摘要：講述了濟(jì)鋼中厚板廠2500mm產(chǎn)線高壓水控制系統(tǒng)改造的背景，介紹了開(kāi)關(guān)變壓器軟起動(dòng)控制技術(shù)的工作原理、具體應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)變壓器 軟起動(dòng) 高壓水

TheapplicationofswitchtransformercontroltechnicinhighpressurewatersystemofJinanironandsteelcorporationplatemillfactory

前言

為滿(mǎn)足鋼板產(chǎn)品質(zhì)量提升的需要，濟(jì)鋼中厚板廠2500產(chǎn)線高壓水要提高壓力，高壓水電機(jī)需要由2600KW增加至3000KW增容改造，與之配套的高壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置也需要同步改造。

控制系統(tǒng)選型

當(dāng)前高壓電機(jī)降壓起動(dòng)主要有三種方式：

1．液態(tài)水阻降壓起動(dòng)：該起動(dòng)方式我們已經(jīng)采用，屬于落后淘汰技術(shù)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，且維護(hù)量較大。

2．可控硅控制降壓起動(dòng)：該起動(dòng)方式的控制技術(shù)不夠可靠，操作危險(xiǎn)，使用廠家少，一旦發(fā)生故障影響面較大，處理時(shí)間長(zhǎng)。

3．開(kāi)關(guān)變壓器降壓起動(dòng)：這種起動(dòng)方式是通過(guò)低壓控制高壓，控制技術(shù)成熟，設(shè)備運(yùn)行和操作可靠，解決了高電壓難以駕馭的難題，且消除了系統(tǒng)諧波缺陷。

對(duì)比以上三種高壓電機(jī)的軟起動(dòng)方式，我們采用了開(kāi)關(guān)變壓器降壓起動(dòng)軟起動(dòng)裝置替代了原來(lái)的液態(tài)水阻降壓起動(dòng)。

開(kāi)關(guān)變壓器軟起動(dòng)工作原理

開(kāi)關(guān)變壓器技術(shù)是在變壓器基本原理上的一種新的應(yīng)用技術(shù)，它把變壓器與晶閘管相結(jié)合，使變壓器在電路中起到一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用。在電流的每半個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)一次，以實(shí)現(xiàn)相位控制。晶閘管放在變壓器的低壓側(cè)，免去了串聯(lián)的高風(fēng)險(xiǎn)性。高電壓容量靠變壓器初級(jí)線圈的繞制來(lái)解決；高電流容量靠變壓器的并聯(lián)來(lái)解決，由于很好地解決了并聯(lián)均流問(wèn)題，故可靠性非常高。解決了高電壓大容量電氣設(shè)備的超強(qiáng)電流對(duì)電網(wǎng)以及設(shè)備本身所帶來(lái)的危害。

開(kāi)關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置屬于大容量晶閘管模塊（SCR）的應(yīng)用設(shè)備。高壓電機(jī)和開(kāi)關(guān)變壓器的原邊繞組串聯(lián)，通過(guò)斷路器接至高壓電源母線。開(kāi)關(guān)變壓器的副邊繞組則接一對(duì)反并聯(lián)的晶閘管模塊，晶閘管的導(dǎo)通角由控制系統(tǒng)控制，系統(tǒng)圖如圖1所示：

圖1：系統(tǒng)圖

SCR未導(dǎo)通且加上電源電壓U時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器TK原邊和電機(jī)M上得到電壓，由于TK的空載電流遠(yuǎn)小于M的空載電流（指額定值），故電壓絕大部分（95%以上）加在TK原邊，為電壓U1，此時(shí)TK副邊也得到電壓U2，波形為完整的正弦波。當(dāng)SCR控制極加上觸發(fā)電壓時(shí)，SCR從α角處導(dǎo)通，則U2立即降低，U2電壓如圖2中實(shí)線所示，U1的波形也相同。UD上的電壓為外加電壓U減去U1，則UD上的電壓波形如圖3所示。當(dāng)增大控制角α時(shí),則U2變小，U1變小，UD加大。反之亦然。α由大到小連續(xù)調(diào)節(jié)，則UD連續(xù)由小到大，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)端電壓從零電壓到額定電壓的變化將電機(jī)逐步平滑加速到額定速度，電機(jī)達(dá)到額定速度之后，電機(jī)起動(dòng)電流開(kāi)始下降，當(dāng)起動(dòng)電流下降到設(shè)定值時(shí)，將電機(jī)切換到運(yùn)行回路，完成電機(jī)的軟起動(dòng)過(guò)程。

