同步電機高壓變頻器原理.ppt

同步電機高壓變頻器原理及其在煤炭行業(yè)礦井提升方面的應用,新汶礦業(yè)集團有限責任公司 孫惠民 北京合康億盛科技有限公司 杜心林 沈士軍,一、引言,國內大功率交流同步電機傳動一般為幾百千瓦至數千千瓦。大容量、低轉速、高過載、響應快、四象限運行等傳動領域主要用于礦井提升機和鋼鐵廠的主軋機，對變頻器的控制要求特別嚴格這是普通異步電機及其變頻器所不能解決的，在此類系統(tǒng)中應用的大多是大功率同步電機，我國目前在高壓大功率同步電機控制系統(tǒng)中采用的技術主要有交交和有交直交兩種方式，交交變頻器由于其控制原理方式的制約，造成其功能和應用范圍受限，交交變頻器的結構方式把電網頻率的交流電變成可調頻率的交流電，屬于直接變頻電路，廣泛用于大功率交流電動機調速傳動系統(tǒng)。改變切換頻率，就可改變輸出頻率；改變交流電路的導通角，就可以改變交流輸出電壓幅值；輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網電壓段數減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。輸出波形畸變和輸出上限頻率的關系，很難確定明確界限。例當采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網頻率的1/31/2。電網頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。,交直交變頻調速方式是近年和未來發(fā)展的主要方向，交直交方式相比較與交交方式的變頻具有調速方位款，轉矩脈動低，諧波污染少，功率因數高，調速范圍寬等特點，目前我國在煤炭行業(yè)的礦井提升機的調速有采用串電阻調速，直流調速，和交流調速等等，串電阻調速和直流調速等缺點就不必過多的敘述，交流調速中用的變頻以國外的為主，比如ABB、西門子等國外的傳動廠商，ABB的調速方式采用的是交直交高高三電平直接轉矩調速方式，這種方式有其優(yōu)點（結構緊湊），但其缺點也是比較多（輸入需要濾波器，輸出需要濾波器，耐壓比較低，功率器件的連接結構比較復雜，可維護性差），而其采用的直接轉矩控制方式，其顯著的缺點是低速轉矩脈動比較大，西門子有兩種，一種是前面所述的交交調速方式，另一種交直交方式和ABB的拓撲結構一樣。北京合康億盛于2008年5月份推出了全數字化高壓同步電機矢量控制變頻器，是目前國內首家做出同步電機矢量控制變頻器的公司，一舉打破了國外企業(yè)的多年壟斷行情，并且申請了專利，該項技術填補了國內的空白，合康億盛的同步電機高壓變頻器采用的技術方式是交直交高低高矢量控制方式，具有調速范圍寬，恒轉矩輸出，功率因數高、具有100%能量回饋、維修方便，對電網無污染等技術特點。并且在國內煤炭行業(yè)的礦井提升機上得到了應用，具有啟動靜態(tài)恒轉矩啟動，啟動平穩(wěn)，輸出轉矩大，調速精度高，動態(tài)響應快，四象限運行等優(yōu)點。在礦井提升方面的變頻器應用，合康億盛有100多臺的運行應用業(yè)績，同步電機矢量控制和異步電機矢量控制變頻器在大中功率的提升機上的應用，充分證明了該技術的優(yōu)勢和可靠性。,北京合康億盛科技有限公司是一家專業(yè)研發(fā)、生產高壓、大功率變頻器的高新技術企業(yè)。擁有自主知識產權的合康HIVERT系列高壓變頻器6kV系列、10kV系列、矢量控制系列、同步機系列、大功率系列均通過國家電力科學研究院、國家電控配電設備質量監(jiān)督檢驗中心等權威部門的嚴格測試。在質量保證體系方面，通過了ISO9001-2000認證。北京合康億盛科技有限公司是高壓變頻器國家標準的主要參與制定與支持單位之一，在諸多應用領域處國內領先地位。,二、同步電機高壓變頻器矢量控制技術原理,北京合康億盛公司的同步電機矢量控制高壓變頻器的實現(xiàn)由以下模塊組成，移相隔離變壓器、帶能量回饋的功率單元、主控制器、傳感器反饋裝置；三相高壓直接輸入移相隔離變壓器，經移相隔離降壓多路交流輸出后，輸入到帶能量回饋的功率單元IGBT，功率單元串聯(lián)輸出接到同步電機；系統(tǒng)的原理如圖1所示。,圖1系統(tǒng)原理,1、交直交單元串聯(lián)多電平方式 交直交方式使用移相的目的可以提高整流設備的脈波數，減小網側高次諧波，整流變壓器采用二次側延邊三角形移相，交直交方式頻率調速范圍寬，各級功率模塊采用H全橋IGBT驅動方式，由于輸出電平數較多，輸出波形階梯增多，就可以使調制波接近正弦，降低電壓跳變，這樣諧波就少。另一個優(yōu)點是輸出電壓的dv/dt較小，對負載電機的沖擊小。如一些軋鋼機，提升機，卷揚機。如果采用交交變頻，必須加減速機構。而交直交可以在許可的范圍內頻率任意調解。這就解決了上述問題。,2、基于能量回饋的功率單元 普通高壓變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構張力系統(tǒng)及機床主軸驅動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了普通高壓變頻器的應用范圍,基于能量反饋的系統(tǒng)解決上述問題,并且實現(xiàn)了真正的節(jié)能目標而不是浪費掉能量。 