于洪喜^① 史轶芳

(北京首钢股份有限公司设备部 河北迁安 064400)

摘 要：近年来钢铁行业震荡发展，产量、质量、成本的平衡成为企业的核心竞争力，低成本、高质量运营成为企业发展的必然阶段，对企业生产工艺设备的迭代升级及稳定运行提出了更高的要求。首钢股份公司 3#8000m³ 髙炉鼓风机变频控制系统的改造升级项目，着重分析了高炉鼓风机控制特点，对新系统的可靠性、自动化程度、可操作性等都明确了具体要求，确保升级改造后髙炉鼓风机能够顺利启动。结合生产工艺及软起动系统特性，设计了大型电动高炉鼓风机变频软起动控制系统的迭代升级方案，实践了同步电动机SFC 变频软起动控制系统的迭代升级。

关键词：高炉鼓风机；变频控制；软起动

1  前言

高炉鼓风机作为高炉顺稳生产的关键设备，在炼铁生产过程中承担着关键工艺流程角色，直接关系到炼铁的稳定生产。

公司目前设计四台高鼓为三座高炉供风，供风量分别为 7000m³、7000m³、8000m³、8000m³，实现三用一热备，以满足高炉生产供风需求。高炉鼓风机软起动原使用西门子 SIMOVEＲTS 变频静态软起动产品，此套变频控制器是西门子针对大型风机及轧机等复杂控制系统来设计应用的。它为不同任务类型提供了多种组合模式，包含多种处理器、通讯模块及各类接口模块等。其控制中心是一种基于总线结构的多处理通用型 SIMADYN_D 控制单元，控制功能强大，可靠性较高，在我国大型冶金项目选用较多。

近年来，由于 SIMADYN_D 控制器和 SAV21 等设备板卡应用时间的逐年增加，鼓风机变频系统故障频发，各类板卡及系统运行故障锁定困难，同时又面临着备件停产停供、国外技术封锁等严重问题，较大程度影响了高炉的顺稳运行，亟待改造。为此，本文提出了利旧变频主功率器件及电动机设备，由西门子 SIMOVEＲTS变频升级为GL150 变频控制软起动，并优化励磁系统冗余控制方案，使整个系统运行更为稳定可靠，同时对同行业此类大型软起动设备新建、改造升级研究具有重要借鉴作用。

2 软起设计与实践

2019 年启动高炉鼓风机变频软起控制系统技术升级项目，设计采用西门子新一代 SINAMICS 系列 SFC 变频软起动装置( 电流型变频器 LCI) 及 6ＲA80 直流调速励磁系统，利旧现有整流、直流平波电抗及逆变功率柜，设计更新控制柜、脉冲回路及各类信号模块，优化励磁冗余控制系统。根据设定转速曲线，通过实时跟踪电机转子位置，调节实时频率，调节输出电流，在规定的时间内将 36. 14MW的电动机带入全速并顺利投切并网运行。

相比原控 制 系 统，新控制系统主要区别在于采用SINAMICS 系列控制器和相关控制部件，控制板集成度高，设计简洁，其中 CU320 控制核心部件通用于全系列高低压变频器，增强了后期维护的便利性。通过高压软起动系统的设计并应用，在掌握高炉鼓风机软起动工作原理和性能的基础上，可为企业旧设备升级、备件降本等积累宝贵的技术经验。

2． 1 运行特性分析

2． 1． 1 高炉鼓风机的工艺特性

在高炉冶炼过程中，高炉鼓风机为高炉系统提供足够的风压与充裕的风量，是炼铁最主要的动力设备之一。炉内铁矿、燃料及操作条件都会随着冶炼的过程发生变化，要求鼓风机供风量满足一定的调节范围，同时满足供风风热( 800 ～ 1300℃ ) 、氧含量及风压等一系列指标要求，以保证炉况的冶炼稳定。

2． 1． 2 高炉鼓风机的软起动特性

高压变频软起动是应用电力电子技术实现电压和频率的调节。通过控制器输出电压频率从小到大，逐步上升到工频频率，具有在整个起动过程中很小的启动电流、可控的启动转矩、对电网几乎没有附加影响等特性。此方法起动电机优势为: ( 1) 避免破坏性力矩冲击，可以实现电机的输出力矩适应大型负载启动力矩需求，实现系统平滑启动; ( 2) 避免启动过程中的瞬时发热破坏电机绝缘性能，可大幅降低启动电流以适应电机承受能力; ( 3) 降低电网电压暂降及高次谐波含量，可保障电网系统输出稳定，满足电网质量相关要求^［1］。

