高壓大功率同步機的控制策略與應用研究

ABSTRACT: Implementation and application of high voltage large capacity synchronous machine with digital vector control.

KEY WORD:Large capacity drive, vector control, digital, control method

摘要 : 高壓大功率同步機采用全數字化矢量控制方法控制的實現及其應用。

關鍵詞 : 大功率變頻器，矢量控制，全數字化，控制方法

隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，交流調速取代直流調速技術已成為發展趨勢。而變頻調速具有優異的調速和制動性能，高效節能的效果。近期國家發改委將高壓變頻列為首批50項重點推廣的節能產品。

榮信電力電子股份有限公司是專業從事高壓大功率電力電子柔性輸配電和自動化裝備研發和生產的國家級重點高新企業。榮信公司主導產品之一-——高壓電機變頻調速裝置（RHVC）是采用目前國際上先進的IGBT功率單元串聯多電平技術、數字控制技術、SPWM脈寬調制技術及超導熱管散熱技術研制而成的系列高壓電機節能調速產品

榮信電力電子股份有限公司對鐵煤集團大興礦井主通風機采用了高壓變頻改造,選用功率單元串聯多電平高壓變頻器 ,實現主通風機的電能節約和風量無級調速。

鐵煤集團大興礦井主通風機采用同步電機，而交流同步電機的調速是電氣驅動領域的一大難題。難點在于與普通異步電機運行相比，同步電機在運行時，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內，否則將導致系統失步。因此同步電機進行變頻調速改造時對高壓變頻裝置的要求也有些差別，具體要求如下：

（1）能夠解決同步電機啟動整步問題；

（2）能夠解決同步電機調速過程中輸出電壓和勵磁電流的協調控制；

（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應盡可能小。

鐵煤集團大興礦井主通風機擔負著該礦井下主通風任務，現在系統存在的問題：

（1）調節精度低、線性度差、實時性差；

（2）采用風門調節，造成管路壓力增加，造成大量電能浪費；

（3）直接起動時，造成電網波動嚴重和機械沖擊大，影響著系統的運行可靠性和壽命。

鑒于上述問題的存在，對現有風機進行變頻技術改造，采用完美無諧波大功率變頻器實現主通風機同步電機無級調速技術方案。

該高壓變頻器采用性能優良、技術成熟、安全可靠的完美無諧波功率單元串聯多電平技術。整個變頻系統主要由全數字控制器、變頻功率單元等組成，其中散熱技術采用采用公司自主研發的高效熱管散熱器，系統結構圖見圖1：

圖1系統結構圖

RHVC系列高壓變頻器采用轉子帶速度反饋的矢量控制技術。控制系統采用速度環和電流環雙閉環結構，速度環采用PID調節器，能有效地限制動態響應的超調量，加快響應速度。在轉子磁場定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就控制電機轉矩。實際運行中給定轉速與實際轉速的差值通過PID調節生成轉矩電流IT。經過矢量變換將IT、IM變換為電機三相給定電流Ia＊、Ib＊、Ic＊，它們與電機運行電流相比較生成三相驅動信號。系統全數字式的關鍵是電流環數字化，就是把數模混合式變頻系統中的模擬電流環，采用數字方式加以實現，其核心提高電流環的處理速度，達到或接近模擬電流環的響應速度。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化。良好的系統硬件和軟件設計是使研制的系統達到實用化的保證，在滿足性能要求的基礎上，必須充分利用硬件資源，提高集成度降低硬件成本，達到產品化的目標。整個系統的控制原理框圖如圖2所示。

圖2 控制原理

系統由DSP數字信號處理器作為主控CPU，可編程邏輯器件實現部分算法的計算和波形發生及各種信號的處理，單元的狀態信息經可編程邏輯器件進行串行編碼后通過光纖發送到主控制器的接收板，主控制器接收板進行串行到并行解碼后傳輸到主控CPU；主控CPU根據單元狀態信息，調整系統的控制狀態；測速方式采用變M/T測速，可以實現高精度的測速要求。本系統中的電流檢測元件選擇了根據磁場補償原理制成的霍爾效應電流互感器，以滿足實時監測電流的要求。整個硬件的原理框圖如圖3所示。