帶能量回饋的功率單元，輸入為移相隔離變壓器副邊降壓繞組的三相，IGBT的控制信號為經光纖傳輸過來的PWM信號控制其導通和關斷，輸出經單元串聯(lián)后到電機。原理如圖2。,圖2 能量回饋單元原理圖,3、全數字矢量控制方式 矢量控制的目的是為了改善轉矩控制性能，而最終實施仍然是對定子電流的控制。由于在定子側的各物理量（電壓、電流、電動勢、磁動勢）都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，調節(jié)、控制和計算均不方便。因此，需借助于坐標變換，使各物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標系，站在同步旋轉的坐標系上觀察，電動機的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標系上的各空間矢量就都變成了直流量，可以根據轉矩公式的幾種形式，找到轉矩和被控矢量的各分量之間的關系，實時地計算出轉矩控制所需的被控矢量的各分量值直流給定量。按這些給定量實時控制,就能達到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構的，因此，還必須再經過坐標的逆變換過程，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把上述的直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。在矢量變換的控制方法中，需用到靜止和旋轉的坐標系，以及矢量在各坐標系之間的變換，交流同步電機的矢量控制，需要把電機的ABC三相定子靜止坐標系的電流Ia、Ib、Ic、變換成和兩相靜止坐標系(Clarke變換)，也叫三相二相變換，再從兩相靜止坐標系變換成同步旋轉磁場定向坐標系（Park變換），等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Iq、Id(Id相當于直流電動機的勵磁電流)；Iq相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標逆變換（Park逆變換）（Clarke逆變換），實現(xiàn)對同步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現(xiàn)正交解耦控制。,同步電機采用改進的空間矢量磁場定向控制策略，控制系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結構，電流環(huán)采用PI調節(jié)器，實現(xiàn)簡單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環(huán)采用PI調節(jié)器，能有效地限制動態(tài)響應的超調量，加快響應速度。系統(tǒng)采用轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)；系統(tǒng)全數字式的關鍵是電流環(huán)數字化，就是把數?；旌鲜阶冾l系統(tǒng)中的模擬電流環(huán)，采用數字方式加以實現(xiàn)，其核心提高電流環(huán)的處理速度，達到或接近模擬電流環(huán)的響應速度。根據目前的微處理器DSP、A/D器件的水平，可以滿足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制軟件的優(yōu)化。 控制原理框圖如上圖3所示。,圖3 矢量控制原理圖,本方案的同步電機的勵磁電流是If是按照固定勵磁電流給定方式工作，對于同步電機的轉子勵磁電流If的給定，通過對同步電機的空載特性試驗和短路同性實驗，測出電機的各項參數并計算出所需運行的額定勵磁電流，此時根據額定的勵磁電流If調節(jié)定子側的去磁電流Idref就可以調節(jié)系統(tǒng)的功率因數，控制Idref就可以使得系統(tǒng)是運行在功率因數超前還是滯后。 系統(tǒng)主控制器主控芯片采用DSP數字信號處理器，該處理器采用哈弗數據總線結構，采用四級預處理指令功能，指令執(zhí)行時間段，處理速度快，可以實現(xiàn)同步電機高壓變頻器中矢量控制的復雜算法和信號處理，這是通用的單片機所不能實現(xiàn)的，另外采用了外擴的FPGA處理實時要求更高的算法處理，并對輸出的SPWM波形進行實時的處理，保證了輸出SPWM波形的精度和信號完整性。功率單元采用的是國外知名廠商的IGBT和電容，保證了產品的壽命和可靠性，對產品的整體質量有較好的保證。功率單元與主控制器之間的通信采用的是光纖傳輸，光纖通訊采用的光信號傳輸，可以有效的解決各個設備之間的電磁干擾問題，并且其傳輸速度快，不影響信號的實時傳遞。,三方案實現(xiàn)（應用例子）,合康億盛的礦井提升機用高壓變頻器自推出到現(xiàn)在已經有100多臺的實際應用案例，在目前國內的礦井提升機用同步電機高壓變頻器只有合康億盛推出該產品，而且整體性能和指標找過國外的產品，同等功率的價格卻比他們的便宜的多，而且維護很方便，售后服務很到位，因此未來這方面的應用有很大的發(fā)展空間。