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(dāng)前鋼鐵行業(yè)中軋機(jī)機(jī)組通常是幾個(gè)機(jī)架集中傳動(dòng)，主傳動(dòng)同步電機(jī)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(jī)同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速中應(yīng)用比較廣泛。LCI傳動(dòng)系統(tǒng)是Load Commutated inverter for the Drive System of Synchronous Motor的縮寫，稱為負(fù)載換向電流型逆變器，它是利用作為負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)端電壓實(shí)現(xiàn)晶閘管換流的，不需要采取復(fù)雜的強(qiáng)制晶閘管關(guān)斷的措施，電路簡(jiǎn)單，元器件少，環(huán)流可靠，且維護(hù)量低，其原理圖見圖1。

圖1 LCI負(fù)載換流同步電機(jī)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(jī)組同步電機(jī)采用LCI傳動(dòng)，主電機(jī)為雙繞組同步電機(jī)，功率為5500 kW，電機(jī)型號(hào)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(lì)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(hào)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(gè)檔位，一次側(cè)角接，二次側(cè)一個(gè)繞組角接，一個(gè)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(yán)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(duì)精軋機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)線電壓，真正捕捉到發(fā)生過流故障時(shí)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。通過趨勢(shì)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)進(jìn)線電壓和精軋機(jī)傳動(dòng)電流波動(dòng)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，在10 kV進(jìn)線電壓降低時(shí)，電流對(duì)應(yīng)升高：10 kV電壓從103%波動(dòng)下降到95%時(shí)，LCI直流側(cè)電流從90%波動(dòng)上升到125%，精軋機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?046 r/min降到1044 r/min；當(dāng)10 kV電壓從103%波動(dòng)下降到92%時(shí)，LCI直流側(cè)電流從90%波動(dòng)上升到150%，精軋機(jī)電流保護(hù)跳閘（電流過載保護(hù)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(jī)電流趨勢(shì)，軋制φ8和φ12時(shí)，φ8比φ12電流高10%左右，精軋機(jī)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(shí)，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(jī)械方面

LCI裝置報(bào)過流故障，復(fù)位后就可正常轉(zhuǎn)車。查找電機(jī)繞組溫度趨勢(shì)、振動(dòng)趨勢(shì)均正常，排除機(jī)械原因?qū)е鹿收咸嚒?/p>

1.2.3 電氣方面

（1）若電機(jī)編碼器檢測(cè)信號(hào)不準(zhǔn)，對(duì)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(gè)原因，將測(cè)速編碼器傳輸信號(hào)全程屏蔽，有效避免干擾，用示波器采集速度波形，信號(hào)正常。

（2）用接地電阻測(cè)試儀測(cè)試精軋機(jī)傳動(dòng)柜接地電阻，確認(rèn)接地情況。經(jīng)測(cè)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(cè)量電機(jī)的絕緣阻值，阻值符合要求，且主電機(jī)采用防軸流電流設(shè)計(jì)、全阻尼繞組設(shè)計(jì)，能有效改善換流特性，縮短變流器的負(fù)載換流時(shí)間。排除電機(jī)本身原因。

（4）晶閘管主要參數(shù)為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM8 kV、反向重復(fù)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(jī)同步電機(jī)電壓等級(jí)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(hù)值設(shè)定為150%，符合要求。

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

（6）外網(wǎng)電壓的波動(dòng)：

①精軋機(jī)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(jí)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(jí)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(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)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(shì)來分析，當(dāng)二高線LCI變壓器的一次側(cè)10 kV進(jìn)線電壓波動(dòng)下降的幅度低于10%時(shí)，電流調(diào)節(jié)器對(duì)于進(jìn)線電壓的波動(dòng)通過電流反饋可以得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，負(fù)載電流增幅在10%左右，此時(shí)晶閘管可正常逆變；但當(dāng)進(jìn)線電壓波動(dòng)下降的幅度高于10%時(shí)，負(fù)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(hù)跳車。

③LCI調(diào)速系統(tǒng)采用同步電機(jī)過激磁時(shí)定子電流超前電壓的特性，使變流器的晶閘管靠同步電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)自然換流。在負(fù)載換流同步電機(jī)中，只要轉(zhuǎn)子有激磁電流并在空間旋轉(zhuǎn)，就會(huì)在電樞繞組中感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)。由同步電機(jī)LCI換相理論可知，晶閘管承受反向電壓時(shí)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(jī)負(fù)載時(shí)的換流超前角，δ為同步電機(jī)的功角，μ為換流重疊角（隨負(fù)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(gè)范圍，將換流失敗，造成晶閘管短路[1]。

④查找LCI上級(jí)供配電系統(tǒng)，LCI所在的上級(jí)35 kV母線上帶有22 000 kW的精煉爐一臺(tái)，經(jīng)查找核對(duì)精煉爐空載合閘時(shí)刻、LCI裝置過流跳車時(shí)刻的PDA歷史趨勢(shì)記錄，在精煉爐變壓器空載合閘時(shí)將35 kV母線電壓拉低，最大降幅達(dá)12%左右。按照崗位作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，崗位人員在進(jìn)行滑電極操作時(shí)，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?fàn)顟B(tài)過渡到運(yùn)行狀態(tài)。變壓器空載接入電網(wǎng)的合閘過程實(shí)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(yán)重的情況下，鐵芯主磁通將達(dá)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(lì)磁電流數(shù)值很大，可超過穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流的幾十甚至百倍，可達(dá)額定電流的6～8倍[2]，由此會(huì)引起母線電壓的降落。此理論分析驗(yàn)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(bǔ)償需要500 ms時(shí)間，無法對(duì)精煉爐變壓器空載合閘引起的壓降進(jìn)行快速補(bǔ)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(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制原理，在LCI裝置進(jìn)線電壓降低幅度過高時(shí)，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(shì)必會(huì)使電流增大，換流剩余角隨之減小。在負(fù)載電流增幅超過一定幅度時(shí)，將導(dǎo)致LCI換流剩余角降至10°以下，進(jìn)而引起晶閘管逆變失敗，晶閘管短路過流。對(duì)LCI所在上級(jí)35 kV母線的負(fù)荷進(jìn)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(duì)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。