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变频技术在高炉供风系统中的应用

更新时间 2009-10-17 22:42:26 点击数:

变频技术在高炉供风系统中的应用
口李华

【摘要】随着钢铁行业的大规模化、集中化,高炉产能越来越大,大型高炉鼓风机启动方式向着软启动方式过渡。本文介绍了同步电动风机启动方式,并侧重分析了软启动技术在高炉鼓风机上的应用。

【关键词】软启动;变频器;同步电动机;高炉鼓风机 毕业论文www.lwkoo.cn

【作者单位】李华,邯钢集团邯宝公司能源中心热力车间

一、同步电动机的启动方法
同步电动机只有在定子旋转磁场与转子励磁磁场相对静止时,才能得到平均电磁转矩。如将静止的同步电动机加励磁后直接投入电网,这时定子旋转磁场与转子磁场问以同步转速作相对运动,转子受到交变的脉动转矩,其平均值为零,电机不能启动。所以必须借助其他方式来启动。同步电动机常用的启动方法有以下三种:

(一)辅助电机启动。通常选用和同步电动机极数相同的感应电动机(容量为主机的5%一15%)作为辅助电动机。先用辅助电动机将主机拖到接近同步转速,然后用自整步法将其投入电网,再切断辅助电动机电源。这种方法只适用于空载启动,而且所需设备多,操作复杂。

(二)异步启动。同步电动机多数在转子上装有类似于感应电动机的笼型启动绕组(即阻尼绕组)。启动时,先把励磁绕组接到约为励磁绕组电阻值10倍的附加电阻,然后用感应电动机启动方法,将定子投入电网使之依靠异步转矩启动。当转速上升到接近同步转速时,再加入励磁电流,依靠同步电磁转矩将转子牵人同步。但是在启动过程中附加电阻上有很大的能量损耗。

(三)变频启动。此法实质上是改变定子旋转磁场转速利用同步转矩来启动。在启动开始时,转子加上励磁,定子电源的频率调得很低,然后逐步增加到额定频率,使转子的转速随着定子旋转磁场的转速而同步上升,直到额定转速。采用此法须有变频电源,而且励磁机与电动机必须是非同轴的,否则在最初转速很低时无法产生所需的励磁电压。

二、高炉电动风机的软启动
(一)同步电动机软启动原理。其中:OPs、3Ps分别为间接式、电磁式转子位置检测器。同步电动机软启动原理是采用交一直一交变频技术。变频设备为电流型,即在直流环节有一个较大电感的直流电抗器,既有滤波功能又能当逆变侧发生短路故障时,由于电抗器的存在,电流不会发生突变。而电流调节器会迅速响应,使整流电路的晶闸管触发角后移,电流将被限制在安全范围内。由于电源采用三相桥式整流电路,逆变器输出电流的谐波成份很大,会引起电机额外的发热和转矩的脉动。另外变频装置还会产生较大的共模电压,进而影响电机的绝缘。为解决上面问题,该系统采用12脉冲整流技术。

图1同步电动机软启动原理图

在软启动过程中,还采用了直流脉动技术。同步电动机的转子中由于外加励磁电流,在转子转动时电机定子中将产生感应电势,当这个电势反向作用于逆变侧的晶闸管时,晶闸管会关断,利用这个电势就可实现逆变晶闸管的自然换相。但是在当电机转速很低时(例如5%ne以下),电机的定子电势很低。不能使晶闸管关断实现自然换相。为了解决这个问题,采用了直流脉动技术。也就是说电动机启动初期,电机转速低%鹏期问,当逆变器的晶闸管需要换相时,设法使逆变器的电流降低到零,使逆变器的品闸管暂时全部关断,然将根据触发的顺序给应导通的晶闸管加上脉冲。恢复直流电流时,电流将按触发的顺序流经新导通的晶闸管,从而实现从一相到另一相的换相。由于逆变器晶闸管顺序导通,直流电流顺序地流过电动机定子的相应绕组,并产生合成磁场,这样绕组电流不断的变化必将在电机中产生一个旋转磁场,带动转子旋转,转子旋转的速度由逆变器的触发周期确定,当电机转速达到5%ne以上时,电机定子产生的电势足够大时,逆变器的晶闸管采用自然换相,这样电机转子产生的启动转矩将使电机继续不断地提高转速,一直到95%ne时,电机将并网拉人同步(符合并网条件时)。变频器退出系统,从而实现同步电机的软启动。

