大型高爐鼓風機同步電動機軟啟動及其控制技術
1 引言
大型高爐煉鐵鼓風機采用超大型同步電動機傳動取代透平傳動，已成為當今世界煉鐵裝備發展的趨勢。這得益于電力電子技術及微電子技術、計算機技術的發展，成功地利用交-直-交變頻器。解決了超大型同步電動機的軟啟動問題，平滑啟動功率只需電動機功率的25%左右，從而避免了同步機異步啟動時對電網難以承受的沖擊。平滑的啟動過程經過200s左右將加速到準同步速度即95%額定轉速ne，然后并入電網，拉入同步運行。
2003年5月鞍鋼第一臺電動鼓風機順利并網運行，為新1#高爐送風。風機的驅動電動機為超大型同步電動機，其額定功率為42mw，電機啟動采用變頻器軟啟動，控制系統采用simadyn d計算機控制系統。simadyn d是西門子變頻器的核心技術。新1#高爐鼓風機同步電動機與啟動變頻器是一拖一的方式，而最近將投入運行的新2#、3#高爐是采用一拖二的方式。即一臺變頻器可以拖動兩臺同步電動機分時啟動。鞍鋼引進的這套西門子變頻器軟啟動裝置是西門子公司新的版本，其硬件及其軟件技術水平較國內其它鋼鐵企業引進的同類的設備有較大的提高。
學習和掌握這些相關的技術對生產維護和今后的發展有著極其重要的現實意義。
2 變頻器的技術數據及其組成
用于超大型同步電動機軟起動的交－直－交電流型變頻器。
2.1 主要技術數據
（1） 額定電壓:2×2.9kv，3相
電壓波動范圍:＋10%～-10%;
（2） 額定頻率: 50hz±2%;
（3） 直流環節功率:2×4.8mw;
（4） 頻率控制范圍:1:10;
（5） 正常運行環境溫度:＋5℃～40℃;
（6） 正常環境溫度情況下，可連續3次啟動，第4次間隔60min。
2.2 變頻器及其功率部分
主要包括:
（1） 進線側的整流器和電機側的逆變器，使用的都是6qc7全控三相橋;
（2） 變頻器的整流側與逆變側都無熔斷器;
（3） 晶閘管用光纖間接觸發，每個晶閘管都有反饋信號;
（4） 逆變器側裝有lem的電子互感器（在各頻率范圍內都有高精度的直流電流互感器）;
（5） 直流環節的電抗器具有足夠大的電感量，用以降低電流的紋波和限制電流變化率;
（6） 在變頻器的進線和出線端都裝有過電壓限制器;
（7） 啟動變頻變壓器，為與電網電壓和電機電壓有一個優化的匹配，需在變頻器的輸入與輸出端配置變頻變壓器，其中:
降壓變壓器（進線側），樹脂澆注干式三繞組變壓器，11400kva，10.0kv/2×2.9kv，50hz，uk≤13.5%;
升壓變壓器（電機側），樹脂澆注干式三繞組變壓器，11400kva，2×2.9kv/10.0kv，50hz，uk=8.5%。
系統的控制器使用的simadyn d控制系統，該系統是一個全數字化可自由配置帶多微機系統，專門用于系統的計算和快速的開閉環控制。
3 同步電動機軟啟動原理
同步電動機軟啟動原理是采用交－直－交變頻技術。變頻設備為電流型，即在直流環節有一個較大電感的直流電抗器，既有濾波功能又能當逆變側發生短路故障時，由于電抗器的存在，電流不會發生突變，而電流調節器會迅速響應，使整流電路的晶閘管觸發角后移，電流將被限制在安全范圍內。
由于電源采用三相橋式整流電路，逆變器輸出電流的諧波成份很大，會引起電機額外的發熱和轉矩的脈動。另外變頻裝置還會產生較大的共模電壓，進而影響電機的絕緣。為解決上面問題，該系統采用12脈沖整流技術。
