摘要： 寶鋼二期燒結(jié)工程主排風(fēng)機起動裝置存在容量小等先天不足的問題。隨著系統(tǒng)的老化，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求。這里提出了一個利用 PowerFlex7000中壓變頻器，替代傳統(tǒng)的同步電動機LCI起動裝置的方案。該起動裝置采用 18脈沖形式， PWM電流型變頻器直接輸出完美的正弦波形。 變頻器通過ControlNet網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控PLC通訊，可以由PLC修改變頻器控制參數(shù)，達到理想的性能指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞： 主排風(fēng)機，PowerFlex7000變頻器， 同步切換，ControlNet網(wǎng)絡(luò)

　　一、前言

　　寶鋼二期燒結(jié)工程主排風(fēng)機設(shè)備1991年投入運行。主排風(fēng)系統(tǒng)由2臺21000m3 /min風(fēng)量，1 7 . 6 4 k Pa (1800mmWG)靜壓差的雙吸入離心式風(fēng)機機組組成，主拖動電機為 2×7800kW，10kV無刷勵磁同步電動機，2臺電機共用一套3.4MVA變頻軟起動裝置起動。該裝置1991年投產(chǎn)以來，故障較多，啟動成功率低。其主要原因是裝置設(shè)計容量偏小，系統(tǒng)老化，參數(shù)漂移。隨著寶鋼生產(chǎn)節(jié)奏的進一步加快，對燒結(jié)礦生產(chǎn)的要求越來越高，為確保燒結(jié)生產(chǎn)的穩(wěn)定運行，基于2DL主排風(fēng)機起動裝置及勵磁裝置的實際現(xiàn)狀，對其進行整體改造的確勢在必行。

　　二、改造范圍簡述

　　本改造項目不涉及主排風(fēng)機本體及油泵、風(fēng)門等輔機設(shè)備。對目前使用狀況尚好的為輔機及輔助設(shè)備供電、控制服務(wù)的MCC柜以及關(guān)聯(lián)二燒結(jié)主控制系統(tǒng)的遠程I/O柜予以保留利用。

　　對于10kV的高壓開關(guān)，保留，能源部設(shè)置的輔助繼電器、原有中繼端子柜也予以保留。

　　高壓變頻裝置、勵磁柜、操作監(jiān)控柜擬引進設(shè)備，對其進行整體更換。與變頻裝置配套的輸入、輸出變壓器則由外商提供詳細技術(shù)參數(shù)及制造要求，由寶鋼方面擇優(yōu)從國內(nèi)制造廠訂貨，變壓器采用油浸式變壓器。

　　考慮到本改造項目新上一套主排風(fēng)機起動裝置及勵磁系統(tǒng)，而且在新系統(tǒng)安裝調(diào)試好以前，老系統(tǒng)還要能運行使用，要求新系統(tǒng)電機空載或帶風(fēng)機負荷調(diào)試只能利用2DL年修的七天左右時間完成。當(dāng)新系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)問題，不能如期接班時，還需老系統(tǒng)作為后備，維持2DL的正常生產(chǎn)。

　　新起動系統(tǒng)10kV運行總線的兩路旁路開關(guān)到二臺同步電動機的饋電，接至老系統(tǒng)運行總線下的兩路旁路開關(guān)，主排風(fēng)機室電動機那段電纜仍用舊有電纜。新老系統(tǒng)試車或運行需重接高壓柜的高壓電纜進行相互切換。

　　原有老系統(tǒng)的勵磁柜、操作監(jiān)控盤拆除后，不再恢復(fù)。而新裝的本次引進系統(tǒng)之勵磁柜及操作、控制、監(jiān)視盤將要兼顧新老系統(tǒng)，這部分設(shè)備做成與新老系統(tǒng)兼容且具雙向切換功能。

