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)量運營成為企業(yè)發(fā)展的必然階段，對企業(yè)生產(chǎn)工藝設備的迭代升級及穩(wěn)定運行提出了更高的要求。首鋼股份公司3#8000m3高爐鼓風機變頻控制系統(tǒng)的改造升級項目，著重分析了高爐鼓風機控制特點，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機能夠順利啟動。結(jié)合生產(chǎn)工藝及軟起動系統(tǒng)特性，設計了大型電動高爐鼓風機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SFC變頻軟起動控制系統(tǒng)的迭代升級。
1前言
高爐鼓風機作為高爐順穩(wěn)生產(chǎn)的關鍵設備，在煉鐵生產(chǎn)過程中承擔著關鍵工藝流程角色，直接關系到煉鐵的穩(wěn)定生產(chǎn)。
公司目前設計四臺高鼓為三座高爐供風，供風量分別為7000m3、7000m3、8000m3、8000m3，實現(xiàn)三用一熱備，以滿足高爐生產(chǎn)供風需求。高爐鼓風機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機及軋機等復雜控制系統(tǒng)來設計應用的。它為不同任務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等設備板卡應用時間的逐年增加，鼓風機變頻系統(tǒng)故障頻發(fā)，各類板卡及系統(tǒng)運行故障鎖定困難，同時又面臨著備件停產(chǎn)停供、國外技術封鎖等嚴重問題，較大程度影響了高爐的順穩(wěn)運行，亟待改造。為此，本文提出了利舊變頻主功率器件及電動機設備，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)運行更為穩(wěn)定可靠，同時對同行業(yè)此類大型軟起動設備新建、改造升級研究具有重要借鑒作用。
2軟起設計與實踐
2019年啟動高爐鼓風機變頻軟起控制系統(tǒng)技術升級項目，設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)設定轉(zhuǎn)速曲線，通過實時跟蹤電機轉(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的電動機帶入全速并順利投切并網(wǎng)運行。
相比原控制系統(tǒng)，新控制系統(tǒng)主要區(qū)別在于采用SINAMICS系列控制器和相關控制部件，控制板集成度高，設計簡潔，其中CU320控制核心部件通用于全系列高低壓變頻器，增強了后期維護的便利性。通過高壓軟起動系統(tǒng)的設計并應用，在掌握高爐鼓風機軟起動工作原理和性能的基礎上，可為企業(yè)舊設備升級、備件降本等積累寶貴的技術經(jīng)驗。
2.1運行特性分析
2.1.1高爐鼓風機的工藝特性
在高爐冶煉過程中，高爐鼓風機為高爐系統(tǒng)提供足夠的風壓與充裕的風量，是煉鐵最主要的動力設備之一。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，要求鼓風機供風量滿足一定的調(diào)節(jié)范圍，同時滿足供風風熱（800～1300℃）、氧含量及風壓等一系列指標要求，以保證爐況的冶煉穩(wěn)定。
2.1.2高爐鼓風機的軟起動特性
高壓變頻軟起動是應用電力電子技術實現(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。此方法起動電機優(yōu)勢為：
（1）避免破壞性力矩沖擊，可以實現(xiàn)電機的輸出力矩適應大型負載啟動力矩需求，實現(xiàn)系統(tǒng)平滑啟動；
（2）避免啟動過程中的瞬時發(fā)熱破壞電機絕緣性能，可大幅降低啟動電流以適應電機承受能力；
（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)量相關要求。
2.2升級技術難點
為降低3#高爐鼓風機的系統(tǒng)改造成本，在保留原電機及主功率單元的基礎上進行控制系統(tǒng)升級，其主要設計技術難點如下。
難點1：高爐鼓風機電機利舊原BBC公司的36.14MW同步電機，此電機為二十世紀八十年代產(chǎn)品。經(jīng)過搬遷調(diào)整，電機原始設計參數(shù)不齊全，只保存了基礎參量，電機辨識存在難度，需重新對電動機轉(zhuǎn)子、定子電抗及阻抗參數(shù)進行計算補償。電機參數(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、各類信號采集板進行安裝匹配測試，同時要優(yōu)化設計勵磁冗余系統(tǒng)，對現(xiàn)有信號進行重新定義，工作量及難度均較大，并通過西門子S7－300工作站來實現(xiàn)電動機的勵磁和運行調(diào)節(jié)控制，以達設備的無故障運行。
2.3設計構(gòu)成
本次軟啟動系統(tǒng)升級設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計，兩路進線構(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°，減少對電動機的諧波。系統(tǒng)調(diào)速范圍可從電機靜止狀態(tài)到達額定轉(zhuǎn)速，啟動容量可小于電機額定容量的1/3，可實現(xiàn)連續(xù)啟動作業(yè)，重復精度可控。3#高爐鼓風機變頻軟起系統(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，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。其中MBC/MBM/MBL分別控制變頻軟起動及電機并網(wǎng)運行時的合分閘操作，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行控制。
2.4控制與計算
