同步机变频起动系统在梅钢的应用

杨春辉

上海梅山钢铁股份有限公司炼铁厂设备室，上海 210039

0 引言

上海梅山钢铁股份有限公司的新建4#、5#烧结机分别于2009 年5 月、2011 年12 月如期顺利投产。其主抽风机选用英国豪顿公司的大型电动风机，电动机采用西门子的6900KW 无换向器同步机并应用西门子的GL150 型LCI（负载环流技术）变频软起动系统。每台烧结机配两台主抽风机，一套变频软起动系统，正常情况下实现一拖二依次起动，在一套变频软起动系统故障的情况下，可以实现一拖四依次起动。

1 电动机及变频器的选择

烧结机主抽风机为豪顿公司L3N 3575.04.84 DBI／ST@ 1000rpm 型离心式恒转速风机，主要参数如下表：

满载转矩（120℃风门全开） 59838Nm 起动转矩 6520Nm风机转动惯量WR2 15800kg·m2 入口流量 20000m3/min飞轮矩 GD2 63200kg·m2 入口压力 -16500Pa全压效率 85% 总重量 55500Kg满载转矩（0℃风门全关） 37118Nm 风机转速 1000rpm

由于在正常运行过程中不考虑调速，因此选择用同步电动机来拖动风机。大功率电动机采用同步电动机有以下优点：1、硬的机械特性，转速稳定；2、改善全厂功率因素；3、抗电网电压扰动能力强（同步机转矩T ∝U ,异步机转矩T ∝2U ）。

2 电气主回路起动过程分析

同步电动机的起动过程与同步过程均是由励磁控制系统(ECS)控制。现在以1#主抽风机起动过程为例进行分析（如图1 所示）：励磁控制系统首先闭合与电机输出侧相连的断路器(MBM1), 紧接着发出一个“START”信号到变频器的控制系统，变频控制系统起动它所有的外围辅助设施，例如润滑系统、冷却系统等，并检查它们是否就绪（运行信号、流量反馈及风门开度等）。在接收到所有关键的反馈信号后,变频控制系统闭合与降压变压器相连的电源侧断路器(MBC1)。接着依照工程师预先设定好的加速转矩曲线（分段起动加速转矩方式，主要优点：加速度稳定，机械无冲击，加速时间减少）给电动机加速,大约升速至950 rpm 左右。然后励磁控制系统中的同步切换装置接过电动机的速度控制功能，持续给电动机升速一直到变频器所输出的相位角φ 和频率（f=50Hz）与公用电网上的相位角φ 和频率（f=50Hz）一致。在电动机与电网同步之后, 同步切换装置将快速闭合主断路器(MBL1)，使电动机直接在电网上以1000rpm 恒速运行。在闭合MBL1 的同一时刻, 经变频器晶闸管整流输出的直流电流将迅速降为零,并关断逆变器的脉冲, MBM1 断开。因为在整个起动过程中，始终是变频器供电，所以在并网切换时没有转矩和电流的冲击。这正是此套变频软启动系统的优点之一，众所周知，一些大功率的设备在直接起动时由于很大的冲击电流和冲击转矩会对电网和设备造成影响，严重时造成电网电压大幅度降低（和电网的短路容量及其它无功负荷有关）及对机械设备造成损坏。

3 变频软起动及励磁控制部分技术特点

为了使变频器电压与电机电压最佳匹配，特采用变频器专用降压（10/2.6kV）与升压(2.4/10kV)变压器。软启动数字控制系统应用LCI PROCESSOR 控制系统，是一个全数字自由编程多功能微机系统，可用于快速开环和闭环控制以及计算（控制方框图见图2）。为了提高变频器的动态性能，系统采用技术先进矢量控制原理，并通过开环以及闭环控制来实现对启动过程的精确控制。

1）开环控制部分。主要包括：电动机转速在50rpm 以下时的控制；断路器的开断、关合控制；压力、流量、温度及其他保护联锁的逻辑控制；2）闭环控制系统。主要包括：速度环与电流环的控制；由图2 可以看出，系统为电流内环，速度外环的双闭环调节系统；3）整个起动过程是由励磁柜来进行控制的，它根据中控的起动请求信号把变频器分配给将要起动电动机。励磁柜通过一个快速主令母线连接至变频器。当励磁柜起动时，它起动自己的辅助设备，并命令变频器开环控制系统起动它的辅助设备。在收到所有必要的辅助设备之后，励磁系统就将对电机的磁场进行保护，闭合电动机与变频器之间的断路器，并向变频器开环控制系统发出起动命令。然后变频器的开环控制系统闭合变频变压器的母线开关，起动变频器闭环控制系统以及磁场电流闭环控制系统。在激活触发脉冲之后，立即起动变频器的闭环控制系统，接着检测转子位置的程序也开始工作。当电动机转速在50rpm 以下时，磁场电流为转速与电枢电流的函数。变频器中的同步装置可以将电机的频率和电压与电网的频率电压进行分析比较。当起动转速达到以后，系统输出脉冲，根据比较分析结果的大小以增加或者减少频率和电压。根据频率脉冲可以导出一个速度设定值，并被传送到变频器闭环控制系统以及参与磁场电流的调整。一旦系统电压和电机电压的绝对值和相位一致，自动同步装置将产生一个并网脉冲，传送至励磁系统。并封锁磁场电流的初始值，并由励磁柜将电网系统和电机之间的断路器将闭合。在确认后，励磁柜将向变频器发出“关闭”指令。现在电机转速即为由电网供电的同步速。然后励磁系统将停止变频器的馈电，并断开变频升压及降压变压器两侧的断路器。在接收到“断开”状态反馈信号时，变频器与励器柜间的逻辑分工将被终止。现在变频器处于准备再次运行状态。

在与电源系统的同步完成之后，驱动系统通过励磁柜进行监控包括所有电机的保护功能。当电机连接至电源系统时，由于cosφ 控制器安装在磁场电流闭环控制系统中，此时cosφ可以作为一个与负载无关的常数，既恒功率因数控制，保持在设定的数值上（0.9 超前）以提高烧结分厂电力系统的功率因数（约为0.96 滞后）。

4 结论

同步电动机变频启动控制系统是大型同步电动机的理想启动设备，此套变频软起动系统有以下优点： 1）电流逐步上升无冲击，起动过程平稳，对电网、机械设备、电动机无损害，起动时间可调的优点；2）系统具有纵联差动、过负荷、单相接地、失步保护及防止非同步冲击的断电失步保护等保护功能，保证电动机的可靠运行；3）起动可靠性高，运行稳定，一次起动成功率高达98%。综上所述，同步电动机变频启动控制系统在梅钢烧结分厂应用良好，故障率极低，有着很强的实用价值。

[1]朱海云，同步电机的调频同步起动.中国设备工程.

[2]许容，刘鹏飞.同步电机变频起动策略研究.中国科技信息.

[3]钢铁企业电力设计手册.冶金工业出版社.