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大型高爐鼓風機同步電動機軟啓動及其控制技術
作者:山东西子電機 发布日期:2019-07-26 17:28

  

  
  
  
  
  
  
  

1 引言
大型高炉炼铁鼓风机采用超大型同步电动机传动取代透平传动,已成为当今世界炼铁装备发展的趋势。这得益于电力电子技术及微电子技术、计算机技术的发展,成功地利用交-直-交变频(frequency conversion)器。解决了超大型同步电动机的软启动问题,平滑启动功率只需电动机功率的25%左右,从而避免了同步机异步启动时对电网难以承受的冲击。平滑的启动过程经过5月鞍钢第一台电动鼓风机顺利并网运行,为新1#高炉送风。风机的驱动电动机为超大型同步电动机,其额定功率为42mw,电机启动采用变频器软启动,控制系统采用simadyn d计算机控制系统。simadyn d是西门子变频器的核心技术。新1#高炉鼓风机同步电动机与启动变频器是一拖一的方式,而最近将投入运行的新2#、3#高炉是采用一拖二的方式。即一台变频器可以拖动两台同步电动机分时启动。鞍钢引进的这套西门子变频器软启动装置是西门子公司新的版本,其硬件及其软件技术水平较国内其它钢铁企业引进的同类的设备有较大的提高。
  學習和掌握這些相關的技術對生産(Produce)維護和今後的發展有著極其重要的現實意義。
2 变频器的技术数据及其组成
  用于超大型同步电动机软起动的交-直-交电流型变频器(Variable-frequency Drive)。
  2.1 主要技术数据
  (1) 额定电压:2×2.9kv,3相电压波动范围:+10%~-10%;
  (2) 额定频率(frequency): 50hz±2%;
  (3) 直流环节功率:2×4.8mw;
  (4) 频率控制范围:
  1:10;
  (5) 正常运行环境温度:+5℃~40℃;
  (6) 正常环境温度情况下,可连续3次启动,第4次间隔60min。
  2.2 变频(frequency conversion)器及其功率部分
  主要包括:
  (1) 进线侧的整流器和电机侧的逆变器,使用的都是6qc7全控三相桥;
  (2) 变频器的整流侧与逆变侧都无熔断器;
  (3) 晶闸管用光纤间接触发,每个晶闸管都有反馈信号;
  (4) 逆变器侧装有lem的电子互感器(在各频率(frequency)范围内都有高精度的直流电流互感器);
  (5) 直流环节的电抗器具有足够大的电感量,用以降低电流的纹波和限制电流变化率;
  (6) 在变频(frequency conversion)器的进线和出线端都装有过电压限制器;
  (7) 启动变频变压器(Transformer),为与电网电压和电机电压有一个优化的匹配,需在变频器的输入与输出端配置变频变压器,其中:
  降壓變壓器(進線側),樹脂澆注幹式三繞組變壓器,11400kva,10.0kv/2×2.9kv,50hz,uk≤13.5%;
  升壓變壓器(電機側),樹脂澆注幹式三繞組變壓器,11400kva,2×2.9kv/10.0kv,50hz,uk=8.5%。
  系统的控制器使用的simadyn d控制系统,该系统是一个全数字化可自由配置带多微机系统,专门用于系统的计算和快速的开闭环控制。
3 同步电动机软启动原理
  同步電動機軟啓動原理是采用交-直-交變頻技術。變頻設備爲電流型,即在直流環節有一個較大電感的直流電抗器,既有濾波功能又能當逆變側發生短路故障時,由于電抗器的存在,電流不會發生突變,而電流調節器會迅速響應,使整流電路的晶閘管觸發角後移,電流將被限制在安全範圍內。
  由于电源采用三相桥式整流电路,逆变器输出电流(Electron flow)的谐波成份很大,会引起电机额外的发热和转矩的脉动。另外变频装置还会产生较大的共模电压,进而影响电机的绝缘。为解决上面问题,该系统采用12脉冲整流技术。
  在软启动过程中,还采用了直流脉动技术。同步电动机的转子中由于外加励磁电流,在转子转动时马达定子中将产生感应电势,当这个电势反向作用于逆变侧的晶闸管时,晶闸管会关断,利用这个电势就可实现逆变晶闸管的自然换相。但是在当电机转速很低时(例如5%ne以下),电机的定子电势很低,不能使晶闸管关断实现自然换相。为了解决这个问题,采用了直流脉动技术。也就是说电动机启动初期,电机转速低于5%ne期间,当逆变器的晶闸管需要换相时,设法使逆变器的电流降低到零,使逆变器的晶闸管暂时全部关断,然后将根据触发的顺序给应导通的晶闸管加上脉冲。恢复直流电流时,电流将按触发的顺序流经新导通的晶闸管,从而实现从一相到另一相的换相。由于逆变器晶闸管顺序导通,直流电流顺序地流过电动机定子的相应绕组,并产生合成磁场,这样绕组电流不断的变化必将在电机中产生一个旋转磁场,带动转子旋转,转子旋转的速度由逆变器的触发周期确定,当电机转速达到5%ne以上时,电机定子产生的电势足够大时,逆变器的晶闸管采用自然换相,这样电机转子产生的启动转矩将使电机继续不断地提高转速,一直到95%ne时,电机将并网拉入同步(符合并网条件时)。变频(frequency conversion)器退出系统,从而实现同步电机的软启动。
