Practice and Analysis of Automatic Bypass Function Transformation of Siemens GH180 High Voltage Transformer Power Unit

日照钢铁有限公司  安宏亮（An Hongliang）李庆勇（Li Qingyong）

摘  要：本文介绍了我公司烧结制造部烟气脱销装置增压风机变频器功率单元自动旁路功能改造方案，对西门子GH180高压变频器结构和功能原理进行介绍，分享技术改造经验，在变频器改造方面具有一定的借鉴作用。

关键词：增压风机；预充电；功率单元；自动旁路控制；

Abstract: This paper introduces the transformation scheme of automatic bypass function of inverter power unit of booster fan in flue gas run-out unit of Sinter manufacturing Department of our company, introduces the structure and function principle of Siemens GH180 high voltage inverter, shares the experience of technical transformation, and has a certain reference in the transformation of inverter.

Key words: Booster fan; Pre-charge; Power unit; Automatic bypass control

1. 引言

我公司两条360平米烧结机,公用1套烟气脱硝装置，脱硝入口烟气接至烧结机主抽风机房外出口烟道，经增压风机增压后进入冷却器，在冷却器中，原烟气被工业水和来自吸收塔的浆液冷却，然后烟气以一定压力导入吸收塔进行反应,净化后的烟气从脱硝塔烟囱排出。脱硝增压风机是脱硝系统正常运行的关键设备之一,如果不能保证增压风机正常运行,将迫使脱硝系统停运,排放气体不达标会产生环保事件，烧结机停产。增压风机采用变频器控制，因受前期投资规划影响，变频器选型时未考虑功率单元自动旁路功能，因此在变频器器功率单元出现故障时，只能停机处理更换故障功率单元，影响烧结机生产，效益损失比较大，因此提出变频器功率单元增加自动旁路功能改造方案，减少设备故障对生产的影响。

2. 高压变频器基本信息

高压变频器品牌: 西门子GH180系列

型号：6SR4502-5MK52-1BF1-Z

驱动电机功率：7500kW

上线日期：2020年4月

设备用途：6#7#烧结机（360平米）公共使用。

安装位置：6#7#脱销高配室，环境温度23℃，湿度50%RH，室内无振动等影响因素。

3. GH180主要组成部分

变频器主要组成部分：变压器部分、控制部分、功率单元部分、风机。

3.1. 变压器部分

①　变压器部分主要包含电源端（L1-L3）的连接和输入变压器。

②　通过顶部和底部的密封盖都可以进行输入总线的连接。

③　变压器部分也包含保护接地端子（PE）。

本型号具有预充电功能，预充电电板安装了以下标准组件：

①　用于预充电的接触器M2。

②　电容放电电阻器PCR1、PCR2、PCR3、PCR4、PCR5 和 PCR6。

③　电压监控继电器（VMR），用于监控预充电断路器CB20下游的电压。

④　多副边绕组移相的隔离变压器，其铁心与机柜接地桩接地连接，变压器的原边绕组采用星形接法，而副边有多个绕组，采用延边三角形接法，输出电压为750V，设计了额外的副边绕组来给功率单元电容器进行预充电。变压器是干式变压器，采用强制空冷，塑料挡风板用于引导冷却风穿过绕组。变压器绕组采用180℃绝缘系统，变压器均具有热监控，变压器上的所有接线都采用绝缘电缆。变压器上配有离线调节抽头，为+5%、0%和-5%三种（发货时机柜使用抽头+5%），用于适应输入电源电压。变压器还标配了原边侧配电级避雷器，图1为变压器柜预充电部分实物展示。

图1  变压器柜预充电部分实物展示

3.2. 控制部分

主控系统在控制柜内，由一个机架和几块控制板组成，控制部分核心部件是DCR数字卡箱，控制柜柜门安装有SIMATIC键盘触摸面板、信号灯、显示仪表、“停止-本地-远程”选择开关、“停止-手动-自动”选择开关、锁式“停止-本地-远程”选择开关、锁式“停止-手动-自动”选择开关等。如图2实物展示。

系统接口板收集变频器输入和输出反馈信号并把它们送到模数转换板。模数转换板以指定的周期执行转换并将反馈信号的数字量值送到微机板,然后,微机板计算下一组要发送给数字调制器的数值并发送出去。数字调制器然后决定每个功率单元的开关指令并编译成每个单元的指令信息，然后，这些信息通过光纤接口板发送出去。

图2  控制部分硬件实物展示

3.3. 功率部分

所有SINAMICS完美无谐波GH180系列变频器的电气原理图都是相似的。750V功率单元是变频器的最重要组件之一。根据负载工作电压的大小，变频器可以由15个或24个功率单元组成，以产生多电平的PWM输出波形，每个功率单元输入都被配置为一个6脉冲二极管整流器。端子均通过变压器的副边绕组供电。整流器的直流输出经过电容器组的滤波后，提供给输出侧的单相逆变器。每个功率单元的输出端均与每个相组串联。本文型号变频器是由24个功率单元组成，每相8个功率模块串联。图3高压变频器原理示意图。

