关键词：电压源型高压变频器；交流无刷励磁同步电动机；二拖六；静止软启动；双同期同步投切；无扰切换

1 概述

1.1现场情况

河北纵横集团丰南钢铁有限公司炼铁工程新建4座高炉，并配套鼓风机站，设置5台套电动高炉鼓风机设备，4用1备。高炉鼓风机为全静叶可调轴流式风机，每台鼓风机均由38000kW/10kV/1500rpm高压同步电动机驱动，电动机为交流无刷励磁方式，其中3台38000KW高压同步电机为TMEIC电机。

1.2 高炉鼓风变频软启动必要性

电动机工频直接启动时，至少会有6I_N以上的冲击电流。大功率高压电动机如果直接工频启动，则其冲击电流会导致电机发热及内部机械结构的破坏，同时大的冲击电流易造成系统电网电压波动，严重时会影响其他设备的安全稳定运行，并且电动机对应的上级变压器为满足启动冲击电流需增大容量从而增加了用户运营及投入成本。

炼铁过程实质上是将铁从其自然形态矿石等含铁化合物中还原出来的过程，高炉是用于冶炼液态铁水的主要设备。鼓风机是高炉最重要的动力设备，它不但提供高炉冶炼过程中所需的氧气，而且提供克服高炉料柱阻力所需的气动力。高炉鼓风机能否顺利启动，关系到高炉炼铁生产的正常运行。

本项目采用TMEIC提供的TMdrive-MVG2-SS系列高压变频器，完成5台高炉鼓风机电动机软启动并切换到工频运行。

1.3 现场设备及高炉鼓风系统如图1

高炉鼓风机电机系统                         高炉主回路

图1 高炉鼓风机系统图

2 一次主回路配置

本项目目前共有五台高炉电动鼓风机（四用一备），变频软启动采用二拖六方案，预留第六台鼓风机电动机软启动主回路及相应的控制接口。

本项目软启动系统配套二台东芝三菱TMEIC公司生产的型号TMdrive-MVG2-SS-12640kVA/10KV高-高电压源型多电平串联变频器，每台变频器均具备一拖六分别软启动六台高炉鼓风机电动机能力，二台变频器互为备用，二套一拖六系统合并在一块完成用户要求的二拖六软启动功能。二拖六主回路系统如图2：

图2 2拖6主回路系统图

整个软启动系统主要包括如下设备：

（1）二套TMdrive-MVG2-SS-12640kVA/10KV变频器及配套的输出电抗器柜、同期装置等组成变频器软启动系统；

（2）KG1、KG2为二套变频器10kV输入高压开关；

（3）KO1、KO2为二套变频器10kV输出高压开关；

（4）ML1~ML6为六台高压电动机10kV工频运行高压开关；

（5）KD1~KD6为变频器输入电源切换10kV高压开关；

（6）MV1~MV6为六台高压电动机变频软起切换10kV高压开关；

（7）M1~M6为六台高炉鼓风机用10kV高压同步电动机；

（8）启动控制PLC对变频器与外围设备进行逻辑控制，实现开关柜之间的连锁切换；工频开关ML1、ML2、ML3、ML4、ML5、ML6其分别对应的MV1、MV2、MV3、MV4、MV5、MV6之间必须满足： 只有MV1、MV2、MV3、MV4、MV5、MV6合闸后, ML1、ML2、ML3、ML4、ML5、ML6才能具备合闸条件；MV1、MV2、MV3、MV4、MV5、MV6之间不能同时合闸，KG1、KG2之间不能同时合闸, KO1、KO2之间不能同时合闸。

3 变频软启动系统及特点

3.1变频软启动系统的原理

以一台变频器驱动一台电机为例，主回路如下图3所示。图中TMEIC MVG2高压变频器，Output Ractor输出电抗器，M1为电动机，V1为变频器输出电抗到电机的高压开关，L1为电机工频运行开关，K1为变频器输入开关。      
                                           

图3 变频器驱动电机系统框图

以机组提供的启动阻力曲线启动，合变频器输入开关K1和输出开关V1，变频器带M1电机开始工作，其输出频率从0Hz逐步升到50Hz（升速时间可设定），变频器的输出电压对应的从0V升到10kV，M1电机已经开始在额定转速下运行。

