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 一、前言
　　寶鋼二期燒結工程主排風機設備1991年投入運行。主排風系統由2臺21000m3/min風量，17.64kPa (1800mmWG)靜壓差的雙吸入離心式風機機組組成，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年投產以來，故障較多，啟動成功率低。其主要原因是裝置設計容量偏小，系統老化，參數漂移。隨著寶鋼生產節奏的進一步加快，對燒結礦生產的要求越來越高，為確保燒結生產的穩定運行，基于2DL主排風機起動裝置及勵磁裝置的實際現狀，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機本體及油泵、風門等輔機設備。對目前使用狀況尚好的為輔機及輔助設備供電、控制服務的MCC柜以及關聯二燒結主控制系統的遠程I/O柜予以保留利用。
　　對于10kV的高壓開關，保留，能源部設置的輔助繼電器、原有中繼端子柜也予以保留。
　　高壓變頻裝置、勵磁柜、操作監控柜擬引進設備，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參數及制造要求，由寶鋼方面擇優從國內制造廠訂貨，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機起動裝置及勵磁系統，而且在新系統安裝調試好以前，老系統還要能運行使用，要求新系統電機空載或帶風機負荷調試只能利用2DL年修的七天左右時間完成。當新系統調試過程中出現問題，不能如期接班時，還需老系統作為后備，維持2DL的正常生產。

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

　　原有老系統的勵磁柜、操作監控盤拆除后，不再恢復。而新裝的本次引進系統之勵磁柜及操作、控制、監視盤將要兼顧新老系統，這部分設備做成與新老系統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：
額定功率：7800KW   
額定轉速：1000rpm
額定電壓：10KV
額定電流：513A
頻率：　　50HZ　 Y接法
額定轉矩FLT：   74490 Nm
同步電動機(無刷)勵磁系統： 電壓： 310V，電流： 115A
負載：負載為離心式風機，P 轉動慣量為： J負載＝19400 kg㎡

系統單線圖如圖1

圖1 系統單線圖

　　系統組成：PowerFlex7000高壓變頻器、輸入變壓器、輸出變壓器、10kV旁路開關柜(CB2，CB3)、10kV進線開關柜(CB1)、10kV出線開關柜(CB4,CB5)、10kV 輸出變壓器旁路開關柜(CB6)高壓電動機(M1, M2)。
　　PowerFlex7000高壓變頻器為羅克韋爾自動化產品，型號為Powerflex7000，整流器為18脈沖，輸入電壓6.9KV (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輸出變壓器為國產設備。油浸式變壓器，與變頻器分開安裝，以降低變頻器室內溫度、噪音、冷卻費用。

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

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

工作原理如下:
3#主排M1起動：
-風門關閉；
-變頻器輸出隔離開關閉合；
-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柜CB6閉合；
-變頻器自檢,監控系統工作；
-變頻自檢無誤并接到外部無故障(來自監控系統)信號后,系統準備好燈亮；
-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；
-10kV 輸出變壓器旁路開關柜CB6斷開；
-變頻器在設定時間內將電機M1起動至工頻額定轉速。

同步切換 ：
　　-達到工頻轉速后，變頻器開始檢測工頻電網電壓的頻率、相位、幅值等參數并與變頻器輸出進行比較，通過內置于變頻器內的同步控制器調整變頻器輸出；使得變頻輸出電壓和電網電壓保持同步；
-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束。
4#主排M2起動：重復以上步驟。

四、設備選型

變頻器的功率選擇與下列數據有關：
負載轉動慣量： J負載＝19400 kgm2＝460361 ft2.lbs(折算至主電機軸頭)
負載飛輪力矩： GD2負載=19400 kgm2×g=77600 kgm2×9.81 m/s2=190314 N m2＝460362 ft2.lbs(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、輸出升壓變壓器勵磁/無功電流、計算誤差、電機/風機參數變化等各種因素，變頻器功率可保守設計為:P設計值＝ 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參數如下。
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。該產品特點為：

　　可靠性高。該產品采用6500V,1500A的高壓SGCT器件，器件數量少，耐壓及電流裕量大，變頻電流小，器件開關損耗少，設備安全可靠。

　　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及國標的諧波抑制標準。

　　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，不存在轉矩脈動，無潛在共振問題。逆變時無dv/dt及di/dt的產生，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，本方案選用無編碼器的矢量控制，轉子的位置可直接檢測，起動力矩為95%額定起動轉矩。

　　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，輸入輸出變量，自診斷結果，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。

標準性能：
?6500V 　SGCT-對稱門極換流晶閘管。系統器件數量低，設備可靠性高。
?專利 PowerCage整流逆變機架。輕松設備維護，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。
?使用數字信號處理器(DSP) 和現場可組態門排列控制器(FPGA)的全數字控制
?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個可組態數字輸入，16個可組態數字輸出。
?盤面編程。
?包括低壓觸發檢測的4個測試模式。
?自動整定方式
?標準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。
?脈寬調制(PWM)/選擇諧波抑制(SHE)調制技術
勵磁柜  采用BULLETIN 1912B勵磁柜，
型號：電壓：380V，電流：132A。
標準性能:
?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120 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、控制系統結構
　　PLC采用羅克韋爾自動化/ Allen-Bradley ControlLogix控制系統，完成設備的連續集中控制。采用單CPU處理器，處理器選用1756－L61。

　　各子系統I/O擴展和上位通訊考慮采用符合IEC 61158的開放現場總線ControlNet系統，冗余鏈路配置。ControlNet為令牌總線方式的實時控制網，通訊速率5MBit/秒，冗余配置，其上掛接混合型控制器CPM和服務器，ControlNet的傳送方式可以保證實時數據何時傳送(確定性)，并不會因網上節點的增減而改變 (重復性)，介質為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計、建立和更改平臺，極大地節約了工程實施費用。通過先進的組態工具、內存結構和需要較少編程和內存的符號編程，可以大大提高工程的生產率。內存分為程序區和用戶數據區，采用完全的自動內存分配機制，開發人員無需人工分配系統內存，支持靈活的網絡結構，無需任何編程或者處理器干預，即可實現不同網絡之間的通訊橋接和數據交換。

　　系統的網絡結構如下圖所示:每個主排風機有一個獨立的監控PLC以及PanelView Plus 1000作為人機界面接口。這些設備以及變頻器的PLC通過1756-CNBR模塊組成ControlNet網絡,這個網絡通過燒結主系統的PLC2遠程IO站與燒結主系統L1網絡連接.變頻器(VFD)PLC有一個ControlNet IO網絡,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據交換，本地框架主要是高壓盤等外圍接口狀態采集及控制。

圖2：控制系統網絡圖

　　由于ControlLogix 系統的開放性及靈活性，可以在燒結L1網絡的任意位置通過Drive Executive工具對變頻器進行組態及維護，也可以由PLC經由ControlNet網絡通過20-COMM-C模塊修改變頻器控制參數。這里由于兩臺馬達動態參數有較大的差別，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。程序如圖3所示。

圖3：變頻器PLC向變頻器寫入參數梯形圖

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

七、改造效果
　　原有設備拆除，新設備在線安裝、調試全部工作在10天內完成，確保了年修節提前36小時完成，實現效益450萬元。

　　新設備運轉平穩，靜止狀態下起動成功率100％，并網沖擊小，頻率差<0.1Hz、電壓差 <3％、相位差<3°。

圖4：并網時電動機端電壓與電網電壓對比

　　綜上所述，起動裝置改造性能指標完全達到設計要求，改造取得圓滿成功。