高線精軋機LCI變頻傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行研究

李艷東，李向前，韓 鋒，劉 冬，何 威，蘇 鵬，武志蘭，徐田軍，陳靜洋

（河北鋼鐵股份有限公司承德分公司，河北承德 067002）

引言

當前鋼鐵行業(yè)中軋機機組通常是幾個機架集中傳動，主傳動同步電機向?qū)捳{(diào)速、大容量、高速方向發(fā)展，LCI變頻調(diào)速裝置在軋機同步電動機調(diào)速中應(yīng)用比較廣泛。LCI傳動系統(tǒng)是Load Commutated inverter for the Drive System of Synchronous Motor的縮寫，稱為負載換向電流型逆變器，它是利用作為負載的同步電動機端電壓實現(xiàn)晶閘管換流的，不需要采取復雜的強制晶閘管關(guān)斷的措施，電路簡單，元器件少，環(huán)流可靠，且維護量低，其原理圖見圖1。

圖1 LCI負載換流同步電機電流源型變頻器原理圖

1 二高線LCI裝置

河北鋼鐵股份有限公司承德分公司二高線精軋機組同步電機采用LCI傳動，主電機為雙繞組同步電機，功率為5500 kW，電機型號為TDZGS5500-4，轉(zhuǎn)速 1000/1500 r/min，額定電壓2350/2400 V，額定電流2*746/2*733 A，頻率33.3/50 Hz，勵磁129/97 V，322/250 A。LCI裝置由三繞組整流變壓器供電，變壓器型號為ZSSS-10000/10，10 000 kVA，一次電壓10 kV，二次電壓3 kV，分為10.5/3；10/3；9.5/3三個檔位，一次側(cè)角接，二次側(cè)一個繞組角接，一個繞組星接。自2017年起，LCI裝置不定期出現(xiàn)過流故障而跳車，嚴重影響了二高線產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。

1.1 過流故障的原因

對精軋機自動化控制系統(tǒng)進行改造，用PDA系統(tǒng)記錄LCI裝置直流側(cè)電流、逆變側(cè)電流及LCI變壓器10 kV進線電壓，真正捕捉到發(fā)生過流故障時系統(tǒng)的工作狀態(tài)。通過趨勢對比，發(fā)現(xiàn)進線電壓和精軋機傳動電流波動有對應(yīng)關(guān)系，在10 kV進線電壓降低時，電流對應(yīng)升高：10 kV電壓從103%波動下降到95%時，LCI直流側(cè)電流從90%波動上升到125%，精軋機轉(zhuǎn)速從1046 r/min降到1044 r/min；當10 kV電壓從103%波動下降到92%時，LCI直流側(cè)電流從90%波動上升到150%，精軋機電流保護跳閘（電流過載保護設(shè)定值為150%）。

1.2 過電流原因分析

1.2.1 工藝方面

通過以往精軋機電流趨勢，軋制φ8和φ12時，φ8比φ12電流高10%左右，精軋機速度設(shè)置相同。以往的故障記錄顯示，在軋制兩種規(guī)格時，均發(fā)生過過流跳車現(xiàn)象，排除因軋制規(guī)格不同而跳車。

1.2.2 機械方面

LCI裝置報過流故障，復位后就可正常轉(zhuǎn)車。查找電機繞組溫度趨勢、振動趨勢均正常，排除機械原因?qū)е鹿收咸嚒?/p>

1.2.3 電氣方面

（1）若電機編碼器檢測信號不準，對LCI雙閉環(huán)調(diào)整產(chǎn)生干擾，將可能造成過流。為排除這個原因，將測速編碼器傳輸信號全程屏蔽，有效避免干擾，用示波器采集速度波形，信號正常。

（2）用接地電阻測試儀測試精軋機傳動柜接地電阻，確認接地情況。經(jīng)測試，接地電阻0.69 Ω，符合精密接地電阻要求。

（3）用直流電橋測量電機的絕緣阻值，阻值符合要求，且主電機采用防軸流電流設(shè)計、全阻尼繞組設(shè)計，能有效改善換流特性，縮短變流器的負載換流時間。排除電機本身原因。

（4）晶閘管主要參數(shù)為斷態(tài)重復峰值電壓VDRM8 kV、反向重復峰值電壓VRRM8 kV、正向平均壓降VF2.5 V、通態(tài)平均電流IT3000 A，二高線精軋機同步電機電壓等級為3 kV，額定電流746 A，晶閘管選型完全滿足要求；跳車電流保護值設(shè)定為150%，符合要求。

