PowerFlex7000中压变频器应用于宝钢烧结主排风机起动装置改造

发布时间：2009-08-20 来源：罗克韦尔自动化(中国)有限公司供稿

        一、前言
        宝钢二期烧结工程主排风机 设备1991年投入运行。主排风系统 由2台21000m3/min风量，17.64kPa (1800mmWG)静压差的双吸入离心 式风机机组组成， 主拖动电机为 2×7800kW，10kV无刷励磁同步电动 机，2台电机共用一套3.4MVA变频软起 动装置起动。该装置1991年投产以来， 故障较多，启动成功率低。其主要原因 是装置设计容量偏小，系统老化，参数 漂移。随着宝钢生产节奏的进一步加 快，对烧结矿生产的要求越来越高，为 确保烧结生产的稳定运行，基于2DL主 排风机起动装置及励磁装置的实际现 状，对其进行整体改造的确势在必行。
        二、改造范围简述
        本改造项目不涉及主排风机本体及 油泵、风门等辅机设备。对目前使用状 况尚好的为辅机及辅助设备供电、控制 服务的MCC柜以及关联二烧结主控制系 统的远程I/O柜予以保留利用。
        对于10kV的高压开关，保留，能源 部设置的辅助继电器、原有中继端子柜 也予以保留。
        高压变频装置、励磁柜、操作监控 柜拟引进设备，对其进行整体更换。与 变频装置配套的输入、输出变压器则由 外商提供详细技术参数及制造要求，由 宝钢方面择优从国内制造厂订货，变压 器采用油浸式变压器。
        考虑到本改造项目新上一套主排风 机起动装置及励磁系统，而且在新系统 安装调试好以前，老系统还要能运行使 用，要求新系统电机空载或带风机负荷 调试只能利用2DL年修的七天左右时间 完成。当新系统调试过程中出现问题， 不能如期接班时，还需老系统作为后 备，维持2DL的正常生产。
        新起动系统10kV运行总线的两路 旁路开关到二台同步电动机的馈电，接 至老系统运行总线下的两路旁路开关， 主排风机室电动机那段电缆仍用旧有电 缆。新老系统试车或运行需重接高压柜 的高压电缆进行相互切换。
        原有老系统的励磁柜、操作监控盘 拆除后，不再恢复。而新装的本次引进 系统之励磁柜及操作、控制、监视盘将 要兼顾新老系统，这部分设备做成与新 老系统兼容且具双向切换功能。
        三、高压变频软起动装置的工作原理
        两台同步电机的基本参数：
        额定功率： 7800KW
        额定转速： 1000rpm
        额定电压： 10KV
        额定电流： 513A
        频率： 50HZ Y接法
        额定转矩FLT： 74490 Nm
        同步电动机(无刷)励磁系统： 电压：
        310V，电流： 115A
        负载：负载为离心式风机，P 转动惯量
        为： J负载＝19400 kgm2
        系统单线图如图1。

