于洪喜^① 史軼芳

(北京首鋼股份有限公司設(shè)備部 河北遷安 064400)

摘 要：近年來鋼鐵行業(yè)震蕩發(fā)展，產(chǎn)量、質(zhì)量、成本的平衡成為企業(yè)的核心競爭力，低成本、高質(zhì)量運(yùn)營成為企業(yè)發(fā)展的必然階段，對企業(yè)生產(chǎn)工藝設(shè)備的迭代升級及穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。首鋼股份公司 3#8000m³ 髙爐鼓風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的改造升級項目，著重分析了高爐鼓風(fēng)機(jī)控制特點，對新系統(tǒng)的可靠性、自動化程度、可操作性等都明確了具體要求，確保升級改造后髙爐鼓風(fēng)機(jī)能夠順利啟動。結(jié)合生產(chǎn)工藝及軟起動系統(tǒng)特性，設(shè)計了大型電動高爐鼓風(fēng)機(jī)變頻軟起動控制系統(tǒng)的迭代升級方案，實踐了同步電動機(jī)SFC 變頻軟起動控制系統(tǒng)的迭代升級。

關(guān)鍵詞：高爐鼓風(fēng)機(jī)；變頻控制；軟起動

1  前言

高爐鼓風(fēng)機(jī)作為高爐順穩(wěn)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，在煉鐵生產(chǎn)過程中承擔(dān)著關(guān)鍵工藝流程角色，直接關(guān)系到煉鐵的穩(wěn)定生產(chǎn)。

公司目前設(shè)計四臺高鼓為三座高爐供風(fēng)，供風(fēng)量分別為 7000m³、7000m³、8000m³、8000m³，實現(xiàn)三用一熱備，以滿足高爐生產(chǎn)供風(fēng)需求。高爐鼓風(fēng)機(jī)軟起動原使用西門子 SIMOVEＲTS 變頻靜態(tài)軟起動產(chǎn)品，此套變頻控制器是西門子針對大型風(fēng)機(jī)及軋機(jī)等復(fù)雜控制系統(tǒng)來設(shè)計應(yīng)用的。它為不同任務(wù)類型提供了多種組合模式，包含多種處理器、通訊模塊及各類接口模塊等。其控制中心是一種基于總線結(jié)構(gòu)的多處理通用型 SIMADYN_D 控制單元，控制功能強(qiáng)大，可靠性較高，在我國大型冶金項目選用較多。

近年來，由于 SIMADYN_D 控制器和 SAV21 等設(shè)備板卡應(yīng)用時間的逐年增加，鼓風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)故障頻發(fā)，各類板卡及系統(tǒng)運(yùn)行故障鎖定困難，同時又面臨著備件停產(chǎn)停供、國外技術(shù)封鎖等嚴(yán)重問題，較大程度影響了高爐的順穩(wěn)運(yùn)行，亟待改造。為此，本文提出了利舊變頻主功率器件及電動機(jī)設(shè)備，由西門子 SIMOVEＲTS變頻升級為GL150 變頻控制軟起動，并優(yōu)化勵磁系統(tǒng)冗余控制方案，使整個系統(tǒng)運(yùn)行更為穩(wěn)定可靠，同時對同行業(yè)此類大型軟起動設(shè)備新建、改造升級研究具有重要借鑒作用。

2 軟起設(shè)計與實踐

2019 年啟動高爐鼓風(fēng)機(jī)變頻軟起控制系統(tǒng)技術(shù)升級項目，設(shè)計采用西門子新一代 SINAMICS 系列 SFC 變頻軟起動裝置( 電流型變頻器 LCI) 及 6ＲA80 直流調(diào)速勵磁系統(tǒng)，利舊現(xiàn)有整流、直流平波電抗及逆變功率柜，設(shè)計更新控制柜、脈沖回路及各類信號模塊，優(yōu)化勵磁冗余控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速曲線，通過實時跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，調(diào)節(jié)實時頻率，調(diào)節(jié)輸出電流，在規(guī)定的時間內(nèi)將 36. 14MW的電動機(jī)帶入全速并順利投切并網(wǎng)運(yùn)行。

