高壓軟啟動器在煉鐵廠的應用

姜濤

（廣東省韶鋼集團公司煉鐵部煉鐵分廠，廣東 韶關512123）

1 引言

韶鋼煉鐵廠目前共有11臺大型風機，負責給1～7號高爐供風，電動機的功率由2 000～18 000 kW不等，目前這類風機的起動不是直接起動，大部分都通過串入水電阻進行降流起動，這種水阻降流起動目前已不適應生產的需求，在使用過程中也發現這類起動方式存在不少的弊病，已嚴重制約了生產的發展，目前較好的起動方式有高壓變頻器起動裝置、高壓軟起動器裝置及高壓磁控軟起動裝置，性能最好的是高壓變頻器起動裝置，但價格昂貴，所以采用高壓軟起動器裝置對水電阻起動進行改造。

2 水電阻起動的原理及缺點

煉鐵廠2號風機房8號風機起動通過電動機的定子繞組串入水電阻起動，8號風機的額定功率為4 750kW，額定電流為525A，圖1是8號風機串水電阻的一次回路圖，當風機起動時，起動柜閉合，電機接入水電阻起動，水電阻工作是利用三相極板在水電阻箱內慢慢下探，通過實時控制兩塊極板的距離，調節電解液的電導率，從而達到軟起動的要求。通過改變電阻值，使電阻值由最大變至最小時，即三相極板動極板與三相極板靜極板相連時（40s相連），運行柜合閘，甩開水電阻完成整個起動過程，起動過程由s7－200來實現控制。

根據現場的實際使用情況，水電阻起動方式存在較多缺點，以下幾點是在運用過程中遇到的具體情況。

（1）水電阻（液態）軟起裝置設計方法不科學，不同功率及同功率不同負載（轉動裝置）軟起裝置需要重新設計，沒有統一系統的方法。

（2）水電阻（液態）軟起裝置在使用過程中，揮發的鹽霧會對其它電氣設備造成腐蝕。梅雨季節或潮濕氣候，裝置往往達不到6MΩ絕緣值而無法起動機組，要在水電阻箱處加裝烤燈烘烤去除濕氣，這種做法如果不得當或時間長會烤壞水電阻箱絕緣層而引發系統接地事故。裝置對使用環境要求高，軟起重復性差。

圖1 水電阻裝置一次回路

（3）需要經常添加水或電解液，濃度不易控制，起動重復性能較差，維護工作量大，環境適應性差。

（4）體積龐大，增加基建投資費用，裝置壽命周期費用高。軟起裝置的正常應用依賴于現場的使用人員的技術水平和責任感。

（5）起動時有大量能耗，發熱嚴重，通常只適用于兩次起動的場合。當連續起動過兩次后，水溫基本達到60℃，不允許再次起動（夏天環境溫度高時一般只允許起動一次）。

（6）水電阻軟起動裝置，通過液阻本身在軟起過程中的溫升。借助電解液的電導率與溫度的正相關性，實現軟啟動。其可行性更是大受質疑。在起動過程中不具備過流、過載等保護，需要另設保護裝置對機組進行保護。

（7）起動時起動電流大，有大量能耗，節能效果差，并且大的起動電流對機組造成較大沖擊，易損壞機組。

3 高壓軟起動改造內容

根據韶鋼的現實要求，把8號風機水電阻起動改為高壓軟起動器起動是較為理想的，目前韶鋼采用長沙奧托自動化技術有限公司QB－H06／6300高壓軟起動裝置。圖2是QB－H06／6300高壓軟起動裝置一次回路圖，該起動裝置的額定電壓為6kV，額定功率為6 300kW，軟起動柜部分包括可控硅組件、高壓真空斷路器、過壓保護器、電壓互感器、電流互感器、電流變換器以及電子控制系統。改造的內容是把原有的運行柜去除，將運行柜回路做為軟起裝置的旁路柜回路。軟起控制方式采用斜坡電壓控制，電機在起動過程中，按照給定的初始電壓V0（現場設定3 000V）和軟起時間T（現場設定68s），軟起動裝置以步 距為（Vt－V0）×μ／T的值控制電機電壓隨時間線性上升，直至達速而后全電壓。μ為輸出電 壓與可控硅導通角的換算系數，Vt為電機達速時的電壓。

