一、前言
寶鋼二期燒結(jié)工程主排風(fēng)機(jī)設(shè)備1991年投入運(yùn)行。主排風(fēng)系統(tǒng)由2臺(tái)21000m3/min風(fēng)量，17.64kPa (1800mmWG)靜壓差的雙吸入離心式風(fēng)機(jī)機(jī)組組成，主拖動(dòng)電機(jī)為2×7800kW，10kV無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，2臺(tái)電機(jī)共用一套3.4MVA變頻軟起動(dòng)裝置起動(dòng)。該裝置1991年投產(chǎn)以來，故障較多，啟動(dòng)成功率低。其主要原因是裝置設(shè)計(jì)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(jìn)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(yùn)行，基于2DL主排風(fēng)機(jī)起動(dòng)裝置及勵(lì)磁裝置的實(shí)際現(xiàn)狀，對其進(jìn)行整體改造的確勢在必行。
二、改造范圍簡述
本改造項(xiàng)目不涉及主排風(fēng)機(jī)本體及油泵、風(fēng)門等輔機(jī)設(shè)備。對目前使用狀況尚好的為輔機(jī)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(yuǎn)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(lì)磁柜、操作監(jiān)控柜擬引進(jìn)設(shè)備，對其進(jìn)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(xì)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(xiàng)目新上一套主排風(fēng)機(jī)起動(dòng)裝置及勵(lì)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(yùn)行使用，要求新系統(tǒng)電機(jī)空載或帶風(fēng)機(jī)負(fù)荷調(diào)試只能利用2DL年修的七天左右時(shí)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(shí)，還需老系統(tǒng)作為后備，維持2DL的正常生產(chǎn)。
新起動(dòng)系統(tǒng)10kV運(yùn)行總線的兩路旁路開關(guān)到二臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的饋電，接至老系統(tǒng)運(yùn)行總線下的兩路旁路開關(guān)，主排風(fēng)機(jī)室電動(dòng)機(jī)那段電纜仍用舊有電纜。新老系統(tǒng)試車或運(yùn)行需重接高壓柜的高壓電纜進(jìn)行相互切換。
原有老系統(tǒng)的勵(lì)磁柜、操作監(jiān)控盤拆除后，不再恢復(fù)。而新裝的本次引進(jìn)系統(tǒng)之勵(lì)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(dòng)裝置的工作原理
兩臺(tái)同步電機(jī)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(dòng)機(jī)(無刷)勵(lì)磁系統(tǒng)： 電壓： 310V，電流： 115A
負(fù)載：負(fù)載為離心式風(fēng)機(jī)，P 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J負(fù)載＝19400 kg㎡
系統(tǒng)單線圖如圖1
圖1 系統(tǒng)單線圖
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(jìn)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(dòng)機(jī)(M1, M2)。
PowerFlex7000高壓變頻器為羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品，型號(hào)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(jī)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(fèi)用。
10kV旁路/進(jìn)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(jī)、潤滑系統(tǒng)和現(xiàn)場檢測點(diǎn)，增加一套全新的高壓變頻軟起動(dòng)控制系統(tǒng)。
工作原理如下:
3#主排M1起動(dòng)：
-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(jìn)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(hào)后,系統(tǒng)準(zhǔn)備好燈亮；
-遠(yuǎn)方或就地起動(dòng)變頻器；變頻器控制同步勵(lì)磁，在達(dá)到工頻轉(zhuǎn)速之前，變頻器通過0-10V模擬信號(hào)實(shí)時(shí)控制勵(lì)磁柜輸出電流，確保電機(jī)同步運(yùn)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(shí)間內(nèi)將電機(jī)M1起動(dòng)至工頻額定轉(zhuǎn)速。
同步切換 ：
-達(dá)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(jìn)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(jī)M1高壓變頻軟起動(dòng)過程結(jié)束。
4#主排M2起動(dòng)：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(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J負(fù)載＝19400 kgm2＝460361 ft2.lbs(折算至主電機(jī)軸頭)
負(fù)載飛輪力矩： GD2負(fù)載=19400 kgm2×g=77600 kgm2×9.81 m/s2=190314 N m2＝460362 ft2.lbs(折算至主電機(jī)軸頭)
機(jī)組啟動(dòng)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(shí)阻力矩：=35%×FLT = 35% × 74490 Nm = 26072 Nm電機(jī)加速時(shí)間，暫按100 秒進(jìn)行計(jì)算。
電機(jī)加速轉(zhuǎn)矩：
△T ＝ (GD2負(fù)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(lì)磁/無功電流、計(jì)算誤差、電機(jī)/風(fēng)機(jī)參數(shù)變化等各種因素，變頻器功率可保守設(shè)計(jì)為:P設(shè)計(jì)值＝ P理論值×1.15＝3900 KW
因此，為滿足加速時(shí)間200 秒要求，變頻器可選6.6KV/ 5500HP/430A。采用的高壓變頻軟起動(dòng)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(diǎn)
