電壓源型高壓變頻器兼容電流源型變頻器高爐鼓風機電動機軟起動改造方案

摘  要：介紹高爐鼓風機電動機軟起動方式及發展趨勢。介紹TMEIC電壓源型高壓變頻器（VSI）兼容包頭鋼鐵煉鐵廠3臺高爐鼓風機電動機負載換向式電流源型變頻器（LCI）軟起動改造方案及效果。VSI及LCI軟起動系統均具備軟起動現場高壓電動機的功能，二套軟起動系統互為備用、互不干擾，能保證一套軟起動系統斷電斷開狀態時、另一套軟起動系統能正常穩定運行，實現二拖三變頻軟起動功能。

關鍵詞：電壓源型高壓變頻器；負載換向式電流源型變頻器；二拖三；軟起動；兼容；互為備用

1、引言

高爐鼓風機為煉鐵生產關鍵性設備，高爐鼓風機驅動有汽輪機驅動及電動機驅動二種方式，從高爐系統安全生產、節能環保及檢修維護便利角度考慮，目前煉鐵廠高爐鼓風機基本上都是采用高壓電動機驅動方式；高爐鼓風機電動機功率一般都在20MW及以上，大功率電動機如果直接工頻起動將無法保證配電系統的安全同時對電動機機械部件及電氣性能的影響也非常大的，故高爐鼓風機電動機軟起動是必須要求的配置。

根據電力電子技術發展情況，前期高爐鼓風機大功率電動機電氣軟起動方式一般都采用LCI軟起動方式，LCI軟起動技術采用半控SCR功率器件，高-低-高配置，為比較古老的技術，維修周期長維修成本高，很多公司已經開始淘汰LCI產品；受功率器件更新及電力電子技術的發展，目前高爐鼓風機電動機主流軟起動為VSI軟起動方式。

2、高爐鼓風機電動機軟起動方式介紹

從風機效率及煉鐵鼓風要求的恒壓變流量需求考慮，高爐鼓風風機一般為常規速度或高速靜葉可調軸流風機，高爐軸流風機鼓風機第一級靜葉起動角度為14。，正常可調節范圍為22。~79。。高爐鼓風機高壓電動機通過齒輪箱或連接器連接高爐鼓風機。從高爐鼓風機電動機軟起動發展歷史看，大功率高爐鼓風機電動機軟起動采用過的三種主流軟起動方式分別為：MG電動機軟起動系統，LCI軟起動系統，VSI軟起動系統。

圖一 高爐鼓風機電驅系統

A）MG電動機軟起動系統

MG電動機軟起動系統通過一臺小功率起動電動機驅動高爐高壓電動機及高爐鼓風機系統運行到額定轉速后，合閘高爐電動機運行開關，通過離合器斷開起動電動機，轉入高爐高壓電動機電驅高爐鼓風機方式。此方式為非常古老的軟起動方式，晶閘管及晶體管器件軟起動技術投入應用后，此軟起動方式在上世紀80年代基本上已經淘汰。

圖二 MG電動機軟起動系統

B）LCI軟起動方式

負載換向式電流源型變頻器（Load Communicated Inverter，LCI）于20世紀70年代末投入商業化應用，是最早投入使用的中壓變頻調速系統。LCI主回路功率器件采用晶閘管元件，輸出電壓低，對于高壓電機及電源系統輸入輸出側均需要變壓器，諧波大，電網側功率因數低，輸出轉矩小，并且只能用于同步電機。

圖三 LCI拓撲圖

LCI軟起動為軟同期切換方式，LCI變頻器驅動同步電動機到95%額定轉速后，通過外部同期檢測調節LCI輸出給電動機的電源頻率、角度及電壓值與工頻電網電源在一定誤差范圍后，合閘工頻運行開關，停止LCI電流輸出、關斷晶閘管，斷開LCI輸入輸出回路即完成高爐電動機軟起動過程。

圖四 LCI軟起動系統單線圖

C）VSI 軟起動方式

電壓源型變頻器（Voltage Source Inverter，VSI）為目前工業系統變頻調速領域普遍使用產品，常規負載使用場合的高壓VSI一般采用高高多電平單元串聯方式拓撲結構，采用若干個獨立的低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，變頻輸出為直接輸出方式無需升壓變壓器。VSI變頻器即可以驅動同步電動機也可以驅動異步電動機。

圖五 電壓源型多電平串聯方式變頻拓撲圖及功率單元原理圖

VSI電壓源型多電平串聯變頻器軟起動為軟同期切換方式，變頻器具備內部同期功能；VSI變頻器驅動電動機到97%額定轉速后，變頻器根據輸入電源自動調節輸出給電動機的電源頻率、角度及電壓值與工頻電網電源在一定誤差范圍內，合閘工頻運行開關，停止VSI輸出，斷開VSI輸入輸出回路即完成高爐電動機軟起動過程。

3、VSI替換LCI必然性

LCI技術依據40多年前電力電子技術水平開發的產品，屬于需要逐步淘汰的產品，導致其備件及服務均滯后；VSI技術是電力電子技術水平高速發展后出現的產品，目前廣泛使用的主流產品；綜合安全生產要求同時從成本角度考慮，鋼鐵行業高爐電動機軟起動用戶采用VSI替換LCI已成必然。有關LCI及VSI軟啟動系統起動使用情況描述如下：

