TMEIC高壓變頻器在五礦營口高爐鼓風機軟啟動的應用
關鍵詞： 高壓變頻 高爐鼓風機 同步電機
摘要：本文介紹了東芝三菱電機工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司以下簡稱（TMEIC）生產(chǎn)的大功率高壓變頻器，在高爐鼓風機軟啟動上的應用。尤其是分別驅(qū)動同步電機和異步電機。并簡要介紹了該變頻器的特點。
1 引言：
五礦營口中板有限責任公司成立于1972年，前身為營口中板廠，2002年后改制為由五礦發(fā)展股份有限公司控股、國內(nèi)著名鋼鐵聯(lián)合企業(yè)日照鋼鐵控股集團參股的股份制企業(yè)。擁有燒結(jié)、球團、煉鐵、煉鋼、軋鋼、發(fā)電等整套現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)工藝流程及相關配套設施，是國內(nèi)高端寬厚板材和線材的重要生產(chǎn)企業(yè)。
煉鐵的主要工藝設備有： 4座450m3高爐，2座2350m3高爐。高爐的鼓風機由陜鼓生產(chǎn)。高爐鼓風機采用1套GE的22MW/10kV的同步電機，和2套上電的28MW/10kV的異步電機，鼓風機的軟啟動采用高壓變頻軟啟動系統(tǒng)，并利用同期切換技術，分別啟動三套鼓風機。
由于3套鼓風機不要求同時起動，因此可利用一套高壓變頻軟起系統(tǒng)，來分別起動3套鼓風機系統(tǒng)。
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2 設備簡述：
2.1 上海電機廠的異步電機參數(shù)：
額定電壓：10KV
額定電流：1799A
額定功率：28000KW
額定轉(zhuǎn)速：1490rpm
數(shù)量：2臺
2.2 GE的同步電機參數(shù)：
額定電壓：10KV
額定電流：1433A
額定功率：22000KW
額定轉(zhuǎn)速：1500rpm
數(shù)量：1臺
2.3啟動方式：采用變頻軟啟動，同期切換。啟動時先關閉風門，鼓風機輕載啟動。變頻器帶電機和風機啟動后加速到50Hz。然后檢測變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓并進行比較，在變頻器輸出電壓和和電網(wǎng)電壓同頻率，同電壓，同相位和同相序的條件下，先合旁路開關，后停變頻器，最后再斷變頻器輸出開關。真正實現(xiàn)完全無擾動的切換。
2.4 變頻器設備簡述：
變頻器品牌和型號：TMEIC-TMdrive-MVGC-SS高壓變頻器，
額定輸入電壓：10KV，
額定輸出電壓：0-10KV
額定電流：525A，
額定容量：9000KVA，
過載能力：125%-1分鐘，間隔10分鐘。
3．變頻器的系統(tǒng)結(jié)構：
3.1變頻器由輸入變壓器，變頻單元及控制系統(tǒng)三部分所組成。主電路拓撲結(jié)構采用多電平串聯(lián)技術，每相采用8個單元串聯(lián)，三相共24個單元,48脈沖整流。變壓器采用H級絕緣的移相整流變壓器，可靠性極高。變壓器的副邊有24個低壓繞組，分別給三相的24個單元供電。變頻器的主電路拓撲結(jié)構原理和單元的原理圖如下所示：
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3.2變頻單元實際上是一臺三相輸入、單相輸出720V的低壓變頻器，開關器件采用三菱公司生產(chǎn)A級IGBT，耐溫等級150℃，具有開關損耗小，導通壓降低，熱阻小的特點。因此發(fā)熱量低，效率高，耐過熱能力強。單元的過熱保護為100℃。因此不易過熱保護。并特別注意電容和單元控制板的冷卻散熱，使單元控制板的溫度降低，減少故障概率。
3.3 變頻器有帶電抗器的預充電電路，充電電流小于額定電流。因此完全沒有變壓器上高壓電時的激磁涌流，降低了通過整流二極管對電容器的充電電流，減少對系統(tǒng)和電網(wǎng)的電流沖擊，也減少了對變壓器的沖擊。延長單元內(nèi)部整流二極管及電容的使用壽命。由于電壓高，即使充電電流小，但充電功率大，因此充電時間短。上高壓時完全沒有對電網(wǎng)的沖擊電流。
3.4 由于這種軟啟動時是同期切換，完全無擾動切換。因此對鼓風機沒有任和機械沖擊。這種軟啟動系統(tǒng)，對電網(wǎng)和對設備都沒有任何沖擊，可以頻繁地軟啟動和停止，不受啟動次數(shù)的限制。因此可以分別啟動多臺電機。
