英威腾Goodrive5000系列高压变频器

英威腾Goodrive5000系列高压变频器在某钢铁厂大功率同步電(diàn)动机上的应用(yòng)
一、             引言
高压同步電(diàn)动机以其功率因数高、运行转速稳定、低转速设计简单等优点在高压大功率電(diàn)气驱动领域有(yǒu)着大量的应用(yòng)，如大功率风机、水泵、油泵等。对于大功率低速负载，如磨机、往复式压缩机等，使用(yòng)多(duō)极同步電(diàn)动机不仅可(kě)以提高系统功率因数，更可(kě)以省去变速机构，如齿轮变速箱，降低系统故障率，简化系统维护。
由于同步電(diàn)机物(wù)理(lǐ)过程复杂、控制难度高，以往的高压同步電(diàn)机调速系统必须安装速度/位置传感器，增加了故障率，系统的可(kě)靠性较低。
单元串联多(duō)電(diàn)平型变频器由于具有(yǒu)成本低，网侧功率因数高，网侧電(diàn)流谐波小(xiǎo)，输出電(diàn)压波形正弦、基本无畸变，可(kě)靠性高等特点，在高压大容量异步電(diàn)机变频调速领域取得了非常广泛的应用(yòng)。将单元串联多(duō)電(diàn)平型变频器应用(yòng)于同步電(diàn)动机将有(yǒu)效地提高同步電(diàn)机变频调速系统的可(kě)靠性，降低同步電(diàn)机变频改造的成本，提高节能(néng)改造带来的效益，同时也為(wèi)单元串联多(duō)電(diàn)平型变频器打开一个广阔的新(xīn)市场。经过我公司技术人员经过大量的理(lǐ)论分(fēn)析、计算机仿真和物(wù)理(lǐ)系统实验，解决了同步電(diàn)机起动整步等关键问题，已于2013年11月底成功地将单元串联多(duō)電(diàn)平型高压变频器应用(yòng)于河北某钢铁集团4#烧结同步主抽风机7100kW/10kV電(diàn)动机上。如图一示為(wèi)我司高压变频器在客户现场的实景，以下将简要介绍实际应用(yòng)中的主要技术问题。

