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| 高壓變頻器在同步電動機上的應用技術。 |
| 內容簡介：通過技術分析,選擇了SIMENS公司的LCI負載換流型變頻器構成變頻軟啟動系統(tǒng),希望通過該系統(tǒng)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、維護積累技術經驗。通過該項目的設計研究工作,提高目前高空模擬試車臺氣源系統(tǒng)的自動化水平,并建立相應的變頻軟起動技術規(guī)范,為今后氣源系統(tǒng)的進一步發(fā)展做好技術儲備。
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高壓大功率同步電動機廣泛應用于冶金、鋼鐵、石化等行業(yè)。但是,同步電動機的起動一直是一個相當復雜的的問題,其起動方式長期以來是人們關注的一個重要課題。 高壓大功率同步電機常用的起動方式通常有:直接全壓起動、串聯電抗器降壓起動、變頻起動等,其中最佳的起動方式為變頻起動。利用旋轉變頻機組啟動高壓大功率同步電動機,可以有效降低啟動電流,減小啟動沖擊。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,所以該技術逐漸淘汰。 隨著電力電子技術、微電子學、自動控制理論、計算機技術以及先進制造技術的不斷發(fā)展,電氣傳動技術也發(fā)生了一場歷史性革命,即交流調速取代直流調速、計算機數字控制技術取代模擬控制技術。交流靜止變頻器開始廣泛應用于高壓大功率同步電動機啟動領域。 作者所在單位是航空發(fā)動機高空模擬試車臺的大型氣源中心,擁有10臺10kV、12000kW同步電動機和4臺10kV、5000kW異步電動機。其中,12000kW同步電動機采用旋轉變頻機組啟動。旋轉變頻機組主要由一臺同步電動機、兩臺直流發(fā)電機、兩臺直流電動機和一臺同步發(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12000kW同步電動機時,頻率大約0.8HZ,啟動電流不到300A(額定電流的40%);單臺電機從啟動到同步并網時間約6分鐘。該系統(tǒng)自動化程度較低。 作者所在單位需要新建氣源廠房由三臺空氣壓縮機構成(采用10kV、15000kW同步電動機拖動),因此需要設計一套變頻軟啟動系統(tǒng),實現三臺壓縮機的依次啟動,要求啟動沖擊電流小、啟動時間短,自動并網。通過技術分析,選擇了SIMENS公司的LCI負載換流型變頻器構成變頻軟啟動系統(tǒng),希望通過該系統(tǒng)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、維護積累技術經驗。通過該項目的設計研究工作,提高目前高空模擬試車臺氣源系統(tǒng)的自動化水平,并建立相應的變頻軟起動技術規(guī)范,為今后氣源系統(tǒng)的進一步發(fā)展做好技術儲備。
1.引言
大功率低速負載，如磨機、往復式壓縮機等，使用多極同步電動機可以提高系統(tǒng)功率因數，更可以省去變速機構，如齒輪變速箱，降低系統(tǒng)故障率，簡化系統(tǒng)維護。
同步電機物理過程復雜、控制難度高，高壓同步電機調速系統(tǒng)必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統(tǒng)可靠性較低。
單元串聯多電平型變頻器具有成本低，網側功率因數高，網側電流諧波小，輸出電壓波形正弦、基本無畸變，可靠性高等特點，高壓大容量異步電機變頻調速領域取了非常廣泛應用。將單元串聯多電平型變頻器應用于同步電動機將有效提高同步電機變頻調速系統(tǒng)可靠性，降低同步電機變頻改造成本，提高節(jié)能改造帶來效益，同時也為單元串聯多電平型變頻器打開一個廣闊新市場。利德華福技術人員大量理論分析、計算機仿真和物理系統(tǒng)實驗，解決了同步電機起動整步等關鍵問題，已于2006年4月底成功將單元串聯多電平型高壓變頻器應用于巨化股份公司合成氨廠1000kW/6kV同步電動機上。以下將簡要介紹實際應用中主要技術問題。
2.同步電動機工頻起動投勵過程
更好說明同步電機運行特點，先對同步電機工頻起動投勵過程進行簡要介紹。
電網電壓直接驅動同步電機工頻運行時，同步電動機起動投勵是一個比較復雜過程。當同步電機電樞繞組高壓合閘時，高壓斷路器輔助觸點告知同步電機勵磁裝置準備投勵。此時，勵磁裝置自動同步電機勵磁繞組上接入一個滅磁電阻，止勵磁繞組上感應出高壓，同時起動時提供一部分起動轉矩。同步電機電樞繞組上電后，起動繞組和連有滅磁電阻勵磁繞組共同作用下，電機開始加速。當速度到達95%同步轉速時，勵磁裝置勵磁繞組上感應電壓選擇合適時機投入勵磁，電機被牽入同步速運行。同步電機凸極效應較強、起動負載較低，則勵磁裝置找到合適投勵時機之前，同步電機已經進入同步運行狀態(tài)。這種情況下，勵磁裝置將延時投勵準則進行投勵，即高壓合閘后15秒強行投勵。
3.變頻器驅動同步電動機時起動整步過程
用變頻器驅動同步電機運行時，使用與上述方式不同起動方式：帶勵起動。
變頻器向同步電機定子輸出電壓之前，即啟動前，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，起動電機。
同步電機與普通異步電機運行上主要區(qū)別是同步電機運行時，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(tǒng)失步。電機起動之初，這二者夾角是任意，必須適當整步過程將這一夾角控制到一定范圍之內，然后電機進入穩(wěn)定同步運行狀態(tài)。，起動整步問題是變頻器驅動同步電動機運行關鍵問題。
變頻器驅動同步電動機起動整步過程主要分為以下幾個步驟：
第一步，勵磁裝置投勵。勵磁系統(tǒng)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。
第二步，變頻器向同步電機電樞繞組施加一定直流電壓，產生一定定子電流。
