变频调速装置在烧结机双主抽同步电机系统的应用

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【摘 要】本文主要介绍了大型烧结双主抽采用两台高压变频器二拖二交叉软起无扰动切换方案，着重阐述了其方案的单线图、系统构成及控制和带来的经济社会效益。

【关键词】两台变频器互为备用；无软启动器节能；烧结双主抽；同步电动机；空水冷却

0 前言

随着冶金工业现代化的快速发展，烧结机越来越大，势必采用双主抽风机配置，政府对节能和环保的考核指标越来越高。所以采用先进的高压调速装置实现主抽风机的启动和调速控制，对于提高烧结产品质量及节能降耗具有非常重要的意义。以下就一工程实例进行深入的论述。

1 系统方案

1.1 工程概况

某工程项目中建设的2台烧结机。每台烧结机配置两台主抽风机，驱动电动机采用容量为5000kW交流有刷同步电动机。为了提高烧结产品质量及节能降耗满足烧结工艺需求，所以采用两台高压变频器进行调速或交叉软启动两台主抽风机电动机。

1.2 电机数据：

电机电压：10kV

额定功率：5000kW

1.3 变频器的选型分别为：

VFD型号：CIMR-MV2BH5HD400E1AA

额定输出容量7600kVA

额定输出电流400A

1.4 控制方式：PG的矢量控制

1.5 系统单线图及控制述

1）单线图

2）系统构成说明

该项目每台烧结的两台主抽风机驱动电动机采用容量为5000kW的同步电动机，每台烧结采用两台同步电动机变频二拖二互为备用拖动，双母线并列运行，同时具备工频无扰动启动功能。整套装置如单线图所示可划分成如下几大部分：电源配电系统，变频电源切换系统，高压变频器，变频输出切换系统，同步电机，励磁系统，变频器切换控制系统。

电源配电系统主要由VCB1～6，六台真空断路器配电系统构成。其中VCB1及VCB4分别为A、B母线的进线馈线开关，并配置一般馈线保护功能。VCB3及VCB6为A、B母线上的变频器配电开关，并按照高压变频器的输入变压器特性进行配电保护。VCB2及VCB5为A、B母线上驱动A，B电机的工频开关，并配合同步电机的特性进行保护，含对电机的差动保护。

变频电源切换系统由VCS1～3，3台真空接触器构成。用于当变频器需要切换到另一条母线工作时仍能使用电机对应的母线电源，不过此时一台变频器处于无法通电的状态。正常时VCS1断开；VCS2合上时，变频器1可接受A母线电源；VCS3合上时，变频器2可接受B母线电源。当需要切换时，VCS1，VCS3合上，VCS2断开，变频器2可接受A母线电源，变频器1此时处于断电状态；反之VCS1，VCS2合上，VCS3断开，变频器1可接受B母线电源，变频器2此时处于断电状态。相关逻辑连锁由真空接触器控制回路间电气联锁实现。

高压变频器为两台MV1000系列高压变频器产品。变频输出切换系统主要负责实现1，2号变频器分别分时驱动A，B两台同步电机的功能，同时也具备了软起工频切换的电抗缓冲功能。由VCS4～9六个真空接触器及两台启动电抗器构成。当VCS4，VCS6闭合，VCS7，VCS9断开时，变频器1带动电机A正常调速运行；VCS5，VCS8闭合，VCS7，VCS9断开时，变频器2带电动机B正常调速运行。当变频器需要切换到另一台电机运行时，比如只需断开VCS6，VCS8闭合VCS7就可使变频器1带动电机B运行。反之也可使变频器2带动电机A运行。各VCS间相互连锁避免出现一台变频器带动两台电机或两台变频器间输出互通的现现象，同时也和电源系统的VCB2，VCB5工频开关连锁，避免出现变、工频同时正常运行的现象。启动电抗器的使用只在变频器需要启动电机并无扰切换至工频时投入，投入时只需断开对应的VCS4，VCS5的开关即可。

同步电机及励磁系统。变频运行时同步电机的运行保护由变频器执行，此时励磁系统按照变频器的励磁指令对同步电机进行励磁。工频运行时同步电机的运行保护由工频电源配电系统配合励磁系统执行，变频器不参与保护。

