高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用

梁安江， 張海燕， 柳 毅， 李建功

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

0 引言

同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一大難題，從20世紀(jì)30年代后期，人們就開始研究同步電機(jī)的調(diào)速問題。20世紀(jì)70年代，隨著交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制理論的產(chǎn)生及其技術(shù)的推廣應(yīng)用，世界各大電氣公司都投入大量人力、物力對(duì)交流同步電機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)進(jìn)行研究，期望將這一技術(shù)應(yīng)用于高性能要求的軋機(jī)主傳動(dòng)及礦井提升機(jī)傳動(dòng)中。迄今為止，世界上已有上千套交流變頻裝置應(yīng)用于大功率同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。除了礦井提升機(jī)和軋機(jī)外，高壓大功率的交-直-交變頻器也廣泛應(yīng)用于高爐鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)及抽水蓄能電站的大型同步電機(jī)。

同步電機(jī)相對(duì)于異步電機(jī)來說，最大的劣勢(shì)就是存在失步現(xiàn)象，這也是制約同步電機(jī)應(yīng)用變頻裝置的主要原因。若要使用變頻調(diào)速，則要求變頻裝置必須解決以下問題:(1)同步電機(jī)的起動(dòng)問題;(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)速期間同步電機(jī)失步;(3)同步電機(jī)正常停機(jī)和故障滅磁問題。

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始交流同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，20世紀(jì)80年代初已研制成功交-交變頻同步電機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)，但高壓大功率交流變頻調(diào)速裝置直到20世紀(jì)90年代后期才得到發(fā)展。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院自1999年開始通過對(duì)國(guó)內(nèi)、外高壓變頻裝置進(jìn)行調(diào)研，確立了總的技術(shù)方案，采取智能功率單元串聯(lián)多電平方式，于2002年底，研制出1 250 kW/6 kV高壓變頻裝置樣機(jī)，2003年7月通過由上海市經(jīng)濟(jì)委員會(huì)主持的產(chǎn)品技術(shù)鑒定，2003年9月正式投入運(yùn)行，2005年底又成功研制生產(chǎn)了國(guó)產(chǎn)最大容量高壓變頻裝置，容量5 000 kW，已在寧夏某藥業(yè)有限公司成功投運(yùn)。2006年，該公司開始著手研制容量9 600 kW/10 kV的高壓變頻裝置，2007年初申請(qǐng)獲得國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)專題課題。

1 同步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)分析

同步電機(jī)與普通異步電機(jī)運(yùn)行上主要的區(qū)別是:同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角δ(功率角)必須在0～90°范圍內(nèi)變動(dòng)，否則將導(dǎo)致失步。因此，同步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)必須時(shí)刻控制δ在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)，而且在同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)采取和異步電機(jī)不同的方式。以下將簡(jiǎn)要介紹同步電機(jī)變頻調(diào)速過程遇到的難點(diǎn)及MAXF變頻裝置相應(yīng)的解決措施。

1.1 同步電機(jī)的起動(dòng)

同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)于端壓U的氣隙合成總磁場(chǎng)拖著轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)，兩者空間相距δ角、同步旋轉(zhuǎn)。但在轉(zhuǎn)子靜止條件下起動(dòng)時(shí)，兩磁場(chǎng)間不能形成有效的電磁轉(zhuǎn)矩，所以同步電機(jī)不能自行起動(dòng)，必須采取起動(dòng)措施。通常同步電機(jī)起動(dòng)方法有:輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、異步起動(dòng)和變頻起動(dòng)等。

針對(duì)變頻起動(dòng)方法，又有很多種方式，有些同步電機(jī)變頻起動(dòng)均采用先投勵(lì)，此時(shí)檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置，后根據(jù)此位置加入相應(yīng)相位交流電起動(dòng)。該方式常會(huì)由于轉(zhuǎn)子位置判斷不正確導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)失敗。MAXF變頻裝置采用先異步軟起動(dòng)后順極性投勵(lì)的方法，該方法可實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)可靠起動(dòng)。

對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行異步軟起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)額定起動(dòng)力矩，將同步電機(jī)起動(dòng)到約8 Hz時(shí)進(jìn)行順極性投勵(lì)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)間夾角經(jīng)過小量有阻尼振蕩后，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。具體所投勵(lì)磁大小及投勵(lì)時(shí)頻率可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)試確定。

變頻裝置按照預(yù)先設(shè)定的加速曲線，逐漸加速到給定頻率。在調(diào)速過程中，端壓U的氣隙合成總磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在氣隙合成總磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速。通過大量MATLAB仿真和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得出:針對(duì)重載起動(dòng)的場(chǎng)合，為獲得更大起動(dòng)力矩，可適當(dāng)提高變頻裝置輸出電壓和同步電機(jī)的勵(lì)磁電流。

