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| 高壓變頻器在同步電動(dòng)機上的應用技術(shù)。 |
| 內容簡(jiǎn)介：通過(guò)技術(shù)分析,選擇了SIMENS公司的LCI負載換流型變頻器構成變頻軟啟動(dòng)系統,希望通過(guò)該系統的設計,在掌握負載換流變頻器的工作原理和性能的基礎上,為今后變頻裝置運行、維護積累技術(shù)經(jīng)驗。通過(guò)該項目的設計研究工作,提高目前高空模擬試車(chē)臺氣源系統的自動(dòng)化水平,并建立相應的變頻軟起動(dòng)技術(shù)規范,為今后氣源系統的進(jìn)一步發(fā)展做好技術(shù)儲備。
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高壓大功率同步電動(dòng)機廣泛應用于冶金、鋼鐵、石化等行業(yè)。但是,同步電動(dòng)機的起動(dòng)一直是一個(gè)相當復雜的的問(wèn)題,其起動(dòng)方式長(cháng)期以來(lái)是人們關(guān)注的一個(gè)重要課題。 高壓大功率同步電機常用的起動(dòng)方式通常有:直接全壓起動(dòng)、串聯(lián)電抗器降壓起動(dòng)、變頻起動(dòng)等,其中最佳的起動(dòng)方式為變頻起動(dòng)。利用旋轉變頻機組啟動(dòng)高壓大功率同步電動(dòng)機,可以有效降低啟動(dòng)電流,減小啟動(dòng)沖擊。但是,旋轉變頻機組設備繁多、結構復雜、站地廣、噪音大,維護成本較高,所以該技術(shù)逐漸淘汰。 隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子學(xué)、自動(dòng)控制理論、計算機技術(shù)以及先進(jìn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展,電氣傳動(dòng)技術(shù)也發(fā)生了一場(chǎng)歷史性革命,即交流調速取代直流調速、計算機數字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)。交流靜止變頻器開(kāi)始廣泛應用于高壓大功率同步電動(dòng)機啟動(dòng)領(lǐng)域。 作者所在單位是航空發(fā)動(dòng)機高空模擬試車(chē)臺的大型氣源中心,擁有10臺10kV、12000kW同步電動(dòng)機和4臺10kV、5000kW異步電動(dòng)機。其中,12000kW同步電動(dòng)機采用旋轉變頻機組啟動(dòng)。旋轉變頻機組主要由一臺同步電動(dòng)機、兩臺直流發(fā)電機、兩臺直流電動(dòng)機和一臺同步發(fā)電機構成;輸出范圍為0.8HZ～50HZ、200V～10.5kV、4000kW;通過(guò)改變直流發(fā)電機的勵磁電流改變同步發(fā)電機的輸出頻率和電壓。啟動(dòng)12000kW同步電動(dòng)機時(shí),頻率大約0.8HZ,啟動(dòng)電流不到300A(額定電流的40%);單臺電機從啟動(dòng)到同步并網(wǎng)時(shí)間約6分鐘。該系統自動(dòng)化程度較低。 作者所在單位需要新建氣源廠(chǎng)房由三臺空氣壓縮機構成(采用10kV、15000kW同步電動(dòng)機拖動(dòng)),因此需要設計一套變頻軟啟動(dòng)系統,實(shí)現三臺壓縮機的依次啟動(dòng),要求啟動(dòng)沖擊電流小、啟動(dòng)時(shí)間短,自動(dòng)并網(wǎng)。通過(guò)技術(shù)分析,選擇了SIMENS公司的LCI負載換流型變頻器構成變頻軟啟動(dòng)系統,希望通過(guò)該系統的設計,在掌握負載換流變頻器的工作原理和性能的基礎上,為今后變頻裝置運行、維護積累技術(shù)經(jīng)驗。通過(guò)該項目的設計研究工作,提高目前高空模擬試車(chē)臺氣源系統的自動(dòng)化水平,并建立相應的變頻軟起動(dòng)技術(shù)規范,為今后氣源系統的進(jìn)一步發(fā)展做好技術(shù)儲備。
