楊春輝

上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠設(shè)備室，上海 210039

0 引言

上海梅山鋼鐵股份有限公司的新建4#、5#燒結(jié)機分別于2009 年5 月、2011 年12 月如期順利投產(chǎn)。其主抽風機選用英國豪頓公司的大型電動風機，電動機采用西門子的6900KW 無換向器同步機并應(yīng)用西門子的GL150 型LCI（負載環(huán)流技術(shù)）變頻軟起動系統(tǒng)。每臺燒結(jié)機配兩臺主抽風機，一套變頻軟起動系統(tǒng)，正常情況下實現(xiàn)一拖二依次起動，在一套變頻軟起動系統(tǒng)故障的情況下，可以實現(xiàn)一拖四依次起動。

1 電動機及變頻器的選擇

燒結(jié)機主抽風機為豪頓公司L3N 3575.04.84 DBI／ST@ 1000rpm 型離心式恒轉(zhuǎn)速風機，主要參數(shù)如下表：

滿載轉(zhuǎn)矩（120℃風門全開） 59838Nm 起動轉(zhuǎn)矩 6520Nm風機轉(zhuǎn)動慣量WR2 15800kg·m2 入口流量 20000m3/min飛輪矩 GD2 63200kg·m2 入口壓力 -16500Pa全壓效率 85% 總重量 55500Kg滿載轉(zhuǎn)矩（0℃風門全關(guān)） 37118Nm 風機轉(zhuǎn)速 1000rpm

由于在正常運行過程中不考慮調(diào)速，因此選擇用同步電動機來拖動風機。大功率電動機采用同步電動機有以下優(yōu)點：1、硬的機械特性，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；2、改善全廠功率因素；3、抗電網(wǎng)電壓擾動能力強（同步機轉(zhuǎn)矩T ∝U ,異步機轉(zhuǎn)矩T ∝2U ）。

2 電氣主回路起動過程分析

同步電動機的起動過程與同步過程均是由勵磁控制系統(tǒng)(ECS)控制?，F(xiàn)在以1#主抽風機起動過程為例進行分析（如圖1 所示）：勵磁控制系統(tǒng)首先閉合與電機輸出側(cè)相連的斷路器(MBM1), 緊接著發(fā)出一個“START”信號到變頻器的控制系統(tǒng)，變頻控制系統(tǒng)起動它所有的外圍輔助設(shè)施，例如潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，并檢查它們是否就緒（運行信號、流量反饋及風門開度等）。在接收到所有關(guān)鍵的反饋信號后,變頻控制系統(tǒng)閉合與降壓變壓器相連的電源側(cè)斷路器(MBC1)。接著依照工程師預(yù)先設(shè)定好的加速轉(zhuǎn)矩曲線（分段起動加速轉(zhuǎn)矩方式，主要優(yōu)點：加速度穩(wěn)定，機械無沖擊，加速時間減少）給電動機加速,大約升速至950 rpm 左右。然后勵磁控制系統(tǒng)中的同步切換裝置接過電動機的速度控制功能，持續(xù)給電動機升速一直到變頻器所輸出的相位角φ 和頻率（f=50Hz）與公用電網(wǎng)上的相位角φ 和頻率（f=50Hz）一致。在電動機與電網(wǎng)同步之后, 同步切換裝置將快速閉合主斷路器(MBL1)，使電動機直接在電網(wǎng)上以1000rpm 恒速運行。在閉合MBL1 的同一時刻, 經(jīng)變頻器晶閘管整流輸出的直流電流將迅速降為零,并關(guān)斷逆變器的脈沖, MBM1 斷開。因為在整個起動過程中，始終是變頻器供電，所以在并網(wǎng)切換時沒有轉(zhuǎn)矩和電流的沖擊。這正是此套變頻軟啟動系統(tǒng)的優(yōu)點之一，眾所周知，一些大功率的設(shè)備在直接起動時由于很大的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩會對電網(wǎng)和設(shè)備造成影響，嚴重時造成電網(wǎng)電壓大幅度降低（和電網(wǎng)的短路容量及其它無功負荷有關(guān)）及對機械設(shè)備造成損壞。

3 變頻軟起動及勵磁控制部分技術(shù)特點

為了使變頻器電壓與電機電壓最佳匹配，特采用變頻器專用降壓（10/2.6kV）與升壓(2.4/10kV)變壓器。軟啟動數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用LCI PROCESSOR 控制系統(tǒng)，是一個全數(shù)字自由編程多功能微機系統(tǒng)，可用于快速開環(huán)和閉環(huán)控制以及計算（控制方框圖見圖2）。為了提高變頻器的動態(tài)性能，系統(tǒng)采用技術(shù)先進矢量控制原理，并通過開環(huán)以及閉環(huán)控制來實現(xiàn)對啟動過程的精確控制。

