1 引言
中壓大容量的交流同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于電力、冶金、礦山、石油等生產(chǎn)部門，比如電廠的發(fā)電機(jī)、提水蓄能電站揚(yáng)水泵、鍋爐給水泵，冶金行業(yè)的高爐鼓風(fēng)機(jī)、制氧機(jī)，礦井通風(fēng)機(jī)等。這些系統(tǒng)中的交流同步電機(jī)，一般都是電壓6-10kv以上，容量數(shù)兆瓦的高壓同步電機(jī)。由于容量很大，直接起動對電網(wǎng)的沖擊太大，不可能直接起動并入電網(wǎng)。因而須采用軟起動設(shè)備將同步機(jī)按一定的加速度起動起來，通過同期調(diào)整，待頻率、電壓及相角滿足要求時再并入電網(wǎng)。國內(nèi)的軟起動設(shè)備裝備水平落后，起動控制故障率高，給順利并網(wǎng)造成許多困難。國際上多為全數(shù)字的系統(tǒng)，而要全面采用國外進(jìn)口設(shè)備則價格昂貴。因此，根據(jù)國內(nèi)市場需求，需要研制一種大型同步機(jī)的軟起動系統(tǒng)，跟蹤國際先進(jìn)水平，裝備新上工程和改造老的設(shè)備。
針對這種情況，我們與alstom合作，采用進(jìn)口硬件, 通過自己組態(tài)編制軟件，研制和開發(fā)了高壓直接變頻全數(shù)字大型同步電機(jī)軟起動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要設(shè)備由交－直－交10kv光纖觸發(fā)電流型變頻器、32位處理器變頻起動控制及同期并網(wǎng)調(diào)整系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)勵磁系統(tǒng)和運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)等組成。
該系統(tǒng)已于1998年9月在昆明鋼鐵公司6號高爐鼓風(fēng)機(jī)上成功投入工業(yè)運(yùn)行。昆鋼高爐鼓風(fēng)機(jī)同步機(jī)軟起動系統(tǒng)，電機(jī)容量2x30mw，系統(tǒng)裝置容量10kv 10mva。是國內(nèi)首次完全依靠自己的技術(shù)力量，采用國際最先進(jìn)的無位置傳感器及速度檢測器的32位全數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了最先進(jìn)的換流裕量控制策略。具有國際先進(jìn)控制水平。
2 同步電機(jī)的基本參數(shù)
昆明鋼鐵公司6號高爐有兩臺鼓風(fēng)機(jī)，每臺鼓風(fēng)機(jī)由一臺30mw同步電動機(jī)驅(qū)動，兩臺鼓風(fēng)機(jī)一用一備。兩臺電機(jī)共用一套軟起動系統(tǒng)。
同步電機(jī)主要參數(shù)如下:
型 號: 1dm3850－6de01
定子電壓: 3ac10kv
定子電流: 1760a
額定轉(zhuǎn)速: 3000rpm
轉(zhuǎn)子勵磁電壓: 126v，無刷旋轉(zhuǎn)勵磁
轉(zhuǎn)子勵磁電流: 505a
數(shù) 量: 2臺
3 軟起動系統(tǒng)主要設(shè)備
(1) 變頻起動功率部分
功率部分為晶閘管串聯(lián)，整流橋和逆變橋結(jié)構(gòu)相同，每橋臂12只scr元件串聯(lián)，它們構(gòu)成交－直－交電流型10kv變頻器的功率部分。脈沖采用光纖傳輸,極其有效的避免了脈沖干擾,同時解決了高低壓之間的絕緣隔離問題。
(2) 變頻起動控制柜
控制柜是本套變頻裝置的控制核心，包括一套數(shù)字化控制器、同期調(diào)整裝置和一些輔助設(shè)備。控制器為由-a300、-a320、-a340組成的整體控制機(jī)箱。
(3) 勵磁柜
勵磁柜為同步機(jī)的轉(zhuǎn)子提供勵磁電流。
勵磁柜內(nèi)有以mcu032為核心的勵磁控制系統(tǒng)和型號為tr32-10的400a整流箱等。
(4) 電壓檢測及繼電柜
電壓檢測主要是通過檢測同步機(jī)的定子電壓來檢測電勢，從而為逆變橋脈沖控制提供有效信息。
(5) 交流進(jìn)線電抗器
(6) 直流電抗器
4 系統(tǒng)的基本構(gòu)成
