同步電機(jī)高壓變頻器原理.ppt

同步電機(jī)高壓變頻器原理及其在煤炭行業(yè)礦井提升方面的應(yīng)用,新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)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(nèi)大功率交流同步電機(jī)傳動一般為幾百千瓦至數(shù)千千瓦。大容量、低轉(zhuǎn)速、高過載、響應(yīng)快、四象限運(yùn)行等傳動領(lǐng)域主要用于礦井提升機(jī)和鋼鐵廠的主軋機(jī)，對變頻器的控制要求特別嚴(yán)格這是普通異步電機(jī)及其變頻器所不能解決的，在此類系統(tǒng)中應(yīng)用的大多是大功率同步電機(jī)，我國目前在高壓大功率同步電機(jī)控制系統(tǒng)中采用的技術(shù)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(yīng)用范圍受限，交交變頻器的結(jié)構(gòu)方式把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)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(jī)調(diào)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(dǎo)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(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重，電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)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(guān)系，很難確定明確界限。例當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。電網(wǎng)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(diào)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(diào)速方位款，轉(zhuǎn)矩脈動低，諧波污染少，功率因數(shù)高，調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，目前我國在煤炭行業(yè)的礦井提升機(jī)的調(diào)速有采用串電阻調(diào)速，直流調(diào)速，和交流調(diào)速等等，串電阻調(diào)速和直流調(diào)速等缺點(diǎn)就不必過多的敘述，交流調(diào)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(diào)速方式采用的是交直交高高三電平直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，這種方式有其優(yōu)點(diǎn)（結(jié)構(gòu)緊湊），但其缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可維護(hù)性差），而其采用的直接轉(zhuǎn)矩控制方式，其顯著的缺點(diǎn)是低速轉(zhuǎn)矩脈動比較大，西門子有兩種，一種是前面所述的交交調(diào)速方式，另一種交直交方式和ABB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣。北京合康億盛于2008年5月份推出了全數(shù)字化高壓同步電機(jī)矢量控制變頻器，是目前國內(nèi)首家做出同步電機(jī)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(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，合康億盛的同步電機(jī)高壓變頻器采用的技術(shù)方式是交直交高低高矢量控制方式，具有調(diào)速范圍寬，恒轉(zhuǎn)矩輸出，功率因數(shù)高、具有100%能量回饋、維修方便，對電網(wǎng)無污染等技術(shù)特點(diǎn)。并且在國內(nèi)煤炭行業(yè)的礦井提升機(jī)上得到了應(yīng)用，具有啟動靜態(tài)恒轉(zhuǎn)矩啟動，啟動平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速精度高，動態(tài)響應(yīng)快，四象限運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。在礦井提升方面的變頻器應(yīng)用，合康億盛有100多臺的運(yùn)行應(yīng)用業(yè)績，同步電機(jī)矢量控制和異步電機(jī)矢量控制變頻器在大中功率的提升機(jī)上的應(yīng)用，充分證明了該技術(shù)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(chǎn)高壓、大功率變頻器的高新技術(shù)企業(yè)。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)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(jī)系列、大功率系列均通過國家電力科學(xué)研究院、國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等權(quán)威部門的嚴(yán)格測試。在質(zhì)量保證體系方面，通過了ISO9001-2000認(rèn)證。北京合康億盛科技有限公司是高壓變頻器國家標(biāo)準(zhǔn)的主要參與制定與支持單位之一，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域處國內(nèi)領(lǐng)先地位。,二、同步電機(jī)高壓變頻器矢量控制技術(shù)原理,北京合康億盛公司的同步電機(jī)矢量控制高壓變頻器的實(shí)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(jīng)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(jī)；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(shè)備的脈波數(shù)，減小網(wǎng)側(cè)高次諧波，整流變壓器采用二次側(cè)延邊三角形移相，交直交方式頻率調(diào)速范圍寬，各級功率模塊采用H全橋IGBT驅(qū)動方式，由于輸出電平數(shù)較多，輸出波形階梯增多，就可以使調(diào)制波接近正弦，降低電壓跳變，這樣諧波就少。另一個優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓的dv/dt較小，對負(fù)載電機(jī)的沖擊小。如一些軋鋼機(jī)，提升機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)。如果采用交交變頻，必須加減速機(jī)構(gòu)。