4.本項目的軟啟動控制難點，是有兩種不同的類型電機，既有異步電機，也有同步電機，而且功率不同，控制邏輯也不同。
4.1 變頻器帶異步機運行時，根據(jù)頻率調(diào)節(jié)電壓，電機的勵磁電流和磁通由電壓決定，變頻器不需要控制電機的勵磁電流，相對比較簡單。但變頻器帶同步電機時，軟啟動階段，需要變頻器控制電機的勵磁電流，變頻器向電機勵磁柜發(fā)勵磁電流指令。勵磁柜按變頻器的勵磁電流指令提供勵磁電流。軟啟動結(jié)束后，電機投入到工頻運行，變頻器退出。勵磁柜按設定的功率因數(shù)和負載情況，自動調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，脫離變頻器的控制。
4.2兩種變頻器的控制邏輯完全不同，針對不同的電機，需要采用不同的控制邏輯。因此變頻器采用兩套控制器，可以切換。控制異步電機時用異步電機控制器，控制同步電機時用同步電機控制器。兩套控制器的切換由變頻器配套的PLC控制。按所要控制的電機選擇。
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5. 變頻軟啟動的系統(tǒng)圖如下：
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5.1軟啟系統(tǒng)原理介紹：整個軟啟系統(tǒng)原理圖如上圖所示（本圖僅供參考，勵磁柜沒有畫出）。包括如下設備：
（1）KG1，KG2，KG3為變頻器10KV輸入高壓開關。
（2）變頻器為TMEIC品牌TM drive-MVGC-SS系列高壓變頻器9000KA/10kv輸入10KV輸出，含有同步電機和異步電機2套控制器。啟動同步電機時，切換至同步電機控制器。啟動異步電機時，切換至異步電機控制器。
（3）輸出同步切換電抗器內(nèi)部已含。用于抑制切換時電網(wǎng)與變頻器輸出電壓之間的電壓差對變頻產(chǎn)生的電流沖擊。
（4） L1,V1,KG1,L2,V2,KG2,L3,KG3為高壓開關切換柜。
（5）M1為GE的10KV同步電機。M2，M3為上海電機廠的異步電機。
（6）啟動控制PLC對變頻器與外圍設備進行邏輯控制，實現(xiàn)多臺電機之間切換。
（7）25為外置同期控制裝置。結(jié)合外部的PT信號進行同期的判斷。變頻器同時還有內(nèi)部同期檢測功能，只有內(nèi)、外同時達到同期，才允許切換。可以避免外同期信號錯誤產(chǎn)生的誤切換，保證系統(tǒng)安全。實際是雙保險。
5.2 以啟動M1（同步電機）為例.
（1）確保M1空載起動，風機風門關閉。
（2）選擇M1起動，PLC切換到使用同步電機控制器。在得到上級允許信號后，合變頻器輸入開關KG1和輸出開關V1。變頻器輸出勵磁控制信號給勵磁柜，變頻器帶M1電機開始啟動。啟動時先進行磁極位置判斷，然后加速。變頻器的輸出頻率從0Hz逐步升到50Hz（升速時間可設定）。變頻器的輸出電壓開始逐漸上升，直到升到10KV，M1電機已經(jīng)開始在同步轉(zhuǎn)速下運行。
（3）在變頻器輸出達到50Hz以后，接受并網(wǎng)命令，變頻器調(diào)整其輸出，逐步達到輸出電壓和輸入電網(wǎng)電壓同頻、同相位。并自動調(diào)整變頻器輸出電壓幅值，使之與電網(wǎng)電壓幅值一致。在系統(tǒng)確認變頻器輸出和電網(wǎng)電壓同頻、同相、同幅值以后，PLC自動合電網(wǎng)旁路開關L1。
（4）由于這時電機的頻率和相位以及幅值和電網(wǎng)一致，合L1對電機和電網(wǎng)沒有任何沖擊（找同步及切換過程在10秒內(nèi)自動完成）。這時電機由變頻器和電網(wǎng)共同供電。收到并網(wǎng)切換成功的信號后，變頻器停止輸出，電機的負載由變頻器轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)。同時變頻器給勵磁柜發(fā)切換信號，勵磁無擾轉(zhuǎn)為工頻控制模式。最后PLC斷開V1，整個M1電機負載由電網(wǎng)承擔，電機M1起動完畢。
（5）啟動M2和M3異步電機時，和M1類似，只是PLC切換到使用異步電機控制器，沒有勵磁的環(huán)節(jié)，更加簡單。
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