　　三、高壓變頻軟起動裝置的工作原理

　　兩臺同步電機的基本參數(shù)：

　　額定功率： 7800KW

　　額定轉(zhuǎn)速： 1000rpm

　　額定電壓： 10KV

　　額定電流： 513A

　　頻率： 50HZ Y接法

　　額定轉(zhuǎn)矩FLT： 74490 Nm

　　同步電動機(無刷)勵磁系統(tǒng)： 電壓： 310V，電流： 115A

　　負載：負載為離心式風(fēng)機，P 轉(zhuǎn)動慣量為： J負載=19400 kgm2

　　系統(tǒng)單線圖如圖1。

　　系統(tǒng)組成：PowerFlex7000高壓變頻器、輸入變壓器、輸出變壓器、10kV旁路開關(guān)柜(CB2，CB3)、10kV進線開關(guān)柜 (CB1)、10kV出線開關(guān)柜(CB4,CB5)、10kV 輸出變壓器旁路開關(guān)柜(CB6)高壓電動機 (M1, M2)。

　　PowerFlex7000高壓變頻器為羅克韋爾自動化產(chǎn)品，型號為Powerflex7000，整流器為 1 8 脈沖，輸入電壓 6 . 9 K V (3*2.3KV)，輸出電壓0-6.6kV，對電機無任何附加要求。

　　10kV/3*2.3kV 輸入變壓器、 6.6kV/10kV輸出變壓器為國產(chǎn)設(shè)備。油浸式變壓器，與變頻器分開安裝，以降低變頻器室內(nèi)溫度、噪音、冷卻費用。

　　10kV旁路/進線/出線開關(guān)柜及10kV 輸出變壓器旁路開關(guān)柜(CB6)均為真空斷路器柜。

　　本方案保留原有電機、潤滑系統(tǒng)和現(xiàn)場檢測點，增加一套全新的高壓變頻軟起動控制系統(tǒng)。

　　工作原理如下:

　　3#主排M1起動：

　　- 風(fēng)門關(guān)閉;

　　- 變頻器輸出隔離開關(guān)閉合;

　　- 10KV出線斷路器CB4閉合;

　　- 10KV進線斷路器CB1閉合;

　　- 10kV輸出變壓器旁路開關(guān)柜CB6閉合;

　　- 變頻器自檢,監(jiān)控系統(tǒng)工作;

　　- 變頻自檢無誤并接到外部無故障(來自監(jiān)控系統(tǒng))信號后,系統(tǒng)準(zhǔn)備好燈亮;

　　- 遠方或就地起動變頻器;變頻器控制同步勵磁，在達到工頻轉(zhuǎn)速之前，變頻器通過0-10V模擬信號實時控制勵磁柜輸出電流，確保電機同步運行狀態(tài);

　　- 10kV 輸出變壓器旁路開關(guān)柜CB6斷開;

　　- 變頻器在設(shè)定時間內(nèi)將電機M1起動至工頻額定轉(zhuǎn)速。

　　同步切換 ： - 達到工頻轉(zhuǎn)速后，變頻器開始檢測工頻電網(wǎng)電壓的頻率、相位、幅值等參數(shù)并與變頻器輸出進行比較，通過內(nèi)置于變頻器內(nèi)的同步控制器調(diào)整變頻器輸出;使得變頻輸出電壓和電網(wǎng)電壓保持同步;

　　- 10KV旁路斷路器CB2閉合;

　　- 10KV出線斷路器CB4斷開;

　　- 電機M1高壓變頻軟起動過程結(jié)束。

　　4#主排M2起動：重復(fù)以上步驟

　　四、設(shè)備選型

　　變頻器的功率選擇與下列數(shù)據(jù)有關(guān)：

　　負載轉(zhuǎn)動慣量： J負載=19400 kgm2= 460361 (折算至主電機軸頭)

　　負載飛輪力矩： GD2負載 = 1 9 4 0 0 kgm2×g= 77600 kgm2×9.81 m/s2 = 190314 N m2=460362 (折算至主電機軸頭)

　　機組啟動力矩:

　　靜阻力矩(摩擦力矩)：=20% × FLT = 20% × 74490 Nm = 14898 Nm

　　空載額定轉(zhuǎn)速時阻力矩：=35% × FLT = 35% × 74490 Nm = 26072 Nm

　　電機加速時間，暫按100 秒進行計算。

　　電機加速轉(zhuǎn)矩：

　　△T = (GD2負載 / 375)×( △n / △t) = (190314/375)×(1000/100) = 5100 Nm

　　變頻器理論功率：

　　P理論值 =(26072 + 5100)× 1000/9550 = 3400 KW

　　考慮到擋板漏風(fēng)、輸出升壓變壓器勵磁/ 無功電流、計算誤差、電機/風(fēng)機參數(shù)變化等各種因素，變頻器功率可保守設(shè)計為:

