電壓源型變頻器應用于高爐鼓風機可行性研究

張家強，張洪明，李進軍

（內蒙古包頭市包頭鋼鐵（集團）公司煉鐵廠，內蒙古包頭014010）

1 電壓源型相較電流源型變頻器工作特點

根據直流電路中濾波方式的不同，可以分為電壓源型和電流源型兩種。由于一般為感性負載，與電源之間會產生無功功率交換，所以在中間直流回路中要有緩沖無功功率的元器件。電壓源型與電流源型變頻器直流電路分別采用電容器和電抗器濾波。電壓源型變頻器在電壓波峰較高時，通過電容器儲存電場能，在電壓波谷較低時，電容器通過釋放電場能來進行補充，達到保持直流回路電壓平穩的目的。電流源型變頻器在電流波峰較大時，通過電抗器儲存磁場能，在電流波谷較小時，電抗器通過釋放磁場能進行補充，達到保持直流回路電流平穩的目的。電壓源型直流側并聯大電容，直流電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。同時直流電壓源的箝位作用其輸出的電壓波形為矩形波，并且與阻抗角無關。而交流側輸出的電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側為阻抗負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時電流要反相，所以開關器件兩端需要反并聯。以上為兩種不同類型變頻器的工作特點[1]。

2 空冷型完美無諧波變頻器工作原理

電壓等級為10kV系統變頻器，每相由8個額定電壓為750V的功率單元串聯而成，輸出相電壓達6kV，線電壓達10kV，每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。10kV電壓等級變頻為48脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入的綜合因數可達到0.95以上，該變頻器使用矢量控制方式來控制異步電機和同步電機。其控制性能幾乎與直流電機一樣。其矢量控制由以下四個基本單元構成，電機模型用于檢測電機磁通及速度；電流調節器用于矢量控制的內環；磁通及速度調節器用于矢量控制的外環；前饋補償環節用于改善轉矩及磁通環的瞬態響應。

電機模型通過檢測的電機電壓及估算的定子電阻壓降來確定定子磁通的幅值，電機速度及磁通角。這樣就可以自動補償定子電阻。電機的電壓方程可以通過將三相交流量轉化為直流量得到。電機模型中的一個鎖相環跟蹤定子頻率及磁通失量的角度。電機磁通的幅值由磁通調節器控制；它的輸出形成勵磁分量（磁通）。電機速度由定子頻率決定，并受速度調節器控制。它的輸出就是轉矩電流調節器的給定。磁通角用于將檢測到的電機電流分解為激磁分量及轉矩分量。這樣分解使得交流電機的磁通和轉矩可以象直流電機那樣進行單獨控制。這些電流分量在電流調節器的控制下跟隨各自的電流指令。電流調節器的輸出形成三相電壓給定信號，這些電壓指令再經過不同的控制軟件模塊的修改后送到調制板中。通過引入前饋控制補償可以改善磁通和轉矩調節器的瞬態響應[2]。

3 同步電機控制

變頻器配有一個包含基于晶閘管電流調節器的勵磁柜用于同步電機控制。勵磁裝置為可控硅調節器。該勵磁裝置輸出的電流大小由磁通調接器輸出決定。對于無刷電機，假定其勵磁繞組線圈電壓范圍為3相350伏至400伏。如果電壓不符，則需在輔助電源與可控硅調節器之間插入一個隔離變壓器。主回路只需一個整流器。當勵磁裝置不能完全開通或關斷時，電機將吸收過多的無功電流，這時控制單元將觸發勵磁消失故障同時中斷變頻器輸出。除了磁通調節器的控制外，整個同步控制方案與開環矢量控制相似。對于同步電機，該磁通調節器輸出兩個電流指令，分別用于勵磁裝置和定子電流的勵磁分量控制。同步電機通常不使用檢測電機頻率來得到轉速的方式。而是通過轉子在定子繞組上感應出的電壓來計算電機的轉速，再輸出轉矩到同步電機。當啟動同步電機時，變頻器發出勵磁電流指令到勵磁控制器，該指令大小等于空載勵磁電流設定值。這個過程持續的時間等于磁通上升時間。勵磁狀態結束后，變頻器進入運行狀態。大多數情況下，勵磁控制器的響應較慢，變頻器輸出勵磁電流到勵磁控制器用于建立電機額定磁通。同時速度控制器輸出轉矩指令來使電機加速到給定轉速。一旦勵磁控制器輸出的電流足以維持電機磁通，定子電流的勵磁分量將減至零。從這時起變頻器輸出與電壓同相位轉矩電流來進行加、減速控制[3]。

4 工程應用及技術方案

4.1 概述

承鋼目前在運行的四座高爐，分別是1#、3#、4#、5#高爐。另外 2#、6#、7# 高爐停產。其中 1# 高爐 1260m3，3#、4#、5# 高爐均為2500m3。承鋼有兩套西門子高壓變頻器分別是對應3#高爐的西門子GL150電流源變頻器及對應5#高爐的西門子GH180電壓源型變頻器，其余兩座高爐應用汽動鼓風機對高爐供風。其中西門子GL150于2006年投產至今運行良好。未由于高壓變頻原因出現重大設備事故。5#高爐改造項目為九源天成總包項目，GH180于2016年5月投產，至今運行一年零九個月，運行狀況良好，未由于高壓變頻原因出現重大設備事故。

