白国利

(炼铁新厂)

摘 要:结合炼铁新厂高炉风机拖动系统的安装调试运行情况,介绍了LC I电流源型变频器的系统组成和工作原理,重点分析了高压变频调速技术在风机负载控制系统中的应用,及其典型故障分析和调试、使用中应注意的事项。

关键词:高压变频调速技术 高炉鼓风机 拖动系统 LCI电流源型变频器 同步电动机

Analysis on Soft St art C ontro l Syst e m of Large scale SynchronousM otor and Typical Faults

Ba iGuoli

(N ew Iron m ak ing Plan t)

Abstrac t:The paper i ntroduces com ponents of LC I current source inverter and wo rking pr i nci p les,m ainly ana l yz i ng t he applicati on of high vo ltage va riab l e frequency speed adjusti ng techno logy i n the b l ow er contro l syste m and typ i ca l fa il ures as we ll as some cauti ons i n debugg i ng and operati on based on i nsta lli ng and ope rating for drive sy stem of BF b l owe r at N ew Iron mak i ng P lant.

K eyword s:high vo ltage variab le frequency speed ad j usti ng techno l ogy;bl ow er of blast furnace;drive syste m;LCI cur rent source i nve rter;synchronousm o t o r

前言

高炉鼓风机大多采用汽轮机或异步电动机驱动,随着高炉的大型化,逐渐趋于采用同步电动机驱动。主要原因是大型轴流式鼓风机采用汽轮机驱动实现转速可调在技术上有困难,只能固定转速运转;轴流式鼓风机静叶可调技术的成熟,为同步电机的应用创造了条件;同步电动机驱动的全静叶可调轴流式鼓风机具有设备简单、投资省、占地小、基建快,能耗低的优点;电动机驱动系统不存在蒸汽机的锅炉烟气排放问题,符合环境保护的要求。大型高炉鼓风机采用同步电动机驱动有较明显的优势。

1 变频器的技术数据及其组成1.1 主要技术数据

1)额定电压:2 2.7kV,3相 电压波动范围10%

2)额定频率:50H z

3)同步机:2.7MW、3.4MW

4)正常环境温度下,可连续3次启动,第4次间隔60M in

1.2 变频器及其功率部分

1)进线侧的整流器和电机侧的逆变器,使用的都是6QC7全控三相桥;

2)变频器的整流侧与逆变侧都无熔断器;

3)晶闸管用光纤间接触发,每个晶闸管都有反馈信号;

4)逆变器侧装有LEM的电子互感器;

5)直流环节的电抗器具有足够大的电感量,用以降低电流的纹波和电流变化率;

6)在变频器的进线和出线端都装有过电压器;

7)启动变频变压器。为与电网电压和电机电压有个优化的匹配,需在变频器的输入与输出端配置变频变压器。

2 同步电动机的软启动原理

同步电动机软启动采用交 直 交变频技术。变频设备为电流源型,即在直流环节有一个较大电感的直流电抗器,既有滤波功能又能当逆变侧发生短路故障时,由于电抗器的存在,电流不会发生突变,而电流调节器会迅速响应,使整流电路的晶闸管触发角后移,电流将被在安全范围内。

由于电源采用三相桥式整流电路,逆变器输出电流的谐波成分很大,会引起电机额外的发热和转矩变动。另外变频装置还会产生较大的共模电压,进而影响电机的绝缘。为解决上面的问题,该系统采用了12脉冲整流技术。

在软启动过程中,还采用了直流脉动技术。同步电动机的转子中由于外加励磁电流,在转子转动时电机定子中将产生感应电势,当这个电势反向作用于逆变侧的晶闸管时,晶闸管会关断,利用这个电势就可实现逆变晶闸管的自然换相。但是在当电机转速很低时,电机的定子电势很低,不能使晶闸管关断自然换向。为了解决这个问题,采用了直流脉动技术。也就是说电动机启动初期,电机转速低于10%期间,逆变器的晶闸管暂时全部关断,然后将根据触发的顺序给应导通的晶闸管加上脉冲。恢复直流电流时,电流将按触发的顺序流经新导通的晶闸管,从而实现从一相到另一相的换相。由于逆变器晶闸管顺序导通,直流电流顺序地流过电动机定子的相应绕组,并产生一个旋转磁场,带动转子旋转,转子旋转的速度由逆变器的触发周期确定,当电机转速达到10%以上时,电机定子产生的电势足够大时,逆变器的晶闸管采用自然换相,这样电机转子产生的启动转矩将使电机连续不断地提高转速,满足一定条件后,电机将并网拉入同步,变频器退出系统,从而实现同步电机的软启动。

