摘要：介绍高炉鼓风机电动机软起动方式及发展趋势。介绍TMEIC电压源型高压变频器（VSI）兼容包头钢铁炼铁厂3台高炉鼓风机电动机负载换向式电流源型变频器（LCI）软起动改造方案及效果。VSI及LCI软起动系统均具备软起动现场高压电动机的功能，二套软起动系统互为备用、互不干扰，能保证一套软起动系统断电断开状态时、另一套软起动系统能正常稳定运行，实现二拖三变频软起动功能。
关键词：电压源型高压变频器；负载换向式电流源型变频器；二拖三；软起动；互为备用
1引言
高炉鼓风机为炼铁生产关键性设备，高炉鼓风机驱动有汽轮机驱动及电动机驱动二种方式，从高炉系统安全生产、节能环保及检修维护便利角度考虑，目前炼铁厂高炉鼓风机基本上都是采用高压电动机驱动方式；高炉鼓风机电动机功率一般都在20MW及以上，大功率电动机如果直接工频起动将无法保证配电系统的安全同时对电动机机械部件及电气性能的影响也非常大的，故高炉鼓风机电动机软起动是必须要求的配置。
根据电力电子技术发展情况，前期高炉鼓风机大功率电动机电气软起动方式一般都采用LCI软起动方式，LCI软起动技术采用半控SCR功率器件，高-低-高配置，为比较古老的技术，维修周期长维修成本高，很多公司已经开始淘汰LCI产品；受功率器件更新及电力电子技术的发展，目前高炉鼓风机电动机主流软起动为VSI软起动方式。
2高炉鼓风机电动机软起动方式介绍
从风机效率及炼铁鼓风要求的恒压变流量需求考虑，高炉鼓风风机一般为常规速度或高速静叶可调轴流风机，高炉轴流风机鼓风机第一级静叶起动角度为14。，正常可调节范围为22。~79。。高压电动机通过齿轮箱或连接器连接高炉鼓风机。从高炉鼓风机电动机软起动发展历史看，大功率高炉鼓风机电动机软起动采用过的三种主流软起动方式分别为：MG电动机软起动系统，LCI软起动系统，VSI软起动系统。高炉鼓风机电驱系统如图1所示。
图1高炉鼓风机电驱系统
2.1MG电动机软起动系统
MG电动机软起动系统通过一台小功率起动电动机驱动高炉高压电动机及高炉鼓风机系统运行到额定转速后，合闸高炉电动机运行开关，通过离合器断开起动电动机，转入高炉高压电动机电驱高炉鼓风机方式。此方式为非常古老的软起动方式，晶闸管及晶体管器件软起动技术投入应用后，此软起动方式在上世纪80年代基本上已经被淘汰。MG电动机软起动系统如图2所示。
图2MG电动机软起动系统
2.2LCI软起动方式
负载换向式电流源型变频器（LoadCommunicatedInverter，LCI）于20世纪70年代末投入商业化应用，是最早投入使用的中压变频调速系统。LCI主回路功率器件采用晶闸管元件，输出电压低，对于高压电机及电源系统输入输出侧均需要变压器，谐波大，电网侧功率因数低，输出转矩小，并且只能用于同步电机。LCI拓扑图如图3所示。
图3LCI拓扑图
LCI软起动为软同期切换方式，LCI变频器驱动同步电动机到95%额定转速后，通过外部同期检测调节LCI输出给电动机的电源频率、角度及电压值与工频电网电源在一定误差范围后，合闸工频运行开关，停止LCI电流输出、关断晶闸管，断开LCI输入输出回路即完成高炉电动机软起动过程。LCI软起动系统单线图如图4所示。
图4LCI软起动系统单线图
2.3VSI软起动方式
电压源型变频器（VoltageSourceInverter，VSI）为目前工业系统变频调速领域普遍使用产品，常规负载使用场合的高压VSI一般采用高高多电平单元串联方式拓扑结构，采用若干个独立的低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，变频输出为直接输出方式无需升压变压器。VSI变频器即可以驱动同步电动机也可以驱动异步电动机。
图5电压源型多电平串联方式变频拓扑图及功率单元原理图
VSI电压源型多电平串联变频器软起动为软同期切换方式，变频器具备内部同期功能；VSI变频器驱动电动机到97%额定转速后，变频器根据输入电源自动调节输出给电动机的电源频率、角度及电压值与工频电网电源在一定误差范围内，合闸工频运行开关，停止VSI输出，断开VSI输入输出回路即完成高炉电动机软起动过程。
3 VSI替换LCI必然性