1）開環(huán)控制部分。主要包括：電動機轉(zhuǎn)速在50rpm 以下時的控制；斷路器的開斷、關(guān)合控制；壓力、流量、溫度及其他保護聯(lián)鎖的邏輯控制；2）閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要包括：速度環(huán)與電流環(huán)的控制；由圖2 可以看出，系統(tǒng)為電流內(nèi)環(huán)，速度外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；3）整個起動過程是由勵磁柜來進行控制的，它根據(jù)中控的起動請求信號把變頻器分配給將要起動電動機。勵磁柜通過一個快速主令母線連接至變頻器。當勵磁柜起動時，它起動自己的輔助設(shè)備，并命令變頻器開環(huán)控制系統(tǒng)起動它的輔助設(shè)備。在收到所有必要的輔助設(shè)備之后，勵磁系統(tǒng)就將對電機的磁場進行保護，閉合電動機與變頻器之間的斷路器，并向變頻器開環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)出起動命令。然后變頻器的開環(huán)控制系統(tǒng)閉合變頻變壓器的母線開關(guān)，起動變頻器閉環(huán)控制系統(tǒng)以及磁場電流閉環(huán)控制系統(tǒng)。在激活觸發(fā)脈沖之后，立即起動變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，接著檢測轉(zhuǎn)子位置的程序也開始工作。當電動機轉(zhuǎn)速在50rpm 以下時，磁場電流為轉(zhuǎn)速與電樞電流的函數(shù)。變頻器中的同步裝置可以將電機的頻率和電壓與電網(wǎng)的頻率電壓進行分析比較。當起動轉(zhuǎn)速達到以后，系統(tǒng)輸出脈沖，根據(jù)比較分析結(jié)果的大小以增加或者減少頻率和電壓。根據(jù)頻率脈沖可以導(dǎo)出一個速度設(shè)定值，并被傳送到變頻器閉環(huán)控制系統(tǒng)以及參與磁場電流的調(diào)整。一旦系統(tǒng)電壓和電機電壓的絕對值和相位一致，自動同步裝置將產(chǎn)生一個并網(wǎng)脈沖，傳送至勵磁系統(tǒng)。并封鎖磁場電流的初始值，并由勵磁柜將電網(wǎng)系統(tǒng)和電機之間的斷路器將閉合。在確認后，勵磁柜將向變頻器發(fā)出“關(guān)閉”指令?，F(xiàn)在電機轉(zhuǎn)速即為由電網(wǎng)供電的同步速。然后勵磁系統(tǒng)將停止變頻器的饋電，并斷開變頻升壓及降壓變壓器兩側(cè)的斷路器。在接收到“斷開”狀態(tài)反饋信號時，變頻器與勵器柜間的邏輯分工將被終止?，F(xiàn)在變頻器處于準備再次運行狀態(tài)。

在與電源系統(tǒng)的同步完成之后，驅(qū)動系統(tǒng)通過勵磁柜進行監(jiān)控包括所有電機的保護功能。當電機連接至電源系統(tǒng)時，由于cosφ 控制器安裝在磁場電流閉環(huán)控制系統(tǒng)中，此時cosφ可以作為一個與負載無關(guān)的常數(shù)，既恒功率因數(shù)控制，保持在設(shè)定的數(shù)值上（0.9 超前）以提高燒結(jié)分廠電力系統(tǒng)的功率因數(shù)（約為0.96 滯后）。

4 結(jié)論

同步電動機變頻啟動控制系統(tǒng)是大型同步電動機的理想啟動設(shè)備，此套變頻軟起動系統(tǒng)有以下優(yōu)點： 1）電流逐步上升無沖擊，起動過程平穩(wěn)，對電網(wǎng)、機械設(shè)備、電動機無損害，起動時間可調(diào)的優(yōu)點；2）系統(tǒng)具有縱聯(lián)差動、過負荷、單相接地、失步保護及防止非同步?jīng)_擊的斷電失步保護等保護功能，保證電動機的可靠運行；3）起動可靠性高，運行穩(wěn)定，一次起動成功率高達98%。綜上所述，同步電動機變頻啟動控制系統(tǒng)在梅鋼燒結(jié)分廠應(yīng)用良好，故障率極低，有著很強的實用價值。

[1]朱海云，同步電機的調(diào)頻同步起動.中國設(shè)備工程.

[2]許容，劉鵬飛.同步電機變頻起動策略研究.中國科技信息.

[3]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊.冶金工業(yè)出版社.