        图1 系统单线图

        系统组成：PowerFlex7000高压变频 器、输入变压器、输出变压器、10kV旁 路开关柜(CB2，CB3)、10kV进线开关柜 (CB1)、10kV出线开关柜(CB4,CB5)、10kV 输出变压器旁路开关柜(CB6)高压电动机 (M1, M2)。
        PowerFlex7000高压变频器为罗克韦 尔自动化产品，型号为Powerflex7000， 整流器为1 8 脉冲， 输入电压6 . 9 K V (3*2.3KV)，输出电压0-6.6kV，对电机无 任何附加要求。
        1 0 k V / 3 * 2 . 3 k V 输入变压器、 6.6kV/10kV输出变压器为国产设备。油 浸式变压器，与变频器分开安装，以降 低变频器室内温度、噪音、冷却费用。
        10kV旁路/进线/出线开关柜及10kV 输出变压器旁路开关柜(CB6)均为真空断 路器柜。
        本方案保留原有电机、润滑系统和 现场检测点，增加一套全新的高压变频 软起动控制系统。
        工作原理如下:
        3#主排M1起动：
        - 风门关闭；
        - 变频器输出隔离开关闭合；
        - 10KV出线断路器CB4闭合；
        - 10KV进线断路器CB1闭合；
        - 10kV输出变压器旁路开关柜CB6闭合；
        - 变频器自检,监控系统工作；
        - 变频自检无误并接到外部无故障(来自
        监控系统)信号后,系统准备好灯亮；
        - 远方或就地起动变频器；变频器控制 同步励磁，在达到工频转速之前，变 频器通过0-10V模拟信号实时控制励 磁柜输出电流，确保电机同步运行状 态；
        - 10kV 输出变压器旁路开关柜CB6断 开；
        - 变频器在设定时间内将电机M1起动至 工频额定转速。
        同步切换 ：
        - 达到工频转速后，变频器开始检测工 频电网电压的频率、相位、幅值等参 数并与变频器输出进行比较，通过内 置于变频器内的同步控制器调整变频 器输出；使得变频输出电压和电网电 压保持同步；
        - 10KV旁路断路器CB2闭合；
        - 10KV出线断路器CB4断开；
        - 电机M1高压变频软起动过程结束。
        4#主排M2起动：重复以上步骤。
        四、设备选型
        变频器的功率选择与下列数据有 关：
        负载转动惯量： J负载＝19400 kgm2＝ 460361 ft2.lbs(折算至主电机轴头) 负载飞轮力矩： GD2负载 = 19400 kgm2×g= 77600 kgm2×9.81 m/s2 = 190314 N m2＝460362 ft2.lbs(折算至主 电机轴头)
        机组启动力矩:
        静阻力矩(摩擦力矩)：=20% × FLT = 20% × 74490 Nm = 14898 Nm
        空载额定转速时阻力矩：=35% × FLT = 35% × 74490 Nm = 26072 Nm
        电机加速时间，暂按100 秒进行计算。
        电机加速转矩：
        △T ＝ (GD2负载 / 375)×( △n / △t) ＝ (190314/375)×(1000/100) ＝ 5100 Nm
        变频器理论功率：
        P理论值 ＝(26072 + 5100)× 1000/9550 ＝ 3400 KW
        考虑到挡板漏风、输出升压变压器励磁/ 无功电流、计算误差、电机/风机参数变 化等各种因素，变频器功率可保守设计 为:
        P设计值＝ P理论值×1.15＝3900 KW 因此，为满足加速时间200 秒要求，变 频器可选6.6KV/ 5500HP/430A。采用的高 压变频软起动器技术参数如下。
        额定电压：6600V
        额定电流：430A
        额定功率：5500HP
        控制电压：380VAC
        五、装置特点
        本高压变频器作为软起动器可以连 续起动，起动时间小于200秒，起动电 流不超过电机的额定电流。该产品特点 为：
        可靠性高。该产品采用6500V,1500A 的高压SGCT器件，器件数量少，耐压及 电流裕量大，变频电流小，器件开关损 耗少，设备安全可靠。
        输入波形好。变频整流器采用多脉 冲形式(18脉冲)，总体谐波畸变THD小于 5%，直接满足IEEE519-1992及国标的谐 波抑制标准。
        输出波形好。无需增加任何选项， PWM电流型变频器直接输出完美的正弦 波形，不存在转矩脉动，无潜在共振问 题。逆变时无dv/dt及di/dt的产生，谐波 畸变THD小于5%，连接变频器及电机之 间的距离可长达15km。
        起动性能好。PowerFlex7000采用直 接矢量控制技术，本方案选用无编码器 的矢量控制，转子的位置可直接检测， 起动力矩为95%额定起动转矩。
        使用简单。人机接口为大屏幕液晶 显示操作员终端。变频器的状态，输入 输出变量，自诊断结果，故障报警等信 息均可显示在屏幕上。