此時，同步電機上產生一定定子電流，并定子上建立較強磁場。轉子定、轉子間電磁力作用下開始轉動，使轉子磁極逐漸向定子磁極異性端靠近。此時轉子轉動方向可能與電機正常運行時轉向相同，也可能相反。
第三步，變頻器電機正常運行時轉動方向，緩慢旋轉其施加電樞繞組上電壓矢量。同步電機轉子轉動和定子磁場旋轉，轉子磁極將某一時刻掠過定子異性磁極，轉子磁極加速追上旋轉定子磁極。此時，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，逐漸趨于一個較小常量。至此，同步電機進入同步運行狀態(tài)，整步過程完成。
第四步，變頻器預先設定加速度和V/F曲線（即磁通給定），調節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時，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吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動過程完成。
同步電機起動整步過程中，定、轉子磁勢大小選擇和各步驟間切換是控制關鍵問題。選擇過低定子磁場，則定子磁極無法第一次轉子異性磁極時，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，二者將具有更大相對速度，定子磁場更加無法有效牽引轉子磁極，最終將導致起動整步失敗。選擇過大定子磁場可能導致同步電機定子鐵心飽和，進一步導致變頻器輸出過電流，電機起動失敗。
4.變頻器驅動同步電動機穩(wěn)態(tài)運行與運行時勵磁調節(jié)
變頻器驅動同步電機時使用無需安裝速度/位置傳感器控制方法，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機時波形相同，運行過程中，變頻器可以完全等效于一個正弦電壓源，無轉矩脈動，具有較高可靠性。
同步電機無功電流僅電機和變頻器間流動，不進入電網，無須對電機勵磁電流進行精確控制。一般可電機運行典型工況下，手動調節(jié)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，然后調速運行過程中維持該電流不變即可。需要運行時實時調整勵磁電流工況，變頻器可以實測其輸出給同步電機無功功率，向勵磁裝置下達勵磁給定信號，調整勵磁電流。
5.同步電動機故障滅磁
正常停機時，變頻器先驅動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時間耐受電壓，電機之后自由滑行過程中，維持勵磁電流不會對設備造成危害，不需要即時滅磁。
遇到故障時，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(xù)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，變頻器必須通知勵磁裝置進行滅磁。
同步電機滅磁物理過程如下：
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法突變，阻尼繞組（起動繞組）上隨即感應出較大電流，此時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)下承受短時過電壓能力。
6.巨化股份公司合成氨廠現場應用情況簡介
巨化股份公司合成氨廠始建于1959年，是浙江省重要化肥生產基和最大甲醇、甲醛生產廠。此次進行變頻改造是尿素車間1號CO2活塞式壓縮機，其相關參數如下：
驅動壓縮機是一臺1000kW/6kV同步電動機，其相關參數如下：
變頻器選用利德華福HASVERT-S06/130同步電機變頻調速系統(tǒng)，旁路方案選用一拖一手動旁路柜。
工頻運行時，QS1、QS2斷開，QS3閉合，同步電機起動、運行、停車過程原有邏輯進行。
變頻運行時，QS3斷開，QS1、QS2閉合，變頻器上電時，斷路器QF閉合，約15秒延時后，勵磁裝置向同步電機投入勵磁電流，然后從現場向變頻器下達“啟動”命令，變頻器預設邏輯向同步電機輸出電壓，同步電機起動。
變頻停機時，從現場向變頻器下達“停機”命令，變頻器驅動同步電機減速至停機頻率，然后停止輸出電壓。最后現場分斷斷路器QF，由其輔助觸點通知勵磁裝置滅磁，滅磁完成后關閉勵磁裝置電源。
遇到故障時，變頻器停止電壓輸出同時，立即分斷斷路器QF，由其輔助觸點通知勵磁裝置立即滅磁。
7.小結
單元串聯多電平型變頻器同步電動機上應用成功實現，擴展了高壓變頻器產業(yè)應用領域，也擴大了國家能源節(jié)約政策實現途徑，為我國建設節(jié)約型社會提供了更多技術保障。
安全生產是煤礦生產永恒的主題。煤礦主提升機對整個礦井的安全生產具有至關重要的作用。成果可根據1KTMN-Ⅱ型數字監(jiān)控系統(tǒng)對提升系統(tǒng)工況的在線監(jiān)測，可對相應的故障進行識別并提出警示和控制，大大減少了無故障定期檢修的各種損失，也避免故障時維修不及時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(jié)，同時也節(jié)省了場地。省掉減速器環(huán)節(jié)后對提升機的機械部分維護大大節(jié)省了時間和費用。同時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性調速性能，可以將制動時產生的能量回饋電網，主井提升的噸煤能耗下降20％，提高了電網的功率因數，節(jié)能效果明顯。
HIVERT同步矢量控制高壓變頻技術成功的在新莊煤礦運用，事實證明高壓變頻器有著無法比擬的優(yōu)越的產品性能和無法超越的技術領先優(yōu)勢；在煤炭行業(yè)的節(jié)能改造中應用能夠創(chuàng)造巨大的經濟效益和良好的社會效益，對于創(chuàng)建節(jié)能環(huán)保型、數字化礦山發(fā)揮著重要的作用。
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