唐鋼中厚板公司在運行的三座高爐，分別是1#、2#、3#高爐，均為1850m3，均采用電動鼓風機給高爐供風。1#、2#高爐均采用美國GE的電壓源型變頻器，運行均在7、8年左右，運行情況良好。3#高爐2015年遷移改造，從唐鋼本部遷移至唐鋼中厚板公司。該項目為陜鼓總包項目，2015年改造，2016年由于環保問題3#高爐未投產，2017年6月份正式生產。該套GH180變頻器2015年至2016年期間調試試運行，正式向高爐供風至今運行八個月，運行狀況良好，未由于高壓變頻原因出現重大設備事故。

包鋼老體系目前擁有三臺高爐鼓風機，每臺風機由1臺36500kW電機拖動，采用西門子SIMOVERT S啟動，速度達到50Hz時切換工頻并網。風機為軸流式風機，其中兩臺由瑞士曼透平制造，另一臺由陜鼓集團制造。電機為三相高壓同步電機，由德國西門子電機廠制造。

在實際啟動過程中，先通過SIMOVERT S啟動其中一臺風機電機，當電機轉速達到50Hz時，監測電網狀態，滿足條件時自動將運行電機切換至工頻運行，SIMOVERT S退出系統，同時相應開關柜聯鎖；同理，通過SIMOVERT S將另外兩臺高爐鼓風機電機啟動并切換至工頻電網。

根據包鋼高爐鼓風機系統現有控制方式和實際運行條件，系統改造可在確保不影響現有生產，同時滿足與原有系統兼容性原則下，采用“新增高壓變頻器+獨立勵磁控制裝置+配套控制系統”拖動風機，利用現有SIMOVERT S軟啟動系統做熱備，作為高爐鼓風機的備用啟動回路。新增高壓變頻器，同時配套新的控制系統，根據變頻器和現場的實際情況進行設計，方便操作人員進行新變頻驅動系統的操作，保證與原有系統良好兼容，確保系統的先進性和可靠性。

4.2 主回路改造方案

高爐鼓風機的高壓變頻改造方案分電氣系統改造和控制系統改造兩部分。系統新增一套啟動變頻器和三套勵磁系統及啟動切換用10kV高壓斷路器，與原SIMOVERT S啟動系統組成互為備用的變頻軟啟系統。整個系統控制由原有各高爐風機DCS控制系統給出命令到主順序控制柜中，由該柜選擇并協調各電機勵磁和各電機通過啟動、加速、并網的控制。整個并網過程由新增高壓變頻器系統啟動、運行過程是全自動實現并監控。該套系統能夠實現有隔離變壓器的各種保護，另外變頻器帶轉速跟蹤再起動功能，具備電容器預充電功能，能夠具備間隔較長時間后，順利啟動的要求。新增高壓變頻器需在輸入側和輸出側各增加一面高壓柜分別與電網側母線和電機側母線相連。SMOVERT S的輸入側母線之間已有高壓柜，其輸出端需要增加一面開關柜與電機側母線相連，組成二臺變頻器二拖三啟動、互為備用。變頻器輸入端開關柜應配置過電壓和過流速斷等的綜保。整套新增系統應具備過電壓，過電流，欠電壓，缺相，變頻器、電機過載和過熱，輸出接地及短路等保護功能。

4.3 控制系統改造

為確保現有軟啟動控制系統和改造后的變頻控制系統穩定、可靠運行，對新系統加裝無刷勵磁控制系統，與原有的勵磁系統分開，根據電機的勵磁重新設計變頻啟動的配套勵磁，從而能更好地保證風機的啟動。原有的勵磁系統將被保留與原SIMOVERT S配套使用，其輸出側將增加切換開關，當采用新的變頻器啟動時，電機勵磁切換到新增的配套勵磁柜，其聯鎖信號也將接入配套的接口柜用于系統的聯鎖保護。

系統將新增加一套S7-300 PLC接口柜，以實現對新增的啟動變頻器與勵磁裝置的切換控制以及對新增高壓開關柜的控制。

新增接口柜將實現以下功能：

①實現與原有控制系統的通訊。原控制系統進行適當改造，實現啟動變頻器選擇和所要啟動的電機的選擇。當選擇原SIMOVERT S啟動時，通知接口柜將勵磁切換到原勵磁柜，并對新增變頻器的開關柜保護聯鎖。當選擇新增變頻器啟動時，由接口柜控制將勵磁切換到新增勵磁柜。

②與新增啟動變頻器的通訊控制。

③實現對新增啟動變頻器開關柜的控制和聯鎖保護。

為了保證系統的運行，系統將新增一套低壓配電系統用于新增系統的低壓供電，將新增系統的配電與原系統分開，確保兩個系統的獨立，其主動力系統供電根據現場情況由用戶提供。

5 結論

通過對電壓源型變頻器工作原理及控制邏輯分析，以及承鋼、唐鋼中厚板公司實際應用、技術方案論述，大功率空冷型電壓源型變頻器相較電流源型具有價格優勢，同時維護較為方便，相信在鋼鐵冶金企業高爐鼓風機的應用前景會更加廣闊。