圖2 高壓軟起動裝置一次回路

4 QB－H軟起動裝置的工作原理

如圖3所示，高壓電機的供電回路經由幾個串、并聯的可控硅構成，這樣就可以達到一定的耐壓值。在高壓開關柜2QF接通送電的情況下，當系統收到電機起動信號時，由控制器按照控制曲線給出不同的可控硅導通角，就可以使電機按一定的斜率逐漸增加電壓，平穩起動，直到電機達到額定轉速之后，加上全電壓，使旁路真空接觸器1KM（或真空斷路器）接通，然后關閉可控硅觸發信號，電機起動完畢。之后，軟起動裝置繼續監視電機的運行狀態，并提供多種故障保護。

一對反并聯可控硅構成一個組件，每相由多組可控硅組件串聯，空氣自然冷卻。可控硅保護采取常規的措施，如均壓、阻尼保護。控制回路與觸發系統間采用先進的光纖技術，觸發及可控硅短路的檢測信號由光纖傳送，實現了高壓隔離，同時也阻斷了對控制回路的干擾，保證了串聯元件觸發脈沖的同步性和一致性。系統設有組件狀態監視，當其中任一組件損壞，控制器都能顯示報警，并快速封鎖脈沖，實現即時保護。

圖3 主回路原理

5 1QB－H軟起動裝置的特點

QB－H軟起動裝置，在高壓主回路與控制系統間采用了國際先進的光纖技術，控制器還采用了基于DSP控制和單片機管理的雙CPU系統，如圖4所示。DSP為16位數字信號處理器，指令流水線操作，響應速度快，執行核心控制。單片機對參數設定，文字顯示和數據通信實行管理，協調統一，高效可靠。薄膜面板，中文顯示屏，直觀良好的人機界面，操作簡單。通過RS－485或Profibus標準接口，與上位機進行通信，實現遙控、遙測或多級聯動（圖4）。

圖4 系統控制方框圖

5.1 系統的顯著功能特點

（1）起動方式靈活。現場按鈕起動，鍵盤按鍵起動，上位機遙控動，組合起動。

（2）控制方式多樣。根據電機負載的不同，軟起動裝置可設定不同的控制方式。

（3）斜坡電壓控制。給予一定的初始輸出電壓和軟起時間，電機在起動過程中，電壓隨時間線性上升，直至電機達到額定轉速。初始電壓為全電壓的20%～80%，大小可隨負載性質而調整，重負載初始電壓高一些。斜坡電壓控制方式簡單，不同負載可以有不同的斜坡，可靈活運用，如圖5（a）。

（4）限流控制。給予一定的限流系數，電機在起動過程中，按限流控制方式輸出電壓，電流大小限制在電機額定電流的100%～400%，如圖5（b）。

（5）恒壓控制。給予一定的輸出電壓，電機在起動過程中，按恒壓控制方式輸出電壓，電機在該電壓下起動。起動時間為0～120s。

圖5 軟起動器控制方式

（6）軟停控制。軟起動裝置軟停車的實現，在電機進入運行后，旁路接觸器1KM合閘，晶閘管在電源過零 點后自行關斷（控制及觸發電路不再發觸發信號）。當接收到“軟停”指令后，控制及觸發電 路將晶閘管再次全開通，然后旁路接觸器1KM分閘，控制及觸發電路開始將晶閘管的導通角 由全導通逐漸減小，使電機三相電壓從額定值逐漸降低，直至晶閘管關斷，電機的轉速也逐漸變小直至停車（軟停車的時間根據實際需要可在0～60s調整）。

