电压源型变频器应用于高炉鼓风机可行性研究

张家强，张洪明，李进军

（内蒙古包头市包头钢铁（集团）公司炼铁厂，内蒙古包头014010）

1 电压源型相较电流源型变频器工作特点

根据直流电路中滤波方式的不同，可以分为电压源型和电流源型两种。由于一般为感性负载，与电源之间会产生无功功率交换，所以在中间直流回路中要有缓冲无功功率的元器件。电压源型与电流源型变频器直流电路分别采用电容器和电抗器滤波。电压源型变频器在电压波峰较高时，通过电容器储存电场能，在电压波谷较低时，电容器通过释放电场能来进行补充，达到保持直流回路电压平稳的目的。电流源型变频器在电流波峰较大时，通过电抗器储存磁场能，在电流波谷较小时，电抗器通过释放磁场能进行补充，达到保持直流回路电流平稳的目的。电压源型直流侧并联大电容，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。同时直流电压源的箝位作用其输出的电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关。而交流侧输出的电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻抗负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时电流要反相，所以开关器件两端需要反并联。以上为两种不同类型变频器的工作特点[1]。

2 空冷型完美无谐波变频器工作原理

电压等级为10kV系统变频器，每相由8个额定电压为750V的功率单元串联而成，输出相电压达6kV，线电压达10kV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。10kV电压等级变频为48脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.95以上，该变频器使用矢量控制方式来控制异步电机和同步电机。其控制性能几乎与直流电机一样。其矢量控制由以下四个基本单元构成，电机模型用于检测电机磁通及速度；电流调节器用于矢量控制的内环；磁通及速度调节器用于矢量控制的外环；前馈补偿环节用于改善转矩及磁通环的瞬态响应。

电机模型通过检测的电机电压及估算的定子电阻压降来确定定子磁通的幅值，电机速度及磁通角。这样就可以自动补偿定子电阻。电机的电压方程可以通过将三相交流量转化为直流量得到。电机模型中的一个锁相环跟踪定子频率及磁通失量的角度。电机磁通的幅值由磁通调节器控制；它的输出形成励磁分量（磁通）。电机速度由定子频率决定，并受速度调节器控制。它的输出就是转矩电流调节器的给定。磁通角用于将检测到的电机电流分解为激磁分量及转矩分量。这样分解使得交流电机的磁通和转矩可以象直流电机那样进行单独控制。这些电流分量在电流调节器的控制下跟随各自的电流指令。电流调节器的输出形成三相电压给定信号，这些电压指令再经过不同的控制软件模块的修改后送到调制板中。通过引入前馈控制补偿可以改善磁通和转矩调节器的瞬态响应[2]。

3 同步电机控制

变频器配有一个包含基于晶闸管电流调节器的励磁柜用于同步电机控制。励磁装置为可控硅调节器。该励磁装置输出的电流大小由磁通调接器输出决定。对于无刷电机，假定其励磁绕组线圈电压范围为3相350伏至400伏。如果电压不符，则需在辅助电源与可控硅调节器之间插入一个隔离变压器。主回路只需一个整流器。当励磁装置不能完全开通或关断时，电机将吸收过多的无功电流，这时控制单元将触发励磁消失故障同时中断变频器输出。除了磁通调节器的控制外，整个同步控制方案与开环矢量控制相似。对于同步电机，该磁通调节器输出两个电流指令，分别用于励磁装置和定子电流的励磁分量控制。同步电机通常不使用检测电机频率来得到转速的方式。而是通过转子在定子绕组上感应出的电压来计算电机的转速，再输出转矩到同步电机。当启动同步电机时，变频器发出励磁电流指令到励磁控制器，该指令大小等于空载励磁电流设定值。这个过程持续的时间等于磁通上升时间。励磁状态结束后，变频器进入运行状态。大多数情况下，励磁控制器的响应较慢，变频器输出励磁电流到励磁控制器用于建立电机额定磁通。同时速度控制器输出转矩指令来使电机加速到给定转速。一旦励磁控制器输出的电流足以维持电机磁通，定子电流的励磁分量将减至零。从这时起变频器输出与电压同相位转矩电流来进行加、减速控制[3]。

4 工程应用及技术方案

4.1 概述

承钢目前在运行的四座高炉，分别是1#、3#、4#、5#高炉。另外 2#、6#、7# 高炉停产。其中 1# 高炉 1260m3，3#、4#、5# 高炉均为2500m3。承钢有两套西门子高压变频器分别是对应3#高炉的西门子GL150电流源变频器及对应5#高炉的西门子GH180电压源型变频器，其余两座高炉应用汽动鼓风机对高炉供风。其中西门子GL150于2006年投产至今运行良好。未由于高压变频原因出现重大设备事故。5#高炉改造项目为九源天成总包项目，GH180于2016年5月投产，至今运行一年零九个月，运行状况良好，未由于高压变频原因出现重大设备事故。

