負載換流變頻器在高壓大功率同步電動機啟動中的應用技術

高　平，田　勇，張宏樂

（中航工業燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

負載換流變頻器在高壓大功率同步電動機啟動中的應用技術

高平，田勇，張宏樂

（中航工業燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

摘要：簡述了負載換流變頻器的結構與工作原理，介紹了采用一套負載換流型變頻器啟動三臺高壓大功率同步電動機的實際應用技術。

關鍵詞：負載換流變頻器；同步電動機；空氣壓縮機

1　引言

隨著現代工業的發展，高壓大功率同步電動機日益廣泛地應用在冶金、鋼鐵、石化等行業,用于拖動空氣壓縮機和水泵類負載。由于高壓大功率同步電動機的負載一般都在10MW甚至幾十MW以上，因此必須采用軟啟動設備，以減小電機啟動過程中對電機、電網以及傳動設備的沖擊。高壓大功率同步電機常用的啟動方式通常有：固態軟啟動、直接全壓啟動、串聯電抗器降壓啟動、變頻啟動等，其中最佳的啟動方式為變頻啟動。傳統的旋轉變頻機組雖然可以啟動高壓大功率同步電動機，有效地降低啟動電流、減小啟動沖擊，但旋轉變頻機組設備繁多、結構復雜、站地廣、維護成本較高，所以該技術已被逐漸淘汰。隨著電力電子技術、微電子學、自動控制理論、計算機技術以及先進制造技術的不斷發展，交流靜止變頻器開始廣泛地應用于高壓大功率同步電動機起動領域。對于高壓大功率同步電動機的變頻軟啟動，目前普遍采用已較為成熟的負載換流型變頻器（Load Commutated Inverter，即LCI）。LCI原理上屬于交-直-交電流源型變頻器，通過配合降壓變壓器、升壓變壓器可以構成高-低-高型高壓變頻器，廣泛應用于高壓大功率同步電動機的軟啟動，甚至調速運行。

某廠有3套相同的大型離心式空氣壓縮機，采用3臺10kV、15MW國產同步電動機拖動。該空氣壓縮機站為間隙運行方式，每月運行約10次，每次運行的機組1－3臺不等。要求采用一套變頻裝置能連續啟動3臺同步電動機，啟動沖擊電流小于電機額定電流；從啟動、升速直至并網采用自動控制，單臺電機啟動時間不超過180s；電機啟動完成后，變頻裝置處于“熱備”狀態，隨時準備下一次啟動。

2　 SIMOVERT S型負載換流變頻器簡介

2.1主回路結構

SIMOVERT S型LCI主回路結構如圖1所示。功率單元采用強迫空冷，主回路為高－低－高結構，使用降壓變壓器－變頻器－升壓變壓器；變頻器單元（SFC）為雙功率單元結構（兩個整流單元與兩個逆變單元，采用12/12脈沖結構，功率器件為晶閘管）并聯運行；再結合勵磁單元(EXC)、開/閉環控制單元、滅磁單元（DMU）等，構成電機起動、并網、運行和保護監控的完整變頻軟啟動系統。

圖1　 SIMOVERT S型變頻器主回路結構

2.1.1降壓變壓器和升壓變壓器技術參數

（1）降壓變壓器（SDT，油浸式變頻變壓器）額定容量（短時運行）：8000kVA。無載變比：10.0kV/2×2.6kV；50Hz。

一次/二次額定電流：461.9A/888A/888A。矢量組別：Dd0y11。阻抗電壓：12%。

（2）升壓變壓器（SUT，油浸式變頻變壓器）額定容量（短時運行）：7600kVA。

無載變比：2×2.4kV/10.5kV；0～50Hz。

一次/二次額定電流：914A/914A/438.8A。矢量組別：Dd0y11。阻抗電壓：6.5%。

2.1.2變頻器（SFC）技術參數

整流單元輸入電壓：2×2.6kV，3相，允許偏差+ 10%/-10%。

逆變單元輸出電壓：2×2.4kV,3相。額定頻率：50Hz±2%。直流環功率：2×3.1MW。頻率控制范圍為1:10

頻率穩定度：±0.5%

整流單元和逆變單元為6QC7全控三相橋；晶閘管由光纖間接觸發,且都有反饋信號。

2.2工作原理

LCI利用同步電動機過勵磁時定子電流超前電壓的特性，使逆變單元的晶閘管靠同步電動機反電動勢自然換流，與單獨勵磁、直流驅動的直流電機有類似的工作特性：轉矩與直流環節的電流成比例,直流環節的電壓在恒定磁通運行時與轉速成比例。LCI同步電動機具有和直流電機相近的調速方式和較好的調速優越性。相對而言，LCI結構簡單、技術成熟，在高壓大功率同步電動機調速或軟啟動系統中應用廣泛。

