高壓“一拖二”變頻軟啟動系統(tǒng)應(yīng)用淺析

【摘要】介紹了高壓“一拖二”變頻軟啟動系統(tǒng)的組成及工作原理，對變頻器的性能進(jìn)行了分析研究，通過現(xiàn)場實際應(yīng)用展望了此技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】高壓變頻軟啟動；一拖二變頻器；勵磁裝置

引言

鞍鋼煉鐵總廠新燒分廠2#燒結(jié)機(jī)于1989年投產(chǎn)，主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量為23000m3/min，配電機(jī)為7600kW。在實際運行過程中，由于主抽風(fēng)機(jī)配電機(jī)功率偏小，啟動困難，且電機(jī)經(jīng)常過載，影響燒結(jié)生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。特別是近幾年，因電動機(jī)老化，原有引進(jìn)的模擬系統(tǒng)啟動裝置不穩(wěn)定，發(fā)生電動機(jī)啟動不了，甚至燒毀現(xiàn)象。本項目為現(xiàn)有風(fēng)機(jī)主電機(jī)和變頻裝置更新改造，在原有土建基礎(chǔ)不動的前提下更換主電機(jī)為8000kW和一套電壓型變頻軟起裝置。

1、系統(tǒng)概述

鞍鋼燒結(jié)風(fēng)機(jī)同步電機(jī)高壓變頻軟啟動系統(tǒng)技術(shù)方案是采用高壓一套“一拖二”變頻軟啟動系統(tǒng)，用以解決電機(jī)直接啟動對電網(wǎng)和風(fēng)機(jī)造成巨大沖擊的問題。同時，該系統(tǒng)通過內(nèi)置同步切換裝置，在電機(jī)與電網(wǎng)頻率和相位同步后，自動將電機(jī)平滑無沖擊地切換到電網(wǎng)運行。

變頻器（軟啟動）采用一拖二方式；電動機(jī)潤滑站及溫度檢測等在控制系統(tǒng)中統(tǒng)一考慮.風(fēng)門關(guān)閉不嚴(yán)10%開度情況下能夠滿足正常啟動。

2、主傳動電氣控制方案

對于此燒結(jié)變頻軟啟系統(tǒng)，西門子提供完美無諧波系列變頻器，其采用多電平串聯(lián)技術(shù)，36脈沖整流電壓源設(shè)計，確保電網(wǎng)側(cè)的諧波滿足GB的標(biāo)準(zhǔn)，由于是電壓源設(shè)計，確保整個啟動過程中電網(wǎng)的功率因數(shù)保持不變，變頻器選型具有足夠的裕量，適合大慣量燒結(jié)風(fēng)機(jī)的啟動，該系列變頻器在鞍鋼有著良好和廣泛的應(yīng)用業(yè)績，由于內(nèi)置的同步傳輸功能更適合大型同步機(jī)及異步機(jī)的啟動應(yīng)用。

2.1變頻軟啟動系統(tǒng)組成及工作原理

高壓變頻軟啟動系統(tǒng)由高壓變頻器、升壓變壓器、同步電機(jī)（包括勵磁裝置）和高壓開關(guān)等設(shè)備組成。

高壓變頻軟啟動系統(tǒng)的基本工作原理以SM#1為例說明如下：

（1）確保#1風(fēng)機(jī)重載啟動；（2）合開關(guān)MBC#1和開關(guān)MBM#1，變頻器驅(qū)動SM#1電機(jī)開始工作，其輸出頻率從0Hz逐步升到50Hz（時間可設(shè)定），同時，變頻器的輸出電壓（升壓變壓器后）對應(yīng)的從0V升到10KV，SM#1電機(jī)開始在額定轉(zhuǎn)速下運行；（3）變頻器檢測電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值，并調(diào)整其輸出電壓逐步達(dá)到和輸入電網(wǎng)電壓同頻同相；（4）變頻器確認(rèn)輸出電壓和電網(wǎng)電壓同頻同相并鎖相后合開關(guān)MBL#1——由于這時電機(jī)的頻率和相位與電網(wǎng)一致，切換過程對電網(wǎng)沒有任何沖擊；（5）切換過程中電機(jī)由變頻器和電網(wǎng)共同供電，變頻器逐步將電機(jī)的負(fù)載由變頻器轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)，最后變頻器斷開開關(guān)MBM#1；（6）最終電機(jī)SM#1負(fù)載由電網(wǎng)承擔(dān)，啟動過程完畢。

高壓變頻軟啟動系統(tǒng)中的高壓變頻器采用西門子完美無諧波系列（PerfectHarmony）高壓變頻器。該系列高壓變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性。

變頻器的功率單元為模塊化設(shè)計，可以從機(jī)架上抽出，移動和更換，所有單元可以互換，更換單元不須專用工具，更換一個單元的時間一般小于10分鐘。逆變器側(cè)采用高開關(guān)頻率的IGBT器件，保證良好的輸出波形。輸入側(cè)的隔離變壓器能保護(hù)電機(jī)不受共模電壓的影響。整個變頻系統(tǒng)采用空冷，帶有防護(hù)濾網(wǎng)。