唐钢中厚板公司在运行的三座高炉，分别是1#、2#、3#高炉，均为1850m3，均采用电动鼓风机给高炉供风。1#、2#高炉均采用美国GE的电压源型变频器，运行均在7、8年左右，运行情况良好。3#高炉2015年迁移改造，从唐钢本部迁移至唐钢中厚板公司。该项目为陕鼓总包项目，2015年改造，2016年由于环保问题3#高炉未投产，2017年6月份正式生产。该套GH180变频器2015年至2016年期间调试试运行，正式向高炉供风至今运行八个月，运行状况良好，未由于高压变频原因出现重大设备事故。

包钢老体系目前拥有三台高炉鼓风机，每台风机由1台36500kW电机拖动，采用西门子SIMOVERT S启动，速度达到50Hz时切换工频并网。风机为轴流式风机，其中两台由瑞士曼透平制造，另一台由陕鼓集团制造。电机为三相高压同步电机，由德国西门子电机厂制造。

在实际启动过程中，先通过SIMOVERT S启动其中一台风机电机，当电机转速达到50Hz时，监测电网状态，满足条件时自动将运行电机切换至工频运行，SIMOVERT S退出系统，同时相应开关柜联锁；同理，通过SIMOVERT S将另外两台高炉鼓风机电机启动并切换至工频电网。

根据包钢高炉鼓风机系统现有控制方式和实际运行条件，系统改造可在确保不影响现有生产，同时满足与原有系统兼容性原则下，采用“新增高压变频器+独立励磁控制装置+配套控制系统”拖动风机，利用现有SIMOVERT S软启动系统做热备，作为高炉鼓风机的备用启动回路。新增高压变频器，同时配套新的控制系统，根据变频器和现场的实际情况进行设计，方便操作人员进行新变频驱动系统的操作，保证与原有系统良好兼容，确保系统的先进性和可靠性。

4.2 主回路改造方案

高炉鼓风机的高压变频改造方案分电气系统改造和控制系统改造两部分。系统新增一套启动变频器和三套励磁系统及启动切换用10kV高压断路器，与原SIMOVERT S启动系统组成互为备用的变频软启系统。整个系统控制由原有各高炉风机DCS控制系统给出命令到主顺序控制柜中，由该柜选择并协调各电机励磁和各电机通过启动、加速、并网的控制。整个并网过程由新增高压变频器系统启动、运行过程是全自动实现并监控。该套系统能够实现有隔离变压器的各种保护，另外变频器带转速跟踪再起动功能，具备电容器预充电功能，能够具备间隔较长时间后，顺利启动的要求。新增高压变频器需在输入侧和输出侧各增加一面高压柜分别与电网侧母线和电机侧母线相连。SMOVERT S的输入侧母线之间已有高压柜，其输出端需要增加一面开关柜与电机侧母线相连，组成二台变频器二拖三启动、互为备用。变频器输入端开关柜应配置过电压和过流速断等的综保。整套新增系统应具备过电压，过电流，欠电压，缺相，变频器、电机过载和过热，输出接地及短路等保护功能。

4.3 控制系统改造

为确保现有软启动控制系统和改造后的变频控制系统稳定、可靠运行，对新系统加装无刷励磁控制系统，与原有的励磁系统分开，根据电机的励磁重新设计变频启动的配套励磁，从而能更好地保证风机的启动。原有的励磁系统将被保留与原SIMOVERT S配套使用，其输出侧将增加切换开关，当采用新的变频器启动时，电机励磁切换到新增的配套励磁柜，其联锁信号也将接入配套的接口柜用于系统的联锁保护。

系统将新增加一套S7-300 PLC接口柜，以实现对新增的启动变频器与励磁装置的切换控制以及对新增高压开关柜的控制。

新增接口柜将实现以下功能：

①实现与原有控制系统的通讯。原控制系统进行适当改造，实现启动变频器选择和所要启动的电机的选择。当选择原SIMOVERT S启动时，通知接口柜将励磁切换到原励磁柜，并对新增变频器的开关柜保护联锁。当选择新增变频器启动时，由接口柜控制将励磁切换到新增励磁柜。

②与新增启动变频器的通讯控制。

③实现对新增启动变频器开关柜的控制和联锁保护。

为了保证系统的运行，系统将新增一套低压配电系统用于新增系统的低压供电，将新增系统的配电与原系统分开，确保两个系统的独立，其主动力系统供电根据现场情况由用户提供。

5 结论

通过对电压源型变频器工作原理及控制逻辑分析，以及承钢、唐钢中厚板公司实际应用、技术方案论述，大功率空冷型电压源型变频器相较电流源型具有价格优势，同时维护较为方便，相信在钢铁冶金企业高炉鼓风机的应用前景会更加广阔。