而交直交可以在許可的范圍內(nèi)頻率任意調(diào)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(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動或者帶位能性負(fù)載重物下放時，電機(jī)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(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)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(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)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(yīng)用范圍,基于能量反饋的系統(tǒng)解決上述問題,并且實(shí)現(xiàn)了真正的節(jié)能目標(biāo)而不是浪費(fèi)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(jīng)光纖傳輸過來的PWM信號控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出經(jīng)單元串聯(lián)后到電機(jī)。原理如圖2。,圖2 能量回饋單元原理圖,3、全數(shù)字矢量控制方式 矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施仍然是對定子電流的控制。由于在定子側(cè)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(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算均不方便。因此，需借助于坐標(biāo)變換，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，站在同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系上觀察，電動機(jī)的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各分量之間的關(guān)系，實(shí)時地計(jì)算出轉(zhuǎn)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(shí)時控制,就能達(dá)到直流電動機(jī)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(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過坐標(biāo)的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把上述的直流給定量變換成實(shí)際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)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(zhuǎn)的坐標(biāo)系，以及矢量在各坐標(biāo)系之間的變換，交流同步電機(jī)的矢量控制，需要把電機(jī)的ABC三相定子靜止坐標(biāo)系的電流Ia、Ib、Ic、變換成和兩相靜止坐標(biāo)系(Clarke變換)，也叫三相二相變換，再從兩相靜止坐標(biāo)系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場定向坐標(biāo)系（Park變換），等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Iq、Id(Id相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流)；Iq相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)逆變換（Park逆變換）（Clarke逆變換），實(shí)現(xiàn)對同步電動機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交解耦控制。,同步電機(jī)采用改進(jìn)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(jié)構(gòu)，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)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(diào)節(jié)器，能有效地限制動態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；系統(tǒng)全數(shù)字式的關(guān)鍵是電流環(huán)數(shù)字化，就是把數(shù)?；旌鲜阶冾l系統(tǒng)中的模擬電流環(huán)，采用數(shù)字方式加以實(shí)現(xiàn)，其核心提高電流環(huán)的處理速度，達(dá)到或接近模擬電流環(huán)的響應(yīng)速度。根據(jù)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁電流If的給定，通過對同步電機(jī)的空載特性試驗(yàn)和短路同性實(shí)驗(yàn)，測出電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)并計(jì)算出所需運(yùn)行的額定勵磁電流，此時根據(jù)額定的勵磁電流If調(diào)節(jié)定子側(cè)的去磁電流Idref就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)，控制Idref就可以使得系統(tǒng)是運(yùn)行在功率因數(shù)超前還是滯后。 系統(tǒng)主控制器主控芯片采用DSP數(shù)字信號處理器，該處理器采用哈弗數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，采用四級預(yù)處理指令功能，指令執(zhí)行時間段，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)高壓變頻器中矢量控制的復(fù)雜算法和信號處理，這是通用的單片機(jī)所不能實(shí)現(xiàn)的，另外采用了外擴(kuò)的FPGA處理實(shí)時要求更高的算法處理，并對輸出的SPWM波形進(jìn)行實(shí)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(chǎn)品的壽命和可靠性，對產(chǎn)品的整體質(zhì)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(shè)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(shí)時傳遞。,三方案實(shí)現(xiàn)（應(yīng)用例子）,合康億盛的礦井提升機(jī)用高壓變頻器自推出到現(xiàn)在已經(jīng)有100多臺的實(shí)際應(yīng)用案例，在目前國內(nèi)的礦井提升機(jī)用同步電機(jī)高壓變頻器只有合康億盛推出該產(chǎn)品，而且整體性能和指標(biāo)找過國外的產(chǎn)品，同等功率的價格卻比他們的便宜的多，而且維護(hù)很方便，售后服務(wù)很到位，因此未來這方面的應(yīng)用有很大的發(fā)展空間。