　　P設(shè)計值= P理論值×1.15=3900 KW

　　因此，為滿足加速時間200 秒要求，變頻器可選6.6KV/ 5500HP/430A。采用的高壓變頻軟起動器技術(shù)參數(shù)如下。

　　額定電壓：6600V

　　額定電流：430A

　　額定功率：5500HP

　　控制電壓：380VAC

　　五、裝置特點

　　本高壓變頻器作為軟起動器可以連續(xù)起動，起動時間小于200秒，起動電流不超過電機的額定電流。該產(chǎn)品特點為：

　　可靠性高。該產(chǎn)品采用6500V,1500A 的高壓SGCT器件，器件數(shù)量少，耐壓及電流裕量大，變頻電流小，器件開關(guān)損耗少，設(shè)備安全可靠。

　　輸入波形好。變頻整流器采用多脈沖形式(18脈沖)，總體諧波畸變THD小于 5%，直接滿足IEEE519-1992及國標(biāo)的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)。

　　輸出波形好。無需增加任何選項， PWM電流型變頻器直接輸出完美的正弦波形，不存在轉(zhuǎn)矩脈動，無潛在共振問題。逆變時無dv/dt及di/dt的產(chǎn)生，諧波畸變THD小于5%，連接變頻器及電機之間的距離可長達15km。

　　起動性能好。PowerFlex7000采用直接矢量控制技術(shù)，本方案選用無編碼器的矢量控制，轉(zhuǎn)子的位置可直接檢測，起動力矩為95%額定起動轉(zhuǎn)矩。

　　使用簡單。人機接口為大屏幕液晶顯示操作員終端。變頻器的狀態(tài)，輸入輸出變量，自診斷結(jié)果，故障報警等信息均可顯示在屏幕上。

　　維護方便。高集成度的SGCT器件及 PowerCage機架的使用提高了系統(tǒng)模塊化程度，從而保證了功率模塊的更換時間小于5分鐘。

　　標(biāo)準(zhǔn)性能：

　　? 6500V SGCT-對稱門極換流晶閘管。系統(tǒng)器件數(shù)量低，設(shè)備可靠性高。

　　? 專利 PowerCage 整流逆變機架。輕松設(shè)備維護，快速器件更換。

　　? 位于低壓盤面上的操作員終端。中/英文彩屏顯示。

　　? 集成單鐵芯式直流電抗器。免除電子熔斷電路，消除無故跳閘。

　　? 使用數(shù)字信號處理器(DSP) 和現(xiàn)場可組態(tài)門排列控制器(FPGA)的全數(shù)字控制

　　? 無傳感器矢量控制。 ? 8個變量的趨勢記錄緩沖器(單或多快門記錄)。

　　? 對外I/O接口板上16個可組態(tài)數(shù)字輸入，16個可組態(tài)數(shù)字輸出。

　　? 盤面編程。

　　? 包括低壓觸發(fā)檢測的4個測試模式。

　　? 自動整定方式

　　? 標(biāo)準(zhǔn)正弦的馬達電流及電壓波形，適用普通電機。

　　? 電子變頻過載保護。

　　? 電子電機過載保護。

　　? 脈寬調(diào)制(PWM)/選擇諧波抑制(SHE)調(diào)制技術(shù)

　　勵磁柜 采用BULLETIN 1912B勵磁柜，型號：電壓：380V，電流：132A。標(biāo)準(zhǔn)性能:

　　? 固定安裝真空接觸器

　　? 三相R型電流限制熔斷絲

　　? 控制電源變壓器(500VA, 次級1 2 0 VAC)，帶初級和次級熔斷絲(選項-6)