2． 2 升级技术难点

为降低 3#高炉鼓风机的系统改造成本，在保留原电机及主功率单元的基础上进行控制系统升级，其主要设计技术难点如下。

难 点 1: 高炉鼓风机电机利旧原 BBC 公司的 36. 14MW 同步电机，此电机为二十世纪八十年代产品。经过搬迁调整，电机原始设计参数不齐全，只保存了基础参量，电机辨识存在难度，需重新对电动机转子、定子电抗及阻抗参数进行计算补偿。电机参数见表 1。

难点 2: 此次升级需要利旧现场所有功率元器件及柜体，要重新对脉冲版、电源板、各类信号采集板进行安装匹配测试，同时要优化设计励磁冗余系统，对现有信号进行重新定义，工作量及难度均较大，并通过西门子 S7 － 300工作站来实现电动机的励磁和运行调节控制，以达设备的无故障运行。

2． 3 设计构成

本次软启动系统升级设计选用交直交电流型变频装置( LCI) 实现软起动，其主回路主要包含 10kV 变压器、整流单元、平波电抗、逆变单元、电压及电流检测、同步并网及转子位置检测编码器等。在设计改造时，充分利旧现有功率单元( 可控硅) 及直流侧电抗器。功率单元部分采用两个回路设计，两路进线构成 12 整流脉动，相间夹角为30°，有效降低电网输入侧电流谐波; 两路出线相间夹角也是 30°，减少对电动机的谐波。系统调速范围可从电机静止状态到达额定转速，启动容量可小于电机额定容量的1 /3 ，可实现连续启动作业，重复精度可控。3#高炉鼓风机变频软起系统结构如图 1。

软启系统电网侧通过 MBL 高压断路器直接连接 SM同步电动机，通过 MBC 高压隔离断路器连接软起动输入侧降压变压器，双回路并联形成软启动系统，输出经过升压变压器通过 MBM 连接同步电动机。其中 MBC/MBM/MBL 分别控制变频软起动及电机并网运行时的合分闸操作，由变频软起系统及起动励磁系统配合完成电机起动。

起动结束后由控制系统发出指令，断路器自动切换为电网直供，励磁回路切换为冗余励磁运行控制。

2． 4 控制与计算

软起动控制系统升级设计选用西门子新一代 SFC 变频控制系统，硬件选型为通用性更强的 SINAMICS 标准控制单元，分为控制中心、功率模块、操作组件三部分构成。

各级通讯通过稳定性更强的 DＲIVE － CLIQ 网络进行连接，模块的拆卸更为便捷，有利于设备维护，其典型硬件拓扑结构如图 2。

GL150 变频系统硬件通过高性能的 DＲIVE － CLIQ 串行连接 接 口 进 行 相 互 连 接。此通讯方式使用了 POE( Power Over Ethernet) 技术，主要由 CPU － CU320、供电电源、电压传感模块、数字量、模拟量扩展模块及信号检测板等构成，能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。通过系统电压及电流模型进行矢量计算，输出电机高低速控制所需的磁通及电流信号，通过执行系统矢量控制调节，对输出转速不断调整，完成大功率电动机的速度跟随，其控制功能如图 3。

变频器系统启动时，控制器负责接收给定信号，与系统检测反馈信号进行叠加计算后输入速度调节单元。控制中心通过矢量控制坐标变换^［2］，将输入交流量信号全部转换为静止矢量，分别为励磁分量 ΦM 和转矩分量 ΦT，其电流分别为 i_M 和 i_T，它们在直角坐标系下的分量都是直流分量。这样电磁控制模型等效于直流电机控制模型，通过控制转矩电流 i_T 即可完成系统电磁控制。再通过二相三相电磁变换模型获得控制输出的交变电流 i_A /i_B /i_C，通过硬件通讯完成逆变回路触发控制。励磁系统通过6ＲA80 调速装置，调节同步电机励磁单元输出电流，实现励磁调节目的^［3］。

在系统速度调节过程中，电机的顺利启动还要进行多种调节单元及设定模型的调节计算，需要完成进线侧整流器的控制、负载侧逆变器的控制、励磁的控制，逐步进行低速时直流脉动断续换流、高速时负载感应自动换流，达到设定转速，其主要控制调速功能如表 2。

当变频器恒电流控制电机达到设定速度的 95 ～ 97%时，系统开始执行并网操作，通过系统微调控制配合励磁系统调节，对 10kV 电网及电动机瞬时电磁状态检测，判断相序、电压、频率、相位是否一致或接近，其中相序一致是并网绝对条件。当检测项量完全相同时，同步并网条件成立，系统发出并网命令，整流器脉冲触发角后移，待直流侧电流下降至零，瞬时封锁整流逆变全部脉冲，同时各断路器执行动作，并网完成^［4］，并网相序频率检测如图 4。

