LCI型變頻器用于燒結廠主抽風機軟起動系統案例

摘 要：LCI型變頻器用于燒結廠主抽風機軟起動系統案例，并對同步機10kV變頻起動系統的不同類型變頻器配置方案進行介紹。

關鍵詞： 10KV變頻起動系統；負載換向型變頻器；同步電機

梅鋼4號燒結機為燒結面積為405平米，配2臺主抽風機（風量18000m3/min；配套同步電機6900kW），選用西門子公司的單臺10kV負載換向型（LCI）變頻器分別起動2臺主抽風機同步電機。

梅鋼4號燒結機工程已于2009年5月中旬順利投產，本文將對該方案進行介紹，同時對10kV大型同步電機變頻起動系統的一些常見問題進行分析。

1 主抽變頻啟動裝置類型

目前國內大型燒結機的主抽風機大多選用同步電機拖動，采用變頻起動方式。

同步機變頻啟動裝置工況特殊，目前國內燒結行業已投入運行的燒結主抽變頻系統主要有以下三種類型：

（1）負載換向型變頻器（LCI）用于主抽軟起動。在本領域西門子公司、ABB公司都有LCI產品解決方案。負載換向型變頻器的頻率控制與負載的運轉有關，不會出現變頻器輸出失敗的情況。負載換向型變頻器的優點是直流轉動特性；功率無限制；對電網無短路加載現象；可以四象限運行；包括弱磁部分調速范圍可達1：50；即使在低負載率下也有高的效率；免維護（無電刷、無熔斷器）；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制。負載換向型變頻器的常用工作電壓低于10kV；用于燒結10kV同步電機需要設置降壓變壓器及升壓變壓器。負載換向型變頻器用于同步電機軟啟動是非常合適的。

（2）電流源型變頻器（SGCT）用于主抽軟啟動器。電流源型變頻器直流電路用大電感保護開關元器件和濾波。在本領域，AB公司的SGCT方案已廣泛應用。其優點是采用合適的PWM脈沖形式時可得到很低的轉矩脈動；輸出頻率高，可達220Hz；電機的損耗小；可四象限運行；動態性能高；可實現無熔斷器設計，可靠性高；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制。電流源型變頻器的常用工作電壓低于10KV；用于燒結10KV同步電機需要設置降壓變壓器及升壓變壓器。

（3）功率器件串聯型變頻器（IGBT）用于主抽軟啟動器。此種變頻器采用多個功率單元串聯來實現中壓變頻。羅賓康變頻器和安川公司變頻器采用此種結構，IGBT型變頻器用于大型同步機軟啟動，其變頻器輸出的健康狀態依賴于對電機工況的檢測，電機側安裝測速編碼器。安川公司有近期在本行業內的使用業績。其優點是效率高，動態性能好，過載能力強；對電機絕緣無影響，電纜長度無限制；可直接輸出10KV，系統不需要設置降壓變壓器與升壓變壓器。全系統體積小、重量輕、成本低；但測速編碼器是系統的薄弱環節。

2 梅鋼4號燒結機主抽風機變頻起動系統構成

2.1 系統方案介紹

梅鋼4號燒結機采用的變頻啟動器啟動的主抽風機，容量10KV，起動速度快、效率高，但成本較高，因此，以降低成本為前提，我們選擇的是型號GL150型變頻器，依次起動兩臺主抽風機方案。除了包含以下裝置外，還應包括兩路從主抽風機的10KV電源進線，每臺風機一路，兩路AC380V電源到主抽風機電機的連接線路的全部設備。包含的具體裝置如下：

（1）變頻起動裝置*1；

（2）正常驅動并含電氣及儀表方面保護的繼電系統，包含從主抽風機系統的高低壓配電柜、根據開關柜功能配置相應的繼電保護器；

（3）風機同步電機（利用一套變頻器設備軟啟動同步兩臺風機電機的啟動方式）；

（4）來自于西門子公司的勵磁系統、升降壓變壓器；

（5）軟件控制系統（PLC編程的軟件來自動控制風機的啟動及運行過程中的時間同步）；

整個系統的10KV母線按功能分為三段，（10KV進線A （10KV進線B （母線啟動段C。其中C段聯接變頻器的輸出側。在系統的啟動過程中，以A母線為變頻器供電的目的是通過對各斷路器的系列開關動作來實現的；起動結束A線可繼續為A電機供電（A B兩組電機的啟動過程相同）。