圖2：開(kāi)關(guān)變壓器一次側(cè)和二次測(cè)電壓波形圖3：電機(jī)端電壓波形

電機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示：QF2為運(yùn)行柜，它與電動(dòng)機(jī)M構(gòu)成正常工作時(shí)的運(yùn)行系統(tǒng)；QF1為起動(dòng)柜，它與開(kāi)關(guān)變壓器TK構(gòu)成起動(dòng)回路。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，合上QF1，給可控硅SCR加上觸發(fā)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)相控調(diào)壓軟起動(dòng)；起動(dòng)結(jié)束后，合上QF2、斷開(kāi)QF1，電動(dòng)機(jī)即轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)。

起動(dòng)回路的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4：控制系統(tǒng)框圖

軟起動(dòng)不同階段的電流按照選定的起動(dòng)模式和起動(dòng)曲線由控制程序給定，主電路中的電流由采樣單元采集，PLC比較電流采樣值和給定值，根據(jù)差值閉環(huán)調(diào)節(jié)觸發(fā)單元的輸入電壓，改變SCR的導(dǎo)通角，從而使主電路中的電流與給定值相等。修改控制程序中起動(dòng)各階段電流的大小和保持時(shí)間，即可得到各種不同的起動(dòng)電流曲線。

由控制系統(tǒng)框圖可見(jiàn)，如果從虛線處隔開(kāi)，右側(cè)為功率主回路，左側(cè)為控制環(huán)節(jié)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率不同時(shí)，只要更換TK、CT及SCR即可，其余控制環(huán)節(jié)不用改變。

開(kāi)關(guān)變壓器軟起動(dòng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

開(kāi)關(guān)變壓器軟起動(dòng)技術(shù)具有簡(jiǎn)潔、可靠、精確、靈活、省時(shí)、節(jié)約投資、減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)之一：簡(jiǎn)潔

無(wú)論外部電氣連接，還是內(nèi)部電路，均極度簡(jiǎn)潔，普通技工即可掌握和維護(hù)。

優(yōu)勢(shì)之二：可靠

高可靠性常規(guī)電力設(shè)備—開(kāi)關(guān)變壓器和久經(jīng)考驗(yàn)的低壓可控硅器件，鑄就了開(kāi)關(guān)變壓器式高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置的卓越可靠性，確保了企業(yè)生產(chǎn)的安全性和連續(xù)性。

優(yōu)勢(shì)之三：精確

純電氣裝置，真正線性控制，調(diào)節(jié)范圍大。

起動(dòng)準(zhǔn)確、重復(fù)精度高，不受環(huán)境條件影響。

電機(jī)起動(dòng)電流準(zhǔn)確從零起調(diào)，無(wú)論電網(wǎng)如何波動(dòng)，總能將最大起動(dòng)電流控制到最小。

連續(xù)多次起動(dòng)，起動(dòng)數(shù)據(jù)亦非常一致。

優(yōu)勢(shì)之四：靈活

四種軟起動(dòng)方式，更能適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

更可在現(xiàn)場(chǎng)靈活修改起動(dòng)曲線，應(yīng)對(duì)意料之外的變化，滿(mǎn)足電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的特殊要求。

優(yōu)勢(shì)之五：省時(shí)

可連續(xù)多次起動(dòng)的特點(diǎn)，能最大程度縮短系統(tǒng)調(diào)整、調(diào)試時(shí)間。

優(yōu)勢(shì)之六：可一拖多

多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)不再需要多臺(tái)軟起動(dòng)裝置，開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置支持真正的一拖多配置，最大電動(dòng)機(jī)功率和最小電動(dòng)機(jī)功率沒(méi)有限制，而費(fèi)用僅比一拖一裝置有少許的增加。

優(yōu)勢(shì)之七：減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

基本免維護(hù)，降低維護(hù)費(fèi)用。

起動(dòng)過(guò)程中能耗極低，節(jié)約電能，降低運(yùn)行費(fèi)用。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.電網(wǎng)參數(shù)

額定電壓UN＝6kV±10%

2.電動(dòng)機(jī)參數(shù)

型號(hào)：YKS630-2；額定輸出：3000kW；額定電壓：6kV±10%；額定電流：338A；額定速度：2988rpm；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2：50Kgm2

