電壓源型變頻器應(yīng)用于高爐鼓風(fēng)機(jī)可行性研究

張家強(qiáng) 張洪明 李進(jìn)軍

【摘 要】國(guó)內(nèi)鋼鐵冶金企業(yè)高爐電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置基本采用電流源型和電壓源型兩種變頻軟起裝置。電流源型變頻器相對(duì)占比在70%以上，電壓源型變頻器應(yīng)用相對(duì)較少。目前包鋼高爐電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)全部為電流源型變頻器，論文主要以西門子空冷型完美無諧波電壓源型變頻器為例，討論電壓源型高壓變頻器在高爐鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用可行性及應(yīng)用方案。

【Abstract】In the domestic steel and iron metallurgical enterprises， two types of variable frequency soft starting devices are commonly adopted， namely， the current source type and the voltage source type. The relative duty ratio of current source frequency converter is more than 70%， and the voltage source converter is less used. At present， the electric blower of blast furnace in Baogang Group is all current source converter. Taking the perfect nor harmonic voltage source type frequency converter of Siemens air cooled type， the paper discusses the feasibility and scheme of applying voltage source type high voltage frequency converter in blast furnace blower system.

【關(guān)鍵詞】高爐電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)；電流源型變頻器；電壓源型變頻器

【Keywords】 blast furnace blower system； current source type converter； voltage source frequency converter

【中圖分類號(hào)】TN773 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）07-0184-03

1 電壓源型相較電流源型變頻器工作特點(diǎn)

根據(jù)直流電路中濾波方式的不同，可以分為電壓源型和電流源型兩種。由于一般為感性負(fù)載，與電源之間會(huì)產(chǎn)生無功功率交換，所以在中間直流回路中要有緩沖無功功率的元器件。電壓源型與電流源型變頻器直流電路分別采用電容器和電抗器濾波。電壓源型變頻器在電壓波峰較高時(shí)，通過電容器儲(chǔ)存電場(chǎng)能，在電壓波谷較低時(shí)，電容器通過釋放電場(chǎng)能來進(jìn)行補(bǔ)充，達(dá)到保持直流回路電壓平穩(wěn)的目的。電流源型變頻器在電流波峰較大時(shí)，通過電抗器儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，在電流波谷較小時(shí)，電抗器通過釋放磁場(chǎng)能進(jìn)行補(bǔ)充，達(dá)到保持直流回路電流平穩(wěn)的目的。電壓源型直流側(cè)并聯(lián)大電容，直流電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。同時(shí)直流電壓源的箝位作用其輸出的電壓波形為矩形波，并且與阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出的電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。當(dāng)交流側(cè)為阻抗負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)電流要反相，所以開關(guān)器件兩端需要反并聯(lián)。以上為兩種不同類型變頻器的工作特點(diǎn)[1]。

2 空冷型完美無諧波變頻器工作原理

電壓等級(jí)為10kV系統(tǒng)變頻器，每相由8個(gè)額定電壓為750V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達(dá)6kV，線電壓達(dá)10kV，每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。10kV電壓等級(jí)變頻為48脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入的綜合因數(shù)可達(dá)到0.95以上，該變頻器使用矢量控制方式來控制異步電機(jī)和同步電機(jī)。其控制性能幾乎與直流電機(jī)一樣。其矢量控制由以下四個(gè)基本單元構(gòu)成，電機(jī)模型用于檢測(cè)電機(jī)磁通及速度；電流調(diào)節(jié)器用于矢量控制的內(nèi)環(huán)；磁通及速度調(diào)節(jié)器用于矢量控制的外環(huán)；前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)用于改善轉(zhuǎn)矩及磁通環(huán)的瞬態(tài)響應(yīng)。

