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電壓源型高壓變頻器兼容電流源型變頻器高爐鼓風(fēng)機電動機軟起動改造方案

2024/4/3 9:42:44

摘要：介紹高爐鼓風(fēng)機電動機軟起動方式及發(fā)展趨勢。介紹TMEIC電壓源型高壓變頻器（VSI）兼容包頭鋼鐵煉鐵廠3臺高爐鼓風(fēng)機電動機負(fù)載換向式電流源型變頻器（LCI）軟起動改造方案及效果。VSI及LCI軟起動系統(tǒng)均具備軟起動現(xiàn)場高壓電動機的功能，二套軟起動系統(tǒng)互為備用、互不干擾，能保證一套軟起動系統(tǒng)斷電斷開狀態(tài)時、另一套軟起動系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運行，實現(xiàn)二拖三變頻軟起動功能。

關(guān)鍵詞：電壓源型高壓變頻器；負(fù)載換向式電流源型變頻器；二拖三；軟起動；兼容；互為備用

1、引言

高爐鼓風(fēng)機為煉鐵生產(chǎn)關(guān)鍵性設(shè)備，高爐鼓風(fēng)機驅(qū)動有汽輪機驅(qū)動及電動機驅(qū)動二種方式，從高爐系統(tǒng)安全生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保及檢修維護(hù)便利角度考慮，目前煉鐵廠高爐鼓風(fēng)機基本上都是采用高壓電動機驅(qū)動方式；高爐鼓風(fēng)機電動機功率一般都在20MW及以上，大功率電動機如果直接工頻起動將無法保證配電系統(tǒng)的安全同時對電動機機械部件及電氣性能的影響也非常大的，故高爐鼓風(fēng)機電動機軟起動是必須要求的配置。

根據(jù)電力電子技術(shù)發(fā)展情況，前期高爐鼓風(fēng)機大功率電動機電氣軟起動方式一般都采用LCI軟起動方式，LCI軟起動技術(shù)采用半控SCR功率器件，高-低-高配置，為比較古老的技術(shù)，維修周期長維修成本高，很多公司已經(jīng)開始淘汰LCI產(chǎn)品；受功率器件更新及電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前高爐鼓風(fēng)機電動機主流軟起動為VSI軟起動方式。

2、高爐鼓風(fēng)機電動機軟起動方式介紹

從風(fēng)機效率及煉鐵鼓風(fēng)要求的恒壓變流量需求考慮，高爐鼓風(fēng)風(fēng)機一般為常規(guī)速度或高速靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機，高爐軸流風(fēng)機鼓風(fēng)機第一級靜葉起動角度為14。，正常可調(diào)節(jié)范圍為22。~79。。高爐鼓風(fēng)機高壓電動機通過齒輪箱或連接器連接高爐鼓風(fēng)機。從高爐鼓風(fēng)機電動機軟起動發(fā)展歷史看，大功率高爐鼓風(fēng)機電動機軟起動采用過的三種主流軟起動方式分別為：MG電動機軟起動系統(tǒng)，LCI軟起動系統(tǒng)，VSI軟起動系統(tǒng)。

圖一高爐鼓風(fēng)機電驅(qū)系統(tǒng)

A）MG電動機軟起動系統(tǒng)

MG電動機軟起動系統(tǒng)通過一臺小功率起動電動機驅(qū)動高爐高壓電動機及高爐鼓風(fēng)機系統(tǒng)運行到額定轉(zhuǎn)速后，合閘高爐電動機運行開關(guān)，通過離合器斷開起動電動機，轉(zhuǎn)入高爐高壓電動機電驅(qū)高爐鼓風(fēng)機方式。此方式為非常古老的軟起動方式，晶閘管及晶體管器件軟起動技術(shù)投入應(yīng)用后，此軟起動方式在上世紀(jì)80年代基本上已經(jīng)淘汰。

圖二 MG電動機軟起動系統(tǒng)

B）LCI軟起動方式

負(fù)載換向式電流源型變頻器（Load Communicated Inverter，LCI）于20世紀(jì)70年代末投入商業(yè)化應(yīng)用，是最早投入使用的中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。LCI主回路功率器件采用晶閘管元件，輸出電壓低，對于高壓電機及電源系統(tǒng)輸入輸出側(cè)均需要變壓器，諧波大，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，輸出轉(zhuǎn)矩小，并且只能用于同步電機。

