1 引言

　　大型高爐煉鐵鼓風(fēng)機采用超大型同步電動機傳動取代透平傳動，已成為當(dāng)今世界煉鐵裝備發(fā)展的趨勢。這得益于電力電子技術(shù)及微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，成功地利用交-直-交變頻器。解決了超大型同步電動機的軟啟動問題，平滑啟動功率只需電動機功率的25%左右，從而避免了同步機異步啟動時對電網(wǎng)難以承受的沖擊。平滑的啟動過程經(jīng)過200s左右將加速到準(zhǔn)同步速度即95%額定轉(zhuǎn)速ne，然后并入電網(wǎng)，拉入同步運行。
　　2003年5月鞍鋼第一臺電動鼓風(fēng)機順利并網(wǎng)運行，為新1#高爐送風(fēng)。風(fēng)機的驅(qū)動電動機為超大型同步電動機，其額定功率為42MW，電機啟動采用變頻器軟啟動，控制系統(tǒng)采用SIMADYN D計算機控制系統(tǒng)。SIMADYN D是西門子變頻器的核心技術(shù)。新1#高爐鼓風(fēng)機同步電動機與啟動變頻器是一拖一的方式，而最近將投入運行的新2#、3#高爐是采用一拖二的方式。即一臺變頻器可以拖動兩臺同步電動機分時啟動。鞍鋼引進的這套西門子變頻器軟啟動裝置是西門子公司新的版本，其硬件及其軟件技術(shù)水平較國內(nèi)其它鋼鐵企業(yè)引進的同類的設(shè)備有較大的提高。
　　學(xué)習(xí)和掌握這些相關(guān)的技術(shù)對生產(chǎn)維護和今后的發(fā)展有著極其重要的現(xiàn)實意義。
　　2 變頻器的技術(shù)數(shù)據(jù)及其組成
　　用于超大型同步電動機軟起動的交－直－交電流型變頻器原理圖如附圖所示。
　　2.1 主要技術(shù)數(shù)據(jù)
　　(1) 額定電壓:2×2.9kV，3相
　　電壓波動范圍:＋10%~-10%;
　　(2) 額定頻率: 50Hz±2%;
　　(3) 直流環(huán)節(jié)功率:2×4.8MW;
　　(4) 頻率控制范圍:1:10;
　　(5) 正常運行環(huán)境溫度:＋5℃~40℃;
　　(6) 正常環(huán)境溫度情況下，可連續(xù)3次啟動，第4次間隔60min。
　　2.2 變頻器及其功率部分
　　主要包括:
　　(1) 進線側(cè)的整流器和電機側(cè)的逆變器，使用的都是6QC7全控三相橋;
　　(2) 變頻器的整流側(cè)與逆變側(cè)都無熔斷器;
　　(3) 晶閘管用光纖間接觸發(fā)，每個晶閘管都有反饋信號;
　　(4) 逆變器側(cè)裝有LEM的電子互感器(在各頻率范圍內(nèi)都有高精度的直流電流互感器);
　　(5) 直流環(huán)節(jié)的電抗器具有足夠大的電感量，用以降低電流的紋波和限制電流變化率;
　　(6) 在變頻器的進線和出線端都裝有過電壓限制器;
　　(7) 啟動變頻變壓器，為與電網(wǎng)電壓和電機電壓有一個優(yōu)化的匹配，需在變頻器的輸入與輸出端配置變頻變壓器，其中:
　　降壓變壓器(進線側(cè))，樹脂澆注干式三繞組變壓器，11400kVA，10.0kV/2×2.9kV，50Hz，Uk≤13.5%;
　　升壓變壓器(電機側(cè))，樹脂澆注干式三繞組變壓器，11400kVA，2×2.9kV/10.0kV，50Hz，Uk=8.5%。
　　系統(tǒng)的控制器使用的SIMADYN D控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個全數(shù)字化可自由配置帶多微機系統(tǒng)，專門用于系統(tǒng)的計算和快速的開閉環(huán)控制。
　　3 同步電動機軟啟動原理
　　同步電動機軟啟動原理是采用交－直－交變頻技術(shù)。變頻設(shè)備為電流型，即在直流環(huán)節(jié)有一個較大電感的直流電抗器，既有濾波功能又能當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生短路故障時，由于電抗器的存在，電流不會發(fā)生突變，而電流調(diào)節(jié)器會迅速響應(yīng)，使整流電路的晶閘管觸發(fā)角后移，電流將被限制在安全范圍內(nèi)。
　　由于電源采用三相橋式整流電路，逆變器輸出電流的諧波成份很大，會引起電機額外的發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩的脈動。另外變頻裝置還會產(chǎn)生較大的共模電壓，進而影響電機的絕緣。為解決上面問題，該系統(tǒng)采用12脈沖整流技術(shù)。