電機(jī)模型通過檢測(cè)的電機(jī)電壓及估算的定子電阻壓降來確定定子磁通的幅值，電機(jī)速度及磁通角。這樣就可以自動(dòng)補(bǔ)償定子電阻。電機(jī)的電壓方程可以通過將三相交流量轉(zhuǎn)化為直流量得到。電機(jī)模型中的一個(gè)鎖相環(huán)跟蹤定子頻率及磁通失量的角度。電機(jī)磁通的幅值由磁通調(diào)節(jié)器控制；它的輸出形成勵(lì)磁分量（磁通）。電機(jī)速度由定子頻率決定，并受速度調(diào)節(jié)器控制。它的輸出就是轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器的給定。磁通角用于將檢測(cè)到的電機(jī)電流分解為激磁分量及轉(zhuǎn)矩分量。這樣分解使得交流電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩可以象直流電機(jī)那樣進(jìn)行單獨(dú)控制。這些電流分量在電流調(diào)節(jié)器的控制下跟隨各自的電流指令。電流調(diào)節(jié)器的輸出形成三相電壓給定信號(hào)，這些電壓指令再經(jīng)過不同的控制軟件模塊的修改后送到調(diào)制板中。通過引入前饋控制補(bǔ)償可以改善磁通和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應(yīng)[2]。

3 同步電機(jī)控制

變頻器配有一個(gè)包含基于晶閘管電流調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁柜用于同步電機(jī)控制。勵(lì)磁裝置為可控硅調(diào)節(jié)器。該勵(lì)磁裝置輸出的電流大小由磁通調(diào)接器輸出決定。對(duì)于無刷電機(jī)，假定其勵(lì)磁繞組線圈電壓范圍為 3 相 350 伏至 400 伏。如果電壓不符，則需在輔助電源與可控硅調(diào)節(jié)器之間插入一個(gè)隔離變壓器。主回路只需一個(gè)整流器。當(dāng)勵(lì)磁裝置不能完全開通或關(guān)斷時(shí)，電機(jī)將吸收過多的無功電流，這時(shí)控制單元將觸發(fā)勵(lì)磁消失故障同時(shí)中斷變頻器輸出。除了磁通調(diào)節(jié)器的控制外，整個(gè)同步控制方案與開環(huán)矢量控制相似。對(duì)于同步電機(jī)，該磁通調(diào)節(jié)器輸出兩個(gè)電流指令，分別用于勵(lì)磁裝置和定子電流的勵(lì)磁分量控制。同步電機(jī)通常不使用檢測(cè)電機(jī)頻率來得到轉(zhuǎn)速的方式。而是通過轉(zhuǎn)子在定子繞組上感應(yīng)出的電壓來計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再輸出轉(zhuǎn)矩到同步電機(jī)。當(dāng)啟動(dòng)同步電機(jī)時(shí)，變頻器發(fā)出勵(lì)磁電流指令到勵(lì)磁控制器，該指令大小等于空載勵(lì)磁電流設(shè)定值。這個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間等于磁通上升時(shí)間。勵(lì)磁狀態(tài)結(jié)束后，變頻器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。大多數(shù)情況下，勵(lì)磁控制器的響應(yīng)較慢，變頻器輸出勵(lì)磁電流到勵(lì)磁控制器用于建立電機(jī)額定磁通。同時(shí)速度控制器輸出轉(zhuǎn)矩指令來使電機(jī)加速到給定轉(zhuǎn)速。一旦勵(lì)磁控制器輸出的電流足以維持電機(jī)磁通，定子電流的勵(lì)磁分量將減至零。從這時(shí)起變頻器輸出與電壓同相位轉(zhuǎn)矩電流來進(jìn)行加、減速控制[3]。