变频器切换控制系统主要由PLC及触摸显示设备构成，用于和上位主控制系统通讯，控制整个变频切换驱动系统的逻辑操作。

3）控制方案整个系统可分成如下几个控制模式运行：

Ⅰ.变频器1正常变频运行

正常模式下，先闭合VCS2，4，6，确认VCS1，7，9断开，此时依次合上VCB1和VCB3，变频器

1得电正常后，上位的指令通过切换控制系统中转后控制变频器输出对电机A进行调速。

Ⅱ.变频器1备用B电机变频运行

备用模式下，先确认变频器1停机，确认断开VCB3，5，6及VCS1，2，3，4，5，6，7，8，9。然后合上VCS1，2，4，7。回路构成后，依次合上VCB4，5，变频器1从B母线取电正常后，上位的指令通过切换控制系统中转后控制变频器输出对电机B进行调速。

Ⅲ.变频器1正常软起A电机工频运行

在正常变频运行模式下，一旦上位发出A电机工频运行的指令，切换控制系统将先暂时切断变频器输出，依次分开VCS6，VCS4，投入启动电抗器再投入VCS6。然后切换控制系统向变频器下达工频切换指令。变频器1将重新直接从当前速度带动电机A运行至工频50Hz，频率到达后，变频器1将自动比较A母线电源的电压、相位以及频率是否在允许条件内。一旦达到条件变频器将立即直接向VCB2请求工频合闸。VCB2工频合闸反馈到位后，切换控制系统将向变频发出停止指令，并切除VCS6。同时请求分断VCB3，及分断VCS2切除变频器的电源。此时电机A已在A母线工频运行。

Ⅳ.变频器1备用软起B电机工频运行

在变频器1的备用运行模式下，一旦上位发出B电机工频运行的指令，切换控制系统将先暂时切断变频器输出，依次分开VCS7，VCS4，投入启动电抗器再投入VCS7。然后切换控制系统向变频器下达工频切换指令。变频器1将重新直接从当前速度带动电机B运行至工频50Hz，频率到达后，变频器1将自动比较B母线电源的电压、相位以及频率是否在允许条件内。一旦达到条件变频器将立即直接向VCB5请求工频合闸。VCB5工频合闸反馈到位后，切换控制系统将向变频发出停止指令，并切除VCS7。同时请求分断VCB6，及分断VCS1，2切除变频器的电源。此时电机B已在B母线工频运行。

Ⅴ.变频器2正常变频运行

正常模式下，先闭合VCS3，5，8，确认VCS1，7，9断开，此时依次合上VCB4和VCB6，变频器

2得电正常后，上位的指令通过切换控制系统中转后控制变频器输出对电机B进行调速。

Ⅵ.变频器2备用A电机变频运行

备用模式下，先确认变频器2停机，确认断开VCB2，3，6及VCS1，2，3，4，5，6，7，8，9。然后合上VCS1，3，5，9。回路构成后，依次合上VCB1，3，变频器2从A母线取电正常后，上位的指令通过切换控制系统中转后控制变频器输出对电机A进行调速。

Ⅶ.变频器2正常软起B电机工频运行

在正常变频运行模式下，一旦上位发出B电机工频运行的指令，切换控制系统将先暂时切断变频器输出，依次分开VCS8，VCS5，投入启动电抗器再投入VCS8。然后切换控制系统向变频器下达工频切换指令。变频器2将带动电机B重新直接从当前速度运行至工频50Hz，频率到达后，变频器2将自动比较B母线电源的电压、相位以及频率是否在允许条件内。一旦达到条件变频器将立即直接向VCB5请求工频合闸。VCB5工频合闸反馈到位后，切换控制系统将向变频发出停止指令，并切除VSC8。同时请求分断VCB6，及分断VCS3切除变频器的电源。此时电机B已在B母线工频运行。

Ⅷ.变频器2备用软起A电机工频运行

在变频器2的备用运行模式下，一旦上位发出A电机工频运行的指令，切换控制系统将先暂时切断变频器输出，依次分开VCS9，VCS5，投入启动电抗器再投入VCS9。然后切换控制系统向变频器下达工频切换指令。变频器2将重新直接从当前速度带动电机A运行至工频50Hz，频率到达后，变频器2将自动比较A母线电源的电压、相位以及频率是否在允许条件内。一旦达到条件变频器将立即直接向VCB2请求工频合闸。VCB2工频合闸反馈到位后，切换控制系统将向变频发出停止指令，并切除VCS9。同时请求分断VCB3，及分断VCS1，3切除变频器的电源。此时电机A已在A母线工频运行。