  采用軟啓動技術,必須在電機空載下啓動並網。所需功率只有9000kw左右,遠遠小于異步啓動和額定功率(42000kw),所以對電網沖擊很小。
  在消化有关资料中得知:如果在同步切换瞬间,由于电网压降原因造成电机失步而切换失败,变频器(Variable-frequency Drive)有能力在任何转速情况下,再次“抓住”电机,使之加速到同步,直至切换成功。
  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啓動,並有能力在任何轉速情況下“抓住”電機轉子使之加速並同步直至切換到電網。
  以上兩點對高爐安全連續的送風是十分內必要的。
4 软启动器的控制
  4.1 软起动控制原理及过程
  软启动simadyn d数字控制系统应用矢量原理,并通过系统的开环和闭环控制来实现对软启动过程的控制,采用失量控制方式的目的,主要是为了提高变频器的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型,利用坐标变换的手段,将交流电动机的定子电流分解成磁场分量(电流)和转矩分量(电流),并分别加以控制,即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式,即对磁场分量和转矩分量分别控制,以获得类似于直流电机调速的动态性能。
  在矢量控制方式中,磁场电流(Electron flow)实际值和转矩电流实际值可以根据测定的电机定子电压、和电流的实际值经变换计算求得。磁场电流和转矩电流的实际值与之相应的设定值进行比较和调节。
  開環控制包括:電機速度≤5%額定轉速時控制;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。
  閉環控制包括:電流控制與速度控制;系統的設計成帶電流閉環控制的速度環控制,即雙閉環系統;通過控制電源側的整流器,電機流過相應的電流,以獲得保持電機轉矩所需的力矩。
  馬達定子(組成:定子鐵芯、定子繞組和機座)通過逆變器流入方波電流。電機轉子中通過磁場(定義:傳遞實物間磁力作用的場)電流,由于轉子的旋轉,産生空間變化的磁場,在電機定子中産生感應電勢。在低轉速時,勵磁電流保持不變,定子電壓只與轉速成正比。爲了確定定子電流的順序(逆變器晶閘管觸發的順序),定子電壓被測量(絕對值、相角),然後産生逆變器的觸發脈沖,逆變器自然換相,換相電壓由同步機提供。在0~5%額定轉速時,電機電壓很低,不能實現自然換相,爲保證逆變器可靠的換相,采用直流脈動技術。周期地將直流環節電流降低到零,逆變器晶閘管按設定值周期地觸發,帶動轉子旋轉。當電機電壓較高時,就可以實現自然換相。逆變器的晶閘管從一相到另外一相的觸發信號由同步電壓獲得。同步電機電壓過零點被測量,並作爲電機側逆變器的觸發信號。這樣也保證了電機側逆變器的晶閘管觸發永遠與電機電壓同步,以使同步機始終保持同步。當電機的實際速度小于設定的速度時,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角,增大輸出直流電流,電機轉矩增加,電機速度增加,直到電機的電磁力矩與負荷力矩平衡。當電機轉速達到准同步轉速時給同步器信號,同步器開始進行檢測,比較、當滿足同步條件時,由同步器發出指令合上斷路器,同步電機並網,軟啓動器退出,完成軟啓動過程。
  软启动开闭环控制都在simadyn d控制系统实现。高壓電動機差動保護裝置發電機兩端流過方向相同、大小相等的電流稱爲穿越性電流,而方向相反的電流稱爲非穿越性電流。作爲主保護,發電機比率制動差動保護是以非穿越性電流作爲動作量、以穿越性電流作爲制動量,來區分被保護元件的正常狀態,故障狀態和非正常運行狀態的。全部控制功能文件安裝在八個處理器中,每個處理器執行特定任務的功能包,功能包的功能用參數和strucg圖來定義。
  4.2 功能包
  simadyn d系统中还包括建立处理器与外围设备通讯@—fp功能包。
  (1) 模块se21。


