高壓變頻器在電勵(lì)磁同步電機(jī)上的應(yīng)用

一、前言

冶金行業(yè)向來是耗能大戶，尤其在目前產(chǎn)能過剩、利潤低的情況下，節(jié)能顯得尤為重要，鋼鐵行業(yè)中的大功率電動(dòng)機(jī)耗費(fèi)了大量的電費(fèi)，由于實(shí)際過程導(dǎo)致工頻運(yùn)行大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，變頻改造成了不二之選。

目前鋼鐵行業(yè)中的燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)，功率一般為整個(gè)鋼鐵廠除了高爐鼓風(fēng)機(jī)外的第二大功率的設(shè)備，而且多為大功率同步機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步機(jī)的變頻改造一直以來就是一大技術(shù)難點(diǎn)，下面將介紹一下同步機(jī)的改造方案及應(yīng)用效果。

二、有刷電勵(lì)磁同步機(jī)及燒結(jié)工藝介紹

2.1大功率同步機(jī)變頻改造難點(diǎn)

同步機(jī)相比于異步機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)：

（1）對轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；

（2）在極低電源頻率下也能運(yùn)行，調(diào)速范圍寬；

（3）通過改變勵(lì)磁電流，功率因數(shù)可調(diào)；

（4）穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)矩與端電壓成正比；

上述的諸多優(yōu)點(diǎn)使得其使用越來越廣泛，但是大功率同步機(jī)變頻控制技術(shù)一直是高壓變頻領(lǐng)域的一大難點(diǎn)，各廠家技術(shù)參差不齊，導(dǎo)致其最終的控制效果差距較大，以下為有刷同步電機(jī)變頻改造需要注意的事項(xiàng)：

（1）同步電機(jī)的起動(dòng)問題：電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步；

（2）同步電機(jī)調(diào)速期間和勵(lì)磁裝置的協(xié)調(diào)問題，防止正常調(diào)速期間同步機(jī)失步；

（3）同步電機(jī)正常停機(jī)和故障滅磁問題。

2.2匯川技術(shù)HD93同步機(jī)控制技術(shù)

匯川依據(jù)自身多年同步機(jī)控制經(jīng)驗(yàn)，在高壓大功率同步機(jī)控制方面，通過我們大量的仿真實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析，研發(fā)了適用于高壓大功率領(lǐng)域同步機(jī)的矢量控制方案，依托于磁鏈閉環(huán)矢量控制（SFOC）這一平臺，實(shí)現(xiàn)了真正的同步機(jī)變頻無速度傳感器矢量控制技術(shù)啟動(dòng)方式（SVC），整個(gè)啟動(dòng)過程平滑、無沖擊，不存在啟動(dòng)整步問題，并且控制精度高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。

圖1：匯川同步機(jī)變頻啟動(dòng)過程圖

基于電機(jī)d - q軸 系數(shù)學(xué)方程，對電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解耦控制，具有磁鏈、電流、速度三閉環(huán)的特點(diǎn)。

通過匯川多個(gè)大容量同步機(jī)變頻改造應(yīng)用現(xiàn)場的調(diào)試運(yùn)行情況來看，匯川同步機(jī)控制方案還具有調(diào)試簡單、調(diào)試時(shí)間短，以及運(yùn)行穩(wěn)定的眾多優(yōu)點(diǎn)，得到了用戶的一致好評，匯川的同步機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)建立了絕對的領(lǐng)先地位。

2.3燒結(jié)工藝簡介

圖2：燒結(jié)工藝簡圖

燒結(jié)工藝是指根據(jù)原料特性所選擇的加工程序和燒結(jié)工藝制度，它對燒結(jié)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量有著直接而重要的影響。按照燒結(jié)過程的內(nèi)在規(guī)律選擇合適的工藝流程和操作制度，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，強(qiáng)化燒結(jié)生產(chǎn)過程，能夠獲得先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，保證實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗。本生產(chǎn)工藝流程有原料的接受，兌灰，拌合，篩分破碎及溶劑燃料的破碎篩分，配料，混料，點(diǎn)火，抽風(fēng)燒結(jié)，抽風(fēng)冷卻，破碎篩分，除塵等環(huán)節(jié)組成。目前生產(chǎn)上廣泛采用帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)燒結(jié)礦。燒結(jié)生產(chǎn)的工藝流程如上圖所示。主要包括燒結(jié)料的準(zhǔn)備，配料與混合，燒結(jié)和產(chǎn)品處理等工序。