　　在軟啟動過程中，還采用了直流脈動技術(shù)。同步電動機的轉(zhuǎn)子中由于外加勵磁電流，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時電機定子中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，當(dāng)這個電勢反向作用于逆變側(cè)的晶閘管時，晶閘管會關(guān)斷，利用這個電勢就可實現(xiàn)逆變晶閘管的自然換相。但是在當(dāng)電機轉(zhuǎn)速很低時(例如5%ne以下)，電機的定子電勢很低，不能使晶閘管關(guān)斷實現(xiàn)自然換相。為了解決這個問題，采用了直流脈動技術(shù)。也就是說電動機啟動初期，電機轉(zhuǎn)速低于5%ne期間，當(dāng)逆變器的晶閘管需要換相時，設(shè)法使逆變器的電流降低到零，使逆變器的晶閘管暫時全部關(guān)斷，然后將根據(jù)觸發(fā)的順序給應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管加上脈沖?；謴?fù)直流電流時，電流將按觸發(fā)的順序流經(jīng)新導(dǎo)通的晶閘管，從而實現(xiàn)從一相到另一相的換相。由于逆變器晶閘管順序?qū)?，直流電流順序地流過電動機定子的相應(yīng)繞組，并產(chǎn)生合成磁場，這樣繞組電流不斷的變化必將在電機中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度由逆變器的觸發(fā)周期確定，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達到5%ne以上時，電機定子產(chǎn)生的電勢足夠大時，逆變器的晶閘管采用自然換相，這樣電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩將使電機繼續(xù)不斷地提高轉(zhuǎn)速，一直到95%ne時，電機將并網(wǎng)拉入同步(符合并網(wǎng)條件時)。變頻器退出系統(tǒng)，從而實現(xiàn)同步電機的軟啟動。
　　采用軟啟動技術(shù)，必須在電機空載下啟動并網(wǎng)。所需功率只有9000kW左右，遠遠小于異步啟動和額定功率(42000kW)，所以對電網(wǎng)沖擊很小。
　　在消化有關(guān)資料中得知:如果在同步切換瞬間，由于電網(wǎng)壓降原因造成電機失步而切換失敗，變頻器有能力在任何轉(zhuǎn)速情況下，再次“抓住”電機，使之加速到同步，直至切換成功。
　　在正常運行期間，如果勵磁存在，由于短時過載或10kV電壓丟失，造成電機失步超200ms，變頻器將從勵磁控制器得到信號而第自動再啟動，并有能力在任何轉(zhuǎn)速情況下“抓住”電機轉(zhuǎn)子使之加速并同步直至切換到電網(wǎng)。
　　以上兩點對高爐安全連續(xù)的送風(fēng)是十分內(nèi)必要的。
　　4 軟啟動器的控制
　　4.1 軟起動控制原理及過程
　　軟啟動SIMADYN D數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用矢量原理，并通過系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)控制來實現(xiàn)對軟啟動過程的控制，采用失量控制方式的目的，主要是為了提高變頻器的動態(tài)性能。根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換的手段，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量(電流)和轉(zhuǎn)矩分量(電流)，并分別加以控制，即模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，即對磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制，以獲得類似于直流電機調(diào)速的動態(tài)性能。
　　在矢量控制方式中，磁場電流實際值和轉(zhuǎn)矩電流實際值可以根據(jù)測定的電機定子電壓、和電流的實際值經(jīng)變換計算求得。磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流的實際值與之相應(yīng)的設(shè)定值進行比較和調(diào)節(jié)。
　　開環(huán)控制包括:電機速度≤5%額定轉(zhuǎn)速時控制;開、合短路器的控制;壓力、溫度、各種保護連鎖之間的邏輯控制。
　　閉環(huán)控制包括:電流控制與速度控制;系統(tǒng)的設(shè)計成帶電流閉環(huán)控制的速度環(huán)控制，即雙閉環(huán)系統(tǒng);通過控制電源側(cè)的整流器，電機流過相應(yīng)的電流，以獲得保持電機轉(zhuǎn)矩所需的力矩。
　　電機定子通過逆變器流入方波電流。電機轉(zhuǎn)子中通過磁場電流，由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生空間變化的磁場，在電機定子中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。在低轉(zhuǎn)速時，勵磁電流保持不變，定子電壓只與轉(zhuǎn)速成正比。為了確定定子電流的順序(逆變器晶閘管觸發(fā)的順序)，定子電壓被測量(絕對值、相角)，然后產(chǎn)生逆變器的觸發(fā)脈沖，逆變器自然換相，換相電壓由同步機提供。在0~5%額定轉(zhuǎn)速時，電機電壓很低，不能實現(xiàn)自然換相，為保證逆變器可靠的換相，采用直流脈動技術(shù)。