大電機軟起動系統采用電流源型LCI起動使用情況

• 電流源LCI結構為高低高結構，其輸入及輸出電壓均3kV左右，需要通過降壓變為LCI提供電源、同時也需要升壓變壓器將LCI輸出電源升壓至10KV或要求的電壓值，技術采用上個世紀的半控晶閘管SCR功率器件，現在用量很少，備件和技術服務都已經跟不上，很多公司已經淘汰電流源LCI技術；

• 采用12脈沖整流，對電網污染大，輸入諧波為12%左右，起動過程中不能滿足中國供電部門對電壓電流失真的標準GB/T14549-93要求；

• 對電網電壓波動敏感，當電網電壓下降15%時，就可能跳閘停機；

• 輸入功率因數隨負載變化而變化，功率因數可低至0.6，對電機的輸出波形諧波成份較大，會引起電機噪聲加大，發熱增加，轉矩脈動大，易共振；

• 存在輸入及輸出變壓器、去磁裝置等，效率偏低；

• 對輸出電纜長度有限制，一般限制在300米以內，不適合電纜距離長的一拖多情況；

• 電流源變頻對連續起動次數有限制，常規LCI軟起動系統配置的儲能電抗器及升降壓變壓器設計為每1小時內連續起動3次；每次包括起動3分鐘，消磁3分鐘和冷卻9分鐘，共15分鐘一次循環，多次連續起動時客戶需要等待；

• 由于備件和技術服務都已經跟不上，國內高爐的客戶已經開始把電流源LCI軟起動系統升級替換為VSI軟起動系統。

大電機起動系統采用電壓源型VSI起動使用情況

• 電壓源型為直接高-高變頻器，直接輸出10KV或其他等級高壓，環節最少，系統可靠性高；

• 采用先進的全控IGBT/IEGT功率器件, 拓撲結構先進，是目前主流趨勢技術；

• 電壓型變頻器輸入功率因數與負載幾乎無關，均可達到0.95；

• 30以上脈沖整流，輸入諧波<3%，符合IEEE519-1992標準和GB/T14549國家標準；

• 抗電網電壓波動能力強，電網電壓30%下降可以正常起動；

• 采用單元串聯和多重化脈寬調制技術，輸出波形為準正弦波；電機噪聲小，發熱低，轉矩脈動小；

• 對輸出電纜無特殊要求，可長達2千米以上，適合一拖多；

• 無輸出變壓器，輸出轉矩大，無連續起動次數和間隔限制，非常方便多套高爐鼓風機系統連續起動情況；

4、VSI兼容LCI軟起動改造方案

VSI兼容LCI軟起動改造方案有硬件切換隔離及軟硬件兼容二種方式，二種方案簡述如下：

方案一：VSI運行時通過硬件切換方式接收所有的LCI對外接口，VSI兼容LCI軟起動改造基本原則是改造后，VSI及LCI軟起動系統均具備軟起動現場高壓電動機的功能，二套軟起動系統互為備用、互不干擾；二套軟起動系統可以互相兼容，同時能保證一套系統斷電斷開狀態時、另一套系統能正常穩定運行，實現二拖三變頻軟起動功能。

方案二：VSI通過軟件通訊方式兼容LCI系統控制系統有關主回路開關柜控制及電動機保護系統硬件及軟件接口，僅提供VSI變頻器、VSI對應的勵磁系統及VSI主回路輸入輸出開關柜，LCI控制系統中僅增加VSI主回路輸入、輸出開關柜控制接口，LCI軟件控制程序修改實現二拖三變頻軟起動功能及系統切換的需求。

上述方案一能做到VSI及LCI系統互不干擾，能保證一套系統斷電斷開狀態時、另一套系統能正常穩定運行，需要增加單獨的控制系統、硬件切換回路及電機保護系統；方案二無需增加控制系統、硬件切換回路，VSI需要借用LCI控制系統及保護系統，VSI軟起動時LCI控制系統及保護系統也需正常運行，如LCI控制系統及保護系統故障則VSI將無法軟起動高爐鼓風機電動機；綜合考慮到高爐鼓風機系統的重要性及改造成本，方案一為最合理的改造方案。本次TMEIC VSI兼容LCI改造方案即采用方案一。

LCI系統將電機勵磁調節、LCI調節及保護、軟起動切換及電機狀態信號采集后集成為一個整體，任何一部分有故障均有可能導致軟起動失敗或電動機運行事故，此方式為LCI系統特定的配置方式。

VSI軟起動系統，變頻器本身具備軟起動同期功能、勵磁調節功能、變頻運行時電機保護功能等功能，無需接收別的外部接口即可自行完成相關保護及調節功能；VSI兼容LCI軟起動改造工程，需兼容現有LCI系統同時保持二套系統間的獨立性，故需增加勵磁柜、檢測信號及接口切換系統、軟起動PLC控制系統等其他相關設備以保證系統的兼容及軟起動、工頻運行功能。