并网装置在并网时刻重复测量的状态电压，分别为并网侧变频系统及电网系统的相间电压。定义网侧为系统1 为实际值，各参数命名为 U_a、U_b、U_c; 同时定义并网侧位系统 2 为测量值，各参数命名为 U_d、U_e、U_f。

偏差计算公式为: Δα = 测量值 － 实际值若 Δα = U_a － U_d 大于 0，表示系统 2 超前系统 1，相反系统2 滞后系统 1，相角最大差 180 度，借助并网装置同步指示器检查并调整频率和相位，并调节电机的励磁电流使得电机的输出电压相等，以最终确定合闸时刻，实现并网。

2． 5 启动流程与时序

软起动控制流程主要包括: 系统初始化、启动状态检测、系统参数设置模块、软起动控制程序、人机交互、启动完成等部分，通过逻辑控制与工艺控制的功能设定，以及多次对驱动器进行组态与测试，其系统流程图如图 5。

当励磁控制系统检测外部状态均满足启动条件，由励磁机控制柜启动并发出 GL150 控制系统启动命令，同时励磁直流装置给电机输出励磁电流产生旋转磁场并闭合变频器出线断路器。此时励磁系统与变频系统同步输出控制，待电机速度达到并网设定速度时，系统进入并网并检测成功后发出并网指令。电网侧及电机侧高压断路器动作同步动作，同时励磁为变频系统发出停车指令，变频器立即封锁输出脉冲，变频软起系统退出，变频去磁系统进入消磁，为下次起动做好准备，电动机起动完成。电机控制方式可通过励磁控制面板选择，方案设定为恒功率因数调节，启动时序控制如图 6。

2． 6 高炉鼓风机软起动改造应用效果

通过此项目的开发与实践，实现了大型同步电动机带负载从低速到全速且成功并网的软起实现过程，达到技术控制目标。一是有效降低起动电流，为额定电流的 0. 3 倍～ 0. 5 倍以内; 二是测试启动时间均小于 180s，满足电动机平滑启动要求; 三是并网运行后，电机由励磁系统采用恒功率因数进行调节控制。同时在以下两个方面实现日常运维能力的大幅提升。

1) 改造前高炉鼓风机均采用西门子 SIMOVEＲTS 变频器，控制器采用 SIMADYND，由于控制板卡及模块较多，其运行安全及可靠性逐年下降。改造后 GL150 变频系统在驱动高炉鼓风机上有着很高的稳定性，控制柜内得到了很大程度简化，其控制系统采用 SINAMICS 系列产品的标准控制部件，相比上一代系统便于维护及故障处理，大幅降低了系统维护强度。

2) 基于 Unix 开发的 STＲUC － G 应用调试软件，其界面复杂、操作繁琐，需要进行专业训练才能可靠操作，现场应用性较差。GL150 控制系统采用的是 Scout 编程软件，其操作及维护界面更加清晰，各参数板块调用便捷，交互性更强，同时升级的整个控制项目工程在 Step7 平台下即可实现集中管理，便于多传系统之间以及传动与自动化系统间的统一管控，极大提高了系统调试和维护效率。

3 结论

根据高炉鼓风机改造需求，设计了一套完整的风机软起动控制系统，采用 SINAMICS 系列 GL150 变频器，以新一代 SFC 同步变频软起技术为依托，利旧现有主功率器件，控制过程实现断续换流到负载换流平滑过渡，起动平稳可靠。结合高炉实际冶炼工况特点，分析了高鼓风机的启动条件、启动过程、操作并网三大要素，通过对软起及励磁系统的软硬件重新编译，进一步完善了起动及励磁冗余控制方式。通过多次起动测试，整个起动过程一般都在180s 内完成，检测电网侧暂态压降平稳无波动，实现了利旧 BBC 大型同步 36. 14MW 电机的顺利启动。本文通过对高炉大功率风机控制系统升级的研究与实践，对同类企业完成低成本设备改造具有较强借鉴和指导意义，希望对后续设备升级研究有所帮助。

参考文献

［1］王雪帆． 大型电动机软起动技术的现状与发展综述［J］． 电器工业，2012( 07) : 67 － 74．

［2］范国伟． 同步电机原理及应用技术［M］． 北京: 人民邮电出版社，2014．

［3］薛冬晨． 基于变频软启动技术的迁钢高炉鼓风机控制系统设计与实现［D］． 沈阳: 东北大学，2015．

［4］金光哲，徐殿国，高强，等． 基于自适应复合控制的同步电机软起动自动准同期并网控制方法［J］． 电力自动化设备 2014，34( 03) : 93 － 98．