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，介紹了開關(guān)變壓器軟起動控制技術(shù)的工作原理、具體應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：開關(guān)變壓器 軟起動 高壓水

TheapplicationofswitchtransformercontroltechnicinhighpressurewatersystemofJinanironandsteelcorporationplatemillfactory

前言

為滿足鋼板產(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)降壓起動主要有三種方式：

1．液態(tài)水阻降壓起動：該起動方式我們已經(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：該起動方式的控制技術(shù)不夠可靠，操作危險，使用廠家少，一旦發(fā)生故障影響面較大，處理時間長。

3．開關(guān)變壓器降壓起動：這種起動方式是通過低壓控制高壓，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。

對比以上三種高壓電機(jī)的軟起動方式，我們采用了開關(guān)變壓器降壓起動軟起動裝置替代了原來的液態(tài)水阻降壓起動。

開關(guān)變壓器軟起動工作原理

開關(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開關(guān)的作用。在電流的每半個周期內(nèi)開關(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)險性。高電壓容量靠變壓器初級線圈的繞制來解決；高電流容量靠變壓器的并聯(lián)來解決，由于很好地解決了并聯(lián)均流問題，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)電流對電網(wǎng)以及設(shè)備本身所帶來的危害。

開關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動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)和開關(guān)變壓器的原邊繞組串聯(lián)，通過斷路器接至高壓電源母線。開關(guān)變壓器的副邊繞組則接一對反并聯(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，開關(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，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,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)起動電流開始下降，當(dāng)起動電流下降到設(shè)定值時，將電機(jī)切換到運(yùn)行回路，完成電機(jī)的軟起動過程。

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

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

起動回路的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4：控制系統(tǒng)框圖

軟起動不同階段的電流按照選定的起動模式和起動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各階段電流的大小和保持時間，即可得到各種不同的起動電流曲線。

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

開關(guān)變壓器軟起動技術(shù)優(yōu)勢

開關(guān)變壓器軟起動技術(shù)具有簡潔、可靠、精確、靈活、省時、節(jié)約投資、減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)勢。

優(yōu)勢之一：簡潔

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

優(yōu)勢之二：可靠

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

優(yōu)勢之三：精確

純電氣裝置，真正線性控制，調(diào)節(jié)范圍大。

起動準(zhǔn)確、重復(fù)精度高，不受環(huán)境條件影響。

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

連續(xù)多次起動，起動數(shù)據(jù)亦非常一致。

優(yōu)勢之四：靈活

四種軟起動方式，更能適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

更可在現(xiàn)場靈活修改起動曲線，應(yīng)對意料之外的變化，滿足電機(jī)起動過程的特殊要求。

優(yōu)勢之五：省時

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

優(yōu)勢之六：可一拖多

多臺電動機(jī)的軟起動不再需要多臺軟起動裝置，開關(guān)變壓器式軟起動裝置支持真正的一拖多配置，最大電動機(jī)功率和最小電動機(jī)功率沒有限制，而費(fèi)用僅比一拖一裝置有少許的增加。

優(yōu)勢之七：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。

起動過程中能耗極低，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.電動機(jī)參數(shù)

型號：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)動慣量GD2：50Kgm2

一般技術(shù)要求

1.軟起動方式

本工程選電流斜坡式

2.起動電流

起動電流在電機(jī)額定電流的3倍以下；電機(jī)起動時間60秒以內(nèi)（連續(xù)可調(diào)）；能夠滿足2臺電機(jī)的交替連續(xù)起動8次以上

3.保護(hù)功能

①母線電壓過低、缺相、過高。

②差動、欠載、過流、短路、電流不平衡、可控硅保護(hù)。

③開關(guān)變壓器保護(hù)（瓦斯與溫度）。

4.總諧波畸變率

≤4%

主要軟硬件說明

1.開關(guān)變壓器

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

②阻抗電壓：5%

③額定頻率：50Hz

④絕緣電阻：用DC2500V搖表測量，在20℃時，一次對二次及地≥2000MΩ；二次對

次及地≥2000MΩ。

⑤變壓器本體測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)

采用西門子S7-300產(chǎn)品，CPU采用S7315-2DP滿足現(xiàn)有的高壓水監(jiān)控系統(tǒng)通過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，主要功能：控制起動全過程；裝置過流、速斷保護(hù)，缺相保護(hù)，接地保護(hù)；可控硅觸發(fā)角度的計算，起動曲線的選擇。

6.人機(jī)界面

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

起動過程及報警功能說明

1.起動過程

①控制柜上電，PLC檢測開關(guān)的狀態(tài)：QF2斷開；同時檢測電網(wǎng)電壓，PLC模塊等，一切正常后發(fā)出允許起動信號，“允許”指示燈亮。

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

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

④在電機(jī)軟起動過程中，如有軟起故障發(fā)生，發(fā)出故障信號，將起動柜QF1跳閘，軟起動停止；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)聲光報警信號，觸摸屏將顯示報警信息，此時不能發(fā)出允許起動信號，電機(jī)不能起動。如果模塊故障在起動過程中，PLC立即發(fā)出停車信號，并發(fā)出連續(xù)聲光報警信號，觸摸屏將顯示報警信息。

②上電后，PLC對三相電源的電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電源電壓過高（≥120%UN），電源電壓過低（≤80%UN），缺相（≤20%UN）情況時，發(fā)出連續(xù)聲光報警信號，此時不能發(fā)出允許起動信號，電機(jī)不能起動。如果電源故障在起動過程中出現(xiàn)電源電壓過低（≤80%UN），發(fā)出連續(xù)聲光報警信號，但不停車；如果出現(xiàn)電源電壓過高（≥120%UN）或缺相（≤20%UN）情況時，PLC將發(fā)出停車信號。觸摸屏將顯示報警信息。

③在軟起過程中，如果有任意的一相電流超過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)出停車信號，并發(fā)出連續(xù)聲光報警信號，觸摸屏將顯示報警信息。

④在軟起動過程中，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）則說明有一相可控硅開路，PLC將延時1秒發(fā)出停車信號，觸摸屏將顯示報警信息。

⑤起動開始后，如起動電流過小，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警信號，并發(fā)出停車信號，觸摸屏將顯示報警信息。

⑥起動開始后，如系統(tǒng)檢測TK油溫過高或重瓦斯故障會發(fā)出聲光報警信號。瓦斯故障立即發(fā)出停車信號，觸摸屏將顯示報警信息；油溫過高不停車可繼續(xù)工作至本次起動完成，待TK油溫下降以后方可進(jìn)行下一次起動，觸摸屏將顯示報警信息。

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

應(yīng)用效果

1.軟起動過程是隨著電機(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電流，使之對電網(wǎng)的沖擊最小，對電機(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。

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

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

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。

作者簡介

霍啟軍，男，39歲，電氣高級工程師。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