高壓大功率同步機(jī)的控制策略與應(yīng)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(jī)采用全數(shù)字化矢量控制方法控制的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 : 大功率變頻器，矢量控制，全數(shù)字化，控制方法

1.引言
隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。而變頻調(diào)速具有優(yōu)異的調(diào)速和制動(dòng)性能，高效節(jié)能的效果。近期國(guó)家發(fā)改委將高壓變頻列為首批50項(xiàng)重點(diǎn)推廣的節(jié)能產(chǎn)品。
榮信電力電子股份有限公司是專業(yè)從事高壓大功率電力電子柔性輸配電和自動(dòng)化裝備研發(fā)和生產(chǎn)的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)高新企業(yè)。榮信公司主導(dǎo)產(chǎn)品之一­——高壓電機(jī)變頻調(diào)速裝置（RHVC）是采用目前國(guó)際上先進(jìn)的IGBT功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)及超導(dǎo)熱管散熱技術(shù)研制而成的系列高壓電機(jī)節(jié)能調(diào)速產(chǎn)品
榮信電力電子股份有限公司對(duì)鐵煤集團(tuán)大興礦井主通風(fēng)機(jī)采用了高壓變頻改造,選用功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器 ,實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的電能節(jié)約和風(fēng)量無級(jí)調(diào)速。

2、大興礦風(fēng)機(jī)變頻改造的必要性
鐵煤集團(tuán)大興礦井主通風(fēng)機(jī)采用同步電機(jī)，而交流同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一大難題。難點(diǎn)在于與普通異步電機(jī)運(yùn)行相比，同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。因此同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造時(shí)對(duì)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(jī)啟動(dòng)整步問題；
（2）能夠解決同步電機(jī)調(diào)速過程中輸出電壓和勵(lì)磁電流的協(xié)調(diào)控制；
（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應(yīng)盡可能小。
鐵煤集團(tuán)大興礦井主通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著該礦井下主通風(fēng)任務(wù)，現(xiàn)在系統(tǒng)存在的問題：
（1）調(diào)節(jié)精度低、線性度差、實(shí)時(shí)性差；
（2）采用風(fēng)門調(diào)節(jié)，造成管路壓力增加，造成大量電能浪費(fèi)；
（3）直接起動(dòng)時(shí)，造成電網(wǎng)波動(dòng)嚴(yán)重和機(jī)械沖擊大，影響著系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和壽命。
鑒于上述問題的存在，對(duì)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，采用完美無諧波大功率變頻器實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)同步電機(jī)無級(jí)調(diào)速技術(shù)方案。

3、高壓變頻調(diào)速裝置設(shè)計(jì)
3.1.系統(tǒng)組成
該高壓變頻器采用性能優(yōu)良、技術(shù)成熟、安全可靠的完美無諧波功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。整個(gè)變頻系統(tǒng)主要由全數(shù)字控制器、變頻功率單元等組成，其中散熱技術(shù)采用采用公司自主研發(fā)的高效熱管散熱器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1：

3.2.全數(shù)字化矢量控制方式技術(shù)方案原理
3.2.1全數(shù)字化矢量控制原理
RHVC系列高壓變頻器采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。控制系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，速度環(huán)采用PID調(diào)節(jié)器，能有效地限制動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位坐標(biāo)下電機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵(lì)磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。實(shí)際運(yùn)行中給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值通過PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。經(jīng)過矢量變換將IT、IM變換為電機(jī)三相給定電流Ia＊、Ib＊、Ic＊，它們與電機(jī)運(yùn)行電流相比較生成三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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)模混合式變頻系統(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。良好的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)是使研制的系統(tǒng)達(dá)到實(shí)用化的保證，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，必須充分利用硬件資源，提高集成度降低硬件成本，達(dá)到產(chǎn)品化的目標(biāo)。整個(gè)系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2所示。

3.2.2硬件主控實(shí)現(xiàn)部分
系統(tǒng)由DSP數(shù)字信號(hào)處理器作為主控CPU，可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)部分算法的計(jì)算和波形發(fā)生及各種信號(hào)的處理，單元的狀態(tài)信息經(jīng)可編程邏輯器件進(jìn)行串行編碼后通過光纖發(fā)送到主控制器的接收板，主控制器接收板進(jìn)行串行到并行解碼后傳輸?shù)街骺谻PU；主控CPU根據(jù)單元狀態(tài)信息，調(diào)整系統(tǒng)的控制狀態(tài)；測(cè)速方式采用變M/T測(cè)速，可以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)速要求。本系統(tǒng)中的電流檢測(cè)元件選擇了根據(jù)磁場(chǎng)補(bǔ)償原理制成的霍爾效應(yīng)電流互感器，以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流的要求。整個(gè)硬件的原理框圖如圖3所示。

