1 引言
近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已達到直流傳動的水平，并具有成本低，性能可靠，方便快捷等優(yōu)點，已出現(xiàn)了以交流傳動取代直流傳動的強烈趨勢。濟鋼20000m3/h制氧機空分裝置9.5MW無刷勵磁同步電機采用德國西門子公司生產(chǎn)的變頻軟啟動系統(tǒng)，該系統(tǒng)投用半年來，運行狀況良好。
2 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)采用了高-低-高方案，由變頻軟起動系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、消磁裝置及降壓和升壓變壓器等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
(1) 軟起動系統(tǒng)在電機起動過程中，用來給定子繞組提供0～50Hz的變頻電壓和電流。
(2) 勵磁系統(tǒng)用來監(jiān)控整個起動過程，使電機與電網(wǎng)同步、并網(wǎng)，切工頻后，負責提供轉(zhuǎn)子勵磁電流，并進行功率因數(shù)控制。
(3) 消磁裝置用來消除升壓變壓器的剩余磁勢，為電機的下一次起動做準備。
(4) 電機采用凸極轉(zhuǎn)子、高壓無刷勵磁同步電機。其基本參數(shù)如下:
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
額定功率:9.5MW 額定電壓:10kV 額定電流:624A
額定轉(zhuǎn)速:1500rpm 頻率:50Hz 額定轉(zhuǎn)矩:60.5kNM
啟動電流:35%Ie 勵磁電壓:42V 勵磁電流:1069A
3 系統(tǒng)的基本工作原理
3.1 軟起動系統(tǒng)
系統(tǒng)采用電流型晶閘管交－直－交變壓變頻裝置，整流采用三相全控橋。逆變器由電機端電壓和負載進行換相導通，大功率半導體器件采用光纖觸發(fā)。可以對大功率同步電機進行連續(xù)的速度控制，能夠完成四象限運行。
開閉環(huán)控制系統(tǒng)使用的是SIMADYN D全數(shù)字可自由配置的多處理器控制系統(tǒng),使用STRUC G圖表編程語言進行編程,其控制原理框圖如圖2所示。當速度實際值或給定值發(fā)生變化時，速度調(diào)節(jié)器的輸出也發(fā)生變化，這一數(shù)值又作為電流調(diào)節(jié)器的輸入值，所以電流調(diào)節(jié)器的輸出也發(fā)生變化，電流調(diào)節(jié)器的輸出通過門極單元來改變整流器的觸發(fā)角，相應(yīng)地，整流電壓、整流電流也隨之改變，電機轉(zhuǎn)矩又正比于整流電流，轉(zhuǎn)矩的變化又導致電機速度的改變，直到電機轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，系統(tǒng)趨于平衡，動態(tài)調(diào)整結(jié)束。
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圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖
3.2 勵磁系統(tǒng)
勵磁系統(tǒng)由SIMOTRAS HD裝置，S7300，同步控制器，操作面板OP17等組成。
勵磁系統(tǒng)監(jiān)控電機起動的整個過程，以及完成所有的保護功能，承擔電機并網(wǎng)后勵磁電流的供給及功率因數(shù)等的調(diào)節(jié)。
(1) 電機起動控制與電網(wǎng)同步過程:
a) 當勵磁器準備好，并接到啟動命令后(OP17上的人為指令)，起動輔助裝置，并給變頻器發(fā)出指令信號，接到變頻器的返回的“準備好”信號后，勵磁器將給電機磁場送入能量，閉合出線隔離開關(guān)“OB”，并給變頻器發(fā)出開環(huán)控制系統(tǒng)起動指令。變頻器開環(huán)控制系統(tǒng)將合進線隔離開關(guān)“IB”。使變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)準備就緒。同時，勵磁電流閉環(huán)控制系統(tǒng)也準備就緒。當觸發(fā)脈沖準備好，變頻器閉環(huán)控制系統(tǒng)收到信息后，通過給電機加勵磁電流(If)，由LEM檢測△Φ(Uq=N△Φ/△t),以計算轉(zhuǎn)子的位置。
