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路尚書，朱春毅，許海濤，黃  勇

1  概述
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、石油等領(lǐng)域，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)。
針對這種情況，我們與ALSTOM公司合作，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)運行。該高爐有兩臺鼓風(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)。
2  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，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。
(3)  勵磁柜
勵磁柜為同步機(jī)的轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，由勵磁控制系統(tǒng)和整流箱構(gòu)成。
(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
 3  系統(tǒng)的基本構(gòu)成
系統(tǒng)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。系統(tǒng)控制原理框圖如圖1所示。變頻軟起動系統(tǒng)主要組成如下：
3.1  定子變流主回路

圖1  變頻軟起動系統(tǒng)控制原理圖

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)行實時監(jiān)控。
3.2  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ALSTOM公司生產(chǎn)的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。同期調(diào)整裝置的主要作用，是當(dāng)電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速基本達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時，對同步電機(jī)的運行狀態(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)。
3.3  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。
4  變頻軟起動系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)
4.1  系統(tǒng)特點
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。其主要特點如下：
?  調(diào)速性能優(yōu)良，可與直流電機(jī)調(diào)速性能相媲美；
? 調(diào)速范圍可達(dá)標(biāo)1:10甚至1:50；
?  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)；
?  容易做到大容量，高轉(zhuǎn)速，高電壓；
?  變頻器效率高；
?  電流型變頻器，電流控制能力強；
?  可以方便地實現(xiàn)四象限運行。
4.2  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，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，運行安全可靠，維護(hù)量小。
4.3  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%額定轉(zhuǎn)速以下）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。
4.4  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，在電勢自然換向點之前一定角度提前換流，一般系統(tǒng)此換流超前角為60度，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度左右，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)實際的運行狀況，電壓、電流、頻率及電機(jī)主回路實際參數(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)點是最大限度的提高電機(jī)的實際有效轉(zhuǎn)矩且安全可靠。
5  系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)
(1)  軟起動變頻器容量： 10MVA
(2)  輸入電壓：         10kV
(3)  電壓波動允許值：   5%
(4)  輸入頻率：         50±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。
6  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2×30MW，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)。從硬件組態(tài)，軟件編程，硬件制作，出廠前的聯(lián)機(jī)調(diào)試及現(xiàn)場調(diào)試，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。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)運行，將SIEMENS 70年代的落后的二手設(shè)備改造成為當(dāng)今國際最先進(jìn)的控制水平的同步機(jī)軟起動系統(tǒng)。此項目的順利投運，得到了昆鋼及國內(nèi)同行的高度贊揚，也為國內(nèi)同類軟起動系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)、水泵類變頻運行系統(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。