相比原控 制 系 統(tǒng)，新控制系統(tǒng)主要區(qū)別在于采用SINAMICS 系列控制器和相關(guān)控制部件，控制板集成度高，設(shè)計簡潔，其中 CU320 控制核心部件通用于全系列高低壓變頻器，增強(qiáng)了后期維護(hù)的便利性。通過高壓軟起動系統(tǒng)的設(shè)計并應(yīng)用，在掌握高爐鼓風(fēng)機(jī)軟起動工作原理和性能的基礎(chǔ)上，可為企業(yè)舊設(shè)備升級、備件降本等積累寶貴的技術(shù)經(jīng)驗。

2． 1 運(yùn)行特性分析

2． 1． 1 高爐鼓風(fēng)機(jī)的工藝特性

在高爐冶煉過程中，高爐鼓風(fēng)機(jī)為高爐系統(tǒng)提供足夠的風(fēng)壓與充裕的風(fēng)量，是煉鐵最主要的動力設(shè)備之一。爐內(nèi)鐵礦、燃料及操作條件都會隨著冶煉的過程發(fā)生變化，要求鼓風(fēng)機(jī)供風(fēng)量滿足一定的調(diào)節(jié)范圍，同時滿足供風(fēng)風(fēng)熱( 800 ～ 1300℃ ) 、氧含量及風(fēng)壓等一系列指標(biāo)要求，以保證爐況的冶煉穩(wěn)定。

2． 1． 2 高爐鼓風(fēng)機(jī)的軟起動特性

高壓變頻軟起動是應(yīng)用電力電子技術(shù)實現(xiàn)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。通過控制器輸出電壓頻率從小到大，逐步上升到工頻頻率，具有在整個起動過程中很小的啟動電流、可控的啟動轉(zhuǎn)矩、對電網(wǎng)幾乎沒有附加影響等特性。此方法起動電機(jī)優(yōu)勢為: ( 1) 避免破壞性力矩沖擊，可以實現(xiàn)電機(jī)的輸出力矩適應(yīng)大型負(fù)載啟動力矩需求，實現(xiàn)系統(tǒng)平滑啟動; ( 2) 避免啟動過程中的瞬時發(fā)熱破壞電機(jī)絕緣性能，可大幅降低啟動電流以適應(yīng)電機(jī)承受能力; ( 3) 降低電網(wǎng)電壓暫降及高次諧波含量，可保障電網(wǎng)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，滿足電網(wǎng)質(zhì)量相關(guān)要求^［1］。

2． 2 升級技術(shù)難點

為降低 3#高爐鼓風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)改造成本，在保留原電機(jī)及主功率單元的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制系統(tǒng)升級，其主要設(shè)計技術(shù)難點如下。

難 點 1: 高爐鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)利舊原 BBC 公司的 36. 14MW 同步電機(jī)，此電機(jī)為二十世紀(jì)八十年代產(chǎn)品。經(jīng)過搬遷調(diào)整，電機(jī)原始設(shè)計參數(shù)不齊全，只保存了基礎(chǔ)參量，電機(jī)辨識存在難度，需重新對電動機(jī)轉(zhuǎn)子、定子電抗及阻抗參數(shù)進(jìn)行計算補(bǔ)償。電機(jī)參數(shù)見表 1。

難點 2: 此次升級需要利舊現(xiàn)場所有功率元器件及柜體，要重新對脈沖版、電源板、各類信號采集板進(jìn)行安裝匹配測試，同時要優(yōu)化設(shè)計勵磁冗余系統(tǒng)，對現(xiàn)有信號進(jìn)行重新定義，工作量及難度均較大，并通過西門子 S7 － 300工作站來實現(xiàn)電動機(jī)的勵磁和運(yùn)行調(diào)節(jié)控制，以達(dá)設(shè)備的無故障運(yùn)行。