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如附圖所示，它主要由定子回路控制器、旋轉(zhuǎn)勵磁控制器、整流逆變功率器件、電流檢測ct、電壓檢測pt等構(gòu)成。定子及旋轉(zhuǎn)勵磁控制系統(tǒng)均采用32位處理器。
變頻軟起動系統(tǒng)主要組成如下:
附圖 變頻軟起動系統(tǒng)控制原理框圖
4.1 定子變流主回路
本系統(tǒng)采用交－直－交電流型變流供電方式，采用無換向器電機(jī)控制原理。由于是直接高壓變頻，沒有高壓變壓器，三相交流電壓10kv經(jīng)由高壓開關(guān)柜、高壓交流進(jìn)線電抗器直接送入整流柜，經(jīng)整流側(cè)的scr將其整流得到直流母線電壓，直流電壓再經(jīng)平波電抗器送入逆變柜中，由逆變柜中的scr再將它逆變成頻率可變(0-60hz)、電壓可變(0-10kv)的交流電源，饋電給10kv、30mw交流同步電機(jī)。整流和逆變柜中共用scr 144支，每一橋臂由12支scr串聯(lián)構(gòu)成，scr的參數(shù)為3000v、580a。整流和逆變柜中的scr采用帶自動強(qiáng)制觸發(fā)的光纖觸發(fā)原理,且將每一scr的導(dǎo)通信息處理后,通過光線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中,進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
4.2 定子回路控制器
本系統(tǒng)的控制箱部分是系統(tǒng)控制核心，包括一套數(shù)字化控制器、同期調(diào)整裝置和一些輔助設(shè)備。
控制器為由-a300、-a320、-a340組成的整體控制機(jī)箱。主要由通用處理器mcu032、存儲卡mec032、開關(guān)量輸入輸出板bio032、模擬量輸入輸出板ada132、整流脈沖控制lcc板、逆變脈沖控制板mcc板、系統(tǒng)操作面板等構(gòu)成。所有的控制板都是基于一個系統(tǒng)總線。圖1示出變頻器軟起動系統(tǒng)控制原理框圖。
同期調(diào)整裝置的主要作用，是當(dāng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速基本達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時，對同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與電網(wǎng)進(jìn)行同期調(diào)整。當(dāng)同步電機(jī)的運(yùn)行頻率、相位及電壓都滿足了并網(wǎng)要求時，發(fā)出并網(wǎng)指令將同步電機(jī)并入電網(wǎng)。
4.3 旋轉(zhuǎn)勵磁回路控制器
對于特大容量的同步電機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)勵磁機(jī)省去了普通同步機(jī)的勵磁滑環(huán)，有效地解決了勵磁滑環(huán)炭刷磨損所引起的一系列問題，提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，減少了設(shè)備維護(hù)量。
旋轉(zhuǎn)勵磁回路控制器，主回路采用電流閉環(huán)的scr變流控制。同步機(jī)起動及并網(wǎng)過程中接受定子變頻系統(tǒng)的給定，并網(wǎng)后接受來自同步機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。
此系統(tǒng)主要由處理器mcu032、電流控制器sre032和脈沖形成放大單元及功率變流器件、檢測器件等構(gòu)成，完成旋轉(zhuǎn)勵磁機(jī)的交流調(diào)壓電流閉環(huán)控制。
5 變頻軟起動系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)
5.1 系統(tǒng)控制原理
對于大容量的高速同步電機(jī)采用國際上通用的無換向器電機(jī)控制原理。其主要特點(diǎn)如下:
l 調(diào)速性能優(yōu)良，可與直流電機(jī)調(diào)速性能相媲美。
l 調(diào)速范圍可達(dá)1:10甚至1:50。
l 結(jié)構(gòu)簡單,無機(jī)械換向器,不會產(chǎn)生火花,便于維護(hù)。
l 容易做到大容量,高轉(zhuǎn)速,高電壓.
