高線精軋機LCI變頻傳動系統穩定運行研究

李艷東，李向前，韓 鋒，劉 冬，何 威，蘇 鵬，武志蘭，徐田軍，陳靜洋

（河北鋼鐵股份有限公司承德分公司，河北承德 067002）

引言

當前鋼鐵行業中軋機機組通常是幾個機架集中傳動，主傳動同步電機向寬調速、大容量、高速方向發展，LCI變頻調速裝置在軋機同步電動機調速中應用比較廣泛。LCI傳動系統是Load Commutated inverter for the Drive System of Synchronous Motor的縮寫，稱為負載換向電流型逆變器，它是利用作為負載的同步電動機端電壓實現晶閘管換流的，不需要采取復雜的強制晶閘管關斷的措施，電路簡單，元器件少，環流可靠，且維護量低，其原理圖見圖1。

圖1 LCI負載換流同步電機電流源型變頻器原理圖

1 二高線LCI裝置

河北鋼鐵股份有限公司承德分公司二高線精軋機組同步電機采用LCI傳動，主電機為雙繞組同步電機，功率為5500 kW，電機型號為TDZGS5500-4，轉速 1000/1500 r/min，額定電壓2350/2400 V，額定電流2*746/2*733 A，頻率33.3/50 Hz，勵磁129/97 V，322/250 A。LCI裝置由三繞組整流變壓器供電，變壓器型號為ZSSS-10000/10，10 000 kVA，一次電壓10 kV，二次電壓3 kV，分為10.5/3；10/3；9.5/3三個檔位，一次側角接，二次側一個繞組角接，一個繞組星接。自2017年起，LCI裝置不定期出現過流故障而跳車，嚴重影響了二高線產線的正常生產。

1.1 過流故障的原因

對精軋機自動化控制系統進行改造，用PDA系統記錄LCI裝置直流側電流、逆變側電流及LCI變壓器10 kV進線電壓，真正捕捉到發生過流故障時系統的工作狀態。通過趨勢對比，發現進線電壓和精軋機傳動電流波動有對應關系，在10 kV進線電壓降低時，電流對應升高：10 kV電壓從103%波動下降到95%時，LCI直流側電流從90%波動上升到125%，精軋機轉速從1046 r/min降到1044 r/min；當10 kV電壓從103%波動下降到92%時，LCI直流側電流從90%波動上升到150%，精軋機電流保護跳閘（電流過載保護設定值為150%）。

1.2 過電流原因分析

1.2.1 工藝方面

通過以往精軋機電流趨勢，軋制φ8和φ12時，φ8比φ12電流高10%左右，精軋機速度設置相同。以往的故障記錄顯示，在軋制兩種規格時，均發生過過流跳車現象，排除因軋制規格不同而跳車。

1.2.2 機械方面

LCI裝置報過流故障，復位后就可正常轉車。查找電機繞組溫度趨勢、振動趨勢均正常，排除機械原因導致故障跳車。

1.2.3 電氣方面

（1）若電機編碼器檢測信號不準，對LCI雙閉環調整產生干擾，將可能造成過流。為排除這個原因，將測速編碼器傳輸信號全程屏蔽，有效避免干擾，用示波器采集速度波形，信號正常。

（2）用接地電阻測試儀測試精軋機傳動柜接地電阻，確認接地情況。經測試，接地電阻0.69 Ω，符合精密接地電阻要求。

（3）用直流電橋測量電機的絕緣阻值，阻值符合要求，且主電機采用防軸流電流設計、全阻尼繞組設計，能有效改善換流特性，縮短變流器的負載換流時間。排除電機本身原因。

（4）晶閘管主要參數為斷態重復峰值電壓VDRM8 kV、反向重復峰值電壓VRRM8 kV、正向平均壓降VF2.5 V、通態平均電流IT3000 A，二高線精軋機同步電機電壓等級為3 kV，額定電流746 A，晶閘管選型完全滿足要求；跳車電流保護值設定為150%，符合要求。