        维护方便。高集成度的SGCT器件及 PowerCage机架的使用提高了系统模块 化程度，从而保证了功率模块的更换时 间小于5分钟。
        标准性能：
        • 6500V SGCT-对称门极换流晶闸管。系 统器件数量低，设备可靠性高。
        • 专利 PowerCage 整流逆变机架。轻松 设备维护，快速器件更换。
        • 位于低压盘面上的操作员终端。中/英 文彩屏显示。
        • 集成单铁芯式直流电抗器。免除电子 熔断电路，消除无故跳闸。
        • 使用数字信号处理器(DSP) 和现场可组 态门排列控制器(FPGA)的全数字控制
        • 无传感器矢量控制。
        • 8个变量的趋势记录缓冲器(单或多快 门记录)。
        • 对外I/O接口板上16个可组态数字输 入，16个可组态数字输出。
        • 盘面编程。
        • 包括低压触发检测的4个测试模式。
        • 自动整定方式
        • 标准正弦的马达电流及电压波形，适 用普通电机。
        • 电子变频过载保护。
        • 电子电机过载保护。
        • 脉宽调制(PWM)/选择谐波抑制(SHE)调 制技术
        励磁柜 采用BULLETIN 1912B励磁柜，
        型号：电压：380V，电流：132A。
        标准性能:
        • 固定安装真空接触器
        • 三相R型电流限制熔断丝
        • 控制电源变压器(500VA , 次级120 VAC)，带初级和次级熔断丝(选项-6)
        • 用于励磁放电的两级励磁接触器，带 NC辅助触点
        • SyncProTM励磁及保护控制器
        • 励磁放电电阻
        六、控制系统结构
        PLC采用罗克韦尔自动化/ Allen- Bradley ControlLogix控制系统，完成设 备的连续集中控制。采用单CPU处理 器，处理器选用1756－L61。
        各子系统I / O 扩展和上位通讯考 虑采用符合IEC 61158的开放现场总 线ControlNet系统，冗余链路配置。 ControlNet为令牌总线方式的实时控制 网，通讯速率5MBit/秒，冗余配置，其 上挂接混合型控制器CPM和服务器， ControlNet的传送方式可以保证实时数据 何时传送(确定性)，并不会因网上节点的 增减而改变 (重复性)，介质为RG6同轴电 缆，BNC连接器，长度可达1km，加扩展 器可扩展达6km。
        ControlLogix 系统为多种类型的控 制提供了高性能的控制平台，在这一个 平台上，就可以实现顺序控制、过程控 制、传动或运动控制的任意组合控制。 因为这个平台是模块化的，所以就能够 有效地设计、建立和更改平台，极大地 节约了工程实施费用。通过先进的组态 工具、内存结构和需要较少编程和内存 的符号编程，可以大大提高工程的生产 率。内存分为程序区和用户数据区，采 用完全的自动内存分配机制，开发人员 无需人工分配系统内存，支持灵活的网 络结构，无需任何编程或者处理器干 预，即可实现不同网络之间的通讯桥接 和数据交换。
        系统的网络结构如下图所示:每个 主排风机有一个独立的监控PLC以及 PanelView Plus 1000作为人机界面接口。 这些设备以及变频器的PLC通过1756- CNBR模块组成ControlNet网络,这个网络 通过烧结主系统的PLC2远程IO站与烧结 主系统L1网络连接.变频器(VFD)PLC有一 个ControlNet IO网络,两个Point IO 分别 控制MB3(Motor1)、MB4(Motor2)的励磁 盘，1756-A10框架及20-COMM-C完成变 频器本体的控制及数据交换，本地框架主要是高压盘等外围接口状态采集及控 制。

        图2：控制系统网络图

        图3：变频器PLC向变频器写入参数梯形图

        由于ControlLogix 系统的开放性及 灵活性，可以在烧结L1网络的任意位置 通过Drive Executive工具对变频器进行组 态及维护，也可以由PLC经由ControlNet 网络通过20-COMM-C模块修改变频器 控制参数。这里由于两台马达动态参数 有较大的差别，为了达到理想的控制效 果，在起动前由PLC写入针对该马达的控 制参数。程序如图3所示。
        实际上，只要对外围系统进行简单 的改造，将来本起动装置可以起动一烧 结9300KW直流无刷励磁同步电动机，也 可以起动规划中的4000－5000KW的脱硫 增压风机，而且可以是任何形式的10KV 高压电动机。系统的开放性在这里得到 了充分的体现。
        七、改造效果

图4：并网时电动机端电压与电网电压对比

        原有设备拆除，新设备在线安装、 调试全部工作在10天内完成，确保了年 修节提前36小时完成，实现效益450万 元。
        新设备运转平稳，静止状态下起 动成功率100％，并网冲击小，频率差 <0.1Hz、电压差 <3％、相位差<3°。
        综上所述，起动装置改造性能指标 完全达到设计要求，改造取得圆满成功。