2． 3 設(shè)計構(gòu)成

本次軟啟動系統(tǒng)升級設(shè)計選用交直交電流型變頻裝置( LCI) 實現(xiàn)軟起動，其主回路主要包含 10kV 變壓器、整流單元、平波電抗、逆變單元、電壓及電流檢測、同步并網(wǎng)及轉(zhuǎn)子位置檢測編碼器等。在設(shè)計改造時，充分利舊現(xiàn)有功率單元( 可控硅) 及直流側(cè)電抗器。功率單元部分采用兩個回路設(shè)計，兩路進(jìn)線構(gòu)成 12 整流脈動，相間夾角為30°，有效降低電網(wǎng)輸入側(cè)電流諧波; 兩路出線相間夾角也是 30°，減少對電動機(jī)的諧波。系統(tǒng)調(diào)速范圍可從電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速，啟動容量可小于電機(jī)額定容量的1 /3 ，可實現(xiàn)連續(xù)啟動作業(yè)，重復(fù)精度可控。3#高爐鼓風(fēng)機(jī)變頻軟起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1。

軟啟系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)通過 MBL 高壓斷路器直接連接 SM同步電動機(jī)，通過 MBC 高壓隔離斷路器連接軟起動輸入側(cè)降壓變壓器，雙回路并聯(lián)形成軟啟動系統(tǒng)，輸出經(jīng)過升壓變壓器通過 MBM 連接同步電動機(jī)。其中 MBC/MBM/MBL 分別控制變頻軟起動及電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時的合分閘操作，由變頻軟起系統(tǒng)及起動勵磁系統(tǒng)配合完成電機(jī)起動。

起動結(jié)束后由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，斷路器自動切換為電網(wǎng)直供，勵磁回路切換為冗余勵磁運(yùn)行控制。

2． 4 控制與計算

軟起動控制系統(tǒng)升級設(shè)計選用西門子新一代 SFC 變頻控制系統(tǒng)，硬件選型為通用性更強(qiáng)的 SINAMICS 標(biāo)準(zhǔn)控制單元，分為控制中心、功率模塊、操作組件三部分構(gòu)成。

各級通訊通過穩(wěn)定性更強(qiáng)的 DＲIVE － CLIQ 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，模塊的拆卸更為便捷，有利于設(shè)備維護(hù)，其典型硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2。

GL150 變頻系統(tǒng)硬件通過高性能的 DＲIVE － CLIQ 串行連接 接 口 進(jìn) 行 相 互 連 接。此通訊方式使用了 POE( Power Over Ethernet) 技術(shù)，主要由 CPU － CU320、供電電源、電壓傳感模塊、數(shù)字量、模擬量擴(kuò)展模塊及信號檢測板等構(gòu)成，能在確保現(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，最大限度地降低成本。通過系統(tǒng)電壓及電流模型進(jìn)行矢量計算，輸出電機(jī)高低速控制所需的磁通及電流信號，通過執(zhí)行系統(tǒng)矢量控制調(diào)節(jié)，對輸出轉(zhuǎn)速不斷調(diào)整，完成大功率電動機(jī)的速度跟隨，其控制功能如圖 3。

變頻器系統(tǒng)啟動時，控制器負(fù)責(zé)接收給定信號，與系統(tǒng)檢測反饋信號進(jìn)行疊加計算后輸入速度調(diào)節(jié)單元。控制中心通過矢量控制坐標(biāo)變換^［2］，將輸入交流量信號全部轉(zhuǎn)換為靜止矢量，分別為勵磁分量 ΦM 和轉(zhuǎn)矩分量 ΦT，其電流分別為 i_M 和 i_T，它們在直角坐標(biāo)系下的分量都是直流分量。這樣電磁控制模型等效于直流電機(jī)控制模型，通過控制轉(zhuǎn)矩電流 i_T 即可完成系統(tǒng)電磁控制。再通過二相三相電磁變換模型獲得控制輸出的交變電流 i_A /i_B /i_C，通過硬件通訊完成逆變回路觸發(fā)控制。勵磁系統(tǒng)通過6ＲA80 調(diào)速裝置，調(diào)節(jié)同步電機(jī)勵磁單元輸出電流，實現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)目的^［3］。

