摘要：现代工业生产中利用大容量高压变频器，对电动机进行软启动的使用，由于具有起动功率小，对机械设备的冲击小，节约能源等许多优点，已经越来越得到普及应用。
本文主要设计两台大容量变频器对四台高压电机进行任意选择软启动的电力拖动系统，包括电力系统主回路和控制回路。系统主回路通过利用高压断路器、高压隔离手车、高压电缆、分段母线的电力分配和联络功能，将两台大容量变频器和各个高压断路器、高压隔离手车、分段母线、四台高压电机相互联络，配以二次回路的联锁控制和操作选择功能，构成了两台大容量变频器对四台高压电机进行相互选择软启动的电力拖动系统。
关键词：大容量软启动变频器电力拖动系统
前言
中天钢铁集团第二炼铁厂厂区共有三座1580M3的高炉，每座高炉生产时，需使用一台设计流量为4219M³/min，轴功率16557kW，排气压力0.49MPa的陕鼓动力AV71轴流压缩机向高炉送风。为保障三座高炉的正常使用，高炉鼓风机站共设4组同型号的风机，其中1#风机，可作为其它2#、3#、4#风机的备用机。每台风机使用上海电机厂生产的功率为25000kW、10kV的高压异步电动机一台。做为风机的动力来源，如此大功率的电动机，在生产使用中如果直接带负载起动，起动电流非常大，对电网和机械设备都有非常不好的影响。随着近年来高压变频器技术的不断进步，目前容量在5000kVA以上的高压变频器已经逐步应用于电力拖动系统中，为大功率异步电动机在高炉风机拖动系统中的使用创造了条件。而使用大容量的高压变频器对异步电动机进行软启动，可以完全避免大功率电动机启动时对电网和机械设备的冲击影响。
1系统的设计原理
1.1高压主回路设计原理
本系统的工作原理如下，当系统处于初始状态，即四台电机均处于停止状态时。如欲对相关电机进行软启动，应首先将1QF～4QF1段到4段母线进线柜断路器合闸，使高压1段母线、2段母线、3段母线、4段母线带电，1段～4段母线电压互感器柜受电工作。这时系统除1段到4段母线进线柜1QF～4QF断路器合闸外，所有的高压开关柜的断路器均在冷备用状态，即断路器在实验位，断路器的上下主触头与高压母线脱离。所有的高压隔离柜的隔离小车在隔离位，即隔离小车的上下主触头与柜内母线脱离。
1.2控制回路设计原理
本套电力设备拖动系统中使用了和高压系统相适应的外部控制方式。变频器输入电源柜QF1～QF4、电机并网柜K1～K4、电机启动柜QS1～QS4的断路器分、合闸信号，通过断路器的辅助继电器触点输送给1#变频器PLC和2#变频器PLC。用于监视以上高压柜断路器的分、合闸状态。变频器输入隔离柜B1、B2，变频器输出隔离柜P1、P2的隔离小车的位置信号，通过高压柜内的限位装置，输送给1#变频器PLC和2#变频器PLC。用于监视隔离小车所在的位置。
2.如前所述，本套电力设备拖动系统在高压控制回路中设置现场操作控制台一个，上设1#变频器起动按钮SB10、1#变频器停止按钮SB11、1#变频器急停按钮SB12、2#变频器起动按钮SB20、2#变频器停止按钮SB21、2#变频器急停按钮SB22。以上控制按钮的动作触点分别输入对应的1#变频器PLC自动控制系统和2#变频器PLC自动控制系统。操作控制台上安装有显示1#变频器工作输出电流PA1、电压PV1、频率HZ1和显示2#变频器工作输出电流PA2、电压PV2、频率HZ2的检测仪表，仪表信号分别取自1#变频器和2#变频器的模拟信号输出。
3.本套电力设备拖动系统在现场操作控制台上还设有，取自K1～K4电机并网柜的断路器合闸信号。当电机软启动结束并网柜合闸后，操作台上对应的信号灯亮，显示并网成功，电机切入工频电源运行。取自1#变频器输入隔离柜B1、1#变频器输出隔离柜P1；2#变频器输入隔离柜B2、2#变频器输出隔离柜P2的高压柜隔离小车位置信号。当变频器的输入和输出隔离柜隔离小车都在连接位时，HW1或HW2信号灯亮，显示选中的变频器。此外，现场操作控制台上还设有，取自变频器的就绪和故障信号。当变频器自动控制系统检测系统状况正常具备启动条件，可以为选中的电机进行软启动时，向操作台发出就绪信号。当检测系统状况异常，不具备启动条件时，向操作台发出变频器故障信号。
1.3系统的保护功能和故障报警
1.3.1高压继电保护
本系统中具有各种通常使用的配套保护装置，在每台“变频器输入电源柜”、“电机并网柜”上设有高压继电保护装置。在电机软启动的运行过程中，主要由变频器和变频器输入电源柜提供保护，在电动机切入工频运行后，主要由电机并网柜上的高压继电保护装置提供运行安全保护。除此之外，风机PLC负责机组的系统故障保护，轻故障时发画面报警信号，重故障时可以通过PLC输出，软启动时分闸电机起动柜，工频运行时直接分闸电机并网柜。
1.3.2变频器的控制和保护
变频器的控制
本系统变频器的内部控制方式为无传感器矢量控制，是通过控制电流和输出转矩来控制电机的转速，而且是动态的控制，响应速度也较快。