2.2 主抽變頻起動系統的主要功能介紹

（1）電氣保護：變頻器主要是在系統啟動過程中進行電機同步保護，系統啟動后的電氣保護工作擇由帶保護裝置的高壓配電柜自帶電機來完成；

（2）主抽變頻起動系統所配置的變頻起動系統是以機械負載的配置為依據，單臺主抽的起動可在規定時間內完成，兩臺主抽在同步電機的管理下可以滿足同步、異步、異時啟動的需求；

（3）為便于手動起動風機，兩臺風機設備都配有現場控制箱。起動及切換風機在現場及控制室均可實現。另外，在起動控制柜裝置觸摸屏，可實現實時監控、控制室內收集詳細資料及提高風機起動控制容錯效率；

（4）兩臺同步電機可以使用一臺變頻器進行啟動切換管理，啟動一臺同步電機后系統通過變頻器可以快速切換到另一臺同步電機的啟動過程中；

（5）系統配置的專用同步控制裝置可以微調頻率、電壓和相位等參數，在主抽同步電機完成啟動進程后，可以順利的在電網和變頻器間切換；

（6）變頻起動系統的控制系統可以與主控PLC系統進行交互通訊。廠家在控制柜上專門配備有一套控制系統的人機操作界面。

2.3 梅鋼西門子GL150變頻軟啟動系統的技術特點

變頻器外形如圖所示：

系統技術特點如下：

（1）采用技術可靠的低壓可控硅元器件和升降壓變壓器組成的軟啟動系統，保證了系統高度的可靠性。可控硅元器件質量可靠，耐壓性好，電流裕量充足，保證了系統的高可靠性。簡單的電路拓撲結構，減少了元器件使用數量，從而降低了故障概率；

（2）LCI（負載換流技術，即被動換流技術）在變頻器上的成熟應用，杜絕了換流失敗的狀況。改變同步電動機轉速的方法是改變其供電電源的頻率，由于大型同步機轉動慣量大，若是電源頻率變化太快，或者負載波動過大，都有可能引起同步電機振蕩和失步。因此，同步電機使用“它控式”變頻器（如采用IGBT元件主動換流技術的異步機變頻器）存在安全隱患，必須采用“自控式”變頻器。LCI變頻器的輸出頻率是受到安裝于電機軸上的電子式轉子位置指示器控制的，它自動跟蹤轉子位置，保持了輸出頻率與電機轉子之間的位置同步一致性，杜絕了震蕩和失步的問題；

（3）系統在檢測電機轉子位置時采用的是通過監測定子電壓和電流大小來換算轉子位置方法，取消了機械位置傳感器需要使用測速編碼器這一不穩定因素；

（4）全套系統實現了0～50Hz全程無極調速。整個啟動過程不會對風機造成脈沖擊；變頻器可以在風機自由轉動時啟動，無需等待風機狀態穩定后再啟動控制系統；

（5）本方案在啟動時從1～2Hz開始，無需被旁路或切換低頻段輸出變壓器。

3 結語

梅鋼4號燒結機已于2009年5月工程完工并投入生產，在整套系統的調試過程中，主抽風機曾在短時間內（8小時內）多次啟停，這種短時內反復啟動對于選用異步啟動方式的同步電機來說是無能為力的，也顯示出變頻啟動方式的設計優越性。

負載換向型的變頻軟啟動系統方案，變頻器在整個啟動并網過程中一直處于監視狀態，隨時準備切入淡出，直至系統完全并網成功后才會自動退出，這也是其它變頻軟啟動設計方案無法做到的。本方案A風機起動過程如下：選擇A電機起動->變頻器投入拖動A電機狀態->變頻器起動A電機->變頻器升到工頻輸出直至A電機進入額定轉速->主斷路器合閘->變頻器退出。

通過以上過程可看出，只有電機在變頻起動系統的監控下，在并網過程中才能實現有一個變頻器和電網并聯，然后供電給同步電機，即使將電機轉交給電網，電機始終是在變頻起動系統的監視中，整個過程達到真正的全覆蓋無盲區，電機一直處于系統控制的無自由轉動狀態。綜上所述，梅鋼4號燒結機主抽風變頻啟動系統，無論是在技術上還是安全性能上都符合科學、合理、可靠的標準，是最為合適的解決方案。