張家強(qiáng)，張洪明，李進(jìn)軍

（內(nèi)蒙古包頭市包頭鋼鐵（集團(tuán)）公司煉鐵廠，內(nèi)蒙古包頭014010）

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(wú)功功率交換，所以在中間直流回路中要有緩沖無(wú)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(guò)電容器儲(chǔ)存電場(chǎng)能，在電壓波谷較低時(shí)，電容器通過(guò)釋放電場(chǎng)能來(lái)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(guò)電抗器儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，在電流波谷較小時(shí)，電抗器通過(guò)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(wú)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(wú)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(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。因?yàn)榉答仧o(wú)功能量時(shí)電流要反相，所以開(kāi)關(guān)器件兩端需要反并聯(lián)。以上為兩種不同類(lèi)型變頻器的工作特點(diǎn)[1]。

2 空冷型完美無(wú)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(lái)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(guò)檢測(cè)的電機(jī)電壓及估算的定子電阻壓降來(lái)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(guò)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(guò)不同的控制軟件模塊的修改后送到調(diào)制板中。通過(guò)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(wú)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(kāi)通或關(guān)斷時(shí)，電機(jī)將吸收過(guò)多的無(wú)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(kāi)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(lái)得到轉(zhuǎn)速的方式。而是通過(guò)轉(zhuǎn)子在定子繞組上感應(yīng)出的電壓來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(mén)子高壓變頻器分別是對(duì)應(yīng)3#高爐的西門(mén)子GL150電流源變頻器及對(duì)應(yīng)5#高爐的西門(mén)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(mén)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(wèn)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(mén)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(mén)子電機(jī)廠制造。

在實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程中，先通過(guò)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(kāi)關(guān)柜聯(lián)鎖；同理，通過(guò)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(guò)啟動(dòng)、加速、并網(wǎng)的控制。整個(gè)并網(wǎng)過(guò)程由新增高壓變頻器系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)柜應(yīng)配置過(guò)電壓和過(guò)流速斷等的綜保。整套新增系統(tǒng)應(yīng)具備過(guò)電壓，過(guò)電流，欠電壓，缺相，變頻器、電機(jī)過(guò)載和過(guò)熱，輸出接地及短路等保護(hù)功能。

4.3 控制系統(tǒng)改造

為確保現(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(wú)刷勵(lì)磁控制系統(tǒng)，與原有的勵(lì)磁系統(tǒng)分開(kāi)，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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)，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(guò)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。