烧结系统正常生产时，处于Ⅰ、Ⅴ模式正常运行状态。当某台变频器出现故障需要退出运行时，可启用Ⅲ、Ⅶ模式将正常变频器驱动的电机切换至工频。变频器退出正常运行状态。然后就可以启用Ⅱ、Ⅵ模式将正常的变频器投入备用运行状态，维持2台主抽风机的继续运行。此时工艺上两台风机一台依靠风门调节一台依靠变频转速调节。在故障变频器修复后，或为求安全可靠也可启用Ⅳ、Ⅷ模式将两台风机均投入工频运行。两台变频器均正常需恢复Ⅰ、Ⅴ模式时，只需分别停运工频电机直接切入Ⅰ、Ⅴ模式即可。变频器可以直接将堕走的电机直接加速至指令需求的转速。

2 主要功能及特点

2.1 两台变频器互为备用功能

当一台变频器出现故障时，另外一台变频器可将自己拖动的电机拖动到50Hz，然后无扰动切换到电网，接着，这台变频器又可以来拖动另外一台电机变频运行；

2.2 激磁涌流抑制功能

如电机容量更大时可在变频系统高压进线端设置了激磁涌流抑制装置，可确保高压变频器上电瞬间，由干式整流移相变压器引起的激磁涌流不会导致变频器上口断路器跳闸。

2.3 同步投切功能

无需再设置除变频器以外的其它启动装置，大型风机也能实现交叉软启动。变频系统设计了同步投切功能，即：先由高压变频器将风机拖动至额定转速，并完成锁相及负载转移过程后，然后将电机无扰的切换至工频方式下运行。

2.4 自动调节励磁功能

高压变频器设计了自动调节励磁的功能，并且实现了在变频至工频、工频至变频间切换时的无扰转换。

2.5 协调控制功能

由于系统复杂，设备众多，考虑到操作简便、运行稳定的因素，变频系统配备了基于PLC的协调控制柜，按照工艺需要通过协调控制柜简便操作即可实现各相关断路器的分合闸、励磁电流的控制、高压变频器的启动和停止等操作

3 必须同步解决高压变频器的散热问题

考虑到高压变频器的功率等级较大，散热量也较大，且现场空间受限，若采用空调将非常耗能，与节能降耗的意图相违背；由于通风量较大，考虑到日后的运行维护简便，也不宜采用直接将热风排出室外的方式。变频系统设计了利用主抽电机和风机冷却水设计有余量的条件，采用空-水冷却系统解决高压变频器的散热问题，空-水冷却系统运行和维护成本都非常低，为确保在夏天出现酷热天气冷却水温无法保证时设备仍可保证正常运行，在冷却水入口处设置了辅助制冷的压缩机，在水温较高时起到辅助制冷的作用。

空水冷却系统的风系统（如图1）：

为考虑把变频器散发的热量集中冷却，用彩钢板把变频器室分为上下两层，下层为冷风区，上层为热风区。变频器散发的热量从变频器顶部排放至热风区，热空气再经过空-水冷却柜变换为冷空气排放到冷风区，这样就形成一个反复循环的密闭式冷却系统。

图1 空水冷却系统-风系统

图1中，放置在室外的为空-水冷却柜，以实现热冷空气的转换。

4 带来的经济社会效益

本设计，采用变频二拖二互为备用拖动方案，节省了备用软启动器的一次投资和后续维护。

采用变频调速控制，随工艺要求调速实现了节能降耗；同时主设备及相应辅助设备如轴承等磨损减轻，维护周期及设备寿命延长，保证了生产的连续性。实际的运行与维护费用大大降低。

大电机实现软启软停，启动电流不超过电机额定电流的1.2倍，避免了启动时对电网冲击。

随生产工艺要求调节风量，可提高烧结成品的质量，为后续高炉高品质冶炼奠定了基础。