摘要：講述了濟鋼中厚板廠2500mm產線高壓水控制系統改造的背景，介紹了開關變壓器軟起動控制技術的工作原理、具體應用效果。

關鍵詞：開關變壓器 軟起動 高壓水

TheapplicationofswitchtransformercontroltechnicinhighpressurewatersystemofJinanironandsteelcorporationplatemillfactory

前言

為滿足鋼板產品質量提升的需要，濟鋼中厚板廠2500產線高壓水要提高壓力，高壓水電機需要由2600KW增加至3000KW增容改造，與之配套的高壓電機軟起動裝置也需要同步改造。

控制系統選型

當前高壓電機降壓起動主要有三種方式：

1．液態水阻降壓起動：該起動方式我們已經采用，屬于落后淘汰技術，系統不穩定，且維護量較大。

2．可控硅控制降壓起動：該起動方式的控制技術不夠可靠，操作危險，使用廠家少，一旦發生故障影響面較大，處理時間長。

3．開關變壓器降壓起動：這種起動方式是通過低壓控制高壓，控制技術成熟，設備運行和操作可靠，解決了高電壓難以駕馭的難題，且消除了系統諧波缺陷。

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

開關變壓器軟起動工作原理

開關變壓器技術是在變壓器基本原理上的一種新的應用技術，它把變壓器與晶閘管相結合，使變壓器在電路中起到一個開關的作用。在電流的每半個周期內開關一次，以實現相位控制。晶閘管放在變壓器的低壓側，免去了串聯的高風險性。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來解決，由于很好地解決了并聯均流問題，故可靠性非常高。解決了高電壓大容量電氣設備的超強電流對電網以及設備本身所帶來的危害。

開關變壓器式高壓電機軟起動裝置屬于大容量晶閘管模塊（SCR）的應用設備。高壓電機和開關變壓器的原邊繞組串聯，通過斷路器接至高壓電源母線。開關變壓器的副邊繞組則接一對反并聯的晶閘管模塊，晶閘管的導通角由控制系統控制，系統圖如圖1所示：

圖1：系統圖

SCR未導通且加上電源電壓U時，開關變壓器TK原邊和電機M上得到電壓，由于TK的空載電流遠小于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SCR控制極加上觸發電壓時，SCR從α角處導通，則U2立即降低，U2電壓如圖2中實線所示，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由大到小連續調節，則UD連續由小到大，即可實現電機端電壓從零電壓到額定電壓的變化將電機逐步平滑加速到額定速度，電機達到額定速度之后，電機起動電流開始下降，當起動電流下降到設定值時，將電機切換到運行回路，完成電機的軟起動過程。

圖2：開關變壓器一次側和二次測電壓波形圖3：電機端電壓波形

電機軟起動系統構成如圖1所示：QF2為運行柜，它與電動機M構成正常工作時的運行系統；QF1為起動柜，它與開關變壓器TK構成起動回路。當電動機起動時，合上QF1，給可控硅SCR加上觸發信號即可實現相控調壓軟起動；起動結束后，合上QF2、斷開QF1，電動機即轉入運行狀態。

起動回路的控制系統框圖如圖4所示。

圖4：控制系統框圖

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，根據差值閉環調節觸發單元的輸入電壓，改變SCR的導通角，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。

由控制系統框圖可見，如果從虛線處隔開，右側為功率主回路，左側為控制環節。當電動機功率不同時，只要更換TK、CT及SCR即可，其余控制環節不用改變。

開關變壓器軟起動技術優勢

開關變壓器軟起動技術具有簡潔、可靠、精確、靈活、省時、節約投資、減少運行維護費用等優勢。

優勢之一：簡潔

無論外部電氣連接，還是內部電路，均極度簡潔，普通技工即可掌握和維護。

優勢之二：可靠

高可靠性常規電力設備—開關變壓器和久經考驗的低壓可控硅器件，鑄就了開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置的卓越可靠性，確保了企業生產的安全性和連續性。