变频器的外部控制采用远方控制，即由外部信号输入控制变频器的运行。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆外部输入信号可以控制变频器的启动、停止、急停等。在特殊情况下，变频器也可以选择面板控制，利用液晶操作面板来控制变频器的启动、停止、急停等。
变频器的保护
本系统的两台大容量变频器具有非常完善的各种保护功能，包括系统输入状态错误、功率单元故障、操作错误、通信故障、变频器过热、过载、过流、欠压、过压等。
变频器的故障分为轻故障报警和重故障跳闸两种。轻故障发生只给出报警信号，不会马上停机，发现不明原因的报警信号时应及时到变频器操作面板上查询报警信息，防止变频器带故障长时间运行，更需防止突然变成重故障停机。变频器在重故障时自动停机，并故障输出动作将变频器输入电源柜分闸，发出故障信号。变频器在故障复位之前不能再次起动。重故障发生后应先检查故障代码，将面板显示的故障时间、故障代码都记录下来，不要有漏项。确认变频器的故障为保护动作的故障时，可以进行复位。如果变频器的故障为内部单元故障，应停止使用。
2应用操作和注意事项
2.1应用操作
为了使用安全考虑，本方案在高压柜和变频器不工作的初始状态时，对应的高压柜断路器都应在实验位，保持和各段母线脱离。两台变频器的输入和输出隔离柜应保持在分离位，变频器不使用时控制电源应当断电。
下面结合具体的使用操作来说明本方案的实际工作执行过程。例如，当需要起动来自不同电源的任意一台电动机时，首先选择用于电动机软启动的变频器，将选择的变频器控制电源送上。将该变频器的输入和输出隔离柜摇到工作位，将上述准备变频启动的电机，相对应的“变频器输入电源柜”、“电机并网柜”、“电机启动柜”摇到工作位。其他不参与启动的变频器和不参与启动的电动机所对应的的高压柜，不运行的电机并网柜高压断路器保持在初始（备用）状态。送上变频器的全部控制电源，将变频器柜门上的选择开关选到准备启动的电动机，将对应的“电机并网柜”变频器选择压板选到选中的变频器。当变频器自检结束状态正常后，变频器开始检查启动条件，自动控制系统对电动机的启动条件进行判断，当所有的输入信号都满足要求时，变频器显示准备就绪。此时由外部操作控制台对变频器进行启动，按下选中的变频器的启动按钮，变频器开始启动，通过变频器内部的自动控制装置，首先将对应的“变频器输入电源柜”，断路器合闸，变频器输入侧将通入三相高压电源。稍后通过输出继电器将对应的“电机启动柜”，断路器合闸。变频器的三相调频主电源通过对应的“变频器输出隔离柜”和启动段母线，以及“电机启动柜”，输送到负载电动机，电动机开始启动运转。当变频器的输出频率和电压、相位非常接近该电动机旁路电源的工频数值时，达到变频器允许的并网条件时，变频器自动控制装置对“电机并网柜”发并网指令，将相应的并网柜断路器合闸，之后将“电机启动柜”分闸，停止变频电源的输出，现场电动机接入工频电源运行，电动机的软启动过程结束。变频器自动控制装置再将“变频器输入电源柜”分闸，变频器退出工作状态。
2.2注意事项
整个系统高压设备多，高压主回路电缆并联较多，在施工和调试阶段要保证主回路的接线连接绝对正确。电缆和母线的接触面和接触强度要符合规范要求。
整个系统主要是通过人为的操作来改变各个高压断路器、高压隔离手车的位置，实现由任一变频器对四台高压电机进行任意选择软启动的。所以操作过程应该认真仔细，避免操作错误。两台变频器只能单独使用，使用其中一台变频器时，另一变频器的变频器输入隔离柜和输出隔离柜隔离手车必须在分离位。每次软启动结束时，必须将退出运行的高压柜断路器和隔离手车摇到试验位和分离位，变频器控制电源完全断开。为防止操作错误造成电气事故，本系统的各个高压柜均不应配置主回路接地刀闸，高压柜后已有接地刀闸的柜子，在施工结束前应全部拆除。
3结论
本系统的特点是通过利用高压断路器、高压隔离手车、高压电缆、分段母线的电力分配和联络功能，将两台大容量变频器和各个高压断路器、高压隔离手车、分段母线、四台高压电机相互联络，配以高压控制回路的联锁保护和变频器自动控制系统对高压系统的位置监视和输出控制功能，通过人为的选择操作改变各个高压断路器、高压隔离手车的位置，来实现由两台大容量变频器对四台高压电机进行任意选择软启动。
整个系统高压设备多，高压电缆并联较多。以往在高压拖动系统中，出于安全方面的考虑，很少对主回路电缆进行多处并联使用。通过本系统的实际应用证明，只要设计合理，防护措施得当，高压系统中也可以对主回路电缆进行大量并联使用。
本套系统自2011年完工以来，系统设备正常运行，经受了时间的考验，证明是十分可靠安全的。
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论文作者:吴跃华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/14
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