4工程應(yīng)用及技術(shù)方案

4.1 概述

承鋼目前在運(yùn)行的四座高爐，分別是1#、3#、4#、5#高爐。另外2#、6#、7#高爐停產(chǎn)。其中1#高爐1260m3，3#、4#、5#高爐均為2500m3。承鋼有兩套西門子高壓變頻器分別是對(duì)應(yīng)3#高爐的西門子GL150電流源變頻器及對(duì)應(yīng)5#高爐的西門子GH180電壓源型變頻器，其余兩座高爐應(yīng)用汽動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)對(duì)高爐供風(fēng)。其中西門子GL150于2006年投產(chǎn)至今運(yùn)行良好。未由于高壓變頻原因出現(xiàn)重大設(shè)備事故。5#高爐改造項(xiàng)目為九源天成總包項(xiàng)目，GH180于2016年5月投產(chǎn)，至今運(yùn)行一年零九個(gè)月，運(yùn)行狀況良好，未由于高壓變頻原因出現(xiàn)重大設(shè)備事故。

唐鋼中厚板公司在運(yùn)行的三座高爐，分別是1#、2#、3#高爐，均為1850m3，均采用電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)給高爐供風(fēng)。1#、2#高爐均采用美國(guó)GE的電壓源型變頻器，運(yùn)行均在7、8年左右，運(yùn)行情況良好。3#高爐2015年遷移改造，從唐鋼本部遷移至唐鋼中厚板公司。該項(xiàng)目為陜鼓總包項(xiàng)目，2015年改造，2016年由于環(huán)保問題3#高爐未投產(chǎn)，2017年6月份正式生產(chǎn)。該套GH180變頻器2015年至2016年期間調(diào)試試運(yùn)行，正式向高爐供風(fēng)至今運(yùn)行八個(gè)月，運(yùn)行狀況良好，未由于高壓變頻原因出現(xiàn)重大設(shè)備事故。

包鋼老體系目前擁有三臺(tái)高爐鼓風(fēng)機(jī)， 每臺(tái)風(fēng)機(jī)由1臺(tái)36500kW電機(jī)拖動(dòng)，采用西門子SIMOVERT S啟動(dòng)，速度達(dá)到50Hz時(shí)切換工頻并網(wǎng)。風(fēng)機(jī)為軸流式風(fēng)機(jī)，其中兩臺(tái)由瑞士曼透平制造，另一臺(tái)由陜鼓集團(tuán)制造。電機(jī)為三相高壓同步電機(jī)，由德國(guó)西門子電機(jī)廠制造。

在實(shí)際啟動(dòng)過程中，先通過SIMOVERT S啟動(dòng)其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到50Hz時(shí)，監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)，滿足條件時(shí)自動(dòng)將運(yùn)行電機(jī)切換至工頻運(yùn)行，SIMOVERT S 退出系統(tǒng)，同時(shí)相應(yīng)開關(guān)柜聯(lián)鎖； 同理，通過SIMOVERT S 將另外兩臺(tái)高爐鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)并切換至工頻電網(wǎng)。

根據(jù)包鋼高爐鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)有控制方式和實(shí)際運(yùn)行條件，系統(tǒng)改造可在確保不影響現(xiàn)有生產(chǎn)，同時(shí)滿足與原有系統(tǒng)兼容性原則下，采用“新增高壓變頻器+獨(dú)立勵(lì)磁控制裝置+配套控制系統(tǒng)”拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，利用現(xiàn)有SIMOVERT S軟啟動(dòng)系統(tǒng)做熱備，作為高爐鼓風(fēng)機(jī)的備用啟動(dòng)回路。新增高壓變頻器，同時(shí)配套新的控制系統(tǒng)，根據(jù)變頻器和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便操作人員進(jìn)行新變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作，保證與原有系統(tǒng)良好兼容，確保系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性。