1.引言
大功率低速負載，如磨機、往復式壓縮機等，使用多極同步電動(dòng)機可以提高系統功率因數，更可以省去變速機構，如齒輪變速箱，降低系統故障率，簡(jiǎn)化系統維護。
同步電機物理過(guò)程復雜、控制難度高，高壓同步電機調速系統必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統可靠性較低。
單元串聯(lián)多電平型變頻器具有成本低，網(wǎng)側功率因數高，網(wǎng)側電流諧波小，輸出電壓波形正弦、基本無(wú)畸變，可靠性高等特點(diǎn)，高壓大容量異步電機變頻調速領(lǐng)域取了非常廣泛應用。將單元串聯(lián)多電平型變頻器應用于同步電動(dòng)機將有效提高同步電機變頻調速系統可靠性，降低同步電機變頻改造成本，提高節能改造帶來(lái)效益，同時(shí)也為單元串聯(lián)多電平型變頻器打開(kāi)一個(gè)廣闊新市場(chǎng)。利德華福技術(shù)人員大量理論分析、計算機仿真和物理系統實(shí)驗，解決了同步電機起動(dòng)整步等關(guān)鍵問(wèn)題，已于2006年4月底成功將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應用于巨化股份公司合成氨廠(chǎng)1000kW/6kV同步電動(dòng)機上。以下將簡(jiǎn)要介紹實(shí)際應用中主要技術(shù)問(wèn)題。
2.同步電動(dòng)機工頻起動(dòng)投勵過(guò)程
更好說(shuō)明同步電機運行特點(diǎn)，先對同步電機工頻起動(dòng)投勵過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
電網(wǎng)電壓直接驅動(dòng)同步電機工頻運行時(shí)，同步電動(dòng)機起動(dòng)投勵是一個(gè)比較復雜過(guò)程。當同步電機電樞繞組高壓合閘時(shí)，高壓斷路器輔助觸點(diǎn)告知同步電機勵磁裝置準備投勵。此時(shí)，勵磁裝置自動(dòng)同步電機勵磁繞組上接入一個(gè)滅磁電阻，止勵磁繞組上感應出高壓，同時(shí)起動(dòng)時(shí)提供一部分起動(dòng)轉矩。同步電機電樞繞組上電后，起動(dòng)繞組和連有滅磁電阻勵磁繞組共同作用下，電機開(kāi)始加速。當速度到達95%同步轉速時(shí)，勵磁裝置勵磁繞組上感應電壓選擇合適時(shí)機投入勵磁，電機被牽入同步速運行。同步電機凸極效應較強、起動(dòng)負載較低，則勵磁裝置找到合適投勵時(shí)機之前，同步電機已經(jīng)進(jìn)入同步運行狀態(tài)。這種情況下，勵磁裝置將延時(shí)投勵準則進(jìn)行投勵，即高壓合閘后15秒強行投勵。
3.變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機時(shí)起動(dòng)整步過(guò)程
用變頻器驅動(dòng)同步電機運行時(shí)，使用與上述方式不同起動(dòng)方式：帶勵起動(dòng)。
變頻器向同步電機定子輸出電壓之前，即啟動(dòng)前，先由勵磁裝置向同步電機勵磁繞組通以一定勵磁電流，然后變頻器再向同步電機電樞繞組輸出適當電壓，起動(dòng)電機。
同步電機與普通異步電機運行上主要區別是同步電機運行時(shí)，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間夾角必須某一范圍之內，否則將導致系統失步。電機起動(dòng)之初，這二者夾角是任意，必須適當整步過(guò)程將這一夾角控制到一定范圍之內，然后電機進(jìn)入穩定同步運行狀態(tài)。，起動(dòng)整步問(wèn)題是變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機運行關(guān)鍵問(wèn)題。