LCI技术依据40多年前电力电子技术水平开发的产品，属于需要逐步淘汰的产品，导致其备件及服务均滞后；VSI技术是电力电子技术水平高速发展后出现的产品，目前广泛使用的主流产品；综合安全生产要求同时从成本角度考虑，钢铁行业高炉电动机软起动用户采用VSI替换LCI已成必然。有关LCI及VSI软启动系统起动使用情况描述如下。
3.1大电机软起动系统采用电流源型LCI起动使用情况
电流源LCI结构为高低高结构，其输入及输出电压均3kV左右，需要通过降压变为LCI提供电源、同时也需要升压变压器将LCI输出电源升压至10kV或要求的电压值，技术采用上个世纪的半控晶闸管SCR功率器件，现在用量很少，备件和技术服务都已经跟不上，很多公司已经淘汰电流源LCI技术；
采用12脉冲整流，对电网污染大，输入谐波为12%左右，起动过程中不能满足中国供电部门对电压电流失真的标准GB/T14549-93要求；
对电网电压波动敏感，当电网电压下降15%时，就可能跳闸停机；
输入功率因数随负载变化而变化，功率因数可低至0.6，对电机的输出波形谐波成份较大，会引起电机噪声加大，发热增加，转矩脉动大，易共振；
存在输入及输出变压器、去磁装置等，效率偏低；
对输出电缆长度有限制，一般限制在300米以内，不适合电缆距离长的一拖多情况；
电流源变频对连续起动次数有限制，常规LCI软起动系统配置的储能电抗器及升降压变压器设计为每1小时内连续起动3次；每次包括起动3分钟，消磁3分钟和冷却9分钟，共15分钟一次循环，多次连续起动时客户需要等待；
由于备件和技术服务都已经跟不上，国内高炉的客户已经开始把电流源LCI软起动系统升级替换为VSI软起动系统。
3.2大电机起动系统采用电压源型VSI起动使用情况
电压源型为直接高-高变频器，直接输出10kV或其他等级高压，环节最少，系统可靠性高；
采用先进的全控IGBT/IEGT功率器件,拓扑结构先进，是目前主流趋势技术；
电压型变频器输入功率因数与负载几乎无关，均可达到0.95；
30以上脉冲整流，输入谐波<3%，符合IEEE519-1992标准和GB/T14549国家标准；
抗电网电压波动能力强，电网电压30%下降可以正常起动；
采用单元串联和多重化脉宽调制技术，输出波形为准正弦波；电机噪声小，发热低，转矩脉动小；
对输出电缆无特殊要求，可长达2千米以上，适合一拖多；
无输出变压器，输出转矩大，无连续起动次数和间隔限制，非常方便多套高炉鼓风机系统连续起动情况；
4VSI兼容LCI软起动改造方案
VSI兼容LCI软起动改造方案有硬件切换隔离及软硬件兼容二种方式，二种方案简述如下：
方案一：VSI运行时通过硬件切换方式接收所有的LCI对外接口，VSI兼容LCI软起动改造基本原则是改造后，VSI及LCI软起动系统均具备软起动现场高压电动机的功能，二套软起动系统互为备用、互不干扰；二套软起动系统可以互相兼容，同时能保证一套系统断电断开状态时、另一套系统能正常稳定运行，实现二拖三变频软起动功能。
方案二：VSI通过软件通讯方式兼容LCI系统控制系统有关主回路开关柜控制及电动机保护系统硬件及软件接口，仅提供VSI变频器、VSI对应的励磁系统及VSI主回路输入输出开关柜，LCI控制系统中仅增加VSI主回路输入、输出开关柜控制接口，LCI软件控制程序修改实现二拖三变频软起动功能及系统切换的需求。
上述方案一能做到VSI及LCI系统互不干扰，能保证一套系统断电断开状态时、另一套系统能正常稳定运行，需要增加单独的控制系统、硬件切换回路及电机保护系统；方案二无需增加控制系统、硬件切换回路，VSI需要借用LCI控制系统及保护系统，VSI软起动时LCI控制系统及保护系统也需正常运行，如LCI控制系统及保护系统故障则VSI将无法软起动高炉鼓风机电动机；综合考虑到高炉鼓风机系统的重要性及改造成本，方案一为最合理的改造方案。本次TMEICVSI兼容LCI改造方案即采用方案一。
LCI系统将电机励磁调节、LCI调节及保护、软起动切换及电机状态信号采集后集成为一个整体，任何一部分有故障均有可能导致软起动失败或电动机运行事故，此方式为LCI系统特定的配置方式。
VSI软起动系统，变频器本身具备软起动同期功能、励磁调节功能、变频运行时电机保护功能等功能，无需接收别的外部接口即可自行完成相关保护及调节功能；VSI兼容LCI软起动改造工程，需兼容现有LCI系统同时保持二套系统间的独立性，故需增加励磁柜、检测信号及接口切换系统、软起动PLC控制系统等其他相关设备以保证系统的兼容及软起动、工频运行功能。