圖三 LCI拓?fù)鋱D

LCI軟起動為軟同期切換方式，LCI變頻器驅(qū)動同步電動機到95%額定轉(zhuǎn)速后，通過外部同期檢測調(diào)節(jié)LCI輸出給電動機的電源頻率、角度及電壓值與工頻電網(wǎng)電源在一定誤差范圍后，合閘工頻運行開關(guān)，停止LCI電流輸出、關(guān)斷晶閘管，斷開LCI輸入輸出回路即完成高爐電動機軟起動過程。

圖四 LCI軟起動系統(tǒng)單線圖

C）VSI 軟起動方式

電壓源型變頻器（Voltage Source Inverter，VSI）為目前工業(yè)系統(tǒng)變頻調(diào)速領(lǐng)域普遍使用產(chǎn)品，常規(guī)負(fù)載使用場合的高壓VSI一般采用高高多電平單元串聯(lián)方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用若干個獨立的低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，變頻輸出為直接輸出方式無需升壓變壓器。VSI變頻器即可以驅(qū)動同步電動機也可以驅(qū)動異步電動機。

圖五電壓源型多電平串聯(lián)方式變頻拓?fù)鋱D及功率單元原理圖

VSI電壓源型多電平串聯(lián)變頻器軟起動為軟同期切換方式，變頻器具備內(nèi)部同期功能；VSI變頻器驅(qū)動電動機到97%額定轉(zhuǎn)速后，變頻器根據(jù)輸入電源自動調(diào)節(jié)輸出給電動機的電源頻率、角度及電壓值與工頻電網(wǎng)電源在一定誤差范圍內(nèi)，合閘工頻運行開關(guān)，停止VSI輸出，斷開VSI輸入輸出回路即完成高爐電動機軟起動過程。

3、VSI替換LCI必然性

LCI技術(shù)依據(jù)40多年前電力電子技術(shù)水平開發(fā)的產(chǎn)品，屬于需要逐步淘汰的產(chǎn)品，導(dǎo)致其備件及服務(wù)均滯后；VSI技術(shù)是電力電子技術(shù)水平高速發(fā)展后出現(xiàn)的產(chǎn)品，目前廣泛使用的主流產(chǎn)品；綜合安全生產(chǎn)要求同時從成本角度考慮，鋼鐵行業(yè)高爐電動機軟起動用戶采用VSI替換LCI已成必然。有關(guān)LCI及VSI軟啟動系統(tǒng)起動使用情況描述如下：

大電機軟起動系統(tǒng)采用電流源型LCI起動使用情況

電流源LCI結(jié)構(gòu)為高低高結(jié)構(gòu)，其輸入及輸出電壓均3kV左右，需要通過降壓變?yōu)長CI提供電源、同時也需要升壓變壓器將LCI輸出電源升壓至10KV或要求的電壓值，技術(shù)采用上個世紀(jì)的半控晶閘管SCR功率器件，現(xiàn)在用量很少，備件和技術(shù)服務(wù)都已經(jīng)跟不上，很多公司已經(jīng)淘汰電流源LCI技術(shù)；
采用12脈沖整流，對電網(wǎng)污染大，輸入諧波為12%左右，起動過程中不能滿足中國供電部門對電壓電流失真的標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93要求；
對電網(wǎng)電壓波動敏感，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降15%時，就可能跳閘停機；
輸入功率因數(shù)隨負(fù)載變化而變化，功率因數(shù)可低至0.6，對電機的輸出波形諧波成份較大，會引起電機噪聲加大，發(fā)熱增加，轉(zhuǎn)矩脈動大，易共振；
存在輸入及輸出變壓器、去磁裝置等，效率偏低；
對輸出電纜長度有限制，一般限制在300米以內(nèi)，不適合電纜距離長的一拖多情況；
電流源變頻對連續(xù)起動次數(shù)有限制，常規(guī)LCI軟起動系統(tǒng)配置的儲能電抗器及升降壓變壓器設(shè)計為每1小時內(nèi)連續(xù)起動3次；每次包括起動3分鐘，消磁3分鐘和冷卻9分鐘，共15分鐘一次循環(huán)，多次連續(xù)起動時客戶需要等待；
由于備件和技術(shù)服務(wù)都已經(jīng)跟不上，國內(nèi)高爐的客戶已經(jīng)開始把電流源LCI軟起動系統(tǒng)升級替換為VSI軟起動系統(tǒng)。

