于洪喜^① 史軼芳

(北京首鋼股份有限公司設備部 河北遷安 064400)

摘 要：近年來鋼鐵行業震蕩發展，產量、質量、成本的平衡成為企業的核心競爭力，低成本、高質量運營成為企業發展的必然階段，對企業生產工藝設備的迭代升級及穩定運行提出了更高的要求。首鋼股份公司 3#8000m³ 髙爐鼓風機變頻控制系統的改造升級項目，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。結合生產工藝及軟起動系統特性，設計了大型電動高爐鼓風機變頻軟起動控制系統的迭代升級方案，實踐了同步電動機SFC 變頻軟起動控制系統的迭代升級。

關鍵詞：高爐鼓風機；變頻控制；軟起動

1  前言

高爐鼓風機作為高爐順穩生產的關鍵設備，在煉鐵生產過程中承擔著關鍵工藝流程角色，直接關系到煉鐵的穩定生產。

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，實現三用一熱備，以滿足高爐生產供風需求。高爐鼓風機軟起動原使用西門子 SIMOVEＲTS 變頻靜態軟起動產品，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構的多處理通用型 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，鼓風機變頻系統故障頻發，各類板卡及系統運行故障鎖定困難，同時又面臨著備件停產停供、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，并優化勵磁系統冗余控制方案，使整個系統運行更為穩定可靠，同時對同行業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 直流調速勵磁系統，利舊現有整流、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，優化勵磁冗余控制系統。根據設定轉速曲線，通過實時跟蹤電機轉子位置，調節實時頻率，調節輸出電流，在規定的時間內將 36. 14MW的電動機帶入全速并順利投切并網運行。

相比原控 制 系 統，新控制系統主要區別在于采用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，可為企業舊設備升級、備件降本等積累寶貴的技術經驗。

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。爐內鐵礦、燃料及操作條件都會隨著冶煉的過程發生變化，要求鼓風機供風量滿足一定的調節范圍，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電壓和頻率的調節。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、可控的啟動轉矩、對電網幾乎沒有附加影響等特性。此方法起動電機優勢為: ( 1) 避免破壞性力矩沖擊，可以實現電機的輸出力矩適應大型負載啟動力矩需求，實現系統平滑啟動; ( 2) 避免啟動過程中的瞬時發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) 降低電網電壓暫降及高次諧波含量，可保障電網系統輸出穩定，滿足電網質量相關要求^［1］。

2． 2 升級技術難點

為降低 3#高爐鼓風機的系統改造成本，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品。經過搬遷調整，電機原始設計參數不齊全，只保存了基礎參量，電機辨識存在難度，需重新對電動機轉子、定子電抗及阻抗參數進行計算補償。電機參數見表 1。

難點 2: 此次升級需要利舊現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，同時要優化設計勵磁冗余系統，對現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工作站來實現電動機的勵磁和運行調節控制，以達設備的無故障運行。

2． 3 設計構成

本次軟啟動系統升級設計選用交直交電流型變頻裝置( LCI) 實現軟起動，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、同步并網及轉子位置檢測編碼器等。在設計改造時，充分利舊現有功率單元( 可控硅) 及直流側電抗器。功率單元部分采用兩個回路設計，兩路進線構成 12 整流脈動，相間夾角為30°，有效降低電網輸入側電流諧波; 兩路出線相間夾角也是 30°，減少對電動機的諧波。系統調速范圍可從電機靜止狀態到達額定轉速，啟動容量可小于電機額定容量的1 /3 ，可實現連續啟動作業，重復精度可控。3#高爐鼓風機變頻軟起系統結構如圖 1。

軟啟系統電網側通過 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降壓變壓器，雙回路并聯形成軟啟動系統，輸出經過升壓變壓器通過 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運行時的合分閘操作，由變頻軟起系統及起動勵磁系統配合完成電機起動。

起動結束后由控制系統發出指令，斷路器自動切換為電網直供，勵磁回路切換為冗余勵磁運行控制。

2． 4 控制與計算

軟起動控制系統升級設計選用西門子新一代 SFC 變頻控制系統，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、操作組件三部分構成。

各級通訊通過穩定性更強的 DＲIVE － CLIQ 網絡進行連接，模塊的拆卸更為便捷，有利于設備維護，其典型硬件拓撲結構如圖 2。

GL150 變頻系統硬件通過高性能的 DＲIVE － CLIQ 串行連接 接 口 進 行 相 互 連 接。此通訊方式使用了 POE( Power Over Ethernet) 技術，主要由 CPU － CU320、供電電源、電壓傳感模塊、數字量、模擬量擴展模塊及信號檢測板等構成，能在確保現有結構化布線安全的同時保證現有網絡的正常運作，最大限度地降低成本。通過系統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，通過執行系統矢量控制調節，對輸出轉速不斷調整，完成大功率電動機的速度跟隨，其控制功能如圖 3。