以下是新汶礦業(yè)集團魯新礦的礦井提升技術方案（部分內容）：,本控制方案系統(tǒng)采用 “NT型提升機網絡化集散控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已通過專家技術鑒定，是在全數字電控系統(tǒng)的基礎上，集成了近年來國內外網絡及提升領域的最新技術，可以替代原裝進口的同類產品，具有較進口設備更高的性能價格比。本方案完全滿足礦井提升機主井的技術要求，并具有更高的性能。 整個提升機電控系統(tǒng)分為3個部分：全數字交-直-交高壓變頻全數字調速系統(tǒng)、網絡化操作控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。,電控型號：JKMK/ZBP-NT-3200KW/10KV-31B /D1（含義：多繩提升機交-直-交變頻全數字網絡化控制，電機額定功率/電壓：3200KW/6KV并具有足夠的過載倍數（2.0），高壓供電：10KV，10KV交-直-交高壓變頻；數字監(jiān)控器、單水平提升） 調速系統(tǒng)：采用北京合康同步電機矢量控制高壓變頻器，變頻器型號：HIVERT-T3VF-066/400，輸入電壓，10KV，輸出電壓6KV，額定輸出電流400A，電機帶位置反饋編碼器，本高壓變頻器適合主井低速直聯(lián)提升機，同步機轉速36rpm，額定頻率7.2HZ。 網絡化操作系統(tǒng)：采用西門子公司S7雙PLC雙線制控制，配組合式網絡化控制的操縱臺；,監(jiān)控系統(tǒng)：采用原裝進口工控機系統(tǒng)含大屏幕彩色顯示器、激光打印機；監(jiān)控軟件是基于Win-CC系統(tǒng)下的人機接口，由許多標準軟件技術構成。它用于監(jiān)視和控制過程控制系統(tǒng)，在調試過程具有編程器的功能，具有漢化程度高。 操作系統(tǒng)、調速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、主井提升信號系統(tǒng)之間通過工業(yè)局域網絡進行系統(tǒng)通訊及信號交換，并預留與礦山局域網進行聯(lián)網的接口，具有遠程監(jiān)控功能。該系統(tǒng)硬件配置整潔、功能強大、技術先進、安全可靠、高效節(jié)能,3.1、提升機電控系統(tǒng)總體技術方案 3.1.1選用北京合康億盛同步電機矢量控制高壓變頻器，滿足主井低速直聯(lián)提升機的四象限運行的需要。 特點如下： 高壓變頻器利用36脈沖初相變壓器降壓整流，輸入電源功率因數0.96，電流諧波3.5%，系統(tǒng)不需要輸入濾波器。 高壓變頻器每相內6個功率單元串聯(lián)，輸出采用移相多重化PWM控制，輸出電壓紋波小，系統(tǒng)不需要輸出濾波器； 高壓變頻器利用全數字化同步電機矢量控制技術，電流速度采用雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)分辨率為0.01HZ,穩(wěn)定調速范圍0.27.2HZ,轉矩過載倍數2.0 功率單元采用同步整流技術，目的系統(tǒng)具有100%的具有回饋能力； 監(jiān)視器采用全中文顯示界面操作，系統(tǒng)提供完善的功能接口，方便與電控勵磁柜高壓電源的控制，保護指示功能齊全；,3.1.2 采用了全數字速度、電流、位置閉環(huán)控制使提升機在任意速度下運行穩(wěn)定可靠并保持較高的運行效率。 3.1.3 操作和安全保護系統(tǒng)，主控PLC選用SIEMENS公司的S7-400 ，副控PLC選用SIEMENS公司的S7-300；主、輔PLC之間相互通訊及監(jiān)視并實現(xiàn)雙線制控制，對提升機運行關鍵的信號（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等等）均采用多重保護，互為監(jiān)視。 3.1.4 PLC操作控制系統(tǒng)能完成提升機手動、半自動、全自動、檢修及緊急控制等各種運行方式的控制要求等?？刂葡到y(tǒng)根據提升容器的位置與去向及提升種類，自動選取最大的運行速度，提高系統(tǒng)的運行效率。 檢修：檢修速度：0.30.5m/s，最大不超過2.0m/s。檢修時手動開車。 在任何運行方式下，司機通過急停按鈕或腳踏開關實施急停操作。,具有三條安全保護回路，其中，軟件安全回路兩條、硬件安全回路一條，關鍵環(huán)節(jié)采用三重或多重保護，比如過卷、超速等。多條安全保護回路之間互相冗余，保證礦山設備的高效、安全運轉。輕重故障具有聲、光報警或預報警。 監(jiān)控系統(tǒng)采用奔（P4） CPU臺灣產工控機作為上位機，配大屏幕彩色顯示器及激光打印機，實現(xiàn)多畫面實時監(jiān)控，多參量數碼及曲線顯示、記錄，各種故障的報警及記錄，所記錄的圖表、曲線多達1000次提升循環(huán)。 各子系統(tǒng)通過網絡進行數據和信號交換實現(xiàn)網絡化集散控制，使整個系統(tǒng)的外接線大量減少，節(jié)省了安裝工期及費用。 系統(tǒng)具有遠程診斷功能；,3.1.5 具有三條安全保護回路，其中，軟件安全回路兩條、硬件安全回路一條，關鍵環(huán)節(jié)采用三重或多重保護，比如過卷、超速等。多條安全保護回路之間互相冗余，保證礦山設備的高效、安全運轉。輕重故障具有聲、