(二)软起动控制原理及过程。软启动数字控制系统应用矢量原理,并通过系统的开环和闭环控制来实现对软启动过程的控制,采用失量控制方式的目的,主要是为了提高变频器的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型,利用坐标变换的手段,将交流电动机的定子电流分解成磁场分量(电流)和转矩分量(电流),并分别加以控制,即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式,即对磁场分量和转矩分量分别控制,以获得类似于直流电机调速的动态性能。在矢量控制方式中,磁场电流实际值和转矩电流实际值可以根据测定的电机定子电压和电流的实际值经变换计算求得。磁场电流和转矩电流的实际值与之相应的设定值进行比较和调节。

1.开环控制。包括:电机速度≤5%额定转速时控制;开、合断路器的控制;压力、温度、各种保护连锁之间的逻辑控制。

2.闭环控制。包括:电流控制与速度控制;系统的设计成带电流闭环控制的速度环控制(双闭环系统);通过控制电源侧的整流器,电机流过相应的电流,以获得保持电机转矩所需的力矩。

3.电机定子通过逆变器流入方波电流。电机转子中通过磁场电流,由于转子的旋转,产生空间变化的磁场,在电机定子中产生感应电势。在低转速时,励磁电流保持不变,定子电压只与转速成正比。为了确定定子电流的顺序(逆变器晶闸管触发的顺序),定子电压被测量(绝对值、相角),然后产生逆变器的触发脉冲,逆变器自然换相,换相电压由同步机提供。在0—5%额定转速时。电机电压很低,不能实现自然换相,为保证逆变器可靠的换相,采用直流脉动技术。周期地将直流环节电流降低到零,逆变器晶闸管按设定值周期地触发,带动转子旋转。当电机电压较高时,就可以实现自然换相。逆变器的晶闸管从一相到另外一相的触发信号由同步电压获得。同步电机电压过零点被测量,并作为电机侧逆变器的触发信号。这样也保证了电机侧逆变器的晶闸管触发永远与电机电压同步,以使同步机始终保持同步。当电机的实际速度
小于设定的速度时,速度检测器将输出信号到电流控制器,电流控制器改变整流器晶闸管的触发角,增大输出直流电流,电机转矩增加,电机速度增加,直到电机的电磁力矩与负荷力矩平衡。当电机转速达到准同步转速时给同步器信号,同步器开始进行检测、比较,当满足同步条件时,由同步器发出指令合上断路器,同步电机并网,软启动器退出,完成软启动过程。

(三)软起动中励磁系统。电动风机的同步电动机采用它励式无刷励磁,电源取自380V低压工作电源及UPS系统(互投)。经低压变频器变为可调的交流电源输入到励磁的电机定子中,励磁机转子与同步电机转子同轴,转子绕组经二级管与同步机转子励磁绕组相连接,为转绕组提供直流励磁电流。励磁电流的控制,在软启动期间由AC800M系统控制,并网后由励磁柜PLC(AC31)控制,在启动期间,应保持较大的励磁电流,目的是使电机不失步,同时在电机定子中产生较大的电压,以便能正确测量电机转速,从而完成软启动的闭环控制。并网后,励磁的控制有三种方式:恒励磁电流控制、恒电机电压控制、恒功率因数控制。为保证电机不失步,在正常运行时。电机励磁应采用恒功率因数控制。

(四)高炉电动风机启动过程。高炉电动风机启动原理
启动过程为:经过50MVA的变压器将110KV电压降为10.5KV,供给电动鼓风机的运行母线。电流流经ICB至OCBll。再通过整流变压器TLS(将10KV电压降为2090V),然后通过变频器LCI经过整流、逆变把变化着的电压和频率输出到整流变压器TMS(再将2090V电压重新变为10KV),启动开始时为增大启动转矩,经由旁路BYBASS至SCB,当转速为150r/rain后切至OCBl2。SCB合闸后,励磁柜断路器吸合,开始给电机加励磁,当电机转动至300r/min时。接地开关ECB吸合;电机继续加速至1500r/rain时,变频器LCI对电压互感器STll和ST21二次侧信号进行比较,当电压差小于5V,频率差小于0.2HZ,相位差为零时,RCB吸合同时ICB及SCB断开,电机启动成功,变频器LCI退出控制,由励磁系统控制电机。

三、结语
采用软启动技术可以大大降低启动电流并增大启动转矩,同时相应减少启动过程中的能量损耗。软启动技术在高炉鼓风机上的应用其经济效益可观,且对电网冲击小,有着较强的实用价值。

【参考文献】
1.张志民,张遇杰.同步电动机调速系统[M].北京:机械工业出版社,1998,8:137—141
2.李刚.大型高炉鼓风机同步电动机软启动及其控制技术[J].变频器世界,2005,10:66—69

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