變頻器系統啟動時，控制器負責接收給定信號，與系統檢測反饋信號進行疊加計算后輸入速度調節單元。控制中心通過矢量控制坐標變換^［2］，將輸入交流量信號全部轉換為靜止矢量，分別為勵磁分量 ΦM 和轉矩分量 ΦT，其電流分別為 i_M 和 i_T，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，通過控制轉矩電流 i_T 即可完成系統電磁控制。再通過二相三相電磁變換模型獲得控制輸出的交變電流 i_A /i_B /i_C，通過硬件通訊完成逆變回路觸發控制。勵磁系統通過6ＲA80 調速裝置，調節同步電機勵磁單元輸出電流，實現勵磁調節目的^［3］。

在系統速度調節過程中，電機的順利啟動還要進行多種調節單元及設定模型的調節計算，需要完成進線側整流器的控制、負載側逆變器的控制、勵磁的控制，逐步進行低速時直流脈動斷續換流、高速時負載感應自動換流，達到設定轉速，其主要控制調速功能如表 2。

當變頻器恒電流控制電機達到設定速度的 95 ～ 97%時，系統開始執行并網操作，通過系統微調控制配合勵磁系統調節，對 10kV 電網及電動機瞬時電磁狀態檢測，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絕對條件。當檢測項量完全相同時，同步并網條件成立，系統發出并網命令，整流器脈沖觸發角后移，待直流側電流下降至零，瞬時封鎖整流逆變全部脈沖，同時各斷路器執行動作，并網完成^［4］，并網相序頻率檢測如圖 4。

并網裝置在并網時刻重復測量的狀態電壓，分別為并網側變頻系統及電網系統的相間電壓。定義網側為系統1 為實際值，各參數命名為 U_a、U_b、U_c; 同時定義并網側位系統 2 為測量值，各參數命名為 U_d、U_e、U_f。

偏差計算公式為: Δα = 測量值 － 實際值若 Δα = U_a － U_d 大于 0，表示系統 2 超前系統 1，相反系統2 滯后系統 1，相角最大差 180 度，借助并網裝置同步指示器檢查并調整頻率和相位，并調節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，實現并網。

2． 5 啟動流程與時序

軟起動控制流程主要包括: 系統初始化、啟動狀態檢測、系統參數設置模塊、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，以及多次對驅動器進行組態與測試，其系統流程圖如圖 5。

當勵磁控制系統檢測外部狀態均滿足啟動條件，由勵磁機控制柜啟動并發出 GL150 控制系統啟動命令，同時勵磁直流裝置給電機輸出勵磁電流產生旋轉磁場并閉合變頻器出線斷路器。此時勵磁系統與變頻系統同步輸出控制，待電機速度達到并網設定速度時，系統進入并網并檢測成功后發出并網指令。電網側及電機側高壓斷路器動作同步動作，同時勵磁為變頻系統發出停車指令，變頻器立即封鎖輸出脈沖，變頻軟起系統退出，變頻去磁系統進入消磁，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調節，啟動時序控制如圖 6。

2． 6 高爐鼓風機軟起動改造應用效果

通過此項目的開發與實踐，實現了大型同步電動機帶負載從低速到全速且成功并網的軟起實現過程，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; 二是測試啟動時間均小于 180s，滿足電動機平滑啟動要求; 三是并網運行后，電機由勵磁系統采用恒功率因數進行調節控制。同時在以下兩個方面實現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 變頻系統在驅動高爐鼓風機上有著很高的穩定性，控制柜內得到了很大程度簡化，其控制系統采用 SINAMICS 系列產品的標準控制部件，相比上一代系統便于維護及故障處理，大幅降低了系統維護強度。

2) 基于 Unix 開發的 STＲUC － G 應用調試軟件，其界面復雜、操作繁瑣，需要進行專業訓練才能可靠操作，現場應用性較差。GL150 控制系統采用的是 Scout 編程軟件，其操作及維護界面更加清晰，各參數板塊調用便捷，交互性更強，同時升級的整個控制項目工程在 Step7 平臺下即可實現集中管理，便于多傳系統之間以及傳動與自動化系統間的統一管控，極大提高了系統調試和維護效率。

3 結論

根據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，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，利舊現有主功率器件，控制過程實現斷續換流到負載換流平滑過渡，起動平穩可靠。結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、操作并網三大要素，通過對軟起及勵磁系統的軟硬件重新編譯，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 內完成，檢測電網側暫態壓降平穩無波動，實現了利舊 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升級的研究與實踐，對同類企業完成低成本設備改造具有較強借鑒和指導意義，希望對后續設備升級研究有所幫助。

參考文獻

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