以下是新汶礦業(yè)集團(tuán)魯新礦的礦井提升技術(shù)方案（部分內(nèi)容）：,本控制方案系統(tǒng)采用 “NT型提升機(jī)網(wǎng)絡(luò)化集散控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已通過專家技術(shù)鑒定，是在全數(shù)字電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成了近年來國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)及提升領(lǐng)域的最新技術(shù)，可以替代原裝進(jìn)口的同類產(chǎn)品，具有較進(jìn)口設(shè)備更高的性能價格比。本方案完全滿足礦井提升機(jī)主井的技術(shù)要求，并具有更高的性能。 整個提升機(jī)電控系統(tǒng)分為3個部分：全數(shù)字交-直-交高壓變頻全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)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(jī)交-直-交變頻全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化控制，電機(jī)額定功率/電壓：3200KW/6KV并具有足夠的過載倍數(shù)（2.0），高壓供電：10KV，10KV交-直-交高壓變頻；數(shù)字監(jiān)控器、單水平提升） 調(diào)速系統(tǒng)：采用北京合康同步電機(jī)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(jī)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(jī)，同步機(jī)轉(zhuǎn)速36rpm，額定頻率7.2HZ。 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)化控制的操縱臺；,監(jiān)控系統(tǒng)：采用原裝進(jìn)口工控機(jī)系統(tǒng)含大屏幕彩色顯示器、激光打印機(jī)；監(jiān)控軟件是基于Win-CC系統(tǒng)下的人機(jī)接口，由許多標(biāo)準(zhǔn)軟件技術(shù)構(gòu)成。它用于監(jiān)視和控制過程控制系統(tǒng)，在調(diào)試過程具有編程器的功能，具有漢化程度高。 操作系統(tǒng)、調(diào)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)通訊及信號交換，并預(yù)留與礦山局域網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的接口，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。該系統(tǒng)硬件配置整潔、功能強(qiáng)大、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、高效節(jié)能,3.1、提升機(jī)電控系統(tǒng)總體技術(shù)方案 3.1.1選用北京合康億盛同步電機(jī)矢量控制高壓變頻器，滿足主井低速直聯(lián)提升機(jī)的四象限運(yùn)行的需要。 特點(diǎn)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(shù)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(nèi)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(shù)字化同步電機(jī)矢量控制技術(shù)，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(diào)速范圍0.27.2HZ,轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)2.0 功率單元采用同步整流技術(shù)，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(hù)指示功能齊全；,3.1.2 采用了全數(shù)字速度、電流、位置閉環(huán)控制使提升機(jī)在任意速度下運(yùn)行穩(wěn)定可靠并保持較高的運(yùn)行效率。 3.1.3 操作和安全保護(hù)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(shí)現(xiàn)雙線制控制，對提升機(jī)運(yùn)行關(guān)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(hù)，互為監(jiān)視。 3.1.4 PLC操作控制系統(tǒng)能完成提升機(jī)手動、半自動、全自動、檢修及緊急控制等各種運(yùn)行方式的控制要求等?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)提升容器的位置與去向及提升種類，自動選取最大的運(yùn)行速度，提高系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行方式下，司機(jī)通過急停按鈕或腳踏開關(guān)實(shí)施急停操作。,具有三條安全保護(hù)回路，其中，軟件安全回路兩條、硬件安全回路一條，關(guān)鍵環(huán)節(jié)采用三重或多重保護(hù)，比如過卷、超速等。多條安全保護(hù)回路之間互相冗余，保證礦山設(shè)備的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。輕重故障具有聲、光報(bào)警或預(yù)報(bào)警。 監(jiān)控系統(tǒng)采用奔（P4） CPU臺灣產(chǎn)工控機(jī)作為上位機(jī)，配大屏幕彩色顯示器及激光打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)多畫面實(shí)時監(jiān)控，多參量數(shù)碼及曲線顯示、記錄，各種故障的報(bào)警及記錄，所記錄的圖表、曲線多達(dá)1000次提升循環(huán)。 各子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號交換實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(fèi)用。 系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程診斷功能；,3.1.5 具有三條安全保護(hù)回路，其中，軟件安全回路兩條、硬件安全回路一條，關(guān)鍵環(huán)節(jié)采用三重或多重保護(hù)，比如過卷、超速等。多條安全保護(hù)回路之間互相冗余，保證礦山設(shè)備的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。輕重故障具有聲、