變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機起動(dòng)整步過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：
第一步，勵磁裝置投勵。勵磁系統向同步電機勵磁繞組通以一定勵磁電流，同步電機轉子上建立一定磁場(chǎng)。
第二步，變頻器向同步電機電樞繞組施加一定直流電壓，產(chǎn)生一定定子電流。
此時(shí)，同步電機上產(chǎn)生一定定子電流，并定子上建立較強磁場(chǎng)。轉子定、轉子間電磁力作用下開(kāi)始轉動(dòng)，使轉子磁極逐漸向定子磁極異性端靠近。此時(shí)轉子轉動(dòng)方向可能與電機正常運行時(shí)轉向相同，也可能相反。
第三步，變頻器電機正常運行時(shí)轉動(dòng)方向，緩慢旋轉其施加電樞繞組上電壓矢量。同步電機轉子轉動(dòng)和定子磁場(chǎng)旋轉，轉子磁極將某一時(shí)刻掠過(guò)定子異性磁極，轉子磁極加速追上旋轉定子磁極。此時(shí)，電機轉子磁極被較強定子磁極可靠吸引，二者間角度少量有阻尼震蕩后，逐漸趨于一個(gè)較小常量。至此，同步電機進(jìn)入同步運行狀態(tài)，整步過(guò)程完成。
第四步，變頻器預先設定加速度和V/F曲線(xiàn)（即磁通給定），調節輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機轉子角逐漸拉大到某一常值，然后電機轉子磁極定子磁場(chǎng)吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動(dòng)過(guò)程完成。
同步電機起動(dòng)整步過(guò)程中，定、轉子磁勢大小選擇和各步驟間切換是控制關(guān)鍵問(wèn)題。選擇過(guò)低定子磁場(chǎng)，則定子磁極無(wú)法第一次轉子異性磁極時(shí)，將其可靠吸牢，此后轉子同性磁極間斥力反向加速作用，下一次定子磁極時(shí)，二者將具有更大相對速度，定子磁場(chǎng)更加無(wú)法有效牽引轉子磁極，最終將導致起動(dòng)整步失敗。選擇過(guò)大定子磁場(chǎng)可能導致同步電機定子鐵心飽和，進(jìn)一步導致變頻器輸出過(guò)電流，電機起動(dòng)失敗。
4.變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機穩態(tài)運行與運行時(shí)勵磁調節
變頻器驅動(dòng)同步電機時(shí)使用無(wú)需安裝速度/位置傳感器控制方法，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機時(shí)波形相同，運行過(guò)程中，變頻器可以完全等效于一個(gè)正弦電壓源，無(wú)轉矩脈動(dòng)，具有較高可靠性。
同步電機無(wú)功電流僅電機和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，無(wú)須對電機勵磁電流進(jìn)行精確控制。一般可電機運行典型工況下，手動(dòng)調節其勵磁電流，使變頻器輸出電流最小，輸出功率因數近似為1，然后調速運行過(guò)程中維持該電流不變即可。需要運行時(shí)實(shí)時(shí)調整勵磁電流工況，變頻器可以實(shí)測其輸出給同步電機無(wú)功功率，向勵磁裝置下達勵磁給定信號，調整勵磁電流。
5.同步電動(dòng)機故障滅磁
正常停機時(shí)，變頻器先驅動(dòng)同步電機減速至停機轉速，然后停止向電機電樞繞組輸出電壓。該轉速下，最大勵磁電流同步電機定子側感應電壓低于變頻器輸出側長(cháng)時(shí)間耐受電壓，電機之后自由滑行過(guò)程中，維持勵磁電流不會(huì )對設備造成危害，不需要即時(shí)滅磁。
遇到故障時(shí)，僅停止向其電樞繞組供電，而維持其勵磁電流，則旋轉中同步電機將持續向其定子側發(fā)出三相交流電壓，危害設備安全，并可能造成事故擴大。遇到嚴重故障需要停機時(shí)，變頻器必須通知勵磁裝置進(jìn)行滅磁。