　　? 用于勵磁放電的兩級勵磁接觸器，帶 NC輔助觸點

　　? SyncProTM勵磁及保護控制器

　　? 勵磁放電電阻

　　六、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　PLC采用羅克韋爾自動化/ AllenBradley ControlLogix控制系統(tǒng)，完成設(shè)備的連續(xù)集中控制。采用單CPU處理器，處理器選用1756-L61。

　　各子系統(tǒng)I/O擴展和上位通訊考慮采用符合IEC 61158的開放現(xiàn)場總線ControlNet系統(tǒng)，冗余鏈路配置。 ControlNet為令牌總線方式的實時控制網(wǎng)，通訊速率5MBit/秒，冗余配置，其上掛接混合型控制器CPM和服務(wù)器， ControlNet的傳送方式可以保證實時數(shù)據(jù)何時傳送(確定性)，并不會因網(wǎng)上節(jié)點的增減而改變 (重復(fù)性)，介質(zhì)為RG6同軸電纜，BNC連接器，長度可達1km，加擴展器可擴展達6km。

　　ControlLogix 系統(tǒng)為多種類型的控制提供了高性能的控制平臺，在這一個平臺上，就可以實現(xiàn)順序控制、過程控制、傳動或運動控制的任意組合控制。因為這個平臺是模塊化的，所以就能夠有效地設(shè)計、建立和更改平臺，極大地節(jié)約了工程實施費用。通過先進的組態(tài)工具、內(nèi)存結(jié)構(gòu)和需要較少編程和內(nèi)存的符號編程，可以大大提高工程的生產(chǎn)率。內(nèi)存分為程序區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū)，采用完全的自動內(nèi)存分配機制，開發(fā)人員無需人工分配系統(tǒng)內(nèi)存，支持靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無需任何編程或者處理器干預(yù)，即可實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的通訊橋接和數(shù)據(jù)交換。

　　系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示:每個主排風(fēng)機有一個獨立的監(jiān)控PLC以及 PanelView Plus 1000作為人機界面接口。這些設(shè)備以及變頻器的PLC通過1756- CNBR模塊組成ControlNet網(wǎng)絡(luò),這個網(wǎng)絡(luò)通過燒結(jié)主系統(tǒng)的PLC2遠程IO站與燒結(jié)主系統(tǒng)L1網(wǎng)絡(luò)連接.變頻器(VFD)PLC有一個ControlNet IO網(wǎng)絡(luò),兩個Point IO 分別控制MB3(Motor1)、MB4(Motor2)的勵磁盤，1756-A10框架及20-COMM-C完成變頻器本體的控制及數(shù)據(jù)交換，本地框架主要是高壓盤等外圍接口狀態(tài)采集及控制。

　　由于ControlLogix 系統(tǒng)的開放性及靈活性，可以在燒結(jié)L1網(wǎng)絡(luò)的任意位置通過Drive Executive工具對變頻器進行組態(tài)及維護，也可以由PLC經(jīng)由ControlNet 網(wǎng)絡(luò)通過20-COMM-C模塊修改變頻器控制參數(shù)。這里由于兩臺馬達動態(tài)參數(shù)有較大的差別，為了達到理想的控制效果，在起動前由PLC寫入針對該馬達的控制參數(shù)。程序如圖3所示。

　　實際上，只要對外圍系統(tǒng)進行簡單的改造，將來本起動裝置可以起動一燒結(jié)9300KW直流無刷勵磁同步電動機，也可以起動規(guī)劃中的4000-5000KW的脫硫增壓風(fēng)機，而且可以是任何形式的10KV 高壓電動機。系統(tǒng)的開放性在這里得到了充分的體現(xiàn)。

　　七、改造效果

　　原有設(shè)備拆除，新設(shè)備在線安裝、調(diào)試全部工作在10天內(nèi)完成，確保了年修節(jié)提前36小時完成，實現(xiàn)效益450萬元。

　　新設(shè)備運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，靜止?fàn)顟B(tài)下起動成功率100%，并網(wǎng)沖擊小，頻率差 <0.1Hz、電壓差 <3%、相位差<3°。

　　綜上所述，起動裝置改造性能指標(biāo)完全達到設(shè)計要求，改造取得圓滿成功。

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