5.2 軟起動裝置保護功能

（1）缺相、欠壓保護。為防止電源缺相或欠壓而導致大電流燒壞電機繞組，出現缺相故障時，則封鎖脈沖，并跳閘，報警。

（2）電源過壓保護。如果電網電壓高于設定的電壓上限值，軟起動立即跳閘，報警。

（3）過流、速斷保護。在軟起或運行過程中，如果電機繞組匝間短路，相繞組間短路，或電纜損壞，將出現大的 短路電流，此種情況下將快速封鎖脈沖，跳閘，報警。

（4）晶閘管組件保護。如果任一可控硅短路或高壓脈沖觸發器件故障，以及光纖連接脫落，則立即封鎖脈沖，并跳閘、報警。

6 效果分析

水電阻軟起裝置和高壓軟起動裝置相比，高壓軟起動裝置具有較多的優點，高壓軟起動器采用高壓、大功率晶閘管器件作為主回路部件，具有技術先進、工作可靠、結構模塊化、便于維護。可實現頻繁起停操作，允許再次起動的時間間隔為15s，且無拉弧現象，延長裝置使用壽命。采用真空開關，具有很強的分斷能力、使用壽命長、電弧不外露、安全可靠。具有先進的控制方式：通過可控硅串、并聯組合，DSP和光纖傳輸技術，方便地實現恒流控制、恒壓控制和斜坡電壓控制。經過高壓軟起動器改造，可以完全解決現在水電阻起動的缺陷，表1是兩者的性能對比。

表1 高壓軟起動和水電阻軟起動對比

（1）利用高壓軟起動器起動機組，按8號風機電機額定功率為4 750kW，額定電流525A，高壓軟起動器起動電流為3倍，水電阻起動電流為4.5倍，兩者之間相比，高壓軟起動器起動電流比水電阻起動的起動電流小1.5倍，所以啟動過程中高壓軟起動器起到節能效果。因為高壓軟起動器起動時電流小于水電組，所以起動時對機組的沖擊較小，機組在起動過程中發熱也較小，所以繞組的絕緣材料損壞也較小，從而延長電機的壽命。

（2）改成高壓軟起動器后，杜絕因為陰雨天導致受潮，造成機組絕緣值偏低使機組無法啟動的現象。

（3）高壓軟起動器保護功能齊全，包括缺相、欠壓保護；電源過壓保護；過流、速斷保護；晶閘管組件保護。而水電阻本身不具備保護功能。

（4）控制方式靈活多樣，包括斜坡電壓控制；限流控制；恒壓控制；軟停控制。而水電阻只有單一的控制方式。

（5）高壓軟起動器因其價格便宜，可靠性高、也在廣泛應用當中，高爐共有11臺風機系統，8號風機對高壓軟起動裝置的改造是十分成功的，這也對高爐其余10臺風機的改造提供了很好的借鑒作用。同時也為該公司其他單位大型機組改造提供了寶貴的經驗。

（6）經過改造，節約了大量人力、物力。每年可節約大量的維修費用，且維護方便。

7 結語

通過對煉鐵廠2號風機房8號風機的改造，取得了非常好的效果，據了解公司其它單位大型機組的起動基本使用水電阻進行起動，跟高壓軟起動器起動比較，起動效果差，維護工作量大，備件費用昂貴，已嚴重制約了現在快節奏生產的需求，8號風機的改造的成功，為煉鐵廠其余的10臺風機的改造提供很好的借鑒，也為其它單位的改造提供寶貴的經驗。

［1］高越農.淺談電動機軟起動［J］.國際自動化商情，2002（9）：61～62.

［2］李焦明.3種新型高壓電動機軟起動裝置評介［J］.工控論壇，2003（7）：33～34.

［3］許實章.電機學［M］.北京：機械工業出版社，1996.

［4］王正茂.電機學［M］.西安：西安交通大學出版社，2000.