TMEIC高压变频器在五矿营口高炉鼓风机软启动的应用
- 关键词：高压变频,高炉鼓风机,同步电机,异步电机,软启动
- 作者：吴自强、曾荻
- 摘要：本文介绍了东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司以下简称（TMEIC）生产的大功率高压变频器，在高炉鼓风机软启动上的应用。尤其是分别驱动同步电机和异步电机。并简要介绍了该变频器的特点。
1 引言：
五矿营口中板有限责任公司成立于1972年，前身为营口中板厂，2002年后改制为由五矿发展股份有限公司控股、国内著名钢铁联合企业日照钢铁控股集团参股的股份制企业。拥有烧结、球团、炼铁、炼钢、轧钢、发电等整套现代化钢铁生产工艺流程及相关配套设施，是国内高端宽厚板材和线材的重要生产企业。
炼铁的主要工艺设备有： 4座450m3高炉，2座2350m3高炉。高炉的鼓风机由陕鼓生产。高炉鼓风机采用1套GE的22MW/10kV的同步电机，和2套上电的28MW/10kV的异步电机，鼓风机的软启动采用高压变频软启动系统，并利用同期切换技术，分别启动三套鼓风机。
由于3套鼓风机不要求同时起动，因此可利用一套高压变频软起系统，来分别起动3套鼓风机系统。
2 设备简述：
2.1 上海电机厂的异步电机参数：
额定电压：10KV
额定电流：1799A
额定功率：28000KW
额定转速：1490rpm
数量：2台
2.2 GE的同步电机参数：
额定电压：10KV
额定电流：1433A
额定功率：22000KW
额定转速：1500rpm
数量：1台
2.3启动方式：采用变频软启动，同期切换。启动时先关闭风门，鼓风机轻载启动。变频器带电机和风机启动后加速到50Hz。然后检测变频器输出电压与电网电压并进行比较，在变频器输出电压和和电网电压同频率，同电压，同相位和同相序的条件下，先合旁路开关，后停变频器，最后再断变频器输出开关。真正实现完全无扰动的切换。
2.4 变频器设备简述：
变频器品牌和型号：TMEIC-TMdrive-MVGC-SS高压变频器，
额定输入电压：10KV，
额定输出电压：0-10KV
额定电流：525A，
额定容量：9000KVA，
过载能力：125%-1分钟，间隔10分钟。
3．变频器的系统结构：
3.1变频器由输入变压器，变频单元及控制系统三部分所组成。主电路拓扑结构采用多电平串联技术，每相采用8个单元串联，三相共24个单元,48脉冲整流。变压器采用H级绝缘的移相整流变压器，可靠性极高。变压器的副边有24个低压绕组，分别给三相的24个单元供电。变频器的主电路拓扑结构原理和单元的原理图如下所示：
3.2变频单元实际上是一台三相输入、单相输出720V的低压变频器，开关器件采用三菱公司生产A级IGBT，耐温等级150℃，具有开关损耗小，导通压降低，热阻小的特点。因此发热量低，效率高，耐过热能力强。单元的过热保护为100℃。因此不易过热保护。并特别注意电容和单元控制板的冷却散热，使单元控制板的温度降低，减少故障概率。
3.3 变频器有带电抗器的预充电电路，充电电流小于额定电流。因此完全没有变压器上高压电时的激磁涌流，降低了通过整流二极管对电容器的充电电流，减少对系统和电网的电流冲击，也减少了对变压器的冲击。延长单元内部整流二极管及电容的使用寿命。由于电压高，即使充电电流小，但充电功率大，因此充电时间短。上高压时完全没有对电网的冲击电流。
3.4 由于这种软启动时是同期切换，完全无扰动切换。因此对鼓风机没有任和机械冲击。这种软启动系统，对电网和对设备都没有任何冲击，可以频繁地软启动和停止，不受启动次数的限制。因此可以分别启动多台电机。
4.本项目的软启动控制难点，是有两种不同的类型电机，既有异步电机，也有同步电机，而且功率不同，控制逻辑也不同。
4.1 变频器带异步机运行时，根据频率调节电压，电机的励磁电流和磁通由电压决定，变频器不需要控制电机的励磁电流，相对比较简单。但变频器带同步电机时，软启动阶段，需要变频器控制电机的励磁电流，变频器向电机励磁柜发励磁电流指令。励磁柜按变频器的励磁电流指令提供励磁电流。软启动结束后，电机投入到工频运行，变频器退出。励磁柜按设定的功率因数和负载情况，自动调节励磁电流的大小，脱离变频器的控制。
4.2两种变频器的控制逻辑完全不同，针对不同的电机，需要采用不同的控制逻辑。因此变频器采用两套控制器，可以切换。控制异步电机时用异步电机控制器，控制同步电机时用同步电机控制器。两套控制器的切换由变频器配套的PLC控制。按所要控制的电机选择。
5. 变频软启动的系统图如下：
5.1软启系统原理介绍：整个软启系统原理图如上图所示（本图仅供参考，励磁柜没有画出）。包括如下设备：
（1）KG1，KG2，KG3为变频器10KV输入高压开关。
（2）变频器为TMEIC品牌TM drive-MVGC-SS系列高压变频器9000KA/10kv输入10KV输出，含有同步电机和异步电机2套控制器。启动同步电机时，切换至同步电机控制器。启动异步电机时，切换至异步电机控制器。
（3）输出同步切换电抗器内部已含。用于抑制切换时电网与变频器输出电压之间的电压差对变频产生的电流冲击。
（4） L1,V1,KG1,L2,V2,KG2,L3,KG3为高压开关切换柜。
（5）M1为GE的10KV同步电机。M2，M3为上海电机厂的异步电机。
（6）启动控制PLC对变频器与外围设备进行逻辑控制，实现多台电机之间切换。
（7）25为外置同期控制装置。结合外部的PT信号进行同期的判断。变频器同时还有内部同期检测功能，只有内、外同时达到同期，才允许切换。可以避免外同期信号错误产生的误切换，保证系统安全。实际是双保险。
5.2 以启动M1（同步电机）为例.