曼氏裂頭蚴病是人獸共患的寄生蟲病，為由曼氏迭宮絳蟲的幼蟲在人體各組織臟器間不斷移行所致的疾病。目前曼氏裂頭蚴病在我國(guó)已有數(shù)千例報(bào)告，其中廣東報(bào)道的病例數(shù)排在首位［1］。由于很多的感染和病例未被認(rèn)識(shí)或報(bào)道，我國(guó)該病的實(shí)際感染數(shù)和發(fā)病人數(shù)遠(yuǎn)在此數(shù)之上，并有逐年上升之趨勢(shì)。我科于2010年11月18日收治了1例曼氏裂頭蚴感染的患者，現(xiàn)將護(hù)理體會(huì)報(bào)道如下。

1.2 同步電機(jī)調(diào)速

變頻裝置驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，為了解決變頻裝置和同步電機(jī)間的配合，電機(jī)速度改變，同時(shí)變頻裝置也會(huì)協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)前勵(lì)磁電流大小，以及改變輸出電壓對(duì)應(yīng)值(不是簡(jiǎn)單的恒U/f控制)。

在某一設(shè)定頻率范圍運(yùn)行，變頻裝置通過內(nèi)置PID控制器，實(shí)時(shí)控制同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)方式調(diào)節(jié);在某一設(shè)定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流由變頻裝置根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況，輸出4～20 mA信號(hào)給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，采用變頻變勵(lì)磁電流方式調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方式切換由變頻裝置自動(dòng)完成，且調(diào)節(jié)方式的頻率范圍可以通過參數(shù)設(shè)置。

同步電機(jī)調(diào)速瞬間，氣隙合成磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)間功率角δ會(huì)變動(dòng)。同步電機(jī)功率角δ在運(yùn)行期間不能變化過大，尤其不能讓?duì)模?0°，這樣同步機(jī)將進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，同步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，頻率變化速率減小，這樣有利于系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

1.3 同步電機(jī)正常停機(jī)和故障滅磁

在正常停機(jī)時(shí)，變頻裝置驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)至停機(jī)轉(zhuǎn)速，然后停止變頻裝置輸出即可。減速過程中，在恒功率因數(shù)頻率點(diǎn)以上運(yùn)行，勵(lì)磁電流根據(jù)恒功率因數(shù)來調(diào)節(jié)，在頻率點(diǎn)以下范圍運(yùn)行，采用變頻變勵(lì)磁電流方式運(yùn)行。

運(yùn)行期間若變頻裝置外系統(tǒng)出問題，需要緊急停機(jī)，可以直接跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)QF，通過高壓開關(guān)輔助節(jié)點(diǎn)連跳勵(lì)磁裝置。若變頻裝置系統(tǒng)出問題要緊急停機(jī)時(shí)，變頻裝置立刻停止輸出，通過故障信號(hào)跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)，再通過高壓開關(guān)輔助節(jié)點(diǎn)連跳勵(lì)磁裝置。

滅磁初期，由于同步電機(jī)的主磁通無法突變，在阻尼繞組上感應(yīng)出很大電流，此時(shí)旋轉(zhuǎn)中的同步電機(jī)定子端會(huì)出現(xiàn)較高的三相交流電壓。因此，變頻裝置的輸出端應(yīng)具有在停機(jī)狀態(tài)下，抗短時(shí)過電壓的能力。

2 MAXF同步電機(jī)變頻裝置基本原理

MAXF變頻裝置采用若干個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)變頻功率單元串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)直接高壓10 kV輸出。輸入10 kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。10 kV變頻調(diào)速裝置每相由8個(gè)額定電壓為884 V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達(dá)8 840 V，每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 MAXF高壓變頻裝置系統(tǒng)框圖

3 同步電機(jī)變頻裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

河南心連心化肥有限公司為國(guó)家百萬噸化肥生產(chǎn)基地。該公司合成氨生產(chǎn)車間共有5臺(tái)800 kW/10 kV合成循環(huán)空壓機(jī)并列運(yùn)行，一般3臺(tái)運(yùn)行2臺(tái)備用，并隨著生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)整，人工調(diào)節(jié)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。平時(shí)由于生產(chǎn)工藝要求，經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)行空壓機(jī)的回流閥打開，造成大量電能浪費(fèi)，不僅操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且常出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥故障，增加了閥門的維修工作量。

鑒于以上原因，該公司決定對(duì)2#合成循環(huán)空壓機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，該公司通過多方考察、調(diào)研，最終選用上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院和上?？七_(dá)機(jī)電控制有限公司共同研制生產(chǎn)的同步電機(jī)高壓變頻調(diào)速裝置，型號(hào)為 MAXF 1250-10000/1250。