b) 接著由變頻器開始發(fā)出整流和逆變脈沖，開始起動電機并按照起動加速轉(zhuǎn)矩特性曲線，增加直流電流Id，使電機開始加速。同時增加勵磁電流If，升高Ud，啟動過程中，勵磁電流是一個電樞電流與速度的函數(shù)值。由變頻器的場定向閉環(huán)控制系統(tǒng)來設(shè)定。整流部分是一個全控三相橋，由降壓變壓器次極三相輸出進行換相導通，逆變橋由電機端子電壓和負載進行換相導通。逆變器的輸出電壓與輸出頻率成正比，因此，不會在低頻時出現(xiàn)飽和效應(yīng)。即使軟啟動器從零頻啟動，啟動轉(zhuǎn)矩也幾乎沒有任何降低。
c) 同步控制器對電網(wǎng)電壓和電機電壓進行監(jiān)測比較，當電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的92%時，同步控制器發(fā)出電壓和頻率的上升和下降的相應(yīng)脈沖信號，送入變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，當電機的相位和電壓絕對值與電網(wǎng)的相位和電壓相等時，自動同步器發(fā)出同步脈沖信號，使勵磁電流設(shè)定值鎖定。在整個啟動過程中，電機將被控制在COSΦ=1。如果在60s的時間內(nèi)沒有完成同步并網(wǎng)，系統(tǒng)將自動停車重新啟動，再次進行啟動過程。
d) 當同步器發(fā)出同步“START”指令后，勵磁系統(tǒng)將合上電網(wǎng)和電機之間的隔離開關(guān)“BB”，進行電機并網(wǎng)動作，“BB”的CLOSE狀態(tài)將在180s內(nèi)返回勵磁系統(tǒng)，并使勵磁系統(tǒng)將功率因數(shù)的設(shè)定值置為COSΦ=0.9，勵磁器同時發(fā)給變頻器OFF關(guān)機命令。此時電機的速度已同步于電網(wǎng)。
e) 變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)接到關(guān)機命令后，立即降低電流，當I=0時，關(guān)斷變頻器，向勵磁器發(fā)出“脈沖已禁發(fā)”信息，并立即斷開進線隔離開關(guān)“IB”，同時勵磁器接到“脈沖已禁發(fā)”信息時，斷開隔離開關(guān)“OB”，收到反饋信號后，變頻器給消磁系統(tǒng)發(fā)出消磁命令，由消磁系統(tǒng)完成升壓變壓器的消磁工作。變頻器的任務(wù)完成，交由勵磁系統(tǒng)控制，變頻器接到消磁任務(wù)完成信號后，便處在準備隨時啟動狀態(tài)。
f) 勵磁控制系統(tǒng)將根據(jù)控制方式的確定將電流或功率因素控制在相應(yīng)的設(shè)定值上。電機切入電網(wǎng)同步運行，整個啟動過程結(jié)束。
當控制方式由電流控制轉(zhuǎn)到功率因素控制時，利用上升沿首先將COSΦ置為0.9，再由手動設(shè)定COSΦ的設(shè)定值。
當“BB”合上后，在發(fā)出加載信號前，預(yù)使勵磁電流If增加8A，以防止失步。
(2) 消磁裝置
消磁裝置由1臺SIMOVERT MASTERDRIVES變頻器,制動單元和1臺升壓變壓器組成。
當電機達到工頻并網(wǎng)后，軟起動變頻系統(tǒng)封鎖并斷開IB(進線開關(guān))和OB(出線開關(guān))。此時，升壓變壓器和OB無釋能回路，將在OB上產(chǎn)生剩余磁勢。由于此系統(tǒng)是通過監(jiān)測電機的△Φ來計算電機轉(zhuǎn)子的初始位置的。在這種情況下，再起動電機時，就會出現(xiàn)起動失敗。所以，當電機起動完成后，由消磁裝置給升壓變壓器原邊加0～50Hz,約1～2min后再由50Hz～0Hz。對變壓器進行消磁，為下次起動電機作好準備。
a) 同步電機勵磁電流控制
當電機由起動過程變?yōu)椴⒕W(wǎng)運行后，勵磁電流閉環(huán)控制系統(tǒng)將把勵磁電流保持在變頻器閉環(huán)控制系統(tǒng)要求的設(shè)定值上。并由選擇開關(guān)選擇勵磁電流的控制方式，有三種控制方式可供選擇:勵磁電流控制方式，功率因數(shù)控制，電壓控制。