1）硬件部分改造方案

提供一套電動機勵磁調節用勵磁柜，勵磁柜具備變頻運行調節功能同時具備工頻運行調節功能；

增加一套電源切換柜，完成勵磁柜與原有LCI勵磁系統輸入電源及輸出電源切換；

圖六 勵磁系統主回路改造切換回路

增加一套檢測信號及接口切換系統，切換信號及接口包括 CT、電機漏水及溫度等信號；

圖七 信號接口改造切換回路

根據主回路需求，增加二套高壓開關柜，達到VSI輸入、輸出電源接入及與LCI輸入、輸出電源隔離的目的；

增加與LCI兼容的VSI軟起動系統；

2）控制部分改造方案

增加一套PLC控制系統，完成與VSI、LCI、DCS之間的控制及反饋；

增加一套總線通訊系統，完成DCS、VSI、LCI之間的相關通訊及控制；

DCS界面改造為VSI及LCI軟起動系統選擇、軟起動操作界面及相應狀態顯示；

5、實際應用案例

1）現場情況及改造要求

包頭鋼鐵煉鐵廠7#、8#電動鼓風機由德國曼透平制造，9#電動鼓風機由陜鼓集團制造，3臺鼓風機均采用36500KW/10KV交流無刷同步電動機傳動，三臺鼓風機電動機共用一臺LCI高壓變頻器系統實現軟起動。目前LCI系統設備元器件老化，備品匱乏，LCI廠家精通該系統的國內技術人員太少，系統出現故障后判斷處理故障時間長。為此，新增加一套TMEIC VSI高壓變頻軟起動系統，改造后的TMEIC VSI變頻系統與原LCI軟起動系統兼容。

本方案配套1臺TMEIC公司生產的型號TMdrive-MVG2-SS-10000KW/10KV高-高多電平串聯VSI，通過VSI完成一拖三軟起動7#、8#、9#電動鼓風機電機運行功能，同時保留原有LCI一拖三軟起動7#、8#、9#電動鼓風機電機運行功能；系統改造后，7#、8#、9#電動鼓風機電機軟起動系統為二拖三軟起動方式。二套系統可以互相兼容，同時能保證一套系統斷電斷開狀態時、另一套系統能正常穩定運行。

7#、8#、9#鼓風機交流無刷勵磁電機銘牌參數

2）改造實施方案

7#、8#、9#鼓風機電動機由3臺110KV/10.5KV變壓器供電，7#、8#、9#鼓風機電動機可以分別單變壓器單電機獨立母線運行，也可以3臺變壓器并聯3臺鼓風機電動機同時運行在一段母線；本項目在保留原有LCI軟起動系統及相應的主回路開關回路的情況下，新增1臺套TMEIC VSI軟起動系統、勵磁柜、切換開關、PLC控制系統、主回路切換開關等，通過PROFIBUS通訊及硬件接口達到軟起動起動控制、起動過程監控及電動機保護的目的；VSI軟起動系統主回路在保證與LCI主回路電隔離的情況下，利舊原有3段母線供電回路及3臺電機輸出回路；PLC控制系統通過切換開關接入原有接入LCI的電機監測信號，提供VSI軟起動方式時相應的電機保護。有關改造及控制見下述系統圖，下圖中粉紅色框為新增設備、其他部分為現場已有設備，紅線為VSI軟起動系統相應的控制及監控接口。 

圖八 VSI兼容LCI軟起動系統圖

3）改造效果

包鋼煉鐵廠VSI兼容LCI軟起動改造于2019年11月改造完畢，到目前為止，用戶已多次用VSI系統完成3臺鼓風機電動機軟起動運行，軟起動效果良好。改造后，7#、8#、9#電動鼓風機電機軟起動系統由一拖三方式改造為二拖三軟起動方式，可以通過3套高爐電鼓DCS監控系統選擇VSI或LCI軟起動相應的高爐鼓風機電動機，VSI軟起動系統與LCI軟起動系統可以在單套系統完全失電狀態下，另一套軟起動系統能完成3臺鼓風機電動機軟起動的功能。

4）現場實施改造照片

圖九 現場LCI（升壓及降壓油浸變單獨放置）

圖十 勵磁系統主回路及控制信號切換柜

圖十一 TMEIC VSI                

圖十二 勵磁柜UPS電源PLC控制系統

圖十三 TMEIC PLC控制起動界面

6、結論

隨著電力電子技術發展及控制理念的進步，采用VSI軟起動高爐鼓風機電動機這種軟起動方式為目前最合理的軟啟動方式，采用VSI兼容或替換現有高爐LCI軟起動系統是高爐LCI軟起動系統升級改造的發展方向。

參考文獻：

TMEIC包鋼煉鐵廠7#、8#、9#電動鼓風機高壓變頻器軟起動改造設計資料；

丁少杰，中壓變頻器主回路拓撲結構的分析與比較（文章編號：1009-0134（2004）05-0069-03）

第一作者簡介：

周瑾，男，高級應用工程師，現供職于東芝三菱電機工業系統（中國）有限公司。