在系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)過程中，電機(jī)的順利啟動還要進(jìn)行多種調(diào)節(jié)單元及設(shè)定模型的調(diào)節(jié)計算，需要完成進(jìn)線側(cè)整流器的控制、負(fù)載側(cè)逆變器的控制、勵磁的控制，逐步進(jìn)行低速時直流脈動斷續(xù)換流、高速時負(fù)載感應(yīng)自動換流，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，其主要控制調(diào)速功能如表 2。

當(dāng)變頻器恒電流控制電機(jī)達(dá)到設(shè)定速度的 95 ～ 97%時，系統(tǒng)開始執(zhí)行并網(wǎng)操作，通過系統(tǒng)微調(diào)控制配合勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)，對 10kV 電網(wǎng)及電動機(jī)瞬時電磁狀態(tài)檢測，判斷相序、電壓、頻率、相位是否一致或接近，其中相序一致是并網(wǎng)絕對條件。當(dāng)檢測項量完全相同時，同步并網(wǎng)條件成立，系統(tǒng)發(fā)出并網(wǎng)命令，整流器脈沖觸發(fā)角后移，待直流側(cè)電流下降至零，瞬時封鎖整流逆變?nèi)棵}沖，同時各斷路器執(zhí)行動作，并網(wǎng)完成^［4］，并網(wǎng)相序頻率檢測如圖 4。

并網(wǎng)裝置在并網(wǎng)時刻重復(fù)測量的狀態(tài)電壓，分別為并網(wǎng)側(cè)變頻系統(tǒng)及電網(wǎng)系統(tǒng)的相間電壓。定義網(wǎng)側(cè)為系統(tǒng)1 為實際值，各參數(shù)命名為 U_a、U_b、U_c; 同時定義并網(wǎng)側(cè)位系統(tǒng) 2 為測量值，各參數(shù)命名為 U_d、U_e、U_f。

偏差計算公式為: Δα = 測量值 － 實際值若 Δα = U_a － U_d 大于 0，表示系統(tǒng) 2 超前系統(tǒng) 1，相反系統(tǒng)2 滯后系統(tǒng) 1，相角最大差 180 度，借助并網(wǎng)裝置同步指示器檢查并調(diào)整頻率和相位，并調(diào)節(jié)電機(jī)的勵磁電流使得電機(jī)的輸出電壓相等，以最終確定合閘時刻，實現(xiàn)并網(wǎng)。

2． 5 啟動流程與時序

軟起動控制流程主要包括: 系統(tǒng)初始化、啟動狀態(tài)檢測、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、軟起動控制程序、人機(jī)交互、啟動完成等部分，通過邏輯控制與工藝控制的功能設(shè)定，以及多次對驅(qū)動器進(jìn)行組態(tài)與測試，其系統(tǒng)流程圖如圖 5。

當(dāng)勵磁控制系統(tǒng)檢測外部狀態(tài)均滿足啟動條件，由勵磁機(jī)控制柜啟動并發(fā)出 GL150 控制系統(tǒng)啟動命令，同時勵磁直流裝置給電機(jī)輸出勵磁電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并閉合變頻器出線斷路器。此時勵磁系統(tǒng)與變頻系統(tǒng)同步輸出控制，待電機(jī)速度達(dá)到并網(wǎng)設(shè)定速度時，系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)并檢測成功后發(fā)出并網(wǎng)指令。電網(wǎng)側(cè)及電機(jī)側(cè)高壓斷路器動作同步動作，同時勵磁為變頻系統(tǒng)發(fā)出停車指令，變頻器立即封鎖輸出脈沖，變頻軟起系統(tǒng)退出，變頻去磁系統(tǒng)進(jìn)入消磁，為下次起動做好準(zhǔn)備，電動機(jī)起動完成。電機(jī)控制方式可通過勵磁控制面板選擇，方案設(shè)定為恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，啟動時序控制如圖 6。

