同步機變頻起動系統在梅鋼的應用

楊春輝

上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠設備室，上海 210039

0 引言

上海梅山鋼鐵股份有限公司的新建4#、5#燒結機分別于2009 年5 月、2011 年12 月如期順利投產。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用西門子的GL150 型LCI（負載環流技術）變頻軟起動系統。每臺燒結機配兩臺主抽風機，一套變頻軟起動系統，正常情況下實現一拖二依次起動，在一套變頻軟起動系統故障的情況下，可以實現一拖四依次起動。

1 電動機及變頻器的選擇

燒結機主抽風機為豪頓公司L3N 3575.04.84 DBI／ST@ 1000rpm 型離心式恒轉速風機，主要參數如下表：

滿載轉矩（120℃風門全開） 59838Nm 起動轉矩 6520Nm風機轉動慣量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滿載轉矩（0℃風門全關） 37118Nm 風機轉速 1000rpm

由于在正常運行過程中不考慮調速，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點：1、硬的機械特性，轉速穩定；2、改善全廠功率因素；3、抗電網電壓擾動能力強（同步機轉矩T ∝U ,異步機轉矩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(ECS)控制。現在以1#主抽風機起動過程為例進行分析（如圖1 所示）：勵磁控制系統首先閉合與電機輸出側相連的斷路器(MBM1), 緊接著發出一個“START”信號到變頻器的控制系統，變頻控制系統起動它所有的外圍輔助設施，例如潤滑系統、冷卻系統等，并檢查它們是否就緒（運行信號、流量反饋及風門開度等）。在接收到所有關鍵的反饋信號后,變頻控制系統閉合與降壓變壓器相連的電源側斷路器(MBC1)。接著依照工程師預先設定好的加速轉矩曲線（分段起動加速轉矩方式，主要優點：加速度穩定，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。然后勵磁控制系統中的同步切換裝置接過電動機的速度控制功能，持續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）與公用電網上的相位角φ 和頻率（f=50Hz）一致。在電動機與電網同步之后, 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上以1000rpm 恒速運行。在閉合MBL1 的同一時刻, 經變頻器晶閘管整流輸出的直流電流將迅速降為零,并關斷逆變器的脈沖, MBM1 斷開。因為在整個起動過程中，始終是變頻器供電，所以在并網切換時沒有轉矩和電流的沖擊。這正是此套變頻軟啟動系統的優點之一，眾所周知，一些大功率的設備在直接起動時由于很大的沖擊電流和沖擊轉矩會對電網和設備造成影響，嚴重時造成電網電壓大幅度降低（和電網的短路容量及其它無功負荷有關）及對機械設備造成損壞。

3 變頻軟起動及勵磁控制部分技術特點

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。軟啟動數字控制系統應用LCI PROCESSOR 控制系統，是一個全數字自由編程多功能微機系統，可用于快速開環和閉環控制以及計算（控制方框圖見圖2）。為了提高變頻器的動態性能，系統采用技術先進矢量控制原理，并通過開環以及閉環控制來實現對啟動過程的精確控制。

1）開環控制部分。主要包括：電動機轉速在50rpm 以下時的控制；斷路器的開斷、關合控制；壓力、流量、溫度及其他保護聯鎖的邏輯控制；2）閉環控制系統。主要包括：速度環與電流環的控制；由圖2 可以看出，系統為電流內環，速度外環的雙閉環調節系統；3）整個起動過程是由勵磁柜來進行控制的，它根據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備，并命令變頻器開環控制系統起動它的輔助設備。在收到所有必要的輔助設備之后，勵磁系統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，并向變頻器開環控制系統發出起動命令。然后變頻器的開環控制系統閉合變頻變壓器的母線開關，起動變頻器閉環控制系統以及磁場電流閉環控制系統。在激活觸發脈沖之后，立即起動變頻器的閉環控制系統，接著檢測轉子位置的程序也開始工作。當電動機轉速在50rpm 以下時，磁場電流為轉速與電樞電流的函數。變頻器中的同步裝置可以將電機的頻率和電壓與電網的頻率電壓進行分析比較。當起動轉速達到以后，系統輸出脈沖，根據比較分析結果的大小以增加或者減少頻率和電壓。根據頻率脈沖可以導出一個速度設定值，并被傳送到變頻器閉環控制系統以及參與磁場電流的調整。一旦系統電壓和電機電壓的絕對值和相位一致，自動同步裝置將產生一個并網脈沖，傳送至勵磁系統。并封鎖磁場電流的初始值，并由勵磁柜將電網系統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出“關閉”指令。現在電機轉速即為由電網供電的同步速。然后勵磁系統將停止變頻器的饋電，并斷開變頻升壓及降壓變壓器兩側的斷路器。在接收到“斷開”狀態反饋信號時，變頻器與勵器柜間的邏輯分工將被終止。現在變頻器處于準備再次運行狀態。

在與電源系統的同步完成之后，驅動系統通過勵磁柜進行監控包括所有電機的保護功能。當電機連接至電源系統時，由于cosφ 控制器安裝在磁場電流閉環控制系統中，此時cosφ可以作為一個與負載無關的常數，既恒功率因數控制，保持在設定的數值上（0.9 超前）以提高燒結分廠電力系統的功率因數（約為0.96 滯后）。

4 結論

同步電動機變頻啟動控制系統是大型同步電動機的理想啟動設備，此套變頻軟起動系統有以下優點： 1）電流逐步上升無沖擊，起動過程平穩，對電網、機械設備、電動機無損害，起動時間可調的優點；2）系統具有縱聯差動、過負荷、單相接地、失步保護及防止非同步沖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在梅鋼燒結分廠應用良好，故障率極低，有著很強的實用價值。

[1]朱海云，同步電機的調頻同步起動.中國設備工程.

[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]鋼鐵企業電力設計手冊.冶金工業出版社.