一般技術(shù)要求

1.軟起動(dòng)方式

本工程選電流斜坡式

2.起動(dòng)電流

起動(dòng)電流在電機(jī)額定電流的3倍以下；電機(jī)起動(dòng)時(shí)間60秒以?xún)?nèi)（連續(xù)可調(diào)）；能夠滿(mǎn)足2臺(tái)電機(jī)的交替連續(xù)起動(dòng)8次以上

3.保護(hù)功能

①母線電壓過(guò)低、缺相、過(guò)高。

②差動(dòng)、欠載、過(guò)流、短路、電流不平衡、可控硅保護(hù)。

③開(kāi)關(guān)變壓器保護(hù)（瓦斯與溫度）。

4.總諧波畸變率

≤4%

主要軟硬件說(shuō)明

1.開(kāi)關(guān)變壓器

①非標(biāo)特制：額定容量2500KVA（能夠滿(mǎn)足3000KW電機(jī)的起動(dòng)要求）。

②阻抗電壓：5%

③額定頻率：50Hz

④絕緣電阻：用DC2500V搖表測(cè)量，在20℃時(shí)，一次對(duì)二次及地≥2000MΩ；二次對(duì)

次及地≥2000MΩ。

⑤變壓器本體測(cè)溫元件除了有上下限保護(hù)，并進(jìn)入控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

2.可控硅

250A/5000V，西安電力電子技術(shù)研究所生產(chǎn)。

3.控制柜

由3相電磁式電流表；可控硅觸發(fā)單元；電壓、電流保護(hù)/采樣單元；可編程控制器S7-300；開(kāi)關(guān)電源；電源濾波裝置；可編程智能操作面板；晶閘管組件；高壓觸發(fā)脈沖隔離變壓器；高壓阻容保護(hù)；高壓壓敏電阻保護(hù)及其它高壓附件等元件構(gòu)成。

4.PLC硬件系統(tǒng)

采用西門(mén)子S7-300產(chǎn)品，CPU采用S7315-2DP滿(mǎn)足現(xiàn)有的高壓水監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)MPI方式進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)控，固化軟件模塊。

5.控制軟件

用SETP7編程軟件編寫(xiě)，主要功能：控制起動(dòng)全過(guò)程；裝置過(guò)流、速斷保護(hù)，缺相保護(hù)，接地保護(hù)；可控硅觸發(fā)角度的計(jì)算，起動(dòng)曲線的選擇。

6.人機(jī)界面

采用松下GT32全中文清晰液晶屏幕，實(shí)時(shí)顯示起動(dòng)數(shù)據(jù)及曲線，直觀查詢(xún)起動(dòng)條件及歷史故障信息。

起動(dòng)過(guò)程及報(bào)警功能說(shuō)明

1.起動(dòng)過(guò)程

①控制柜上電，PLC檢測(cè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)：QF2斷開(kāi)；同時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓，PLC模塊等，一切正常后發(fā)出允許起動(dòng)信號(hào)，“允許”指示燈亮。

②當(dāng)操作者看到“允許”指示燈亮?xí)r，合起動(dòng)開(kāi)關(guān)QF1，QF1合閘后開(kāi)關(guān)變壓器接入起動(dòng)電路，觸發(fā)板和采樣板開(kāi)始工作，電機(jī)軟起動(dòng)開(kāi)始。

③當(dāng)PLC檢測(cè)電流下降到程序預(yù)設(shè)值時(shí)（電流表指針下降）或時(shí)間到預(yù)設(shè)值時(shí)，發(fā)出合QF2信號(hào)，使運(yùn)行柜QF2合閘，電機(jī)投入正常運(yùn)行，電機(jī)軟起動(dòng)結(jié)束。允許信號(hào)消失，允許指示燈熄滅。4秒后將起動(dòng)柜QF1跳開(kāi)，使開(kāi)關(guān)變壓器從電網(wǎng)脫離。

④在電機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中，如有軟起故障發(fā)生，發(fā)出故障信號(hào)，將起動(dòng)柜QF1跳閘，軟起動(dòng)停止；如有緊急情況發(fā)生，則按下急停按鈕，即可停止整機(jī)工作。