l 勵磁電流閉環(huán)控制:由于無刷勵磁同步電機的可控硅三相交流功率控制器是由數(shù)字電流閉環(huán)控制系統(tǒng)控制的，在起動過程中，勵磁電流的設(shè)定值交由變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)定的。
l 電壓控制:電壓控制是一個比勵磁電流閉環(huán)控制高一級的控制器。
功率因素控制:功率因素控制也是比勵磁電流閉環(huán)控制高一級的控制器。當電機接到供電系統(tǒng)上時，依據(jù)負載情況，功率因素始終保持在允許的極限范圍內(nèi)的一個固定值上。為確定功率因素，要一直監(jiān)測無功功率和有功功率。
改變勵磁電流可在給定負載下使電動機的功率因素等于1或者超前，如圖3所示。
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圖3 不同激磁時 COSΦD =f (P2) (If1<If2<If3)
圖3表示不同勵磁下同步電動機的功率因數(shù)特性，曲線1是勵磁電流較小的情況。此時只能在空載時達到COSΦ=1負載以后，COSΦ 逐漸降低，同時變?yōu)闇蟆Ｇ€2為增大勵磁后，可在半載時達到COSΦ=1。再進一步增大勵磁，可使?jié)M載時達到COSΦ=1。改變勵磁電流可在給定負載下使電機的功率因數(shù)等于1或者超前，這是同步電機的可貴性能之一。
3.3 系統(tǒng)保護及監(jiān)控
保護功能有差動保護，過/欠壓保護，過流保護，過壓保護，短路保護，
Pt100溫度監(jiān)測保護等。所有保護功能所需要的觸點都采用無源觸點。
l 整個驅(qū)動系統(tǒng)包括所有保護功能完全由勵磁系統(tǒng)監(jiān)視，勵磁系統(tǒng)通過1個環(huán)狀母線與變頻系統(tǒng)聯(lián)接。
l 系統(tǒng)通過監(jiān)測電機定子的電子傳感器方式來推測轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，而無需編碼器轉(zhuǎn)子位置檢測器。
l 如果在同步過渡切換瞬間，由于電網(wǎng)壓降原因造成電機失步而切換失敗，變頻系統(tǒng)有能力在任何轉(zhuǎn)速情況下，再次“抓”住電機，使之加速并同步，直至切換成功。
l 變頻器的整流和逆變側(cè)都無快速熔斷器。
l 可控硅由光纖間接觸發(fā)，并且每個可控硅都有反饋信號。
l 逆變器側(cè)裝有帶LEM板的電子互感器。
l 直流環(huán)節(jié)的電抗器具有足夠大的電感量，用來降低電流的紋波和限制電流的變化率，以防止跳閘。
l 在變頻器的出線和進線側(cè)都裝有過壓限制器。
l 在勵磁柜和變頻柜上都裝有急停按鈕。
l 如果無功功率持續(xù)超過極值達到設(shè)定的時間周期，或在1個設(shè)定的時間周期內(nèi)2次超過極值，失步保護將動作。
l 極值監(jiān)視，為監(jiān)視勵磁電流而檢測勵磁器是否過磁或欠磁。
l 勵磁電流的熱反應(yīng)輸出I2t監(jiān)視器用來報警或跳閘。
l 通過絕緣的監(jiān)視,對定子繞組接地故障進行保護。
l 在起動期間，如母線系統(tǒng)有誤，變頻器的開環(huán)系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)將自動關(guān)閉。
l 在電機穩(wěn)定運行期間，與變頻器聯(lián)接的母線系統(tǒng)有誤，勵磁系統(tǒng)會通過與變頻系統(tǒng)聯(lián)接的接口反復(fù)重新建立聯(lián)系，并給出報警信號。
4 結(jié)束語
該系統(tǒng)運行結(jié)果理想，由于電機在過渡切換到電網(wǎng)上時，變頻器一直是在滿負荷運行，因此切換動作不會帶來任何電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊。
系統(tǒng)設(shè)計功能齊全，數(shù)據(jù)監(jiān)視方便，具有較高的先進性。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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