配置有功率单元自动旁路功能的变频器，当某个功率单元发生故障而退出运行时，该单元将自动旁路，以保证变频器连续工作，并发出旁路报警。当负载较小时，高压变频器将自动提高输出电压，实现无扰动自动旁路。当负载较大，高压变频器旁路后满足不了输出要求时，高压变频器将自动降低运行频率，直到输出电流在允许范围内。图4为功率单元原理图。（未实施改造前，不具备功率单元自动旁路功能。）

图3  高压变频器原理示意图 

       

图4  带旁路接触器功率单元原理图

3.4. 空冷风机

GH180变频器采用强制空冷，变频柜和变压器柜顶部分别配置3台空冷风机，当变频器中压送电后，空冷风机开始运行散热。在切断中压电源后继续运行风机十分钟，以便散去变频器的余热，配电室配备2台大功率制冷空调，以保障室内温度限值要求。

3.5. GH180变频器系统单线图，如图4所示。

图5  GH180变频器系统单线图

4. GH180变频器功率单元自动旁路功能改造

改造目的：实现功率单元故障后自动旁路，设备不停机。

4.1. 新增硬件设备

旁路接触器24个、电源板一块、接触器控制接口板一块、连接铜排24块。

①　旁路接触器电源板：供电电压750V，50/60Hz，750V取至C1功率单元进线A相和C相铜排，0V连接功率柜中性点铜排。通过降压变压器输出两组电压，一组（BLK-BLK）输出64.3V，10.56A，经过整流模块输出直流为旁路接触器线圈供电；一组（WHT-WHT）输出36 4V，6.38A，经过整流模块输出直流为旁路接触器辅助触点供电。

②　旁路直流接触器型号：ZLJM-800D，直流线圈72V DC，触点连接60V DC，800A

③　旁路接触器控制接口板：提供8组24路接触器继电器输出，实现功率单元故障接触器自动旁路。

4.2. 软件升级

增加变频器功率单元自动旁路控制功能。

4.3. 施工记录

①　变频器停机，变频器10kV高压供电高压断路器分闸，断路器小车拉至检修位并合上地刀，挂禁止操作牌。

②　控制回路断电，挂禁止操作牌。

③　拆除变频器输出侧电机电缆。

④　检查变频器控制柜板卡、电气元器件和接线等无隐患，并清灰。

⑤　预充电回路检查，确保无隐患。

⑥　移相变压器清灰检查，确保无隐患。

⑦　风机检查测试，确保无隐患。

⑧　拆除功率柜前面三相24个功率单元，下线拆解清灰，并测试功率单元性能，更换性能不良电容、整流模块、逆变模块，确保功率单元无隐患。

⑨　回装功率单元，紧固好连接螺栓和线路，做好放松标记。

⑩　拆除功率柜后面三相功率模块输出连接铜排。

⑪　在每个功率单元输出侧安装旁路接触器并连接铜排，合计安装24个旁路接触器。如图6展示。

图6  GH180变频器安装功率单元旁路接触器前后实物图对比

⑫　在变频器输出侧接线柜安装旁路控制电源板和接触器控制接口板，安装后实物如图7所示。

图7  GH180变频器安装功率单元自动旁路功能电源板和控制接口板实物图

⑬　接触器部分、控制电源板和接触器控制接口板部分布线和接线。

⑭　检查线路和紧固连接点，进行测试打点，完成后上控制电，进行软件部分调试。

⑮　送10kV高压电，操作软件，逐一制造功率段元故障，逐一校队功率单元旁路接触器动作，验证改造效果。

⑯　恢复变频器输出侧电机电缆，实现变频器带负载测试，完成功能考核验收。

5  结论

GH180变频器实施功率单元自动旁路改造后，系统内的每个功率单元都配备一只旁路接触器。功率单元旁路系统包括每个功率单元一个旁路接触器，一个接触器控制板（安装在功率单元柜内）以及主控系统与接触器控制板之间的光纤连接。如果功率单元发生故障，则变频器主控板会自动接通对应的接触器，一旦该接触器得电，损坏的功率单元就不再作为系统电气的一部分，因而变频器可继续工作。功率单元发生故障并被旁路，系统控制自动进行补偿(中心点漂移)以保持电机电压平衡。变频器将工作在稍低的输出电压，但是仍然提供全部额定电流。为了补偿跌落的电压，可为每相配备一个额外的功率单元(选件，本单位该型号变频器未选择)。

参考文献：

[1] 陈伯时，陈敏逊编著. 交流调速系统 电气自动化新技术丛书[M]. 北京：机械工业出版，1998

[2] 竺伟，陈伯时. 高压变频调速技术[J]. 电工技术杂志,1999(3)

[3] 马小亮. 大功率风机，泵节能调速发展方向探讨[J]. 电气传动,1999(1)

[4] 许广锡. 新型多电平多电压制高压大功率变换器应用技术的研讨[C]. 第九届全国电气自动化电控系统学术年会论文集，天津，1998

作者简介：

安宏亮（1983年-），男，大学学历，山东省日照钢铁有限公司工作，电气专业工程师，负责电气设备维护管理工作。