在軟啟動過程中，還采用了直流脈動技術。同步電動機的轉子中由于外加勵磁電流，在轉子轉動時電機定子中將產生感應電勢，當這個電勢反向作用于逆變側的晶閘管時，晶閘管會關斷，利用這個電勢就可實現逆變晶閘管的自然換相。但是在當電機轉速很低時（例如5%ne以下），電機的定子電勢很低，不能使晶閘管關斷實現自然換相。為了解決這個問題，采用了直流脈動技術。也就是說電動機啟動初期，電機轉速低于5%ne期間，當逆變器的晶閘管需要換相時，設法使逆變器的電流降低到零，使逆變器的晶閘管暫時全部關斷，然后將根據觸發的順序給應導通的晶閘管加上脈沖?；謴椭绷麟娏鲿r，電流將按觸發的順序流經新導通的晶閘管，從而實現從一相到另一相的換相。由于逆變器晶閘管順序導通，直流電流順序地流過電動機定子的相應繞組，并產生合成磁場，這樣繞組電流不斷的變化必將在電機中產生一個旋轉磁場，帶動轉子旋轉，轉子旋轉的速度由逆變器的觸發周期確定，當電機轉速達到5%ne以上時，電機定子產生的電勢足夠大時，逆變器的晶閘管采用自然換相，這樣電機轉子產生的啟動轉矩將使電機繼續不斷地提高轉速，一直到95%ne時，電機將并網拉入同步（符合并網條件時）。變頻器退出系統，從而實現同步電機的軟啟動。
采用軟啟動技術，必須在電機空載下啟動并網。所需功率只有9000kw左右，遠遠小于異步啟動和額定功率（42000kw），所以對電網沖擊很小。
在消化有關資料中得知:如果在同步切換瞬間，由于電網壓降原因造成電機失步而切換失敗，變頻器有能力在任何轉速情況下，再次“抓住”電機，使之加速到同步，直至切換成功。
在正常運行期間，如果勵磁存在，由于短時過載或10kv電壓丟失，造成電機失步超200ms，變頻器將從勵磁控制器得到信號而第自動再啟動，并有能力在任何轉速情況下“抓住”電機轉子使之加速并同步直至切換到電網。
以上兩點對高爐安全連續的送風是十分內必要的。
4 軟啟動器的控制
4.1 軟起動控制原理及過程
軟啟動simadyn d數字控制系統應用矢量原理，并通過系統的開環和閉環控制來實現對軟啟動過程的控制，采用失量控制方式的目的，主要是為了提高變頻器的動態性能。根據交流電動機的動態數學模型，利用坐標變換的手段，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量（電流）和轉矩分量（電流），并分別加以控制，即模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，即對磁場分量和轉矩分量分別控制，以獲得類似于直流電機調速的動態性能。
在矢量控制方式中，磁場電流實際值和轉矩電流實際值可以根據測定的電機定子電壓、和電流的實際值經變換計算求得。磁場電流和轉矩電流的實際值與之相應的設定值進行比較和調節。
開環控制包括:電機速度≤5%額定轉速時控制;開、合短路器的控制;壓力、溫度、各種保護連鎖之間的邏輯控制。
閉環控制包括:電流控制與速度控制;系統的設計成帶電流閉環控制的速度環控制，即雙閉環系統;通過控制電源側的整流器，電機流過相應的電流，以獲得保持電機轉矩所需的力矩。