  2:處理器ps16與馬達側晶閘管的接口模塊,用來測量實際值與檢測值及晶閘管的狀態;
  (2) 模块se48。高壓電動機梭型线圈绕制后,用收缩带,黄蜡绸带等绝缘材料包扎,目的是:保护线圈外绝缘、层间绝缘、匝间绝缘不至于损坏。在拉型机时免受模具夹具、鼻端销钉等摩擦,防止松动变形。
  1:處理器pm16與電源側晶閘管的接口模塊,用來測量實際值以及晶閘管的狀態;
  (3)模塊sa60:同步模塊,用來測量電機電壓,經計算産生脈沖的同步信號;
  (4)模塊sav2
  2:觸發模塊,通過光纖與晶閘管連接(實現控制設備與高壓設備隔離),給晶閘管觸發信號,同時用光信號可對晶閘管狀態進行監視;
  (5) p1(pm16):完成速度的闭环控制(control)和相应相序控制;
  (6) p2、p3(pg16):进行电源侧的晶闸管的闭环控制;
  (7) p4(ps16):进行电机侧晶闸管的控制;
  (8) p5、p6(pm16)完成启动过程的诊断;
  (9) p7、p8(pm16):进行可控硅的状态诊断;
  (10) cs
  7:通訊模塊;
  (11) em
  11:模擬、數字量混合輸入輸出;
  (12) ea
  12:模擬量輸出。
  (13) ts
  12:觸發模塊。
  4.3 电机启动过程的顺序控制
  (1) 检测主机与辅机设备开机条件;
  (2) 由dcs发出开机命令给s7-300(马达运行plc);
  (3) s7-300发启动命令给simadyn d;
  (4) simadyn d合启动升降变压器断路器;
  (5) 检测断路器已合上;
  (6) 开闭环控制;
  (7) 加励磁;
  (8) 检查励磁是否正常,
  (9) 发启动的触发脉冲信号;
  (10) 电源侧晶闸管加触发脉冲;
  (11) 电机侧晶闸管加触发脉冲;
  (12) 同步器检测同步;
  (13) 同步后,由同步器发出入网命令。
5 励磁系统
  电动鼓风机的同步电动机采用它励的无刷励磁,励磁电源取自380v低压工作电源,经低压变频(frequency conversion)器变为可调的交流电源输入到励磁的电机定子中,励磁机转子与同步电机转子同轴,转子绕组经二级管与同步机转子励磁绕组相连接,为转绕组提供直流励磁电流。
  励磁电流的控制,在软启动期间由 simadyn d系统控制,并网后由s7-300控制,在启动期间,应保持较大的励磁电流,目的是使电机不失步,同时在电机定子中产生较大的电压,以便能正确测量电机转速,从而完成软启动的闭环控制。并网后,励磁的控制有三种方式:恒励磁电流控制、恒电机电压控制、恒功率因数控制。为保证电机不失步,在正常运行时,电机励磁也应采用恒功率因数控制。
6 结束语
  自投産以來,高爐鼓風機都是一次啓動成功並連續運轉,整個啓動過程與正常運轉時一樣,電機電磁噪聲與振動都很小,另外系統的監控功能齊全,人機界面友好,增強了系統的可靠性。自投産以來,從未發生因電機控制系統故障而影響生産的情況。

  
  

  
  

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