采用软启动技术,必须在电机空载下启动并网,所需功率只有7000k W左右,远远小于异步启动和额定功率27000k W,所以对电网冲击很小。

3 启动控制过程

收到CCS的启动命令后,LCI控制系统发出命令,励磁机在规定的时间内建立励磁磁场,EVC按照固定的触发角触发,这样产生了固定的EVC输出电压。在励磁电流按斜坡上升期间,定子绕组上感应出反电势电压,LCI控制系统监视重新构造的各相电机磁通反馈信号,锁相环控制也实时跟踪电机磁通的波形,当系统检测到电机磁通的幅值大于设定值时,LC I控制部分将触发源侧和负载侧的功率桥,产生标幺值为0.5的启动电流,电流按照设定的频率流过电机的定子,持续约几个负载侧的触发脉冲,直到速度调节器工作,这时由于电机的反电动势不能使负载侧桥换向,系统将切换到强迫换向模式下调节速度,在这种情况下,直流连接电流每隔60度强迫回零,这就使负载侧的可控硅回到关闭状态。在直流连接的电流重建之前,逆变器控制选择下一对可控硅,从而建立电机旋转磁动势矢量。在这种模式下,电机可以运行在整功率,因为它没有负载换向,这将提供一种稍好的转矩 电流特性。当速度高于额定速度的10%后,SCR可以直接利用同步电动机产生的反电动势来进行换向了,此时系统切换到负载换向模式,磁通调节器激活,开始对电机内部磁通进行调节。LC I具有同步功能,当电机到达同步速度后,LC I检测负载侧变频器的输出电压的幅值、相位和频率与同步电动机的一致后,将进行同步并网。LC I同步过程完成后,运行断路器闭合,电机处于运行模式,M SC停止LCI,启动完成,整个启动过程约需2分30秒。电机从起动时就开始励磁,这样电机总是在同步模式下运行。

4 典型事故分析

二号M SC内部PLC的CP U损坏,无法正常启停电机,在更换了CPU模块后,程序无法下装,开始以为GE方面给我们的程序有错误,在联系了他们的专家后,确认程序是正确的,但每次下装程序都会报两个变量占用了一个存贮地址的错误。一般的PLC,即使这样的情况,下装是没问题的。尝试多次无果后,我们对程序做了修改,在中间变量M1、M2都占用了中间寄存器%M001的情况下,在找到两个空的中间寄存器%M002、%M003和中间变量M3后,我们改为,M1对应的中间地址%M001不变,M2对应的中间地址为%M002,M3对应的中间地址为%M003,把M2输出传给M3,这样程序就可以下装了。在下装之后,再把M2的中间地址改为%001,删除我们加的M2输出给M3的程序段,程序正常了。厂家把简单的问题复杂化了,给维护使用带来了很大的麻烦。

对外部电网多次波动引起高炉风机失步跳闸的事故进行分析和探讨,研究出一套降低高炉风机失步跳闸的解决方案:对于电网波动在额定电压10%以内而引起电机失步,通过在将电机功率因素低于-0.99时,给电机加强励磁(电流大小为励磁额定电流的1.2倍),以抑制电机因电网电压降低导致功角的增大,进而减小电机因此失步的几率。在加强励磁的时间的设定上要考虑励磁变压器温度上升的问题,以免导致在加强励磁过程中温度升高而导致电机跳闸。

由于风机外部线路发生对地短路,导致2号风机电机中产生1.3k A的短路电流,此时GE综合保护装置中速断保护动作,风机发生跳闸。GE综合保护装置速断保护电流为10kA,动作时间:0s。由于能源中心切除短路线路的时间为0.5~0.8s,而GE 电机判断电机失步后延迟0.25s便跳闸,经过计算和分析后,将延时时间增加到0.7s左右,这样在切除外部短路故障的同时,尽量保证风机不受影响。

5 调试和使用过程应该注意事项

在做Cro wbar试验时,允许直流电抗器电流在旁路发电机定子的情况下通过负载侧一对或多对相反的SCR组件循环。测试中使用示波仪来检查电源侧电流互感器(TA)的相位是否正确。Cro wbar试验类似于短路试验,因此对相关变量的设置是很慎重的,短路电流从小到大,一般控制在10%~20%,且升流时间不宜超过1m i n。在Cro wbar试验中还可以临时修改LCI内部过流保护设定参数,这样通过较小的短路环流就可以验证过流保护动作的正确性。