電機定子通過逆變器流入方波電流。電機轉子中通過磁場電流，由于轉子的旋轉，產生空間變化的磁場，在電機定子中產生感應電勢。在低轉速時，勵磁電流保持不變，定子電壓只與轉速成正比。為了確定定子電流的順序（逆變器晶閘管觸發的順序），定子電壓被測量（絕對值、相角），然后產生逆變器的觸發脈沖，逆變器自然換相，換相電壓由同步機提供。在0～5%額定轉速時，電機電壓很低，不能實現自然換相，為保證逆變器可靠的換相，采用直流脈動技術。周期地將直流環節電流降低到零，逆變器晶閘管按設定值周期地觸發，帶動轉子旋轉。當電機電壓較高時，就可以實現自然換相。逆變器的晶閘管從一相到另外一相的觸發信號由同步電壓獲得。同步電機電壓過零點被測量，并作為電機側逆變器的觸發信號。這樣也保證了電機側逆變器的晶閘管觸發永遠與電機電壓同步，以使同步機始終保持同步。當電機的實際速度小于設定的速度時，速度檢測器將輸出信號到電流控制器，電流控制器改變整流器晶閘管的觸發角，增大輸出直流電流，電機轉矩增加，電機速度增加，直到電機的電磁力矩與負荷力矩平衡。當電機轉速達到準同步轉速時給同步器信號，同步器開始進行檢測，比較、當滿足同步條件時，由同步器發出指令合上斷路器，同步電機并網，軟啟動器退出，完成軟啟動過程。
軟啟動開閉環控制都在simadyn d控制系統實現。全部控制功能文件安裝在八個處理器中，每個處理器執行特定任務的功能包，功能包的功能用參數和strucg圖來定義。
4.2 功能包
simadyn d系統中還包括建立處理器與外圍設備通訊@—fp功能包。
（1） 模塊se21.2:處理器ps16與電機側晶閘管的接口模塊，用來測量實際值與檢測值及晶閘管的狀態;
（2） 模塊se48.1:處理器pm16與電源側晶閘管的接口模塊，用來測量實際值以及晶閘管的狀態;
（3）模塊sa60:同步模塊，用來測量電機電壓，經計算產生脈沖的同步信號;
（4）模塊sav22:觸發模塊，通過光纖與晶閘管連接（實現控制設備與高壓設備隔離），給晶閘管觸發信號，同時用光信號可對晶閘管狀態進行監視;
（5） p1<
大型高爐煉鐵鼓風機采用超大型同步電動機傳動取代透平傳動，已成為當今世界煉鐵裝備發展的趨勢。這得益于電力電子技術及微電子技術、計算機技術的發展，成功地利用交-直-交變頻器。解決了超大型同步電動機的軟啟動問題，平滑啟動功率只需電動機功率的25%左右，從而避免了同步機異步啟動時對電網難以承受的沖擊。平滑的啟動過程經過200s左右將加速到準同步速度即95%額定轉速ne，然后并入電網，拉入同步運行。
2003年5月鞍鋼第一臺電動鼓風機順利并網運行，為新1#高爐送風。風機的驅動電動機為超大型同步電動機，其額定功率為42mw，電機啟動采用變頻器軟啟動，控制系統采用simadyn d計算機控制系統。simadyn d是西門子變頻器的核心技術。新1#高爐鼓風機同步電動機與啟動變頻器是一拖一的方式，而最近將投入運行的新2#、3#高爐是采用一拖二的方式。即一臺變頻器可以拖動兩臺同步電動機分時啟動。鞍鋼引進的這套西門子變頻器軟啟動裝置是西門子公司新的版本，其硬件及其軟件技術水平較國內其它鋼鐵企業引進的同類的設備有較大的提高。
學習和掌握這些相關的技術對生產維護和今后的發展有著極其重要的現實意義。
2 變頻器的技術數據及其組成
用于超大型同步電動機軟起動的交－直－交電流型變頻器。
2.1 主要技術數據
（1） 額定電壓:2×2.9kv，3相
電壓波動范圍:＋10%～-10%;
（2） 額定頻率: 50hz±2%;
（3） 直流環節功率:2×4.8mw;
（4） 頻率控制范圍:1:10;
（5） 正常運行環境溫度:＋5℃～40℃;
（6） 正常環境溫度情況下，可連續3次啟動，第4次間隔60min。
2.2 變頻器及其功率部分
主要包括:
（1） 進線側的整流器和電機側的逆變器，使用的都是6qc7全控三相橋;
（2） 變頻器的整流側與逆變側都無熔斷器;
（3） 晶閘管用光纖間接觸發，每個晶閘管都有反饋信號;
（4） 逆變器側裝有lem的電子互感器（在各頻率范圍內都有高精度的直流電流互感器）;
（5） 直流環節的電抗器具有足夠大的電感量，用以降低電流的紋波和限制電流變化率;
（6） 在變頻器的進線和出線端都裝有過電壓限制器;
（7） 啟動變頻變壓器，為與電網電壓和電機電壓有一個優化的匹配，需在變頻器的輸入與輸出端配置變頻變壓器，其中:
降壓變壓器（進線側），樹脂澆注干式三繞組變壓器，11400kva，10.0kv/2×2.9kv，50hz，uk≤13.5%;
升壓變壓器（電機側），樹脂澆注干式三繞組變壓器，11400kva，2×2.9kv/10.0kv，50hz，uk=8.5%。
系統的控制器使用的simadyn d控制系統，該系統是一個全數字化可自由配置帶多微機系統，專門用于系統的計算和快速的開閉環控制。
3 同步電動機軟啟動原理
同步電動機軟啟動原理是采用交－直－交變頻技術。變頻設備為電流型，即在直流環節有一個較大電感的直流電抗器，既有濾波功能又能當逆變側發生短路故障時，由于電抗器的存在，電流不會發生突變，而電流調節器會迅速響應，使整流電路的晶閘管觸發角后移，電流將被限制在安全范圍內。
由于電源采用三相橋式整流電路，逆變器輸出電流的諧波成份很大，會引起電機額外的發熱和轉矩的脈動。另外變頻裝置還會產生較大的共模電壓，進而影響電機的絕緣。為解決上面問題，該系統采用12脈沖整流技術。
在軟啟動過程中，還采用了直流脈動技術。同步電動機的轉子中由于外加勵磁電流，在轉子轉動時電機定子中將產生感應電勢，當這個電勢反向作用于逆變側的晶閘管時，晶閘管會關斷，利用這個電勢就可實現逆變晶閘管的自然換相。但是在當電機轉速很低時（例如5%ne以下），電機的定子電勢很低，不能使晶閘管關斷實現自然換相。為了解決這個問題，采用了直流脈動技術。也就是說電動機啟動初期，電機轉速低于5%ne期間，當逆變器的晶閘管需要換相時，設法使逆變器的電流降低到零，使逆變器的晶閘管暫時全部關斷，然后將根據觸發的順序給應導通的晶閘管加上脈沖?；謴椭绷麟娏鲿r，電流將按觸發的順序流經新導通的晶閘管，從而實現從一相到另一相的換相。由于逆變器晶閘管順序導通，直流電流順序地流過電動機定子的相應繞組，并產生合成磁場，這樣繞組電流不斷的變化必將在電機中產生一個旋轉磁場，帶動轉子旋轉，轉子旋轉的速度由逆變器的觸發周期確定，當電機轉速達到5%ne以上時，電機定子產生的電勢足夠大時，逆變器的晶閘管采用自然換相，這樣電機轉子產生的啟動轉矩將使電機繼續不斷地提高轉速，一直到95%ne時，電機將并網拉入同步（符合并網條件時）。變頻器退出系統，從而實現同步電機的軟啟動。
采用軟啟動技術，必須在電機空載下啟動并網。所需功率只有9000kw左右，遠遠小于異步啟動和額定功率（42000kw），所以對電網沖擊很小。
在消化有關資料中得知:如果在同步切換瞬間，由于電網壓降原因造成電機失步而切換失敗，變頻器有能力在任何轉速情況下，再次“抓住”電機，使之加速到同步，直至切換成功。
在正常運行期間，如果勵磁存在，由于短時過載或10kv電壓丟失，造成電機失步超200ms，變頻器將從勵磁控制器得到信號而第自動再啟動，并有能力在任何轉速情況下“抓住”電機轉子使之加速并同步直至切換到電網。