三、項(xiàng)目改造方案

3.1項(xiàng)目簡介

本次我司HD93系列同步機(jī)專用高壓變頻器改造對象為河北省邯鄲市某鋼鐵集團(tuán)燒結(jié)廠燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)，此燒結(jié)線為200m2規(guī)模燒結(jié)線，配備有5600kW功率燒結(jié)主抽一臺，在整個(gè)燒結(jié)廠屬于耗電大戶，工頻運(yùn)行采用水阻啟動(dòng)方式，啟動(dòng)沖擊大，所以每次啟動(dòng)此電機(jī)都比較困難，另外由于要根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)風(fēng)量，平時(shí)采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行，風(fēng)門一般在60%~80%調(diào)節(jié)，能量浪費(fèi)嚴(yán)重，所以節(jié)能改造迫在眉睫。

3.2改造系統(tǒng)方案

圖3：系統(tǒng)一次圖

3.3系統(tǒng)方案說明

系統(tǒng)采用HD93高性能型同步機(jī)專用高壓變頻器、勵(lì)磁柜、開關(guān)柜和旁路柜完成對同步機(jī)負(fù)載的同步電機(jī)控制。整個(gè)系統(tǒng)方案在保留客戶原勵(lì)磁系統(tǒng)的情況下，我們重新配備變頻勵(lì)磁柜，在變頻器正常運(yùn)行的情況下，變頻器與變頻勵(lì)磁柜配合來控制客戶同步電機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)行，而為了保證電機(jī)的可靠運(yùn)行，我們配備了工頻旁路旁路系統(tǒng)，在變頻器出現(xiàn)重故障的情況下，客戶還可以利用旁路系統(tǒng)跟原工頻勵(lì)磁系統(tǒng)來進(jìn)行控制電機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行。

總結(jié)高壓變頻器方案如下:

（1）系統(tǒng)采周一拖一配手動(dòng)工頻旁路柜，工頻運(yùn)行時(shí)，可以配合原有水阻軟啟動(dòng)方式運(yùn)行；

（2）控制系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)新舊高壓柜的遠(yuǎn)程操作及聯(lián)鎖；

（3）勵(lì)磁系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)工變頻狀態(tài)的勵(lì)磁控制轉(zhuǎn)換；

3.4電氣配置說明

（1）SM為客戶現(xiàn)場電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，基本電氣參數(shù)為5600kW/10kV。

（2）Mg1為變頻運(yùn)行專用勵(lì)磁柜。在變頻狀態(tài)下，通過變頻器內(nèi)部運(yùn)算給定勵(lì)磁電流指令，勵(lì)磁柜與變頻器實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制，MG2為客戶原有工頻勵(lì)磁柜，MG1與MG2之間設(shè)置有切換開關(guān)，需要工頻運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)切換至MG2。

圖4：勵(lì)磁系統(tǒng)切換

（3）QS1、QS2、QS3為工頻旁路柜內(nèi)高壓隔離開關(guān)，用于變頻或工頻啟動(dòng)同步電機(jī)。

（4）變頻器為匯川HD93高性能型同步機(jī)高壓變頻器，基本型號為HD93-J100/8000-DN，額定頻率50Hz，最大運(yùn)行頻率為50 Hz。輸入變壓器為8000kVA/10kV干式移相變壓器，絕緣等級H級，功率單元為兩象限兩電平單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)含每相9個(gè)單元，總共27個(gè)功率單元。控制柜內(nèi)IO板提供標(biāo)準(zhǔn)IO接口和總線通訊接口（CAN、Modbus485、Profibus-DP）。

3.5系統(tǒng)功能說明（變頻工況）

（1）系統(tǒng)控制電源380V和冷卻風(fēng)機(jī)電源上電，變頻勵(lì)磁柜選擇并且控制電源上電；

（2）對變頻器和勵(lì)磁柜進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，變頻勵(lì)磁柜和變頻器置于“遠(yuǎn)方”控制；

（3）將變頻輸入隔離刀閘QS1、輸出隔離刀閘QS2合閘，勵(lì)磁切換開關(guān)切換至變頻勵(lì)磁，變頻器及勵(lì)磁柜控制系統(tǒng)自檢，如無故障，輸出“合閘允許”信號；

（4）用戶開關(guān)柜斷路器QF1合閘，待水阻柜啟動(dòng)完成后，星點(diǎn)柜QF2合閘；

（5）變頻器及勵(lì)磁柜如上電正常，輸出“變頻器準(zhǔn)備就緒”和“勵(lì)磁柜就緒”信號到總控臺；

（6）總控臺對變頻器給定運(yùn)行頻率，發(fā)啟動(dòng)指令。

（7）變頻器接收到啟動(dòng)命令后，發(fā)勵(lì)磁啟動(dòng)指令給勵(lì)磁柜，同時(shí)發(fā)出動(dòng)態(tài)勵(lì)磁電流指令；

（8）當(dāng)運(yùn)行頻率達(dá)到50Hz時(shí)，變頻器輸出電壓達(dá)到10kV。

（9）在運(yùn)行過程中，當(dāng)變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，會(huì)同時(shí)聯(lián)跳輸入斷路器QF，且通知?jiǎng)?lì)磁柜進(jìn)行滅磁。

