路尚書(shū)，朱春毅，許海濤，黃  勇

1  概述
中壓大容量的交流同步電機廣泛應用于電力、冶金、礦山、石油等領(lǐng)域，一般都是電壓6～10kV以上，容量數兆瓦的高壓同步電機。由于容量很大，直接起動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊太大，不可能直接起動(dòng)并入電網(wǎng)。因而須采用軟起動(dòng)設備將同步機按一定的加速度起動(dòng)起來(lái)，通過(guò)同期調整，待頻率、電壓及相角滿(mǎn)足要求時(shí)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(guò)自己組態(tài)編制軟件，研制和開(kāi)發(fā)了高壓直接變頻全數字大型同步電機軟起動(dòng)控制系統。該系統主要設備由交－直－交10kV光纖觸發(fā)電流型變頻器、32位處理器變頻起動(dòng)控制及同期并網(wǎng)調整系統、旋轉勵磁系統和運行監控系統等組成。該系統已于1998年9月在昆明鋼鐵公司6號高爐鼓風(fēng)機上成功投入工業(yè)運行。該高爐有兩臺鼓風(fēng)機，每臺鼓風(fēng)機由一臺30MW同步電動(dòng)機驅動(dòng)，兩臺鼓風(fēng)機一用一備，兩臺電機共用一套軟起動(dòng)系統。
2  軟起動(dòng)系統主要設備
(1)  變頻起動(dòng)功率部分
功率部分為晶閘管串聯(lián)，整流橋和逆變橋結構相同，每橋臂12只SCR元件串聯(lián)，它們構成交－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(shí)解決了高低壓之間的絕緣隔離問(wèn)題。
(2)  變頻起動(dòng)控制柜
控制柜是本套變頻裝置的控制核心，包括一套數字化控制器、同期調整裝置和一些輔助設備。
(3)  勵磁柜
勵磁柜為同步機的轉子提供勵磁電流，由勵磁控制系統和整流箱構成。
(4)  電壓檢測及繼電柜
電壓檢測主要是通過(guò)檢測同步機的定子電壓來(lái)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(xiàn)電抗器
(6)  直流電抗器
 3  系統的基本構成
系統主要由定子回路控制器、旋轉勵磁控制器、整流逆變功率器件、電流檢測CT、電壓檢測PT等構成。定子及旋轉勵磁控制系統均采用32位處理器。系統控制原理框圖如圖1所示。變頻軟起動(dòng)系統主要組成如下：
3.1  定子變流主回路