圖3主控制器結構圖

由電網送來的三相6000V交流電經過隔離移相變壓器變為15組690V分別供給15個功率單元，每相上的5個功率單元輸出的單相SPWM波相疊加后，采用Y形連接，將形成線電壓為6000V的高質量的正弦波輸出供給高壓同步電動機驅動風機。

主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術，做到了高壓與低壓的完全隔離，具有極高的安全性。功率單元采用交—直—交變頻技術，單相輸出，IGBT元件采用先進高效的熱管散熱技術，大大提高了工作可靠性。

高壓變頻器參數：

額定容量：2000kVA輸入電壓：6000V+15%-30%

高壓電網頻率：45~55HZ 輸出電壓：0~6000V

輸出頻率：0~50HZ輸出電壓諧波含量：< 4%

功率因數：96%過載能力：120% （5分鐘）

效率：96%冷卻方式：熱管冷卻

工作環境溫度：-20°C — +45°C

電機參數：

額定電壓：6KV額定功率：1600KW

額定電流：150A額定轉速：500r/m

功率因數：95%勵磁電流：180A

勵磁電壓：80V

針對鐵煤集團大興礦井主通風機通目前的情況，采用高壓變頻器一臺，一拖一的工作方式，對主通風機同步電機實現無級調速控制方案。風機電機由高壓變頻器控制，原風門調節開度開到最大，風量的調整通過控制電機轉速來實現，達到風量的實時精確調節。穩態時，變頻器的輸入、輸出波形分別如圖4和圖5所示：

（a）實測輸入線電壓波形（X-5ms格，Y-5kV/格）

(b)實測輸入電流波形（X-5ms格，Y-10A/格）

圖4網側變頻器輸入電流與電壓波形

（a）實測輸出線電壓波形（X-5ms格，Y-5kV/格）

(b)實測輸出電流波形（X-5ms格，Y-10A/格）

圖5 變頻器輸出（電機）電壓與電流波形

（1）采用高壓變頻無級調速技術方案后，風機電動機的轉速可方便地從目前的額定轉速向下調節，得到生產所需要的風量；

（2）電機不用一直工作在額定轉速，大大降低了系統機械的磨損，延長了設備的使用壽命；

（3）通過與控制中心通訊連接，可實現風機的自動調節；

（4）通過變頻控制在風量滿足條件下，還可取得可觀的節能效果。電機實現真正軟起動，起動電流控制在額定以下。

風機屬于平方轉矩負載，風機的風量Q與轉速n成正比，而風機的功率P與轉速n的立方成正比。

風機風量Q = K₁n（1）

風機風壓 P = K₂ n²（2）
風機功率 P = K₂ n³ （3）

每年耗電量為（電流為運行實際值）:

P =UI （4）

風門開度取60％，改造前實際運行電流為146A，改造后為92A，根據已有經驗和現場實測，由式（4）可得改造前年用電為1320萬度，改造后為832萬度，變頻的年節電為220萬元，設備投入大約在二年左右可全部收回。

（1）原理創新：控制方法采用全數字化矢量控制，同時RHVC還可實現正轉、反轉、牽引、電制動等功能，以滿足提升、牽引等需要四象限運行的負載調速需要。

（2）技術創新：變頻器采用全數字同步啟動，同時可實現飛車啟動。

（3）結構創新：采用自主研發的高效熱管散熱技術，相較于傳統風冷散熱設計效率大幅提升，徹底消除了大功率器件IGBT的熱島效應。

（4）工藝創新： IGBT與散熱器之間采用半自動涂覆機實現導熱硅脂涂覆，它的特點是厚度準確，分布均勻，增加大功率器件導熱性且節能。

同步電機的調速是電氣驅動行業的一大難題，近年來應用高壓變頻調速一直是我國變頻廠家研究的課題。而此次榮信電力電子有限公司高壓變頻器成功應用在大興礦主扇風機同步電機上，其示范意義是不言而喻的。實際應用表明，高壓變頻器的應用于同步電機系統改造必將取得良好的運行效果和經濟效益。