變頻裝置有過電壓，過電流，欠電壓，缺相，變頻器過載，變頻器過熱，電機(jī)過載，輸出接地，輸出短路等保護(hù)功能。變頻裝置有隔離變壓器的各種保護(hù)。變頻器帶轉(zhuǎn)速跟蹤再起動功能。變頻器為高-高結(jié)構(gòu)，10kV直接輸入和7.2kV輸出，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，輸出相電壓為13電平，線電壓為25電平。系統(tǒng)一體化設(shè)計，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號線即可。36脈沖整流輸入滿足并優(yōu)于IEEE519～1992及GB/T14519～93標(biāo)準(zhǔn)對電壓失真和電流失真小于等于3%。由于是電壓源設(shè)計，因此在30～100%的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到或超過0.95的功率因數(shù)（無需功率因數(shù)補償裝置）。無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對電機(jī)沒有特殊的要求，可以使用普通異步電機(jī)，電機(jī)不必降額使用。具有軟起動功能，沒有電機(jī)啟動沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可確保電機(jī)安全、長期運行。變頻裝置輸出波形不會引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動小于0.1%，變頻器有共振點頻率跳躍功能。變頻裝置對輸出電纜長度無任何要求，電機(jī)不會受到共模電壓和dv/dt的影響。變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在沒有高壓情況下用低壓電進(jìn)行空載調(diào)試?？刂撇捎脽o速度傳感器矢量控制，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)100%。變頻器對電網(wǎng)電壓波動有極強的適應(yīng)能力，在±10%范圍內(nèi)變頻器能滿載工作，在35%的電壓下降情況下變頻器能繼續(xù)運行而不跳閘（降載運行）。滿載時變頻器部分效率為97%以上。控制系統(tǒng)采用全數(shù)字微機(jī)控制，有自診斷功能。電機(jī)參數(shù)自動檢測、控制系統(tǒng)參數(shù)自動優(yōu)化。變頻器功率單元和主控系統(tǒng)通訊采用光纖連接，具有很高的通信速率和抗干擾能力，安全性好?？刂葡到y(tǒng)具有在線檢測變頻器輸入電壓、電流、輸入有功功率、無功功率、輸入功率因素、累計用電量、輸出電壓、電流、功率、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等。

2.2同步電動機(jī)勵磁裝置

勵磁裝置兼具變頻起動變頻運行和工頻起動工頻運行的要求，同時可滿足變頻起動工頻運行的要求。在電機(jī)工頻異步起動和工頻運行過程中，對電機(jī)進(jìn)行有效的勵磁控制、限制及保護(hù)，并實現(xiàn)調(diào)節(jié)，設(shè)有恒勵磁電流、恒功率因數(shù)和恒無功功率等自動調(diào)節(jié)手段；在電機(jī)變頻起動和變頻運行過程中完全受變頻器控制，設(shè)有恒勵磁電流自動調(diào)節(jié)方式。

2.3PLC控制柜

啟動過程中需要一套PLC控制柜完成啟動過程中的邏輯連鎖，通過與變頻器本省的信號交換來控制個斷路器的閉合和開啟。

2.4整流變壓器

該變頻軟啟系統(tǒng)需提供三種形式的變壓器，其中變頻器配套的變壓器已隨變頻器一起提供。此外由于電機(jī)電壓為10KV，變頻器輸出為7.2KV，因此在變頻器輸出與電機(jī)之間需增加一臺升壓變壓器.此外對于每套勵磁系統(tǒng)，需要提供一臺整流變壓器。

3、電動機(jī)速度控制

變頻器采用矢量控制系統(tǒng)對電動機(jī)進(jìn)行速度控制，從靜止?fàn)顟B(tài)克服靜阻力矩加速直至達(dá)到額定速度，完成空載啟動過程中電動機(jī)的速度控制。

4、變頻器控制器專有的特殊功能介紹

變頻器自身軟件中包含同步傳輸控制軟件，不需要外部的同期控制設(shè)備。在電機(jī)同步電網(wǎng)過程中利用鎖相功能瞬間可使電機(jī)同時連接在變頻輸出及電網(wǎng)上，確保電機(jī)無擾可靠并網(wǎng)，如果并網(wǎng)失敗，變頻器可抓住電機(jī)進(jìn)行下一次并網(wǎng)。

5、結(jié)束語

變頻型軟啟動控制器及電動機(jī)自投入生產(chǎn)以來，運行安全、平穩(wěn)可靠，各項性能均優(yōu)于改造前技術(shù)指標(biāo)，受到用戶的好評，也在鞍鋼得到了進(jìn)一步的應(yīng)用和推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]西門子軟啟動裝置用戶手冊

作者簡介

劉偉，1959年8月出生，男，漢族，遼寧省鞍山市人，高級工程師，從事電氣傳動及自動化設(shè)計工作30年。