2.2.1主回路工作原理

整流單元（A211、A111）是兩個全控三相橋,由降壓變壓器（SDT）的次級三相輸出進行換相導通。逆變單元（A212、A112）也是兩個全控三相橋,由電機端電壓和負載進行換相導通。逆變單元將直流環節的電流從電機定子繞組中的一個線圈切換到另一個線圈,從而在定子繞組中產生一個旋轉磁場使轉子同步旋轉。利用電壓相序和與之同步的頻率將直流環節的電流分別依序接通到電機定子的各相繞組。當轉子持續旋轉時,磁通也持續旋轉。逆變單元起到與直流電機機械換相類似的電子換相器的功能：電樞安匝轉換成磁通,并按照轉子的旋轉進行相應切換。因此,同步電機就像直接在線運行一樣,不會發生“失步”。

2.2.2控制原理

SFC的開/閉環控制單元采用了全數字化多處理器SIMADYN D控制系統，控制原理圖如圖2所示。硬件包括：處理器板、通訊板、觸發器板、診斷板、光電輸入輸出板、I/O板、操作面板等，以插卡方式安裝在標準機架上；軟件采用全圖形式的編程語言STRUG G進行設計開發，最小組態單位為功能塊，包括：邏輯塊、算術塊、診斷塊、信號轉換塊、I/O塊和通訊塊等。選擇各功能塊連接并設置參數，便構成實現對SFC的各種高速開/閉環控制、運算、檢測、監視、報警及診斷等功能。整流單元采用速度和電流雙閉環控制，逆變單元采用矢量控制技術。

圖2　控制原理圖

3　 LCI的“一拖三”方式應用技術

3.1“一拖三”變頻系統主接線設計

采用一套SIMOVERT S型LCI，構成“一拖三”變頻軟啟動系統的主接線圖如圖3所示。

圖3　“一拖三”變頻軟啟動系統原理圖

3.2電機及空氣壓縮機主要參數

電機型號為T15000-4/1800，形式為凸極式,旋轉轉子式；額定功率為15MW,額定轉速為1500rpm（4P）,額定頻率為50Hz,額定電壓為10kV，額定電流為984.4A，滿載勵磁電壓為80V，滿載勵磁電流為460A；額定功率因數為0.9(超前)；電動機轉子轉動慣量（飛輪轉矩）為GD2:5750kg.m2；采用下水冷方式。

離心式空氣壓縮機的增速比為3.911，轉速為5867rpm；轉動慣量為GD2（折算到電機端）30380kg. m2，負載額定轉矩為22230.91N.m（額定轉速、滿載，已折算到電機端）。

3.3勵磁單元（EXC）的構成和主要功能

EXC主要產生并控制同步電動機的勵磁電流、并網條件判斷、電氣參數檢測、電機綜合繼電保護、測控人機界面、輔助設備與高壓開關的開環控制等。EXC的構成及主要功能如下：

（1）7UM62綜合繼電保護單元：實現電機的繼電保護；

（2）SIMEAS P電力儀表：實現電氣運行參數（功率因數、無功功率、有功功率、系統電壓、系統電流）的檢測與A/D轉換；

（3）6RA70直流調速器：實現勵磁系統的交流/直流轉換，并按照上層參數及控制邏輯要求實現勵磁電流的自動調節；

（4）OP17人機界面：操作員的接口，實現各種設定值整定、電力系統參數顯示、報警及保護信息接受/解除；

（5）S7-300型PLC系統：包括1個S7 315-2DP的CPU及配套的I/O模塊組成，通過程序及通訊實現整個系統的協調控制，并與其他可通訊設備、系統實現通訊；

（7）7VE6同步器：用于同步電動機并網控制。

3.4控制網絡結構

EXC以S7-300型PLC系統作為控制核心，其中除了自身具有I/O輸入外，還與各個通訊設備（6RA70、SIMEAS P儀表、SFC開/閉環控制柜、OP17、用戶DCS）等通過PROFIBUS DP現場總線進行通訊，各設備自身通過軟件進行參數化后按照各自功能獨立運行，同時與S7-300軟件通過程序實現實時網絡通訊，完成數據交換，并最終完成既定的控制邏輯。整個變頻系統的控制網絡結構如圖4所示。

（1）3臺EXC內S7-300 CPU的MPI接口組成的MPI子網絡；

圖4　控制網絡結構圖

（2）3臺EXC內S7－300 CPU的PROFIBUS接口、6RA70調速器、OP17、SIMEAS P組成的PROFIBUS DP子網，即，＋EXC1_PROFIBUS、＋EXC2_PROFIBUS、＋EXC3_PROFIBUS；

（3）3臺EXC內的CP342－5通訊管理器與用戶DCS（壓縮機PLC測控系統，GE90－30，以太網結構）構成的PROFIBUSDP子網，即，DCS_PROFIBUS_EXC1、DCS_PROFIBUS_EXC2、DCS_PROFIBUS_EXC3。

3.5電機的啟動、并網及運行

3.5.1電機的啟動

為降低啟動功率，壓縮機采用“節流啟動”方式，即：全開放空閥、全關出口閥、全關旁路閥，進口閥略開一定角度（此開度須在調試中摸索總結）。電機啟動前，需要首先對空氣壓縮機組的輔助設備進行啟動和調節，包括潤滑油泵、頂升油泵、進口閥、出口閥、旁路閥以及冷卻水閥等，由壓縮機組PLC測控系統給EXC發出“允許啟動”信號。

