高线精轧机LCI变频传动系统稳定运行研究

李艳东，李向前，韩 锋，刘 冬，何 威，苏 鹏，武志兰，徐田军，陈静洋

（河北钢铁股份有限公司承德分公司，河北承德 067002）

引言

当前钢铁行业中轧机机组通常是几个机架集中传动，主传动同步电机向宽调速、大容量、高速方向发展，LCI变频调速装置在轧机同步电动机调速中应用比较广泛。LCI传动系统是Load Commutated inverter for the Drive System of Synchronous Motor的缩写，称为负载换向电流型逆变器，它是利用作为负载的同步电动机端电压实现晶闸管换流的，不需要采取复杂的强制晶闸管关断的措施，电路简单，元器件少，环流可靠，且维护量低，其原理图见图1。

图1 LCI负载换流同步电机电流源型变频器原理图

1 二高线LCI装置

河北钢铁股份有限公司承德分公司二高线精轧机组同步电机采用LCI传动，主电机为双绕组同步电机，功率为5500 kW，电机型号为TDZGS5500-4，转速 1000/1500 r/min，额定电压2350/2400 V，额定电流2*746/2*733 A，频率33.3/50 Hz，励磁129/97 V，322/250 A。LCI装置由三绕组整流变压器供电，变压器型号为ZSSS-10000/10，10 000 kVA，一次电压10 kV，二次电压3 kV，分为10.5/3；10/3；9.5/3三个档位，一次侧角接，二次侧一个绕组角接，一个绕组星接。自2017年起，LCI装置不定期出现过流故障而跳车，严重影响了二高线产线的正常生产。

1.1 过流故障的原因

对精轧机自动化控制系统进行改造，用PDA系统记录LCI装置直流侧电流、逆变侧电流及LCI变压器10 kV进线电压，真正捕捉到发生过流故障时系统的工作状态。通过趋势对比，发现进线电压和精轧机传动电流波动有对应关系，在10 kV进线电压降低时，电流对应升高：10 kV电压从103%波动下降到95%时，LCI直流侧电流从90%波动上升到125%，精轧机转速从1046 r/min降到1044 r/min；当10 kV电压从103%波动下降到92%时，LCI直流侧电流从90%波动上升到150%，精轧机电流保护跳闸（电流过载保护设定值为150%）。

1.2 过电流原因分析

1.2.1 工艺方面

通过以往精轧机电流趋势，轧制φ8和φ12时，φ8比φ12电流高10%左右，精轧机速度设置相同。以往的故障记录显示，在轧制两种规格时，均发生过过流跳车现象，排除因轧制规格不同而跳车。

1.2.2 机械方面

LCI装置报过流故障，复位后就可正常转车。查找电机绕组温度趋势、振动趋势均正常，排除机械原因导致故障跳车。

1.2.3 电气方面

（1）若电机编码器检测信号不准，对LCI双闭环调整产生干扰，将可能造成过流。为排除这个原因，将测速编码器传输信号全程屏蔽，有效避免干扰，用示波器采集速度波形，信号正常。

（2）用接地电阻测试仪测试精轧机传动柜接地电阻，确认接地情况。经测试，接地电阻0.69 Ω，符合精密接地电阻要求。

（3）用直流电桥测量电机的绝缘阻值，阻值符合要求，且主电机采用防轴流电流设计、全阻尼绕组设计，能有效改善换流特性，缩短变流器的负载换流时间。排除电机本身原因。

（4）晶闸管主要参数为断态重复峰值电压VDRM8 kV、反向重复峰值电压VRRM8 kV、正向平均压降VF2.5 V、通态平均电流IT3000 A，二高线精轧机同步电机电压等级为3 kV，额定电流746 A，晶闸管选型完全满足要求；跳车电流保护值设定为150%，符合要求。

（5）从EVC包去励磁机的三相电源电缆接线正确，LCI的励磁调节器根据不同的负载和速度调节磁通。

（6）外网电压的波动：

①精轧机LCI装置控制采用双闭环调速控制，转速调节器ASR和电流调节器ACR为双闭环嵌套式串级结构，电流闭环嵌套在转速闭环之内，转速调节器ASR和电流调节器ACR串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，当电网电压降低时，电网电压的扰动作用在电流环内，经过电流调节器力图维持输出转速恒定，输出电流将增大。

②从PDA的记录趋势来分析，当二高线LCI变压器的一次侧10 kV进线电压波动下降的幅度低于10%时，电流调节器对于进线电压的波动通过电流反馈可以得到比较及时的调节，负载电流增幅在10%左右，此时晶闸管可正常逆变；但当进线电压波动下降的幅度高于10%时，负载电流大幅增高，晶闸管短路电流超过额定值150%，引起装置保护跳车。

③LCI调速系统采用同步电机过激磁时定子电流超前电压的特性，使变流器的晶闸管靠同步电机反电动势自然换流。在负载换流同步电机中，只要转子有激磁电流并在空间旋转，就会在电枢绕组中感应出反电动势。由同步电机LCI换相理论可知，晶闸管承受反向电压时间的电角度为γc=γe-μ=γ0-δμ,其中，γc为换流剩余角，γ0为空载换流超前角（恒定值），γe为电机负载时的换流超前角，δ为同步电机的功角，μ为换流重叠角（随负载电流增大而增大）。为保证换相可靠，换流剩余角γc至少应保持在10°～15°，若小于这个范围，将换流失败，造成晶闸管短路[1]。

④查找LCI上级供配电系统，LCI所在的上级35 kV母线上带有22 000 kW的精炼炉一台，经查找核对精炼炉空载合闸时刻、LCI装置过流跳车时刻的PDA历史趋势记录，在精炼炉变压器空载合闸时将35 kV母线电压拉低，最大降幅达12%左右。按照岗位作业标准，岗位人员在进行滑电极操作时，必须将变压器断电，在生产前再将变压器送电，变压器从停止状态过渡到运行状态。变压器空载接入电网的合闸过程实际主要表现为主磁通的暂态变化，而暂态磁通的大小主要取决于合闸相角，在最严重的情况下，铁芯主磁通将达到稳态最大值的2倍，在考虑铁芯原有剩磁的情况下，暂态过程中铁芯主磁通的最大值更大，在最不利的空载合闸情况下，主磁通增大一倍之多，励磁电流数值很大，可超过稳态励磁电流的几十甚至百倍，可达额定电流的6～8倍[2]，由此会引起母线电压的降落。此理论分析验证了精炼炉变压器空载合闸造成母线电压降低的现象。精炼炉35 kV母线虽装有SVC系统，但SVC装置完成一次补偿需要500 ms时间，无法对精炼炉变压器空载合闸引起的压降进行快速补偿。

3 结论

通过上述原因分析，结合LCI装置控制原理、精轧机双闭环调速控制原理，在LCI装置进线电压降低幅度过高时，双闭环调速控制系统将力图保持转速无净差，确保秒流量相等，势必会使电流增大，换流剩余角随之减小。在负载电流增幅超过一定幅度时，将导致LCI换流剩余角降至10°以下，进而引起晶闸管逆变失败，晶闸管短路过流。对LCI所在上级35 kV母线的负荷进行调整，将精炼炉变压器移出LCI所在35 kV母线，避免精炼炉变压器空载合闸对于35 kV母线电压的影响，LCI因电压降过流故障得以彻底解决。