以上兩點對高爐安全連續的送風是十分內必要的。
4 軟啟動器的控制
4.1 軟起動控制原理及過程
軟啟動simadyn d數字控制系統應用矢量原理，并通過系統的開環和閉環控制來實現對軟啟動過程的控制，采用失量控制方式的目的，主要是為了提高變頻器的動態性能。根據交流電動機的動態數學模型，利用坐標變換的手段，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量（電流）和轉矩分量（電流），并分別加以控制，即模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，即對磁場分量和轉矩分量分別控制，以獲得類似于直流電機調速的動態性能。
在矢量控制方式中，磁場電流實際值和轉矩電流實際值可以根據測定的電機定子電壓、和電流的實際值經變換計算求得。磁場電流和轉矩電流的實際值與之相應的設定值進行比較和調節。
開環控制包括:電機速度≤5%額定轉速時控制;開、合短路器的控制;壓力、溫度、各種保護連鎖之間的邏輯控制。
閉環控制包括:電流控制與速度控制;系統的設計成帶電流閉環控制的速度環控制，即雙閉環系統;通過控制電源側的整流器，電機流過相應的電流，以獲得保持電機轉矩所需的力矩。
電機定子通過逆變器流入方波電流。電機轉子中通過磁場電流，由于轉子的旋轉，產生空間變化的磁場，在電機定子中產生感應電勢。在低轉速時，勵磁電流保持不變，定子電壓只與轉速成正比。為了確定定子電流的順序（逆變器晶閘管觸發的順序），定子電壓被測量（絕對值、相角），然后產生逆變器的觸發脈沖，逆變器自然換相，換相電壓由同步機提供。在0～5%額定轉速時，電機電壓很低，不能實現自然換相，為保證逆變器可靠的換相，采用直流脈動技術。周期地將直流環節電流降低到零，逆變器晶閘管按設定值周期地觸發，帶動轉子旋轉。當電機電壓較高時，就可以實現自然換相。逆變器的晶閘管從一相到另外一相的觸發信號由同步電壓獲得。同步電機電壓過零點被測量，并作為電機側逆變器的觸發信號。這樣也保證了電機側逆變器的晶閘管觸發永遠與電機電壓同步，以使同步機始終保持同步。當電機的實際速度小于設定的速度時，速度檢測器將輸出信號到電流控制器，電流控制器改變整流器晶閘管的觸發角，增大輸出直流電流，電機轉矩增加，電機速度增加，直到電機的電磁力矩與負荷力矩平衡。當電機轉速達到準同步轉速時給同步器信號，同步器開始進行檢測，比較、當滿足同步條件時，由同步器發出指令合上斷路器，同步電機并網，軟啟動器退出，完成軟啟動過程。
軟啟動開閉環控制都在simadyn d控制系統實現。全部控制功能文件安裝在八個處理器中，每個處理器執行特定任務的功能包，功能包的功能用參數和strucg圖來定義。
4.2 功能包
simadyn d系統中還包括建立處理器與外圍設備通訊@—fp功能包。
（1） 模塊se21.2:處理器ps16與電機側晶閘管的接口模塊，用來測量實際值與檢測值及晶閘管的狀態;
（2） 模塊se48.1:處理器pm16與電源側晶閘管的接口模塊，用來測量實際值以及晶閘管的狀態;
（3）模塊sa60:同步模塊，用來測量電機電壓，經計算產生脈沖的同步信號;
（4）模塊sav22:觸發模塊，通過光纖與晶閘管連接（實現控制設備與高壓設備隔離），給晶閘管觸發信號，同時用光信號可對晶閘管狀態進行監視;
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