4.2 主回路改造方案

高爐鼓風(fēng)機(jī)的高壓變頻改造方案分電氣系統(tǒng)改造和控制系統(tǒng)改造兩部分。系統(tǒng)新增一套啟動(dòng)變頻器和三套勵(lì)磁系統(tǒng)及啟動(dòng)切換用10kV高壓斷路器，與原SIMOVERT S啟動(dòng)系統(tǒng)組成互為備用的變頻軟啟系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)控制由原有各高爐風(fēng)機(jī)DCS控制系統(tǒng)給出命令到主順序控制柜中，由該柜選擇并協(xié)調(diào)各電機(jī)勵(lì)磁和各電機(jī)通過啟動(dòng)、加速、并網(wǎng)的控制。整個(gè)并網(wǎng)過程由新增高壓變頻器系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行過程是全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)并監(jiān)控。該套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有隔離變壓器的各種保護(hù)，另外變頻器帶轉(zhuǎn)速跟蹤再起動(dòng)功能，具備電容器預(yù)充電功能，能夠具備間隔較長(zhǎng)時(shí)間后，順利啟動(dòng)的要求。新增高壓變頻器需在輸入側(cè)和輸出側(cè)各增加一面高壓柜分別與電網(wǎng)側(cè)母線和電機(jī)側(cè)母線相連。SMOVERT S的輸入側(cè)母線之間已有高壓柜，其輸出端需要增加一面開關(guān)柜與電機(jī)側(cè)母線相連，組成二臺(tái)變頻器二拖三啟動(dòng)、互為備用。變頻器輸入端開關(guān)柜應(yīng)配置過電壓和過流速斷等的綜保。整套新增系統(tǒng)應(yīng)具備過電壓，過電流，欠電壓，缺相，變頻器、電機(jī)過載和過熱，輸出接地及短路等保護(hù)功能。

4.3 控制系統(tǒng)改造

為確?，F(xiàn)有軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)和改造后的變頻控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，對(duì)新系統(tǒng)加裝無刷勵(lì)磁控制系統(tǒng)，與原有的勵(lì)磁系統(tǒng)分開，根據(jù)電機(jī)的勵(lì)磁重新設(shè)計(jì)變頻啟動(dòng)的配套勵(lì)磁，從而能更好地保證風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)。原有的勵(lì)磁系統(tǒng)將被保留與原SIMOVERT S配套使用，其輸出側(cè)將增加切換開關(guān)，當(dāng)采用新的變頻器啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)勵(lì)磁切換到新增的配套勵(lì)磁柜，其聯(lián)鎖信號(hào)也將接入配套的接口柜用于系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)。

系統(tǒng)將新增加一套 S7-300 PLC 接口柜，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新增的啟動(dòng)變頻器與勵(lì)磁裝置的切換控制以及對(duì)新增高壓開關(guān)柜的控制。

新增接口柜將實(shí)現(xiàn)以下功能：

①實(shí)現(xiàn)與原有控制系統(tǒng)的通訊。原控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)變頻器選擇和所要啟動(dòng)的電機(jī)的選擇。當(dāng)選擇原SIMOVERT S啟動(dòng)時(shí)，通知接口柜將勵(lì)磁切換到原勵(lì)磁柜，并對(duì)新增變頻器的開關(guān)柜保護(hù)聯(lián)鎖。當(dāng)選擇新增變頻器啟動(dòng)時(shí)，由接口柜控制將勵(lì)磁切換到新增勵(lì)磁柜。

②與新增啟動(dòng)變頻器的通訊控制。

③實(shí)現(xiàn)對(duì)新增啟動(dòng)變頻器開關(guān)柜的控制和聯(lián)鎖保護(hù)。

為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)將新增一套低壓配電系統(tǒng)用于新增系統(tǒng)的低壓供電，將新增系統(tǒng)的配電與原系統(tǒng)分開，確保兩個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立，其主動(dòng)力系統(tǒng)供電根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況由用戶提供。

5 結(jié)論

通過對(duì)電壓源型變頻器工作原理及控制邏輯分析，以及承鋼、唐鋼中厚板公司實(shí)際應(yīng)用、技術(shù)方案論述，大功率空冷型電壓源型變頻器相較電流源型具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，同時(shí)維護(hù)較為方便，相信在鋼鐵冶金企業(yè)高爐鼓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳國(guó)呈.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

【2】張浩，續(xù)明進(jìn)，楊梅.高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【3】陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.