图一 高压变频器现场运行实景

二、             同步電(diàn)动机的工频起动投励过程
為(wèi)了更好的说明同步電(diàn)机的运行特点，先对同步電(diàn)机的工频起动投励过程进行简要的介绍。
在電(diàn)网電(diàn)压直接驱动同步電(diàn)机工频运行时，同步電(diàn)动机的起动投励是一个比较复杂的过程。当同步電(diàn)机電(diàn)枢绕组高压合闸时，通过高压断路器的辅助触点告知同步電(diàn)机的励磁装置准备投励。此时，励磁装置自动在同步電(diàn)机的励磁绕组上接入一个灭磁電(diàn)阻，以防止励磁绕组上感应出高压，同时在起动时提供一部分(fēn)起动转矩。同步電(diàn)机電(diàn)枢绕组上電(diàn)后，在起动绕组和连有(yǒu)灭磁電(diàn)阻的励磁绕组的共同作用(yòng)下，電(diàn)机开始加速。当速度到达95%的同步转速时，励磁装置根据励磁绕组上的感应電(diàn)压选择合适的时机投入励磁，電(diàn)机被牵入同步速运行。如果同步電(diàn)机的凸极效应较强、起动负载较低，则在励磁装置找到合适的投励时机之前，同步電(diàn)机已经进入同步运行状态。在这种情况下，励磁装置将按照延时投励的准则进行投励，即高压合闸后15秒(miǎo)强行投励。
三、             变频器驱动同步電(diàn)动机时的起动整步过程
用(yòng)变频器驱动同步電(diàn)机运行时，使用(yòng)与上述方式不同的起动方式：带励起动。在变频器向同步電(diàn)机定子输出電(diàn)压之前，即启动前，先由励磁装置向同步電(diàn)机的励磁绕组通以一定的励磁電(diàn)流，然后变频器再向同步電(diàn)机的電(diàn)枢绕组输出适当的電(diàn)压，起动電(diàn)机。
同步電(diàn)机与普通异步電(diàn)机运行上主要的區(qū)别是同步電(diàn)机在运行时，電(diàn)枢電(diàn)压矢量与转子磁极位置之间的夹角必须在某一范围之内，否则将导致系统失步。在電(diàn)机起动之初，这二者的夹角是任意的，必须经过适当的整步过程将这一夹角控制到一定的范围之内，然后電(diàn)机进入稳定的同步运行状态。因此，起动整步问题是变频器驱动同步電(diàn)动机运行的关键问题。
第一步，励磁装置投励。励磁系统向同步電(diàn)机的励磁绕组通以一定的励磁電(diàn)流，在同步電(diàn)机转子上建立一定的磁场。
第二步，变频器向同步電(diàn)机的電(diàn)枢绕组施加一定的直流電(diàn)压，产生一定的定子電(diàn)流。此时，在同步電(diàn)机上产生一定的定子電(diàn)流，并在定子上建立较强的磁场。转子在定、转子间電(diàn)磁力的作用(yòng)下开始转动，使转子磁极逐渐向定子磁极的异性端靠近。此时转子的转动方向可(kě)能(néng)与電(diàn)机正常运行时的转向相同，也可(kě)能(néng)相反。
第三步，变频器按照電(diàn)机正常运行时的转动方向，缓慢旋转其施加在電(diàn)枢绕组上的電(diàn)压矢量。随着同步電(diàn)机转子的转动和定子磁场的旋转，转子磁极将在某一时刻掠过定子的异性磁极，或者转子磁极加速追上旋转的定子磁极。此时，電(diàn)机的转子磁极被较强的定子磁极可(kě)靠吸引，二者间的角度经过少量有(yǒu)阻尼的震荡后，逐渐趋于一个较小(xiǎo)的常量。至此，同步電(diàn)机进入同步运行状态，整步过程完成。
第四步，变频器按照预先设定的加速度和V/F曲線(xiàn)（即磁通给定），调节输出電(diàn)压，逐渐加速到给定频率。此时，同步電(diàn)机的转子角逐渐拉大到某一常值，然后電(diàn)机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至期望转速，同步電(diàn)机起动过程完成。
在同步電(diàn)机的起动整步过程中，定、转子磁势大小(xiǎo)的选择和各步骤间的切换是控制的关键问题。如果选择过低的定子磁场，则定子磁极无法在第一次经过转子的异性磁极时，将其可(kě)靠吸牢，此后转子经过同性磁极间斥力的反向加速作用(yòng)，在下一次经过定子磁极时，二者将具有(yǒu)更大的相对速度，定子磁场更加无法有(yǒu)效牵引转子磁极，最终将导致起动整步失败。选择过大的定子磁场可(kě)能(néng)导致同步電(diàn)机的定子铁心饱和，进一步导致变频器输出过電(diàn)流，電(diàn)机起动失败。
四、             东莞英威腾变频器驱动同步電(diàn)动机的稳态运行与运行时的励磁调节
由于变频器驱动同步電(diàn)机时使用(yòng)无需安装速度/位置传感器的控制方法，而变频器输出波形為(wèi)多(duō)電(diàn)平PWM波形，与控制异步電(diàn)机时的波形相同，因此在运行过程中，变频器可(kě)以完全等效于一个正弦電(diàn)压源，无转矩脉动，具有(yǒu)较高的可(kě)靠性。
由于同步電(diàn)机的无功電(diàn)流仅在電(diàn)机和变频器间流动，不进入電(diàn)网，因而无须对電(diàn)机的励磁電(diàn)流进行精确的控制。一般可(kě)在電(diàn)机运行的典型工况下，手动调节其励磁電(diàn)流，使变频器的输出電(diàn)流最小(xiǎo)，输出功率因数近似為(wèi)1，然后调速运行过程中维持该電(diàn)流不变即可(kě)。对于需要在运行时实时调整励磁電(diàn)流的工况，变频器可(kě)以实测其输出给同步電(diàn)机的无功功率，向励磁装置下达励磁给定信号，调整励磁電(diàn)流。
五、             情况简介
4号烧结電(diàn)机和风机参数

采用(yòng)一拖一手动旁路图如下：

整个切换方案用(yòng)户原有(yǒu)变频软起、KA1、KA2、QF、原有(yǒu)励磁柜和新(xīn)上变频器、手动刀(dāo)闸QS1、QS2组成。在变频运行时QS1合闸QS2断开。当变频器出现故障时有(yǒu)用(yòng)户原有(yǒu)软启动部分(fēn)启动后进行工频运行此时QS2合闸QS1断开。QS1和QS2電(diàn)气连锁能(néng)够保证五联防要求。
变频运行时，QS2断开，QS1闭合，变频器上電(diàn)时，用(yòng)户开关闭合，经过约15秒(miǎo)延时后，励磁装置向同步電(diàn)机投入励磁電(diàn)流，然后从现场向变频器下达“启动”命令，变频器按照预设的逻辑向同步電(diàn)机输出電(diàn)压，同步電(diàn)机起动。
变频停机时，从现场向变频器下达“停机”命令，变频器驱动同步電(diàn)机减速至停机频率，然后停止输出電(diàn)压。最后在现场分(fēn)断用(yòng)户开关，由其辅助触点通知励磁装置灭磁，灭磁完成后关闭励磁装置電(diàn)源。
六、             小(xiǎo)结
单元串联多(duō)電(diàn)平型变频器在大功率同步電(diàn)动机上应用(yòng)的成功实现，扩展了高压变频器产业的应用(yòng)领域，也扩大了國(guó)家能(néng)源节约政策的实现途径，為(wèi)我國(guó)建设节约型社会提供了更多(duō)的技术保障。