（1）确保M1空载起动，风机风门关闭。
（2）选择M1起动，PLC切换到使用同步电机控制器。在得到上级允许信号后，合变频器输入开关KG1和输出开关V1。变频器输出励磁控制信号给励磁柜，变频器带M1电机开始启动。启动时先进行磁极位置判断，然后加速。变频器的输出频率从0Hz逐步升到50Hz（升速时间可设定）。变频器的输出电压开始逐渐上升，直到升到10KV，M1电机已经开始在同步转速下运行。
（3）在变频器输出达到50Hz以后，接受并网命令，变频器调整其输出，逐步达到输出电压和输入电网电压同频、同相位。并自动调整变频器输出电压幅值，使之与电网电压幅值一致。在系统确认变频器输出和电网电压同频、同相、同幅值以后，PLC自动合电网旁路开关L1。
（4）由于这时电机的频率和相位以及幅值和电网一致，合L1对电机和电网没有任何冲击（找同步及切换过程在10秒内自动完成）。这时电机由变频器和电网共同供电。收到并网切换成功的信号后，变频器停止输出，电机的负载由变频器转移到电网。同时变频器给励磁柜发切换信号，励磁无扰转为工频控制模式。最后PLC断开V1，整个M1电机负载由电网承担，电机M1起动完毕。
（5）启动M2和M3异步电机时，和M1类似，只是PLC切换到使用异步电机控制器，没有励磁的环节，更加简单。
5.3 启动顺序逻辑图：
5.4 启动过程描述(M1)：
（1）保证高炉风机为空载起动，并且电动机冷却、润滑均正常。用户PLC发允许起动M1指令。软启PLC判断KG1及V1、V2、V3位置，如均处于分闸位置，发KG1及V1合闸指令。
（2）如果KG1及V1、V2、V3高压开关位置不正确，PLC发出报警指令，并且排除高压开关故障。
（3）变频器送高压后，发变频器准备好指令至用户PLC；PLC同时检测到KG1、V1闭合，并且KG1、V1、L1均正常（无报警及故障信号），PLC发出M1起动准备好信号至用户操作台。
5.5 起动M1：
（1）用户PLC发送变频器起动指令至软启PLC。变频器控制励磁柜开始起动，并且拖动电动机从0转速至额定转速，输出频率及电压也相应升至额定频率、额定电压。
（2）当变频器输出电压与电网电压同频、同相后，并检测内同期信号是否与外同期信号一致，变频器输出切换允许信号至PLC。如果电网电压与变频器输出电压偏差大，变频器自动调整输出电压，使之与电网电压一致，减少切换时的电流冲击。
（3）软启PLC确认内、外同期装置都发出同期信号后，且输出电压和电网电压幅值一致，则发指令合L1。软启PLC收到“L1”已合闸状态后，发出“切换完成”信号至用户PLC。软启PLC同时发变频器停止指令，励磁柜转为工频运行模式。变频器停止。同时，软启PLC清除“BYPON”同步切换指令。再断开变频器输出高压开关V1。
（4）软起PLC清除传递至VFD“变频器输出高压开关状态信号”，清除传递至VFD“工频高压开关状态信号”，准备下次启动。
6. 实际使用效果。
6.1营口#3异步机，母线电压 10520V 同步前波形。电压相位不一致。
6.2营口#3机 同步机，母线电压 10700V，同期时的波形。电压相位，幅值都一致。可以切换。
6.3变频器记录的加速到同期切换期间的内部各个波形。从启动到切换完成，总共用时5分钟。在内同步也发出同期信号时，旁路开关闭合，变频器停止，输出电压和电流立即降低为零，电机由电网供电运行。切换完成后断变频器输入开关，变频器输入电压（母线电压）降低到零。
7. 该设备的实际运行效果：从2012年开始运行到现在，已经3年，从未出过任何问题，也从未出现过误切换的现象。一致稳定运行可靠。TMEIC类似的软启动应用，在国内已经有几十台套的业绩。一拖二和一拖三的很多，最多做过一拖四。