壓軟起動器采用高壓、大功率晶閘管器件作為主回路部件，具有技術先進、工作可靠、結(jié)構(gòu)模塊化、便于維護?？蓪崿F(xiàn)頻繁起停操作，允許再次起動的時間間隔為15s，且無拉弧現(xiàn)象，延長裝置使用壽命。采用真空開關，具有很強的分斷能力、使用壽命長、電弧不外露、安全可靠。具有先進的控制方式：通過可控硅串、并聯(lián)組合，DSP和光纖傳輸技術，方便地實現(xiàn)恒流控制、恒壓控制和斜坡電壓控制。經(jīng)過高壓軟起動器改造，可以完全解決現(xiàn)在水電阻起動的缺陷，表1是兩者的性能對比。

表1 高壓軟起動和水電阻軟起動對比

（1）利用高壓軟起動器起動機組，按8號風機電機額定功率為4 750kW，額定電流525A，高壓軟起動器起動電流為3倍，水電阻起動電流為4.5倍，兩者之間相比，高壓軟起動器起動電流比水電阻起動的起動電流小1.5倍，所以啟動過程中高壓軟起動器起到節(jié)能效果。因為高壓軟起動器起動時電流小于水電組，所以起動時對機組的沖擊較小，機組在起動過程中發(fā)熱也較小，所以繞組的絕緣材料損壞也較小，從而延長電機的壽命。

（2）改成高壓軟起動器后，杜絕因為陰雨天導致受潮，造成機組絕緣值偏低使機組無法啟動的現(xiàn)象。

（3）高壓軟起動器保護功能齊全，包括缺相、欠壓保護；電源過壓保護；過流、速斷保護；晶閘管組件保護。而水電阻本身不具備保護功能。

（4）控制方式靈活多樣，包括斜坡電壓控制；限流控制；恒壓控制；軟停控制。而水電阻只有單一的控制方式。

（5）高壓軟起動器因其價格便宜，可靠性高、也在廣泛應用當中，高爐共有11臺風機系統(tǒng)，8號風機對高壓軟起動裝置的改造是十分成功的，這也對高爐其余10臺風機的改造提供了很好的借鑒作用。同時也為該公司其他單位大型機組改造提供了寶貴的經(jīng)驗。

（6）經(jīng)過改造，節(jié)約了大量人力、物力。每年可節(jié)約大量的維修費用，且維護方便。

7 結(jié)語

通過對煉鐵廠2號風機房8號風機的改造，取得了非常好的效果，據(jù)了解公司其它單位大型機組的起動基本使用水電阻進行起動，跟高壓軟起動器起動比較，起動效果差，維護工作量大，備件費用昂貴，已嚴重制約了現(xiàn)在快節(jié)奏生產(chǎn)的需求，8號風機的改造的成功，為煉鐵廠其余的10臺風機的改造提供很好的借鑒，也為其它單位的改造提供寶貴的經(jīng)驗。

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