（10）QS2和QS3設(shè)有機(jī)械聯(lián)鎖，當(dāng)QS2閉合時(shí)，QS3不能合閘。

（11）當(dāng)工藝需要停機(jī)時(shí)，通過總控臺向變頻器發(fā)送“停機(jī)”指令，變頻器接受指令后封鎖變頻器輸出。

3.6改造后節(jié)能對比

變頻改造之后實(shí)現(xiàn)了較為可觀的節(jié)電量，為公司的節(jié)能減排工作做出了較大的貢獻(xiàn)，降低了整個(gè)公司的生產(chǎn)成本，得到了客戶的一致認(rèn)可。

四、匯川HD93系列高壓變頻器簡介

4.1 HD93系統(tǒng)工作原理

圖5：產(chǎn)品原理圖

4.1.1主電路拓?fù)湓?/p>

電網(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個(gè)功率單元為一個(gè)單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯(lián)星接后形成三相變頻電源給高壓電動(dòng)機(jī)供電。根據(jù)串聯(lián)單元級數(shù)的不同，產(chǎn)品分為3kV、6kV、10kV三個(gè)系列。主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數(shù)高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無需任何功因補(bǔ)償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術(shù)，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾器。電動(dòng)機(jī)諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，無明顯電動(dòng)機(jī)噪聲。電動(dòng)機(jī)不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動(dòng)機(jī)無附加電應(yīng)力損害。

4.1.2功率單元原理

功率單元采用三相交流輸入，整流濾波后形成直流電壓，經(jīng)IGBT H橋逆變后輸出脈寬調(diào)制（PWM）電壓。功率單元控制板由IGBT驅(qū)動(dòng)電路和監(jiān)測保護(hù)電路、光纖通信電路、單元旁路電路和控制電源組成。運(yùn)行中功率單元故障時(shí)，變頻器可將故障單元自動(dòng)旁路并繼續(xù)運(yùn)行，等情況允許時(shí)再停機(jī)排除故障。

圖6：單元原理圖

4.2 HD93技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢

匯川HD93系列同步機(jī)專用高壓變頻器為完美無諧波型變頻器，采用功率單元級聯(lián)式技術(shù)路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級完成，因此控制波形和逆變波形可以實(shí)時(shí)校驗(yàn)。具有國際領(lǐng)先的技術(shù)！

所有產(chǎn)品均進(jìn)行滿載72小時(shí)測試，除一些保護(hù)功能外，同磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)（SFOC）、同步機(jī)矢量變頻控制、永磁同步高頻技術(shù)、快速疊頻技術(shù)、Syn-transfer技術(shù)、同步機(jī)飛車啟動(dòng)、非對稱機(jī)械旁路技術(shù)、雙路控制電源等功能，這些功能技術(shù)上處于國際領(lǐng)先水平。

公司的電力電子，自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域具有理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀科研隊(duì)伍，長期致力于電力電子領(lǐng)域各類產(chǎn)品的開發(fā)研制，對于關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)工藝也作了大量的完善和改進(jìn)，如：其中層疊直流母線的制作工藝保證了直流母線的分布電感最小，有效抑制了功率器件在開關(guān)過程中的di/dt電壓尖峰；高密度FPGA貼片工藝保證了控制器在惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行；整流橋、功率器件和電解電容的安裝工藝使整個(gè)系統(tǒng)的離散性達(dá)到最小，保證質(zhì)量和性能的高度一致性。為保障質(zhì)量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調(diào)試工裝，建全了相應(yīng)的質(zhì)量管理體系。

五、現(xiàn)場應(yīng)用照片

圖7：電機(jī)及負(fù)載

圖8：變頻器上電沖擊波形示意

圖9：動(dòng)態(tài)勵(lì)磁過程波形（紅色曲線為勵(lì)磁電流）

六、總結(jié)

冶金行業(yè)歷來屬于高耗能行業(yè)，大功率電機(jī)數(shù)量巨大，常年工頻運(yùn)行導(dǎo)致能源浪費(fèi)嚴(yán)重，變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著地節(jié)能效果，且能夠改善運(yùn)行工藝，達(dá)到多重改造效果，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著，燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)的變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較高的節(jié)能效果，還能夠?qū)崿F(xiàn)大功率同步電機(jī)的啟動(dòng)調(diào)速問題。匯川技術(shù)HD93系列同步機(jī)專用高壓變頻器之所以能夠成功的改造此次大功率燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)，也是產(chǎn)品高性能、高可靠性的一個(gè)證明。

匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對冶金行業(yè)的變頻改造具有獨(dú)到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工、市政、裝備制造業(yè)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

審核編輯：湯梓紅