高压变频软起在龙钢高炉风机同步电机中的应用

高压变频软起在龙钢高炉风机同步电机中的应用

胡立堂

(陕西龙门钢铁有限责任公司)

摘要:龙钢1800m3高炉供风系统使用静叶可调轴流式鼓风机，由同步电动机驱动，采用高压变频启动。同步电动机显著特点，主要是功率因数高，运行在过励状态时，可使功率因数超前，向电网输送无功功率，从而提高电网的功率因数；对电网来说，同步电动机是一个供给无功功率的电源。在平时，它减少了电网所发的无功功率，减小了高压电力网的工作电流，因此使高压电网的电能损耗较少，提高了附近电网的电压水平，使发电网在经济合理的工况下运行。

关键词：高压变频；同步电机；功率因数；

引言高压变频软起方式是采用变频器作为软启动器来进行调速的。其工作原理是通过功率器件的有序开、关，形成各种频率和电压的PWM电压波形施加于电机端。起动过程中，频率改变的同时保证电机磁通近似不变，即电压频率之比为常数。当电机达到额定转速后将电机切换到工频电网恒速运行。这种软起动方式的优点是，系统较简单，维护方便，控制性能好，起动转矩大，冲击电流小（不超过电机额定电流），输出波形质量高，对电网污染小，起动和并网时间短，易于自动控制。

1、高压变频器系统结构

高压变频器是由多个功率模块串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出。变频器的原理结构如图1所示。电网送来的三相10kV交流电，经移相变压器，由其副边每相的8个二次线圈电压逐个移相，供电给功率单元，三相共24个功率单元，形成Y联结结构。控制IGBT的通断，8个功率单元相叠加进行波形合成，可输出高压正弦波给感应电动机。

图1变频器系统框图

电网电压由移相变压器一次侧输入，经过二次侧移相后送入功率单元。输出侧电压由各功率单元的输出电压串联形成，每个功率单元的输出均为等幅PWM电压波形，各单元输出相互间有确定的相位偏移，串联叠加后在变频器输出侧构成正弦阶梯状PWM波形。每个功率单元的开关频率可以较低，但变频器输出侧电压的等效开关频率却较高，大大减小了变频器输出的高次谐波。

控制系统根据设计的载波PWM控制算法，适时控制各功率单元的逆变器输出，得到频率和幅值均可调的交流输出电压，实现电动机的变频调速控制。

这种拓扑又称为串联H桥多电平逆变器，变频器的主拓扑如下图2所示：

图2系统主功率拓扑框图

该高压变频器采用变压器移相技术，单元直接串联结构；功率单元与主控系统采用光纤连接，具有高可靠性及快速性，可实现无冲击同步切换。对于旋转负载，变频器起动时能自动跟踪电机的转速，实现平稳起动；当电机达到工频后切过程中变频器能自动跟踪电机的频率、电压和相位，实现同频、同压、同相位切换，切换过程平稳，电流波动小；另外，变频器可进行PLC编程。因此该变频器用于同步电机软起动具有很大的优越性。

2、高压同步电机一拖二软变频起动方案

2.1系统配置

龙钢1800高炉鼓风机系统为一拖二变频软起动控制系统，主要配置有：2台AV71-16轴流风机，2台27000KW同步电机，共用1台高压变频器等。

2.2一拖二变频软起动系统控制过程

一拖二变频软起动系统图如图3所示

图3一拖二系统框图

以起动1#机为例，首先确保负载空载起动盘开电机处于开启状态；其次把QF1-1、QF1-2、QF1-3手车推到工作位再通过PLC合上开关QF1-1，再合上QF1-3（确保QF1-2为断开状态），励磁柜在变频软起动过程中由高压变频器控制。当变频器备妥后，变频器启动励磁控制柜，只有当变频器备妥并且受到励磁柜备妥信号后，才能接受来自PLC的启动信号，同时对来自PLC的启动命令不予响应。若励磁控制柜出现故障，变频器显示故障信息，同时对外部起动命令不予响应。若在起动过程中变频器出现故障，则变频器停机，同时发出变频器故障给励磁控制柜，励磁控制柜对同步电动机灭磁。软起动条件成立，起动变频器，变频器带M1电机开始工作，其输出频率从0Hz逐步增加，同时由变频器控制励磁柜进行优化控制（功率因数为1）。变频器的输出电压对应的从0V升到10KV,M1电机已经开始在额定转速下运行。在变频器输出到48Hz时，变频器开始自动跟踪电网的频率和电压、相位；当电压、频率和相位角完全锁定后，变频器发出旁路命令，同时自动闭合高压旁路开关QF1-2，此时QF1-1、QF1-3和QF1-2全部闭合，这时电机由变频器和电网共同供电，然后逐步将电机的负载由变频器转移到电网输入；200ms后，QF1-1、QF1-3自动跳闸，变频器退出工作，整个M1电机负载由电网承担，软起动过程全部完成，此时可把变频励磁控制平滑过渡到工频励磁控制。

2.3励磁柜与高压变频器的配合

（1）变频空载软起动阶段变频器起动时，其输出频率一般从0Hz或一极小频率开始运行，此时变频器发出运行信号、4~20mA励磁电流给定信号至励磁装置。励磁装置立即投励，并根据所给定的励磁电流，将同步电机在低转速下牵入同步。随着变频器输出频率增加，电机的速度逐渐升高，励磁装置跟随变频器的励磁电流给定值并工作在恒流励磁状态，达到同步起动过程中定子电流最小的起动要求。在起动过程中如果变频器发生故障，励磁装置立即封锁励磁输出并通过灭磁回路进行续流灭磁，将励磁绕组中的能量以发热形式消耗掉。

（2）变频软起动完成工频切换阶段起动完成后电机定子将切换到电网运行，切换后，励磁装置平滑过渡到切换前的励磁电流值运行，在收到变频器发来的干结点信号后（“励磁柜提供励磁”），励磁装置方可改为其他方式运行，如恒电流、恒功率因数等。

（3）电机工频运行加载阶段此阶段励磁装置按设定的运行方式（同步电动或者调相运行）及设定值运行，装置的功能如失步保护、灭磁误导通保护、缺相保护等全部投入；励磁装置按通常的控制方法进行。

2结束语

变频软起动的整个控制过程由变频器自动实现，变频器监视外围工作环境，若不满足工作条件，变频器将禁止启动。若遇到紧急情况，变频器自动跳高压，直到启动条件恢复后，方可重新合闸并运行。PLC只需发变频器预充电和起动2个指令，操作简单明了。工频切换过程中变频器自动跟踪输出频率、电压和相位角并将其锁定，切换过程非常平稳；冲击电流较小，电网几乎感觉不到任何波动，实现了完全无冲击的软起动。该项目经过调试成功开车，获得了良好的使用效果。

参考文献:

[1]仲明振、赵相宾高压变频器应用手册[D]，北京；机械工业出版社，2009.

[2]杜治潮同步电机励磁装置应用技术[M].南京：东南大学出版社，2001.