3.3.變頻功率模塊
由電網(wǎng)送來的三相6000V交流電經(jīng)過隔離移相變壓器變?yōu)?5組690V分別供給15個(gè)功率單元，每相上的5個(gè)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(zhì)量的正弦波輸出供給高壓同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。
主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術(shù)，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(shù)，單相輸出，IGBT元件采用先進(jìn)高效的熱管散熱技術(shù)，大大提高了工作可靠性。

高壓變頻器參數(shù)：
額定容量：2000kVA 輸入電壓：6000V+15%-30%
高壓電網(wǎng)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(shù)：96% 過載能力：120% （5分鐘）
效率：96% 冷卻方式：熱管冷卻
工作環(huán)境溫度：-20°C — +45°C

電機(jī)參數(shù)：
額定電壓：6KV 額定功率：1600KW
額定電流：150A 額定轉(zhuǎn)速：500r/m
功率因數(shù)：95% 勵(lì)磁電流：180A
勵(lì)磁電壓：80V
3.4高壓變頻器應(yīng)用設(shè)計(jì)
針對(duì)鐵煤集團(tuán)大興礦井主通風(fēng)機(jī)通目前的情況，采用高壓變頻器一臺(tái)，一拖一的工作方式，對(duì)主通風(fēng)機(jī)同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速控制方案。風(fēng)機(jī)電機(jī)由高壓變頻器控制，原風(fēng)門調(diào)節(jié)開度開到最大，風(fēng)量的調(diào)整通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到風(fēng)量的實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，變頻器的輸入、輸出波形分別如圖4和圖5所示：

（1）采用高壓變頻無級(jí)調(diào)速技術(shù)方案后，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可方便地從目前的額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)，得到生產(chǎn)所需要的風(fēng)量；
（2）電機(jī)不用一直工作在額定轉(zhuǎn)速，大大降低了系統(tǒng)機(jī)械的磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；
（3）通過與控制中心通訊連接，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)；
（4）通過變頻控制在風(fēng)量滿足條件下，還可取得可觀的節(jié)能效果。電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正軟起動(dòng)，起動(dòng)電流控制在額定以下。

4、通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益
風(fēng)機(jī)屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，而風(fēng)機(jī)的功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。
風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q = K1n （1）
風(fēng)機(jī)風(fēng)壓 P = K2 n2 （2）
風(fēng)機(jī)功率 P = K2 n3 （3）
每年耗電量為（電流為運(yùn)行實(shí)際值）:
P =UI （4）
風(fēng)門開度取60％，改造前實(shí)際運(yùn)行電流為146A，改造后為92A，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，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(jié)電為220萬元，設(shè)備投入大約在二年左右可全部收回。

5、創(chuàng)新點(diǎn)
（1）原理創(chuàng)新：控制方法采用全數(shù)字化矢量控制，同時(shí)RHVC還可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、牽引、電制動(dòng)等功能，以滿足提升、牽引等需要四象限運(yùn)行的負(fù)載調(diào)速需要。
（2）技術(shù)創(chuàng)新：變頻器采用全數(shù)字同步啟動(dòng)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)飛車啟動(dòng)。
（3）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：采用自主研發(fā)的高效熱管散熱技術(shù)，相較于傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)效率大幅提升，徹底消除了大功率器件IGBT的熱島效應(yīng)。
（4）工藝創(chuàng)新： IGBT與散熱器之間采用半自動(dòng)涂覆機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱硅脂涂覆，它的特點(diǎn)是厚度準(zhǔn)確，分布均勻，增加大功率器件導(dǎo)熱性且節(jié)能。

6、結(jié)論
同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)行業(yè)的一大難題，近年來應(yīng)用高壓變頻調(diào)速一直是我國(guó)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(yīng)用在大興礦主扇風(fēng)機(jī)同步電機(jī)上，其示范意義是不言而喻的。實(shí)際應(yīng)用表明，高壓變頻器的應(yīng)用于同步電機(jī)系統(tǒng)改造必將取得良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。