3.1 實(shí)施方案

同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造用的變頻調(diào)速裝置具有工頻大旁路設(shè)計(jì)。改造后，原來工頻方式的所有操作和保護(hù)都不變，只需分閘QS1和QS2，合閘QF3即可。設(shè)計(jì)時(shí)采用一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，具有工頻方式和變頻方式兩位置。將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至“變頻”位置，則變頻裝置旁路柜開關(guān)QF3分閘，延時(shí)2 s QF1、QF2合閘，而且勵(lì)磁系統(tǒng)的控制線路自動(dòng)切至變頻方式;將開關(guān)轉(zhuǎn)至“工頻”位置，則變頻裝置旁路開關(guān)QF1、QF2分閘，延時(shí)2 s QF3自動(dòng)合閘，而且勵(lì)磁系統(tǒng)控制線路自動(dòng)恢復(fù)成工頻方式。具體系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 電氣改造系統(tǒng)原理圖

MAXF系列同步機(jī)變頻裝置運(yùn)行時(shí)，將全權(quán)接管同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制，包括投勵(lì)、改變勵(lì)磁大小和退勵(lì)等。原有的勵(lì)磁裝置只是作為一個(gè)執(zhí)行器，具體勵(lì)磁大小由MAXF變頻裝置通過4～20 mA信號(hào)進(jìn)行控制。

3.2 變頻改造的經(jīng)濟(jì)效益

該公司2#合成循環(huán)機(jī)高壓同步電動(dòng)機(jī)變頻裝置自投運(yùn)以來，運(yùn)行正常，調(diào)節(jié)方便，節(jié)能效果顯著。

3.2.1 工藝操作

2#循環(huán)機(jī)變頻裝置投運(yùn)后，所有并聯(lián)循環(huán)機(jī)的旁路全部關(guān)死，總路旁路調(diào)節(jié)閥也關(guān)死，生產(chǎn)操作人員若要對(duì)循環(huán)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，只需在DCS上通過鼠標(biāo)對(duì)變頻裝置頻率進(jìn)行調(diào)整即可。這樣調(diào)節(jié)方便，精度高，而且操作人員無需調(diào)節(jié)旁路閥，大大減少了工作強(qiáng)度和旁路調(diào)節(jié)閥的后續(xù)維護(hù)量。

3.2.2 節(jié)能情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)變頻裝置投運(yùn)前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 變頻改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，改造前、后在壓縮機(jī)補(bǔ)氣流量基本不變的情況下，平均日節(jié)電約為3 085.3 kWh。年節(jié)電1 079 855 kWh(一年按運(yùn)行350天計(jì)算);年節(jié)約電費(fèi)466 497.36元(電價(jià)按0.432元/kWh計(jì)算);約2年即可收回成本。

3.3 變頻改造的綜合效益

本次變頻調(diào)速改造不僅為該公司節(jié)約大量的電能，而且大大改善了多臺(tái)空壓機(jī)并列運(yùn)行系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。實(shí)踐證明，空壓機(jī)多機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)最大容量空壓機(jī)變頻調(diào)速能取得以下效果:

(1)可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，起動(dòng)電流(小于額定電流的10%)大大減少，避免了因大起動(dòng)電流造成的絕緣老化，以及由于大電動(dòng)力矩造成的機(jī)械沖擊對(duì)電機(jī)壽命的影響，減少電機(jī)的維護(hù)工作量，節(jié)約了檢修維護(hù)費(fèi)用;

(2)采用變頻調(diào)速，避免設(shè)備的頻繁加載、卸載，延長(zhǎng)空壓機(jī)的壽命;

(3)保證供氣壓力平穩(wěn)，提高供氣質(zhì)量;

(4)減少旁路閥的操作，節(jié)約電能，為用戶節(jié)約高額的電費(fèi)開支。

3.4 變頻改造注意事項(xiàng)

(1)阻尼繞組加固。由于在同步電機(jī)的調(diào)速過程中，瞬間會(huì)出現(xiàn)電源同步轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速不一致的情況，這樣就會(huì)在同步電機(jī)的阻尼繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成電流。因此，對(duì)于調(diào)速頻繁的場(chǎng)合，在變頻改造前，要檢查阻尼繞組內(nèi)螺釘連接是否牢固，最好將其焊接好，減少繞組內(nèi)阻。這樣即使調(diào)速過程中出現(xiàn)較大感應(yīng)電流，也不會(huì)發(fā)熱很大，以致?lián)p壞電機(jī)阻尼繞組。

(2)勵(lì)磁電流控制。勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)不能簡(jiǎn)單的根據(jù)恒功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)楫?dāng)變頻器輸出頻率較低時(shí)，功率因數(shù)檢測(cè)不準(zhǔn)確，容易造成同步電機(jī)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)不穩(wěn)，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)行業(yè)的一大難題，應(yīng)用高壓變頻調(diào)速是近年來國(guó)內(nèi)變頻廠家的研究課題之一。MAXF同步電動(dòng)機(jī)高壓變頻裝置運(yùn)行安全可靠，尤其是它的起動(dòng)方式和采用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式較好。

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