2． 6 高爐鼓風(fēng)機(jī)軟起動改造應(yīng)用效果

通過此項目的開發(fā)與實踐，實現(xiàn)了大型同步電動機(jī)帶負(fù)載從低速到全速且成功并網(wǎng)的軟起實現(xiàn)過程，達(dá)到技術(shù)控制目標(biāo)。一是有效降低起動電流，為額定電流的 0. 3 倍～ 0. 5 倍以內(nèi); 二是測試啟動時間均小于 180s，滿足電動機(jī)平滑啟動要求; 三是并網(wǎng)運(yùn)行后，電機(jī)由勵磁系統(tǒng)采用恒功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。同時在以下兩個方面實現(xiàn)日常運(yùn)維能力的大幅提升。

1) 改造前高爐鼓風(fēng)機(jī)均采用西門子 SIMOVEＲTS 變頻器，控制器采用 SIMADYND，由于控制板卡及模塊較多，其運(yùn)行安全及可靠性逐年下降。改造后 GL150 變頻系統(tǒng)在驅(qū)動高爐鼓風(fēng)機(jī)上有著很高的穩(wěn)定性，控制柜內(nèi)得到了很大程度簡化，其控制系統(tǒng)采用 SINAMICS 系列產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)控制部件，相比上一代系統(tǒng)便于維護(hù)及故障處理，大幅降低了系統(tǒng)維護(hù)強(qiáng)度。

2) 基于 Unix 開發(fā)的 STＲUC － G 應(yīng)用調(diào)試軟件，其界面復(fù)雜、操作繁瑣，需要進(jìn)行專業(yè)訓(xùn)練才能可靠操作，現(xiàn)場應(yīng)用性較差。GL150 控制系統(tǒng)采用的是 Scout 編程軟件，其操作及維護(hù)界面更加清晰，各參數(shù)板塊調(diào)用便捷，交互性更強(qiáng)，同時升級的整個控制項目工程在 Step7 平臺下即可實現(xiàn)集中管理，便于多傳系統(tǒng)之間以及傳動與自動化系統(tǒng)間的統(tǒng)一管控，極大提高了系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)效率。

3 結(jié)論

根據(jù)高爐鼓風(fēng)機(jī)改造需求，設(shè)計了一套完整的風(fēng)機(jī)軟起動控制系統(tǒng)，采用 SINAMICS 系列 GL150 變頻器，以新一代 SFC 同步變頻軟起技術(shù)為依托，利舊現(xiàn)有主功率器件，控制過程實現(xiàn)斷續(xù)換流到負(fù)載換流平滑過渡，起動平穩(wěn)可靠。結(jié)合高爐實際冶煉工況特點，分析了高鼓風(fēng)機(jī)的啟動條件、啟動過程、操作并網(wǎng)三大要素，通過對軟起及勵磁系統(tǒng)的軟硬件重新編譯，進(jìn)一步完善了起動及勵磁冗余控制方式。通過多次起動測試，整個起動過程一般都在180s 內(nèi)完成，檢測電網(wǎng)側(cè)暫態(tài)壓降平穩(wěn)無波動，實現(xiàn)了利舊 BBC 大型同步 36. 14MW 電機(jī)的順利啟動。本文通過對高爐大功率風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)升級的研究與實踐，對同類企業(yè)完成低成本設(shè)備改造具有較強(qiáng)借鑒和指導(dǎo)意義，希望對后續(xù)設(shè)備升級研究有所幫助。

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