4.1硬件部分改造方案
提供一套电动机励磁调节用励磁柜，励磁柜具备变频运行调节功能同时具备工频运行调节功能；
增加一套电源切换柜，完成励磁柜与原有LCI励磁系统输入电源及输出电源切换.励磁系统主回路改造切换回路如图6所示；
图6励磁系统主回路改造切换回路
增加一套检测信号及接口切换系统，切换信号及接口包括CT、电机漏水及温度等信号。信号接口改造切换回路如图7所示；
图7信号接口改造切换回路
根据主回路需求，增加二套高压开关柜，达到VSI输入、输出电源接入及与LCI输入、输出电源隔离的目的；
增加与LCI兼容的VSI软起动系统。
4.2控制部分改造方案
增加一套PLC控制系统，完成与VSI、LCI、DCS之间的控制及反馈；
增加一套总线通讯系统，完成DCS、VSI、LCI之间的相关通讯及控制；
DCS界面改造为VSI及LCI软起动系统选择、软起动操作界面及相应状态显示。
5实际应用案例
5.1现场情况及改造要求
包头钢铁炼铁厂7#、8#电动鼓风机由德国曼透平制造，9#电动鼓风机由陕鼓集团制造，3台鼓风机均采用36500kW/10kV交流无刷同步电动机传动，三台鼓风机电动机共用一台LCI高压变频器系统实现软起动。目前LCI系统设备元器件老化，备品匮乏，LCI厂家精通该系统的国内技术人员太少，系统出现故障后判断处理故障时间长。为此，新增加一套TMEICVSI高压变频软起动系统，改造后的TMEICVSI变频系统与原LCI软起动系统兼容。
本方案配套1台TMEIC公司生产的型号TMdrive-MVG2-SS-10000kW/10kV高-高多电平串联VSI，通过VSI完成一拖三软起动7#、8#、9#电动鼓风机电机运行功能，同时保留原有LCI一拖三软起动7#、8#、9#电动鼓风机电机运行功能；系统改造后，7#、8#、9#电动鼓风机电机软起动系统为二拖三软起动方式。二套系统可以互相兼容，同时能保证一套系统断电断开状态时、另一套系统能正常稳定运行。7#、8#、9#鼓风机交流无刷励磁电机铭牌参数如附表所示。
5.2改造实施方案
7#、8#、9#鼓风机电动机由3台110kV/10.5kV变压器供电，7#、8#、9#鼓风机电动机可以分别单变压器单电机独立母线运行，也可以3台变压器并联3台鼓风机电动机同时运行在一段母线；本项目在保留原有LCI软起动系统及相应的主回路开关回路的情况下，新增1台套TMEICVSI软起动系统、励磁柜、切换开关、PLC控制系统、主回路切换开关等，通过PROFIBUS通讯及硬件接口达到软起动起动控制、起动过程监控及电动机保护的目的；VSI软起动系统主回路在保证与LCI主回路电隔离的情况下，利旧原有3段母线供电回路及3台电机输出回路；PLC控制系统通过切换开关接入原有接入LCI的电机监测信号，提供VSI软起动方式时相应的电机保护。有关改造及控制见下述系统图，图8中粉红色框为新增设备、其他部分为现场已有设备，红线为VSI软起动系统相应的控制及监控接口。
图8VSI兼容LCI软起动系统图
5.3改造效果
包钢炼铁厂VSI兼容LCI软起动改造于2019年11月改造完毕，到目前为止，用户已多次用VSI系统完成3台鼓风机电动机软起动运行，软起动效果良好。改造后，7#、8#、9#电动鼓风机电机软起动系统由一拖三方式改造为二拖三软起动方式，可以通过3套高炉电鼓DCS监控系统选择VSI或LCI软起动相应的高炉鼓风机电动机，VSI软起动系统与LCI软起动系统可以在单套系统完全失电状态下，另一套软起动系统能完成3台鼓风机电动机软起动的功能。
6.4现场实施改造照片
图9现场LCI（升压及降压油浸变单独放置）
图10励磁系统主回路及控制信号切换柜
图11TMEICVSI图12励磁柜UPS电源PLC控制系统
图13TMEICPLC控制起动界面
6结论
随着电力电子技术发展及控制理念的进步，采用VSI软起动高炉鼓风机电动机这种软起动方式为目前最合理的软启动方式，采用VSI兼容或替换现有高炉LCI软起动系统是高炉LCI软起动系统升级改造的发展方向。
参考文献：
[1]TMEIC包钢炼铁厂7#、8#、9#电动鼓风机高压变频器软起动改造设计资料[Z].
[2]丁少杰.中压变频器主回路拓扑结构的分析与比较[J].制造业自动化，2004,5.
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