軟起動控制系統(tǒng)升級設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的SINAMICS標準控制單元，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)定性更強的DＲIVE－CLIQ網(wǎng)絡進行連接，模塊的拆卸更為便捷，有利于設備維護，其典型硬件拓撲結(jié)構(gòu)如圖2。
GL150變頻系統(tǒng)硬件通過高性能的DＲIVE－CLIQ串行連接接口進行相互連接。此通訊方式使用了POE（PowerOverEthernet）技術，主要由CPU－CU320、供電電源、電壓傳感模塊、數(shù)字量、模擬量擴展模塊及信號檢測板等構(gòu)成，能在確?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時保證現(xiàn)有網(wǎng)絡的正常運作，最大限度地降低成本。通過系統(tǒng)電壓及電流模型進行矢量計算，輸出電機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，控制器負責接收給定信號，與系統(tǒng)檢測反饋信號進行疊加計算后輸入速度調(diào)節(jié)單元?？刂浦行耐ㄟ^矢量控制坐標變換，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iM和iT，它們在直角坐標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控制模型，通過控制轉(zhuǎn)矩電流iT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iA/iB/iC，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)同步電機勵磁單元輸出電流，實現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)目的。
在系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)過程中，電機的順利啟動還要進行多種調(diào)節(jié)單元及設定模型的調(diào)節(jié)計算，需要完成進線側(cè)整流器的控制、負載側(cè)逆變器的控制、勵磁的控制，逐步進行低速時直流脈動斷續(xù)換流、高速時負載感應自動換流，達到設定轉(zhuǎn)速，其主要控制調(diào)速功能如表2。
當變頻器恒電流控制電機達到設定速度的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，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Ua、Ub、Uc；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Ud、Ue、Uf。
偏差計算公式為：Δα=測量值－實際值若Δα=Ua－Ud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)電機的勵磁電流使得電機的輸出電壓相等，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)設置模塊、軟起動控制程序、人機交互、啟動完成等部分，通過邏輯控制與工藝控制的功能設定，以及多次對驅(qū)動器進行組態(tài)與測試，其系統(tǒng)流程圖如圖5。
當勵磁控制系統(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，待電機速度達到并網(wǎng)設定速度時，系統(tǒng)進入并網(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)進入消磁，為下次起動做好準備，電動機起動完成。電機控制方式可通過勵磁控制面板選擇，方案設定為恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，啟動時序控制。
2.6高爐鼓風機軟起動改造應用效果
通過此項目的開發(fā)與實踐，實現(xiàn)了大型同步電動機帶負載從低速到全速且成功并網(wǎng)的軟起實現(xiàn)過程，達到技術控制目標。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，滿足電動機平滑啟動要求；三是并網(wǎng)運行后，電機由勵磁系統(tǒng)采用恒功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)控制。同時在以下兩個方面實現(xiàn)日常運維能力的大幅提升。
1）改造前高爐鼓風機均采用西門子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)動高爐鼓風機上有著很高的穩(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)品的標準控制部件，相比上一代系統(tǒng)便于維護及故障處理，大幅降低了系統(tǒng)維護強度。
2）基于Unix開發(fā)的STＲUC－G應用調(diào)試軟件，其界面復雜、操作繁瑣，需要進行專業(yè)訓練才能可靠操作，現(xiàn)場應用性較差。GL150控制系統(tǒng)采用的是Scout編程軟件，其操作及維護界面更加清晰，各參數(shù)板塊調(diào)用便捷，交互性更強，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)試和維護效率。
3結(jié)論
根據(jù)高爐鼓風機改造需求，設計了一套完整的風機軟起動控制系統(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，分析了高鼓風機的啟動條件、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電機的順利啟動。本文通過對高爐大功率風機控制系統(tǒng)升級的研究與實踐，對同類企業(yè)完成低成本設備改造具有較強借鑒和指導意義，希望對后續(xù)設備升級研究有所幫助。