周期地將直流環(huán)節(jié)電流降低到零，逆變器晶閘管按設(shè)定值周期地觸發(fā)，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機電壓較高時，就可以實現(xiàn)自然換相。逆變器的晶閘管從一相到另外一相的觸發(fā)信號由同步電壓獲得。同步電機電壓過零點被測量，并作為電機側(cè)逆變器的觸發(fā)信號。這樣也保證了電機側(cè)逆變器的晶閘管觸發(fā)永遠與電機電壓同步，以使同步機始終保持同步。當(dāng)電機的實際速度小于設(shè)定的速度時，速度檢測器將輸出信號到電流控制器，電流控制器改變整流器晶閘管的觸發(fā)角，增大輸出直流電流，電機轉(zhuǎn)矩增加，電機速度增加，直到電機的電磁力矩與負荷力矩平衡。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達到準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速時給同步器信號，同步器開始進行檢測，比較、當(dāng)滿足同步條件時，由同步器發(fā)出指令合上斷路器，同步電機并網(wǎng)，軟啟動器退出，完成軟啟動過程。
　　軟啟動開閉環(huán)控制都在SIMADYN D控制系統(tǒng)實現(xiàn)。全部控制功能文件安裝在八個處理器中，每個處理器執(zhí)行特定任務(wù)的功能包，功能包的功能用參數(shù)和STRUC G圖來定義。
　　4.2 功能包
　　SIMADYN D系統(tǒng)中還包括建立處理器與外圍設(shè)備通訊@—FP功能包。
　　(1) 模塊SE21.2:處理器PS16與電機側(cè)晶閘管的接口模塊，用來測量實際值與檢測值及晶閘管的狀態(tài);
　　(2) 模塊SE48.1:處理器PM16與電源側(cè)晶閘管的接口模塊，用來測量實際值以及晶閘管的狀態(tài);
　　(3)模塊SA60:同步模塊，用來測量電機電壓，經(jīng)計算產(chǎn)生脈沖的同步信號;
　　(4)模塊SAV22:觸發(fā)模塊，通過光纖與晶閘管連接(實現(xiàn)控制設(shè)備與高壓設(shè)備隔離)，給晶閘管觸發(fā)信號，同時用光信號可對晶閘管狀態(tài)進行監(jiān)視;
　　(5) P1(PM16):完成速度的閉環(huán)控制和相應(yīng)相序控制;
　　(6) P2、P3(PG16):進行電源側(cè)的晶閘管的閉環(huán)控制;
　　(7) P4(PS16):進行電機側(cè)晶閘管的控制;
　　(8) P5、P6(PM16)完成啟動過程的診斷;
　　(9) P7、P8(PM16):進行可控硅的狀態(tài)診斷;
　　(10) CS7:通訊模塊;
　　(11) EM11:模擬、數(shù)字量混合輸入輸出;
　　(12) EA12:模擬量輸出。
　　(13) TS12:觸發(fā)模塊。
　　4.3 電機啟動過程的順序控制
　　(1) 檢測主機與輔機設(shè)備開機條件;
　　(2) 由DCS發(fā)出開機命令給S7-300(電機運行PLC);
　　(3) S7-300發(fā)啟動命令給SIMADYN D;
　　(4) SIMADYN D合啟動升降變壓器斷路器;
　　(5) 檢測斷路器已合上;
　　(6) 開閉環(huán)控制;
　　(7) 加勵磁;
　　(8) 檢查勵磁是否正常;;
　　(9) 發(fā)啟動的觸發(fā)脈沖信號;
　　(10) 電源側(cè)晶閘管加觸發(fā)脈沖;
　　(11) 電機側(cè)晶閘管加觸發(fā)脈沖;
　　(12) 同步器檢測同步;
　　(13) 同步后，由同步器發(fā)出入網(wǎng)命令。
　　5 勵磁系統(tǒng)
　　電動鼓風(fēng)機的同步電動機采用它勵的無刷勵磁，勵磁電源取自380V低壓工作電源，經(jīng)低壓變頻器變?yōu)榭烧{(diào)的交流電源輸入到勵磁的電機定子中，勵磁機轉(zhuǎn)子與同步電機轉(zhuǎn)子同軸，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)二級管與同步機轉(zhuǎn)子勵磁繞組相連接，為轉(zhuǎn)繞組提供直流勵磁電流。
　　勵磁電流的控制，在軟啟動期間由 SIMADYN D系統(tǒng)控制，并網(wǎng)后由S7-300控制，在啟動期間，應(yīng)保持較大的勵磁電流，目的是使電機不失步，同時在電機定子中產(chǎn)生較大的電壓，以便能正確測量電機轉(zhuǎn)速，從而完成軟啟動的閉環(huán)控制。并網(wǎng)后，勵磁的控制有三種方式:恒勵磁電流控制、恒電機電壓控制、恒功率因數(shù)控制。為保證電機不失步，在正常運行時，電機勵磁也應(yīng)采用恒功率因數(shù)控制。
　　6 結(jié)束語
　　自投產(chǎn)以來，高爐鼓風(fēng)機都是一次啟動成功并連續(xù)運轉(zhuǎn)，整個啟動過程與正常運轉(zhuǎn)時一樣，電機電磁噪聲與振動都很小，另外系統(tǒng)的監(jiān)控功能齊全，人機界面友好，增強了系統(tǒng)的可靠性。自投產(chǎn)以來，從未發(fā)生因電機控制系統(tǒng)故障而影響生產(chǎn)的情況。