大電機起動系統(tǒng)采用電壓源型VSI起動使用情況

電壓源型為直接高-高變頻器，直接輸出10KV或其他等級高壓，環(huán)節(jié)最少，系統(tǒng)可靠性高；
采用先進(jìn)的全控IGBT/IEGT功率器件, 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)先進(jìn)，是目前主流趨勢技術(shù)；
電壓型變頻器輸入功率因數(shù)與負(fù)載幾乎無關(guān)，均可達(dá)到0.95；
30以上脈沖整流，輸入諧波<3%，符合IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549國家標(biāo)準(zhǔn)；
抗電網(wǎng)電壓波動能力強，電網(wǎng)電壓30%下降可以正常起動；
采用單元串聯(lián)和多重化脈寬調(diào)制技術(shù)，輸出波形為準(zhǔn)正弦波；電機噪聲小，發(fā)熱低，轉(zhuǎn)矩脈動小；
對輸出電纜無特殊要求，可長達(dá)2千米以上，適合一拖多；
無輸出變壓器，輸出轉(zhuǎn)矩大，無連續(xù)起動次數(shù)和間隔限制，非常方便多套高爐鼓風(fēng)機系統(tǒng)連續(xù)起動情況；

4、VSI兼容LCI軟起動改造方案

VSI兼容LCI軟起動改造方案有硬件切換隔離及軟硬件兼容二種方式，二種方案簡述如下：

方案一：VSI運行時通過硬件切換方式接收所有的LCI對外接口，VSI兼容LCI軟起動改造基本原則是改造后，VSI及LCI軟起動系統(tǒng)均具備軟起動現(xiàn)場高壓電動機的功能，二套軟起動系統(tǒng)互為備用、互不干擾；二套軟起動系統(tǒng)可以互相兼容，同時能保證一套系統(tǒng)斷電斷開狀態(tài)時、另一套系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運行，實現(xiàn)二拖三變頻軟起動功能。

方案二：VSI通過軟件通訊方式兼容LCI系統(tǒng)控制系統(tǒng)有關(guān)主回路開關(guān)柜控制及電動機保護(hù)系統(tǒng)硬件及軟件接口，僅提供VSI變頻器、VSI對應(yīng)的勵磁系統(tǒng)及VSI主回路輸入輸出開關(guān)柜，LCI控制系統(tǒng)中僅增加VSI主回路輸入、輸出開關(guān)柜控制接口，LCI軟件控制程序修改實現(xiàn)二拖三變頻軟起動功能及系統(tǒng)切換的需求。

上述方案一能做到VSI及LCI系統(tǒng)互不干擾，能保證一套系統(tǒng)斷電斷開狀態(tài)時、另一套系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運行，需要增加單獨的控制系統(tǒng)、硬件切換回路及電機保護(hù)系統(tǒng)；方案二無需增加控制系統(tǒng)、硬件切換回路，VSI需要借用LCI控制系統(tǒng)及保護(hù)系統(tǒng)，VSI軟起動時LCI控制系統(tǒng)及保護(hù)系統(tǒng)也需正常運行，如LCI控制系統(tǒng)及保護(hù)系統(tǒng)故障則VSI將無法軟起動高爐鼓風(fēng)機電動機；綜合考慮到高爐鼓風(fēng)機系統(tǒng)的重要性及改造成本，方案一為最合理的改造方案。本次TMEIC VSI兼容LCI改造方案即采用方案一。

LCI系統(tǒng)將電機勵磁調(diào)節(jié)、LCI調(diào)節(jié)及保護(hù)、軟起動切換及電機狀態(tài)信號采集后集成為一個整體，任何一部分有故障均有可能導(dǎo)致軟起動失敗或電動機運行事故，此方式為LCI系統(tǒng)特定的配置方式。

VSI軟起動系統(tǒng)，變頻器本身具備軟起動同期功能、勵磁調(diào)節(jié)功能、變頻運行時電機保護(hù)功能等功能，無需接收別的外部接口即可自行完成相關(guān)保護(hù)及調(diào)節(jié)功能；VSI兼容LCI軟起動改造工程，需兼容現(xiàn)有LCI系統(tǒng)同時保持二套系統(tǒng)間的獨立性，故需增加勵磁柜、檢測信號及接口切換系統(tǒng)、軟起動PLC控制系統(tǒng)等其他相關(guān)設(shè)備以保證系統(tǒng)的兼容及軟起動、工頻運行功能。