（5）從EVC包去勵磁機的三相電源電纜接線正確，LCI的勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)不同的負載和速度調(diào)節(jié)磁通。

（6）外網(wǎng)電壓的波動：

①精軋機LCI裝置控制采用雙閉環(huán)調(diào)速控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR為雙閉環(huán)嵌套式串級結(jié)構(gòu)，電流閉環(huán)嵌套在轉(zhuǎn)速閉環(huán)之內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR串級連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，當電網(wǎng)電壓降低時，電網(wǎng)電壓的擾動作用在電流環(huán)內(nèi)，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器力圖維持輸出轉(zhuǎn)速恒定，輸出電流將增大。

②從PDA的記錄趨勢來分析，當二高線LCI變壓器的一次側(cè)10 kV進線電壓波動下降的幅度低于10%時，電流調(diào)節(jié)器對于進線電壓的波動通過電流反饋可以得到比較及時的調(diào)節(jié)，負載電流增幅在10%左右，此時晶閘管可正常逆變；但當進線電壓波動下降的幅度高于10%時，負載電流大幅增高，晶閘管短路電流超過額定值150%，引起裝置保護跳車。

③LCI調(diào)速系統(tǒng)采用同步電機過激磁時定子電流超前電壓的特性，使變流器的晶閘管靠同步電機反電動勢自然換流。在負載換流同步電機中，只要轉(zhuǎn)子有激磁電流并在空間旋轉(zhuǎn)，就會在電樞繞組中感應(yīng)出反電動勢。由同步電機LCI換相理論可知，晶閘管承受反向電壓時間的電角度為γc=γe-μ=γ0-δμ,其中，γc為換流剩余角，γ0為空載換流超前角（恒定值），γe為電機負載時的換流超前角，δ為同步電機的功角，μ為換流重疊角（隨負載電流增大而增大）。為保證換相可靠，換流剩余角γc至少應(yīng)保持在10°～15°，若小于這個范圍，將換流失敗，造成晶閘管短路[1]。

④查找LCI上級供配電系統(tǒng)，LCI所在的上級35 kV母線上帶有22 000 kW的精煉爐一臺，經(jīng)查找核對精煉爐空載合閘時刻、LCI裝置過流跳車時刻的PDA歷史趨勢記錄，在精煉爐變壓器空載合閘時將35 kV母線電壓拉低，最大降幅達12%左右。按照崗位作業(yè)標準，崗位人員在進行滑電極操作時，必須將變壓器斷電，在生產(chǎn)前再將變壓器送電，變壓器從停止狀態(tài)過渡到運行狀態(tài)。變壓器空載接入電網(wǎng)的合閘過程實際主要表現(xiàn)為主磁通的暫態(tài)變化，而暫態(tài)磁通的大小主要取決于合閘相角，在最嚴重的情況下，鐵芯主磁通將達到穩(wěn)態(tài)最大值的2倍，在考慮鐵芯原有剩磁的情況下，暫態(tài)過程中鐵芯主磁通的最大值更大，在最不利的空載合閘情況下，主磁通增大一倍之多，勵磁電流數(shù)值很大，可超過穩(wěn)態(tài)勵磁電流的幾十甚至百倍，可達額定電流的6～8倍[2]，由此會引起母線電壓的降落。此理論分析驗證了精煉爐變壓器空載合閘造成母線電壓降低的現(xiàn)象。精煉爐35 kV母線雖裝有SVC系統(tǒng)，但SVC裝置完成一次補償需要500 ms時間，無法對精煉爐變壓器空載合閘引起的壓降進行快速補償。

3 結(jié)論

通過上述原因分析，結(jié)合LCI裝置控制原理、精軋機雙閉環(huán)調(diào)速控制原理，在LCI裝置進線電壓降低幅度過高時，雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)將力圖保持轉(zhuǎn)速無凈差，確保秒流量相等，勢必會使電流增大，換流剩余角隨之減小。在負載電流增幅超過一定幅度時，將導致LCI換流剩余角降至10°以下，進而引起晶閘管逆變失敗，晶閘管短路過流。對LCI所在上級35 kV母線的負荷進行調(diào)整，將精煉爐變壓器移出LCI所在35 kV母線，避免精煉爐變壓器空載合閘對于35 kV母線電壓的影響，LCI因電壓降過流故障得以徹底解決。