高压变频器无扰切换系统在高炉鼓风机上的应用

张学东

(上海电气富士电机电气技术有限公司，上海 201199)

0 引言

宁夏晟晏实业集团有限公司炼铁车间新上两台10 kV，8 800 kW的高炉鼓风机，采用上海电气富士电机电气技术有限公司生产的FRENIC4600FM6e系列高压变频器作为软起动设备对电机进行启动，并且无扰切换到电网运行。

无扰切换系统是高压变频器检测电网电压和变频器输出电压，逐步调整变频器输出，达到输出电压与电网电压同相位、同频率、同幅值，然后变频器将电机由变频器拖动运行切换到电网运行。

1 项目情况

1.1 电机参数

额定电压：10 000 V

效率：97%

额定功率：8 800 kW

功率因数：0.9

额定电流：582 A

转动惯量：700 kg·m2

额定转速：1 494 r/min

厂家：上海电机厂有限公司

1.2 风机参数

起动阻力矩：15 000 N·m

静阻力矩：3 000 N·m

机组转动惯量(折算到电机端)GD2：15 000 kg·m2

起动阻力矩曲线(折算到电机端，不含电机)(冬季第一级静叶片开度14°)，见图1。

图1 启动阻力矩曲线

1.3 起动时间要求：180 s

2 项目情况分析

异步电机在启动时(转子堵转时)，电机转速为零，功率因数极低，堵转时的电流最高可达额定电流的7倍。异步电动机转子堵转、转子绕组短路时的等效电路，见图2。

图2 异步电动机转子堵转、转子绕组 短路时的等效电路

根据等效电路可得基本方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

异步电动机定、转子漏阻抗标幺值都是比较小的，如果在它的定子绕组上加上额定电压，这时定、转子的电流都很大，大约是额定电流的4～7倍。因此可以采用降压启动的方式减小启动电流。

保持电源频率不变，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称降压调速。

调压调速的基本特征是电动机同步转速保持为额定值不变，即：

(6)

而气隙磁通

(7)

Φm随U1的降低而减小，属于弱磁调速，而电机的输出转矩为电流与磁通的耦合的结果，电磁转矩会与U1的平方成反比，导致电磁转矩很小。为了弥补定子电压的减小而导致的气隙磁通的减小，可以通过等比例的减小定子电压频率的方式维持气隙磁通，即恒压频比调速。由于系统有着变压与变频的需求，因此变频器的使用可以很好的满足上述要求。

3 高压变频器容量的选型

根据提供的电机参数和起动阻力矩启动曲线，相关选型计算如下：

由运动学方程可得：

(8)

式中：T为电机输出转矩；TL为总负载转矩，J为总转动惯量。

根据功率关系可得：

P1=Pcosφη1η2=Tω

(9)

式中：P1为电磁功率；P为变压器功率；η1为电机效率；η2为变压器效率。

解得：

P=3 483.5 kVA

(10)

根据上电富士高压变频器容量划分及计算结果(0～50 Hz时间按180 s考虑)，此项目变频器选型容量为3 750 kVA，变频器型号为FRN46-6FA-X05X0-3750A。

4 系统方案

4.1 系统一次图(见图3)

图3 系统一次图

切换柜间的连锁：

(1) 断路器QF4、QF5互锁(硬联锁)。

(2) 断路器在就地控制模式下，QF1、QF4互锁，QF3、QF5互锁(硬联锁)。

(3) QF2的常开节点作为QF4、QF5的合闸条件；合闸顺序号先合QF2才能合QF4或者QF5。

(4) QF4、QF5增加QF2跳闸联锁，QF2分闸后QF4、QF5分闸。(防止进线开关分闸出线开关不分闸,倒送电损坏功率单元)。

(5) “工频断路器投入响应”A电机同步投切时收QF1合闸反馈后发给变频器或B电机同步投切时收到QF3合闸反馈后发给变频器。选择A电机同步投切时不检测B电机开关的反馈信号，选择B电机同步切换时不检测A电机的开关状态。