由于LCI对冷却水的电阻率要求较高。冷却系统循环冲洗是一个重要过程,要确保系统无任何泄漏。投运除碳器和去离子器的前提条件是滤网非常清洁,否则将大大缩短这些净化器的寿命。如何进一步改善LCI冷却水水质,可考虑在蒸馏水中添加适量的丙二醇,一般不超过30%,这样不仅能大大提高水电阻率,还可以起到防冻防锈的效果。

当电脑连接LCI控制柜内的PLC进行组态检查和设置时,需严格按制造厂家说明,不正确的通信连接会导致PLC闪存的损坏,而不正确的逻辑设置会在调试中引起电源的频繁动作。此外,应注意PLC 的断电时间不宜超过15h,否则可能引起PLC内存信息的丢失。

LCI系统运行时会产生大量高次谐波,而且其大部分I/O信号是直接连接到光电耦合型传送器,再进行远程通信的,所以对电缆的抗干扰能力要求较高。由于LCI控制电缆未采用屏蔽电缆,结果对LC I 系统的调试带来一些困难。事实上GE公司的LC I 装置在输出中间继电器上都并联了(下转第66页)设置这样一个悬念性问题:有些机械不需要连续传动,而需要断续转动或移动,即时动时停的运动,如何现实呢?请大家课后思考。各个教学环节,可以灵活运用不同类型的提问方式,激发学员的求知欲。

2.3 类比教学法

!机械传动∀讲述了各种传动机构,如带传动、螺旋传动、链传动、圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗杆传动等,每种传动都是介绍结构、工作原理、分类、参数、应用特点等,前面几种传动可以详细介绍以上各项内容以及层层递进的分析方法,最后归纳总结出应用特点和应用场合。当学员渐渐熟悉了这种分析传动的方法后,用链传动来做一次类比法教学。先让学员模仿前面的方法来分析链传动的结构、工作原理、分类、参数,再归纳出链传动的应用特点和应用场合。同样,学完直齿圆柱齿轮传动以后,也可以用类比法学习斜齿圆柱齿轮,在教学中有意识地强调这种层层推进、抽丝剥茧的分析问题、思考问题的方法,以后碰到新的设备,学员也会养成习惯,先看看设备的结构,再分析其工作原理和参数,归纳这种设备有哪些特点,可以用在什么场合,从而培养学员分析问题和解决问题的能力。

2.4 归纳总结法

学完一个章节,要及时地进行回顾,归纳总结出本章的主要内容,重难点是什么,使知识成为一个有机的整体。这样,既有利于学员理清思路,又有利于学员记忆所学的知识。学完几个章节后,要进行比较和总结,找出相同点与不同点。例如,讲完带传动和链传动后,可以进行一次比较,比较它们的传动比的计算公式、范围、准确性、工作环境等。

3 结语

提高!机械传动∀教学效果的途径是多种多样的,只要教师平时多关心生活和生产中的机械,用心钻研,不断探索,把教学与实践紧密结合,充分调动学员的能动性,就能找出一个令教师和学员都满意的教学方法,从而提高教学效果,培养学员动手动脑的能力,达到培训的目的。

(上接第47页)滤波电容,以增加抗干扰能力,但对PLC的输入口却未有抗干扰措施。对LCI系统应尽量采用屏蔽电缆,而对较长距离电缆的输入端再加装中间继电器进行隔离是防止LC I因干扰信号而发生故障的有效方法。

软启动控制系统是直接将工频高压电源通过变频器变为工业运行所需要的频率、电压可变的交流电源。因为电压高,所以设备制造时,其结构上以及信号的检测和传输上都采取了相应的绝缘和隔离措施。系统调试时,为了保证设备和人身的安全,对需要检测的信号能采取隔离措施的尽量隔离,能够变换为低压处理的尽量降压处理,示波器等调试设备的供电应采用一、二次及对地有耐压足够的隔离变压器供电。晶闸管变流器的主回路相序必须与触发器的相序相一致,高压主回路的电压太高,不能直接接入示波器的探头,而应该通过电压互感器隔离和衰减后再校验。

参考文献:

[1]吴忠志,吴加林.新型变频调速系统,机械工业出版社,1995.

[2]牛秀岩.电机学,冶金工业出版社,19.

[3]高景德,张麟征.同步电动机过渡过程的基本理论及分析方法,2003.

[4]李华德,现代交流电机变频调速系统,石油工业出版社,1996.下载本文