（5）從EVC包去勵磁機的三相電源電纜接線正確，LCI的勵磁調節器根據不同的負載和速度調節磁通。

（6）外網電壓的波動：

①精軋機LCI裝置控制采用雙閉環調速控制，轉速調節器ASR和電流調節器ACR為雙閉環嵌套式串級結構，電流閉環嵌套在轉速閉環之內，轉速調節器ASR和電流調節器ACR串級連接，轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，當電網電壓降低時，電網電壓的擾動作用在電流環內，經過電流調節器力圖維持輸出轉速恒定，輸出電流將增大。

②從PDA的記錄趨勢來分析，當二高線LCI變壓器的一次側10 kV進線電壓波動下降的幅度低于10%時，電流調節器對于進線電壓的波動通過電流反饋可以得到比較及時的調節，負載電流增幅在10%左右，此時晶閘管可正常逆變；但當進線電壓波動下降的幅度高于10%時，負載電流大幅增高，晶閘管短路電流超過額定值150%，引起裝置保護跳車。

③LCI調速系統采用同步電機過激磁時定子電流超前電壓的特性，使變流器的晶閘管靠同步電機反電動勢自然換流。在負載換流同步電機中，只要轉子有激磁電流并在空間旋轉，就會在電樞繞組中感應出反電動勢。由同步電機LCI換相理論可知，晶閘管承受反向電壓時間的電角度為γc=γe-μ=γ0-δμ,其中，γc為換流剩余角，γ0為空載換流超前角（恒定值），γe為電機負載時的換流超前角，δ為同步電機的功角，μ為換流重疊角（隨負載電流增大而增大）。為保證換相可靠，換流剩余角γc至少應保持在10°～15°，若小于這個范圍，將換流失敗，造成晶閘管短路[1]。

④查找LCI上級供配電系統，LCI所在的上級35 kV母線上帶有22 000 kW的精煉爐一臺，經查找核對精煉爐空載合閘時刻、LCI裝置過流跳車時刻的PDA歷史趨勢記錄，在精煉爐變壓器空載合閘時將35 kV母線電壓拉低，最大降幅達12%左右。按照崗位作業標準，崗位人員在進行滑電極操作時，必須將變壓器斷電，在生產前再將變壓器送電，變壓器從停止狀態過渡到運行狀態。變壓器空載接入電網的合閘過程實際主要表現為主磁通的暫態變化，而暫態磁通的大小主要取決于合閘相角，在最嚴重的情況下，鐵芯主磁通將達到穩態最大值的2倍，在考慮鐵芯原有剩磁的情況下，暫態過程中鐵芯主磁通的最大值更大，在最不利的空載合閘情況下，主磁通增大一倍之多，勵磁電流數值很大，可超過穩態勵磁電流的幾十甚至百倍，可達額定電流的6～8倍[2]，由此會引起母線電壓的降落。此理論分析驗證了精煉爐變壓器空載合閘造成母線電壓降低的現象。精煉爐35 kV母線雖裝有SVC系統，但SVC裝置完成一次補償需要500 ms時間，無法對精煉爐變壓器空載合閘引起的壓降進行快速補償。

3 結論

通過上述原因分析，結合LCI裝置控制原理、精軋機雙閉環調速控制原理，在LCI裝置進線電壓降低幅度過高時，雙閉環調速控制系統將力圖保持轉速無凈差，確保秒流量相等，勢必會使電流增大，換流剩余角隨之減小。在負載電流增幅超過一定幅度時，將導致LCI換流剩余角降至10°以下，進而引起晶閘管逆變失敗，晶閘管短路過流。對LCI所在上級35 kV母線的負荷進行調整，將精煉爐變壓器移出LCI所在35 kV母線，避免精煉爐變壓器空載合閘對于35 kV母線電壓的影響，LCI因電壓降過流故障得以徹底解決。