l 變頻器效率高。
l 電流型變頻器,電流控制能力強(qiáng)。
l 可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。
因而，大容量高速同步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)廣泛采用無換向器電機(jī)控制原理。
5.2 換流控制策略
換流控制方式是一個系統(tǒng)水平的重要標(biāo)志，本系統(tǒng)采用完全無位置傳感器方式。
在昆鋼30mw同步機(jī)變頻軟起動系統(tǒng)中，我們采用了完全無位置傳感器方式，無轉(zhuǎn)子位置檢測器，也無速度傳感器。通過定子pt檢測出的電壓信號計算出換流位置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行安全可靠，維護(hù)量小。
5.3 初始起動脈沖定位及換流方式轉(zhuǎn)換
有位置傳感器時，系統(tǒng)上電時通過傳感器即可知道轉(zhuǎn)子位置。無位置傳感器系統(tǒng)要使電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)順利起動起來，就需要采取一定措施將轉(zhuǎn)子初始位置檢測出來。我們可以在同步機(jī)勵磁回路加階躍電流，由從定子pt檢測到的三相電壓信號得到轉(zhuǎn)子初始位置，即可正確地發(fā)起動脈沖，使電機(jī)順利地起動起來。
換流方式為:低速(一般6%以下)采用電流控制斷續(xù)換流，達(dá)到一定速度(一般6%-8%)采用電壓信號換流，速度繼續(xù)升高(一般達(dá)到8%-10%以上)則采用負(fù)荷換流。
5.4 換流裕度控制
根據(jù)無換向器電機(jī)原理做的同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，最初一般采用恒換流超前角控制，后來發(fā)展到恒換流剩余角控制。
恒換流超前角控制即為了不導(dǎo)致?lián)Q流失敗，在電勢自然換向點(diǎn)之前一定角度提前換流，一般系統(tǒng)此換流超前角為60°，轉(zhuǎn)矩脈動分量比較大。
恒換流剩余角控制一般留的換流剩余角為45°左右，比恒換流超前角控制有所改善，現(xiàn)在國際和國內(nèi)比較先進(jìn)的系統(tǒng)大多都采用恒換流剩余角控制。
本系統(tǒng)采用最為先進(jìn)的換流裕度控制。所謂換流裕度控制是根據(jù)電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行狀況，電壓、電流、頻率及電機(jī)主回路實(shí)際參數(shù)按一定的數(shù)學(xué)模型算出換流所需的參量，進(jìn)行換流控制。它的優(yōu)點(diǎn)是最大限度的提高電機(jī)的實(shí)際有效轉(zhuǎn)矩且安全可靠。
6 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)
(1) 軟起動變頻器容量: 10000kva
(2) 輸入電壓: 10kv
(3) 電壓波動允許值: ±5%
(4) 輸入頻率: 50hz±2hz
(5) 輸出頻率: 0－60hz
(6) 輸出頻率精度: 0.1%
(7) 光纖觸發(fā)
(8) 電流型變頻器電流控制特性好
(9) 冷卻方式:強(qiáng)迫風(fēng)冷
(10) 軟件模塊化編程，可靈活修改參數(shù)
(11) 可靠性高，具有完善的故障自診斷和故障記憶顯示功能
7 結(jié)語
昆鋼高爐鼓風(fēng)機(jī)同步機(jī)軟起動工程，電機(jī)容量2x30mw，系統(tǒng)裝置容量10mva/10kv。是國內(nèi)首次完全依靠自己的技術(shù)力量，承接的電機(jī)及裝置容量比較大的工程項目。
本系統(tǒng)采用國際最先進(jìn)的無位置檢測器及速度檢測器，全數(shù)字技術(shù)32位控制技術(shù)。在現(xiàn)場從系統(tǒng)送電開始僅用十天左右的時間，就如期順利地完成了兩臺30mw同步電機(jī)的成功并網(wǎng)運(yùn)行，將siemens 70年代落后的二手設(shè)備改造成為當(dāng)今國際先進(jìn)控制水平的同步機(jī)軟起動系統(tǒng)。
此項目的順利投運(yùn)，得到了昆鋼及國內(nèi)同行的高度贊揚(yáng)，也為國內(nèi)同類軟起動系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)、水泵類變頻運(yùn)行系統(tǒng)的改造提供了先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備和成功改造的范例。
參考文獻(xiàn)
[1] 許大中. 晶閘管無換向器電機(jī)[m].北京:科學(xué)出版社，1984.
作者簡介
路尚書(1963-) 教授級高級工程師 1983年華中科技大學(xué)畢業(yè)，主要從事交直流電氣傳動及自動化系統(tǒng)的研究和工程應(yīng)用工作。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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