圖1  變頻軟起動(dòng)系統控制原理圖

本系統采用交－直－交電流型變流供電方式，采用無(wú)換向器電機控制原理。由于是直接高壓變頻，沒(méi)有高壓變壓器，三相交流電壓10kV經(jīng)由高壓開(kāi)關(guān)柜、高壓交流進(jìn)線(xiàn)電抗器直接送入整流柜，經(jīng)整流側的SCR將其整流得到直流母線(xiàn)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。整流和逆變柜中共用SCR 144支，每一橋臂由12支SCR串聯(lián)構成，SCR的參數為3000V、580A。整流和逆變柜中的SCR采用帶自動(dòng)強制觸發(fā)的光纖觸發(fā)原理，且將每一SCR的導通信息處理后，通過(guò)光線(xiàn)傳輸到控制系統中，進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。
3.2  定子回路控制器
本系統的控制箱部分是系統控制核心，包括一套數字化控制器、同期調整裝置和一些輔助設備?？刂破鳛橛葾LSTOM公司生產(chǎn)的A300、A320、A340組成的整體控制機箱，主要由通用處理器MCU032、存儲卡MEC032、開(kāi)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、系統操作面板等構成。所有的控制板都是基于一個(gè)系統總線(xiàn)。同期調整裝置的主要作用，是當電機的實(shí)際轉速基本達到同步轉速時(shí)，對同步電機的運行狀態(tài)與電網(wǎng)進(jìn)行同期調整。當同步電機的運行頻率、相位及電壓都滿(mǎn)足了并網(wǎng)要求時(shí)，發(fā)出并網(wǎng)指令將同步電機并入電網(wǎng)。
3.3  旋轉勵磁回路控制器
對于特大容量的同步電機，采用旋轉勵磁機省去了普通同步機的勵磁滑環(huán)，有效地解決了勵磁滑環(huán)炭刷磨損所引起的一系列問(wèn)題，提高了設備的運行可靠性，減少了設備維護量。旋轉勵磁回路控制器，主回路采用電流閉環(huán)的SCR變流控制。同步機起動(dòng)及并網(wǎng)過(guò)程中接受定子變頻系統的給定，并網(wǎng)后接受來(lái)自同步機運行監控系統的調節。此系統主要由處理器MCU032、電流控制器SRE032和脈沖形成放大單元及功率變流器件、檢測器件等構成，完成旋轉勵磁機的交流調壓電流閉環(huán)控制。
4  變頻軟起動(dòng)系統的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)
4.1  系統特點(diǎn)
對于大容量的高速同步電機采用國際上通用的無(wú)換向器電機控制原理。其主要特點(diǎn)如下：
?  調速性能優(yōu)良，可與直流電機調速性能相媲美；
? 調速范圍可達標1:10甚至1:50；
?  結構簡(jiǎn)單，無(wú)機械換向器，不會(huì )產(chǎn)生火花，便于維護；
?  容易做到大容量，高轉速，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(shí)現四象限運行。
4.2  換流控制策略
換流控制方式是一個(gè)系統水平的重要標志，在昆鋼30MW同步機變頻軟起動(dòng)系統中，我們采用了完全無(wú)位置傳感器方式，無(wú)轉子位置檢測器，也無(wú)速度傳感器。通過(guò)定子PT檢測出的電壓信號計算出換流位置，系統結構簡(jiǎn)單，運行安全可靠，維護量小。
4.3  初始起動(dòng)脈沖定位及換流方式轉換
有位置傳感器時(shí)，系統上電時(shí)通過(guò)傳感器即可知道轉子位置。無(wú)位置傳感器系統要使電機從靜止狀態(tài)順利起動(dòng)起來(lái)，就需要采取一定措施將轉子初始位置檢測出來(lái)。我們可以在同步機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子初始位置，即可正確地發(fā)起動(dòng)脈沖，使電機順利地起動(dòng)起來(lái)。換流方式為：低速（一般6%額定轉速以下）采用電流控制斷續換流，達到一定速度（一般6%～8%）采用電壓信號換流，速度繼續升高（一般達到8%～10%以上）則采用負荷換流。
4.4  換流裕度控制
根據無(wú)換向器電機原理做的同步機調速系統，最初采用恒換流超前角控制，后來(lái)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致?lián)Q流失敗，在電勢自然換向點(diǎn)之前一定角度提前換流，一般系統此換流超前角為60度，轉矩脈動(dòng)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，現在國際和國內比較先進(jìn)的系統大多都采用恒換流剩余角控制。
本系統采用最為先進(jìn)的換流裕度控制。所謂換流裕度控制是根據電機實(shí)際的運行狀況，電壓、電流、頻率及電機主回路實(shí)際參數按一定的數學(xué)模型算出換流所需的參量，進(jìn)行換流控制。它的優(yōu)點(diǎn)是最大限度的提高電機的實(shí)際有效轉矩且安全可靠。
5  系統的主要技術(shù)指標
(1)  軟起動(dòng)變頻器容量： 10MVA
(2)  輸入電壓：         10kV
(3)  電壓波動(dòng)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；
(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  結語(yǔ)
昆鋼高爐鼓風(fēng)機同步機軟起動(dòng)工程，電機容量2×30MW，系統裝置容量10MVA 10kV，是國內首次完全依靠自己的技術(shù)力量，承接的電機及裝置容量比較大的工程項目。本系統采用國際最先進(jìn)的無(wú)位置檢測器及速度檢測器，全數字技術(shù)32位控制技術(shù)。從硬件組態(tài)，軟件編程，硬件制作，出廠(chǎng)前的聯(lián)機調試及現場(chǎng)調試，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。在現場(chǎng)從系統送電開(kāi)始僅用十天左右的時(shí)間，就如期順利地完成了兩臺30MW同步電機的成功并網(wǎng)運行，將SIEMENS 70年代的落后的二手設備改造成為當今國際最先進(jìn)的控制水平的同步機軟起動(dòng)系統。此項目的順利投運，得到了昆鋼及國內同行的高度贊揚，也為國內同類(lèi)軟起動(dòng)系統和風(fēng)機、水泵類(lèi)變頻運行系統的改造提供了先進(jìn)的技術(shù)設備和成功改造的范例。