(6) “输出断路器投入响应”A电机同步投切时QF4开关合闸反馈收到后发变频器或B电机同步投切时QF5开关合闸反馈收到后发变频器。

4.2 高压变频器起动流程图(见图4)

图4 高压变频器起动流程图

启动过程描述(以A电机为例)：

(1) 变频器上控制电，自检通过后，向用户DCS发“电气条件完成信号”；

(2) 选择起动电机A；

(3) PLC判断QF1、QF2、QF3、QF4的位置，如果均处于分闸位置，发出合QF2、QF4指令；PLC检测到QF4断路器合闸反馈后给变频器发“输出断路器投入响应”信号。

(4) QF2合闸送高压后，变频器预充电完成，向用户DCS发“运转条件完成”指令；

(5) DCS发送起动指令；

(6) PLC向变频器“启动指令”和“同步投入指令”(同步投入指令为电平信号);

(7) 变频器起动，变频器控制拖动电动机至额定频率，输出电压从0 V逐步升到10 kV，同时输出励磁电流信号(4～20 mA)；

(8) 变频器检测输入电压和输出电压，逐步调整其输出达到输出电压与输入电网电压同相位、同频率、同幅值，变频器输出同期完成信号；

(9) PLC接收到同期投入指令后，合闸QF1，变频器逐渐减小输出电流，负载逐渐转移至电网(1 s内完成)；PLC检测到QF1合闸反馈后给变频器发“工频断路器投入响应”信号；

(10) PLC检测到QF1合闸反馈延时0.3 s发送“停止指令”到变频器，延时0.5 s发QF4分闸信号(QF1合闸后1 s内断开)；

(11) PLC清除“同步投入指令”；

(12) PLC分断QF2，同时清除“变频器输出断路器投入信号”、“工频断路器投入信号”，准备下次起动。

5 采用高压变频器的优势

5.1 因宁夏晟晏实业集团能源循环经济有限公司的电源是集团自备电厂机组的电源，随着生产规模扩大用电量需求增加，原来电网预留负荷不足以支撑8 800 kW这么大容量电机直接起动(直接起动电流将超过4 000 A)。协调电网进行扩容不仅流程长投资成本也大，所以要求扩建项目大型设备启动必须控制在额定电流范围以内。高压变频器将电机的启动冲击电流控制在了200 A的范围内，大大降低了对电网容量的需求。

5.2 对进线母线负荷要求小，启动前不用协调其他大型设备停机从而调整进线负荷来启动高炉鼓风机。

5.3 变频器做软起时可以连续多次启动，对电机、机械、电网冲击都很小。而水阻、固态软起启动必须留有时间间隔，直接影响其他大型设备正常运行。

5.4 水阻、固态软起启动只有在调整合理情况下才能将启动电流控制在3倍左右，这样就要求上级进线变压器容量要加大，投资成本会提高。

5.5 同样功率电机如果采用水阻、固态软起是按照电机额定容量来配置的，而采用变频器做软启只需电机额定容量0.35倍即可，投资成本相差不多。从性能上来讲，变频器的无扰切换方案比水阻、固态软起更加有优势。

5.6 延长电机及负载的使用寿命，变频启动真正实现了电机及负载的软起动，减小了冲击，能够有效延长其使用寿命。可以随意进行电机的启动，也有效的减小了启动时对轴瓦的冲击。

6 结语

冶金行业历来属于高耗能行业，高炉鼓风机、主轴风机等大功率电机很多，采用高压变频器软起然后无扰切换到工频运行，避免电机起动时的电流大幅波动，不会影响电网和其他设备用电，同时电机起动简单容易，不会受到过大的机械应力和热应力。高炉鼓风机的变频应用不仅能够实现较高的节能效果，还能够实现大功率电机的启动问题，但方案的设计上一定要遵从安全可靠的原则。