優勢之三：精確

純電氣裝置，真正線性控制，調節范圍大。

起動準確、重復精度高，不受環境條件影響。

電機起動電流準確從零起調，無論電網如何波動，總能將最大起動電流控制到最小。

連續多次起動，起動數據亦非常一致。

優勢之四：靈活

四種軟起動方式，更能適應不同的應用場合。

更可在現場靈活修改起動曲線，應對意料之外的變化，滿足電機起動過程的特殊要求。

優勢之五：省時

可連續多次起動的特點，能最大程度縮短系統調整、調試時間。

優勢之六：可一拖多

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

優勢之七：減少運行維護費用

基本免維護，降低維護費用。

起動過程中能耗極低，節約電能，降低運行費用。

基礎數據

1.電網參數

額定電壓UN＝6kV±10%

2.電動機參數

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；轉動慣量GD2：50Kgm2

一般技術要求

1.軟起動方式

本工程選電流斜坡式

2.起動電流

起動電流在電機額定電流的3倍以下；電機起動時間60秒以內（連續可調）；能夠滿足2臺電機的交替連續起動8次以上

3.保護功能

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。

③開關變壓器保護（瓦斯與溫度）。

4.總諧波畸變率

≤4%

主要軟硬件說明

1.開關變壓器

①非標特制：額定容量2500KVA（能夠滿足3000KW電機的起動要求）。

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，并進入控制系統進行監控。

2.可控硅

250A/5000V，西安電力電子技術研究所生產。

3.控制柜

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

4.PLC硬件系統

采用西門子S7-300產品，CPU采用S7315-2DP滿足現有的高壓水監控系統通過MPI方式進行關鍵參數的監控，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，缺相保護，接地保護；可控硅觸發角度的計算，起動曲線的選擇。

6.人機界面

采用松下GT32全中文清晰液晶屏幕，實時顯示起動數據及曲線，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檢測開關的狀態：QF2斷開；同時檢測電網電壓，PLC模塊等，一切正常后發出允許起動信號，“允許”指示燈亮。

②當操作者看到“允許”指示燈亮時，合起動開關QF1，QF1合閘后開關變壓器接入起動電路，觸發板和采樣板開始工作，電機軟起動開始。

③當PLC檢測電流下降到程序預設值時（電流表指針下降）或時間到預設值時，發出合QF2信號，使運行柜QF2合閘，電機投入正常運行，電機軟起動結束。允許信號消失，允許指示燈熄滅。4秒后將起動柜QF1跳開，使開關變壓器從電網脫離。

④在電機軟起動過程中，如有軟起故障發生，發出故障信號，將起動柜QF1跳閘，軟起動停止；如有緊急情況發生，則按下急停按鈕，即可停止整機工作。

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，則發出連續聲光報警信號，觸摸屏將顯示報警信息，此時不能發出允許起動信號，電機不能起動。如果模塊故障在起動過程中，PLC立即發出停車信號，并發出連續聲光報警信號，觸摸屏將顯示報警信息。

②上電后，PLC對三相電源的電壓進行檢測，當發現電源電壓過高（≥120%UN），電源電壓過低（≤80%UN），缺相（≤20%UN）情況時，發出連續聲光報警信號，此時不能發出允許起動信號，電機不能起動。如果電源故障在起動過程中出現電源電壓過低（≤80%UN），發出連續聲光報警信號，但不停車；如果出現電源電壓過高（≥120%UN）或缺相（≤20%UN）情況時，PLC將發出停車信號。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，則認為電機側有短路的情況發生，PLC立即發出停車信號，并發出連續聲光報警信號，觸摸屏將顯示報警信息。

④在軟起動過程中，如有一相的電流很小（≤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，系統會發出聲光報警信號，并發出停車信號，觸摸屏將顯示報警信息。

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

⑦起動結束或中止后，如有故障將發出聲光報警，并在觸摸屏使用手冊中可查到相應的信息，當所有報警都消失時，程序會恢復到初始狀態，待故障排除后，可進行下一次起動。

應用效果

1.軟起動過程是隨著電機的端電壓的逐步升高，電機電流由小到大逐步變大，能給電機以充分的加速，然后再逐步的加大電機的電流，使之接近同步(亞同步)轉速。由于有預加速作用，因此能最大限度的減小起動電流，使之對電網的沖擊最小，對電機及機械的傷害最小。

2.控制精度高，重復性好，每次都能按調好的參數軟起動。

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

4.裝置采用PLC作為主控部件，能根據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.控制系統各部件都選用高質量的常規電氣產品，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月畢業于山東工程學院電氣工程系，獲工學學士學位，2006年畢業于山東大學電氣工程學院，獲工程碩士學位。現主要從事自動化控制系統的研究與應用工作。電話：0531－88869540；郵編：250101；E-mail:hqjjn@163.com