本高壓變頻器作為軟起動(dòng)器可以連續(xù)起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間小于200秒，起動(dòng)電流不超過電機(jī)的額定電流。該產(chǎn)品特點(diǎn)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(xiàng)，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(dòng)，無潛在共振問題。逆變時(shí)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(jī)之間的距離可長達(dá)15km。
起動(dòng)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(dòng)力矩為95%額定起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
使用簡單。人機(jī)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(bào)警等信息均可顯示在屏幕上。
維護(hù)方便。高集成度的SGCT器件及PowerCage機(jī)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(shí)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(jī)架。輕松設(shè)備維護(hù)，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(hào)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(gè)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(gè)可組態(tài)數(shù)字輸入，16個(gè)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(gè)測試模式。
?自動(dòng)整定方式
?標(biāo)準(zhǔn)正弦的馬達(dá)電流及電壓波形，適用普通電機(jī)。
?電子變頻過載保護(hù)。
?電子電機(jī)過載保護(hù)。
?脈寬調(diào)制(PWM)/選擇諧波抑制(SHE)調(diào)制技術(shù)
勵(lì)磁柜 采用BULLETIN 1912B勵(lì)磁柜，
型號(hào)：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120 VAC)，帶初級和次級熔斷絲(選項(xiàng)-6)
?用于勵(lì)磁放電的兩級勵(lì)磁接觸器，帶NC輔助觸點(diǎn)
?SyncProTM勵(lì)磁及保護(hù)控制器
?勵(lì)磁放電電阻
六、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
PLC采用羅克韋爾自動(dòng)化/ Allen-Bradley 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(kuò)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)何時(shí)傳送(確定性)，并不會(huì)因網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)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(dá)1km，加擴(kuò)展器可擴(kuò)展達(dá)6km。
ControlLogix 系統(tǒng)為多種類型的控制提供了高性能的控制平臺(tái)，在這一個(gè)平臺(tái)上，就可以實(shí)現(xiàn)順序控制、過程控制、傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)控制的任意組合控制。因?yàn)檫@個(gè)平臺(tái)是模塊化的，所以就能夠有效地設(shè)計(jì)、建立和更改平臺(tái)，極大地節(jié)約了工程實(shí)施費(fèi)用。通過先進(jìn)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(hào)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(dòng)內(nèi)存分配機(jī)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(shí)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(gè)主排風(fēng)機(jī)有一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)控PLC以及PanelView Plus 1000作為人機(jī)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(gè)網(wǎng)絡(luò)通過燒結(jié)主系統(tǒng)的PLC2遠(yuǎn)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(gè)ControlNet IO網(wǎng)絡(luò),兩個(gè)Point IO 分別控制MB3(Motor1)、MB4(Motor2)的勵(lì)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。
圖2：控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖
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(jìn)行組態(tài)及維護(hù)，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(tái)馬達(dá)動(dòng)態(tài)參數(shù)有較大的差別，為了達(dá)到理想的控制效果，在起動(dòng)前由PLC寫入針對該馬達(dá)的控制參數(shù)。程序如圖3所示。
圖3：變頻器PLC向變頻器寫入?yún)?shù)梯形圖
實(shí)際上，只要對外圍系統(tǒng)進(jìn)行簡單的改造，將來本起動(dòng)裝置可以起動(dòng)一燒結(jié)9300KW直流無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，也可以起動(dòng)規(guī)劃中的4000－5000KW的脫硫增壓風(fēng)機(jī)，而且可以是任何形式的10KV高壓電動(dòng)機(jī)。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(shí)完成，實(shí)現(xiàn)效益450萬元。
新設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，靜止?fàn)顟B(tài)下起動(dòng)成功率100％，并網(wǎng)沖擊小，頻率差<0.1Hz、電壓差 <3％、相位差<3°。
圖4：并網(wǎng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓對比
綜上所述，起動(dòng)裝置改造性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，改造取得圓滿成功。