1）硬件部分改造方案

提供一套電動機勵磁調(diào)節(jié)用勵磁柜，勵磁柜具備變頻運行調(diào)節(jié)功能同時具備工頻運行調(diào)節(jié)功能；

增加一套電源切換柜，完成勵磁柜與原有LCI勵磁系統(tǒng)輸入電源及輸出電源切換；

圖六勵磁系統(tǒng)主回路改造切換回路

增加一套檢測信號及接口切換系統(tǒng)，切換信號及接口包括 CT、電機漏水及溫度等信號；

圖七信號接口改造切換回路

根據(jù)主回路需求，增加二套高壓開關(guān)柜，達(dá)到VSI輸入、輸出電源接入及與LCI輸入、輸出電源隔離的目的；

增加與LCI兼容的VSI軟起動系統(tǒng)；

2）控制部分改造方案

增加一套PLC控制系統(tǒng)，完成與VSI、LCI、DCS之間的控制及反饋；

增加一套總線通訊系統(tǒng)，完成DCS、VSI、LCI之間的相關(guān)通訊及控制；

DCS界面改造為VSI及LCI軟起動系統(tǒng)選擇、軟起動操作界面及相應(yīng)狀態(tài)顯示；

5、實際應(yīng)用案例

1）現(xiàn)場情況及改造要求

包頭鋼鐵煉鐵廠7#、8#電動鼓風(fēng)機由德國曼透平制造，9#電動鼓風(fēng)機由陜鼓集團(tuán)制造，3臺鼓風(fēng)機均采用36500KW/10KV交流無刷同步電動機傳動，三臺鼓風(fēng)機電動機共用一臺LCI高壓變頻器系統(tǒng)實現(xiàn)軟起動。目前LCI系統(tǒng)設(shè)備元器件老化，備品匱乏，LCI廠家精通該系統(tǒng)的國內(nèi)技術(shù)人員太少，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后判斷處理故障時間長。為此，新增加一套TMEIC VSI高壓變頻軟起動系統(tǒng)，改造后的TMEIC VSI變頻系統(tǒng)與原LCI軟起動系統(tǒng)兼容。

本方案配套1臺TMEIC公司生產(chǎn)的型號TMdrive-MVG2-SS-10000KW/10KV高-高多電平串聯(lián)VSI，通過VSI完成一拖三軟起動7#、8#、9#電動鼓風(fēng)機電機運行功能，同時保留原有LCI一拖三軟起動7#、8#、9#電動鼓風(fēng)機電機運行功能；系統(tǒng)改造后，7#、8#、9#電動鼓風(fēng)機電機軟起動系統(tǒng)為二拖三軟起動方式。二套系統(tǒng)可以互相兼容，同時能保證一套系統(tǒng)斷電斷開狀態(tài)時、另一套系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運行。

7#、8#、9#鼓風(fēng)機交流無刷勵磁電機銘牌參數(shù)

2）改造實施方案

7#、8#、9#鼓風(fēng)機電動機由3臺110KV/10.5KV變壓器供電，7#、8#、9#鼓風(fēng)機電動機可以分別單變壓器單電機獨立母線運行，也可以3臺變壓器并聯(lián)3臺鼓風(fēng)機電動機同時運行在一段母線；本項目在保留原有LCI軟起動系統(tǒng)及相應(yīng)的主回路開關(guān)回路的情況下，新增1臺套TMEIC VSI軟起動系統(tǒng)、勵磁柜、切換開關(guān)、PLC控制系統(tǒng)、主回路切換開關(guān)等，通過PROFIBUS通訊及硬件接口達(dá)到軟起動起動控制、起動過程監(jiān)控及電動機保護(hù)的目的；VSI軟起動系統(tǒng)主回路在保證與LCI主回路電隔離的情況下，利舊原有3段母線供電回路及3臺電機輸出回路；PLC控制系統(tǒng)通過切換開關(guān)接入原有接入LCI的電機監(jiān)測信號，提供VSI軟起動方式時相應(yīng)的電機保護(hù)。有關(guān)改造及控制見下述系統(tǒng)圖，下圖中粉紅色框為新增設(shè)備、其他部分為現(xiàn)場已有設(shè)備，紅線為VSI軟起動系統(tǒng)相應(yīng)的控制及監(jiān)控接口。

圖八 VSI兼容LCI軟起動系統(tǒng)圖

3）改造效果

包鋼煉鐵廠VSI兼容LCI軟起動改造于2019年11月改造完畢，到目前為止，用戶已多次用VSI系統(tǒng)完成3臺鼓風(fēng)機電動機軟起動運行，軟起動效果良好。改造后，7#、8#、9#電動鼓風(fēng)機電機軟起動系統(tǒng)由一拖三方式改造為二拖三軟起動方式，可以通過3套高爐電鼓DCS監(jiān)控系統(tǒng)選擇VSI或LCI軟起動相應(yīng)的高爐鼓風(fēng)機電動機，VSI軟起動系統(tǒng)與LCI軟起動系統(tǒng)可以在單套系統(tǒng)完全失電狀態(tài)下，另一套軟起動系統(tǒng)能完成3臺鼓風(fēng)機電動機軟起動的功能。

4）現(xiàn)場實施改造照片