在变频器输出接近50Hz以后，接受并网命令，变频器调整其输出逐步达到输出电压和输入电网电压同相位，要求电压幅值精度≤3%U_N、频率精度≤0.3Hz、相位精度≤5^。，通过变频器达到电动机变频电源与工频电源同期，此时外部同期装置触发，变频器内置软件同期及外部硬件同期装置均满足要求后,启动控制PLC合工频开关L1，由于这时电机的频率和相位以及幅值和电网一致，合工频开关L1对电机和电网没有冲击（切换过程在2秒内自动完成），这时电机由变频器和电网共同供电，电机的负载由变频器转移到电网，断开变频器输出开关V1，整个M1电机负载由电网承担，电机M1启动完毕。

整个启动过程对电网无冲击，启动时工频投切电流＜1.2负载空载运行电流。

图4 同步切换的参考波形

3.2变频软启动系统的启动逻辑及过程描述

启动顺序逻辑图如图5：

图5 启动顺序逻辑图

启动过程描述（以1#变频启动M1为例，其它类同）

· 保证电机为空载启动，并且电动机冷却、润滑均正常；

· 用户DCS发允许1#变频启动M1指令；

· 软启控制PLC判断KD1、KG1、KO1、MV1位置，如均处于分闸位置，发合KD1、KG1、KO1、MV1指令，顺序合闸相应开关；

· 此时如果KD1、KG1、KO1、MV1高压开关位置不正确，PLC应该发出报警指令，并且排除高压开关故障；

· 变频器送高压后，发变频器准备好指令至用户DCS；PLC同时检测到KD1、KG1、KO1、MV1闭合，并且KD1、KG1、KO1、MV1、ML1均正常（无报警及故障信号），PLC发出M1启动准备好信号至操作台；

· 启动M1；

· 用户DCS发送变频器启动指令至软启PLC；

· 变频器输出励磁给定值调节励磁柜输出励磁电源给同步电动机交流无刷励磁系统，变频器拖动电动机从0转速至额定转速，输出频率及电压也相应升至额定频率、额定电压；

· 当变频器输出电压与输出电压同频、同相后，变频器输出切换允许信号至PLC；

· 软启PLC确认内、外同期装置都发出同期结束信号后，合ML1；

· 软启PLC接受“ML1”已合闸状态后，发出“切换完成”信号至用户DCS；

· 软启PLC发出变频器停止指令；

· 软启PLC清除“BYPON”同步切换指令；

· 软启PLC断开变频器输出高压开关MV1；

· PLC清除传递至VFD“变频器输出高压开关状态信号”；

· PLC清除传递至VFD“工频高压开关状态信号”；

· 准备下次启动。

3.3 TMdrive-MVG2-SS VSI技术性能

· 直接10kV高-高方案，无需升压变压器,简单可靠；

· 电压源型高压变频器静止软启动系统；

· 起动电流小，单位电流输出转矩高；

· 低频起动转矩大，有效克服负载静力矩；

· 起动重复性能好，起动次数无限制；

· 变频器为单元串联电压源型，抗电网电压波动能力强；

· 电网侧功率因数高达0.96以上；

· 输入输出谐波极低，对电网及电机无影响；

· 48脉冲及以上整流，输入谐波<2%，不用采取任何措施，就能满足国标对谐波的限制要求；

· 变频器内置软件同期功能及外部硬件同期装置,具备双同期功能，可以方便地实现电机在电网－变频器之间平滑切换；

· 内置多种电机参数功能，可以方便地实现多种不同参数电机的软起动,方便未来系统扩展；

· 完美正弦波形输出， dv/dt不大于500V/us，共模电压不大于100V；

· 变频器长期闲置不用确保可靠性措施：

· 变频器系统中有预充电电路，可以降低上高压时对系统的冲击，做到软上高压电。

图6现场TMEIC变频器VSI系统

4 应用效果

河北纵横集团丰南钢铁有限公司炼铁工程5#高炉于2019年2月22日正式投运生产，采用TMEIC TMdrive-MVG2-SS 变频器软启动对应的M4电动机，启动效果良好。软启动过程中电动机最大电流≯40%I_N。

5 总结

VSI-SS高-高电压源型高压变频器同步投切软启动技术为降压降频大启动转矩静止软启动方式，能保证在冲击电流＜I_N情况下，完成高压电动机在变频和工频两种运行状态间无扰切换；避免电机工频直启或其它降压启动方式导致的电机发热、电网波动、功率因数低、不能频繁启动等问题。VSI-SS软启动技术将逐步成为高压大功率电动机软启动的首选。