2.報(bào)警功能

①上電后，PLC的CPU首先檢查PLC各模塊是否正常，如有異常，則發(fā)出連續(xù)聲光報(bào)警信號(hào)，觸摸屏將顯示報(bào)警信息，此時(shí)不能發(fā)出允許起動(dòng)信號(hào)，電機(jī)不能起動(dòng)。如果模塊故障在起動(dòng)過(guò)程中，PLC立即發(fā)出停車(chē)信號(hào)，并發(fā)出連續(xù)聲光報(bào)警信號(hào)，觸摸屏將顯示報(bào)警信息。

②上電后，PLC對(duì)三相電源的電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電源電壓過(guò)高（≥120%UN），電源電壓過(guò)低（≤80%UN），缺相（≤20%UN）情況時(shí)，發(fā)出連續(xù)聲光報(bào)警信號(hào)，此時(shí)不能發(fā)出允許起動(dòng)信號(hào)，電機(jī)不能起動(dòng)。如果電源故障在起動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)電源電壓過(guò)低（≤80%UN），發(fā)出連續(xù)聲光報(bào)警信號(hào)，但不停車(chē)；如果出現(xiàn)電源電壓過(guò)高（≥120%UN）或缺相（≤20%UN）情況時(shí)，PLC將發(fā)出停車(chē)信號(hào)。觸摸屏將顯示報(bào)警信息。

③在軟起過(guò)程中，如果有任意的一相電流超過(guò)3.5IN，則認(rèn)為電機(jī)側(cè)有短路的情況發(fā)生，PLC立即發(fā)出停車(chē)信號(hào)，并發(fā)出連續(xù)聲光報(bào)警信號(hào)，觸摸屏將顯示報(bào)警信息。

④在軟起動(dòng)過(guò)程中，如有一相的電流很?。?le;0.2IN），而另一相或兩相的電流較大（≥0.5IN）則說(shuō)明有一相可控硅開(kāi)路，PLC將延時(shí)1秒發(fā)出停車(chē)信號(hào)，觸摸屏將顯示報(bào)警信息。

⑤起動(dòng)開(kāi)始后，如起動(dòng)電流過(guò)小，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并發(fā)出停車(chē)信號(hào)，觸摸屏將顯示報(bào)警信息。

⑥起動(dòng)開(kāi)始后，如系統(tǒng)檢測(cè)TK油溫過(guò)高或重瓦斯故障會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。瓦斯故障立即發(fā)出停車(chē)信號(hào)，觸摸屏將顯示報(bào)警信息；油溫過(guò)高不停車(chē)可繼續(xù)工作至本次起動(dòng)完成，待TK油溫下降以后方可進(jìn)行下一次起動(dòng)，觸摸屏將顯示報(bào)警信息。

⑦起動(dòng)結(jié)束或中止后，如有故障將發(fā)出聲光報(bào)警，并在觸摸屏使用手冊(cè)中可查到相應(yīng)的信息，當(dāng)所有報(bào)警都消失時(shí)，程序會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)，待故障排除后，可進(jìn)行下一次起動(dòng)。

應(yīng)用效果

1.軟起動(dòng)過(guò)程是隨著電機(jī)的端電壓的逐步升高，電機(jī)電流由小到大逐步變大，能給電機(jī)以充分的加速，然后再逐步的加大電機(jī)的電流，使之接近同步(亞同步)轉(zhuǎn)速。由于有預(yù)加速作用，因此能最大限度的減小起動(dòng)電流，使之對(duì)電網(wǎng)的沖擊最小，對(duì)電機(jī)及機(jī)械的傷害最小。

2.控制精度高，重復(fù)性好，每次都能按調(diào)好的參數(shù)軟起動(dòng)。

3.裝置自身能量損耗小，溫升很小，可以連續(xù)起動(dòng)。此變壓器起動(dòng)裝置設(shè)計(jì)為在正常環(huán)境溫度下，可連續(xù)起動(dòng)。

4.裝置采用PLC作為主控部件，能根據(jù)用戶(hù)的情況和要求靈活地增加軟件功能，最大限度地滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

5.控制系統(tǒng)各部件都選用高質(zhì)量的常規(guī)電氣產(chǎn)品，可靠性高，方便維修。

作者簡(jiǎn)介

霍啟軍，男，39歲，電氣高級(jí)工程師。1996年7月畢業(yè)于山東工程學(xué)院電氣工程系，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年畢業(yè)于山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，獲工程碩士學(xué)位。現(xiàn)主要從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用工作。電話：0531－88869540；郵編：250101；E-mail:hqjjn@163.com