同步電機滅磁物理過(guò)程如下：
滅磁之初，勵磁裝置作用下同步電機勵磁電流迅速下降，但同步電機主磁通無(wú)法突變，阻尼繞組（起動(dòng)繞組）上隨即感應出較大電流，此時(shí)旋轉中同步電機向其定子機端（即變頻器輸出端）發(fā)出較高三相交流電壓。隨后，阻尼繞組上電流阻尼繞組內阻上逐步衰減為零，同步電機發(fā)出定子電壓也隨之逐步衰減。這一衰減過(guò)程一般為數秒鐘，變頻器輸出端必須具有停機狀態(tài)下承受短時(shí)過(guò)電壓能力。
6.巨化股份公司合成氨廠(chǎng)現場(chǎng)應用情況簡(jiǎn)介
巨化股份公司合成氨廠(chǎng)始建于1959年，是浙江省重要化肥生產(chǎn)基和最大甲醇、甲醛生產(chǎn)廠(chǎng)。此次進(jìn)行變頻改造是尿素車(chē)間1號CO2活塞式壓縮機，其相關(guān)參數如下：
驅動(dòng)壓縮機是一臺1000kW/6kV同步電動(dòng)機，其相關(guān)參數如下：
變頻器選用利德華福HASVERT-S06/130同步電機變頻調速系統，旁路方案選用一拖一手動(dòng)旁路柜。
工頻運行時(shí)，QS1、QS2斷開(kāi)，QS3閉合，同步電機起動(dòng)、運行、停車(chē)過(guò)程原有邏輯進(jìn)行。
變頻運行時(shí)，QS3斷開(kāi)，QS1、QS2閉合，變頻器上電時(shí)，斷路器QF閉合，約15秒延時(shí)后，勵磁裝置向同步電機投入勵磁電流，然后從現場(chǎng)向變頻器下達“啟動(dòng)”命令，變頻器預設邏輯向同步電機輸出電壓，同步電機起動(dòng)。
變頻停機時(shí)，從現場(chǎng)向變頻器下達“停機”命令，變頻器驅動(dòng)同步電機減速至停機頻率，然后停止輸出電壓。最后現場(chǎng)分斷斷路器QF，由其輔助觸點(diǎn)通知勵磁裝置滅磁，滅磁完成后關(guān)閉勵磁裝置電源。
遇到故障時(shí)，變頻器停止電壓輸出同時(shí)，立即分斷斷路器QF，由其輔助觸點(diǎn)通知勵磁裝置立即滅磁。
7.小結
單元串聯(lián)多電平型變頻器同步電動(dòng)機上應用成功實(shí)現，擴展了高壓變頻器產(chǎn)業(yè)應用領(lǐng)域，也擴大了國家能源節約政策實(shí)現途徑，為我國建設節約型社會(huì )提供了更多技術(shù)保障。
安全生產(chǎn)是煤礦生產(chǎn)永恒的主題。煤礦主提升機對整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。成果可根據1KTMN-Ⅱ型數字監控系統對提升系統工況的在線(xiàn)監測，可對相應的故障進(jìn)行識別并提出警示和控制，大大減少了無(wú)故障定期檢修的各種損失，也避免故障時(shí)維修不及時(shí)所造成的重大事故和損失。
低速直連既省掉了減速器環(huán)節，同時(shí)也節省了場(chǎng)地。省掉減速器環(huán)節后對提升機的機械部分維護大大節省了時(shí)間和費用。同時(shí)也減少了消耗在減速器上的功率，提高了效率，變頻器具有良好的線(xiàn)性調速性能，可以將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回饋電網(wǎng)，主井提升的噸煤能耗下降20％，提高了電網(wǎng)的功率因數，節能效果明顯。
HIVERT同步矢量控制高壓變頻技術(shù)成功的在新莊煤礦運用，事實(shí)證明高壓變頻器有著(zhù)無(wú)法比擬的優(yōu)越的產(chǎn)品性能和無(wú)法超越的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢；在煤炭行業(yè)的節能改造中應用能夠創(chuàng )造巨大的經(jīng)濟效益和良好的社會(huì )效益，對于創(chuàng )建節能環(huán)保型、數字化礦山發(fā)揮著(zhù)重要的作用。
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