電機啟動的全過程由EXC控制。用戶發出啟動指令（在EXC上的OP17操作面板或用戶DCS系統的上位機上），待EXC準備就緒后，啟動EXC輔助裝置，并發出指令使SFC的開環控制系統啟動變頻器的輔助裝置；SFC的開環控制系統命令功率單元的空氣冷卻風機工作后，SFC反饋“輔助裝置已工作“的信號，然后EXC給電機輸出勵磁電流，并閉合電機起動柜（MBM）以及給SFC的開環控制系統發一個啟動指令；之后，SFC開環控制系統閉合降壓變壓器運行柜（MBC），使SFC的閉環控制系統就緒，同時要求勵磁電流閉環控制系統就緒；當觸發脈沖就緒時，SFC的閉環控制系統會得到指令，接著開始檢測電機轉子位置。初始階段，采用DC環脈沖技術（斷續換流方式），SFC開始啟動電機并按照啟動特性曲線將電機加速到比同步轉速低5%的速度上；之后，采用電壓檢測信號的負載換流方式，將轉速升至額定轉速。升速至同步轉速時間設定為75s。由于該變頻系統用于軟啟動，在低速時對轉矩脈動要求不高，故取消了旋轉編碼器，因此減小了故障環節。

3.5.2電機的并網

升速過程中，勵磁電流的設定值為電樞電流與速度的函數值，在電機啟動過程中由SFC的場定向閉環控制系統設定。安裝在EXC內的自動同步器(7VE6)將對電網電壓與電機電壓進行比較，當達到7VE6的啟動轉速（49HZ）時，7VE6將針對電壓和頻率的上升和下降輸出相應的脈沖。速度設定值可從反映頻率的脈沖信號上獲得，并輸送到SFC的閉環控制中去；速度的另一個設定值可從反映電壓的脈沖信號上獲得，且該設定值需與勵磁電流設定值疊加，若電機的相位和電壓絕對值與電網的相位和電壓絕對值相等，7VE6將發出同步脈沖信號，并輸送給EXC。同步脈沖信號將使勵磁電流設定值鎖定，而且7VE6閉合電機運行柜（MBL），收到確認信號后,EXC將給SFC發一個關機命令。此時，電機并入工頻電網，達到同步轉速。并網判斷時間限制為300秒，超過該時間則變頻系統自動停機。

收到EXC發出關機命令后，SFC的閉環控制系統立即降低電流、關斷SFC，通報EXC禁發脈沖，斷開降壓變壓器運行柜（MBI），SFC與EXC交接完畢。之后,SFC處于“熱備”狀態，準備下一次啟動。

3.5.3電機的運行

電機并入工頻電網運行后，電機的繼電保護以及勵磁電流調節完全由EXC實現。壓縮機在運行中，根據工藝需要對其進、出口閥門進行調節，這將帶來電機負荷的變化，此時可根據同步電動機的功率因數、無功功率以及同步的需要，對勵磁電流進行設定。勵磁電流的設定模式有內設定（OP17操作面板）和外設定（用戶DCS上位機），控制模式有恒勵磁電流、恒無功功率與恒功率因數。實際運行中，通常采用恒功率因數控制模式，勵磁電流根據功率因數的設定值而自動調節。

3.5.4變頻軟啟動系統的調試

為保證壓縮機組工藝系統以及變頻軟啟動系統的安全，調試分為兩大階段：啟動單電機調試、啟動壓縮機組（即電機+空氣壓縮機）調試。在每個調試階段中，充分發揮了SIMOVERT S型LCI具有的調速功能，通過SIMADYN D開/閉控制系統將SFC設定為“手動模式”，使SFC驅動電機或整個壓縮機組逐步提高轉速（如500rpm、1000rpm、1500rpm）并在各轉速下短時運行，以檢驗電機、聯軸器或整個空氣壓縮機組的狀態，以及對SFC的開閉環控制系統以及EXC的參數值進行修定。最后，將SFC設定為“自動模式”，帶整個壓縮機組進行自動升速、直至并入工頻電網運行。調試及試運行結果如下：

（1）在啟動單電機時，并網成功率大約66.7%，啟動空氣壓縮機組時，并網成功率幾乎為100%。

（2）空氣壓縮機組啟動，并網時降壓變壓器功率為4.2MW－6.8MW（對應空氣壓縮機的進口閥開度為7度－11度）。為保證啟動可靠性以及變頻系統不過載，建議進口閥開度設定為7度。

（3）單臺空氣壓縮機組從啟動到并網結束整個過程一般是120s－180s（每臺電機的并網調節時間會因為電網變化而不等，因此全程時間會有差異）。

（4）啟動至并網期間給電網的沖擊很小（電網負荷從降壓變壓器支路轉移至電機運行支路），約30%的電機額定電流。

（5）每啟動完畢一臺機組，滅磁單元（DMU）需要對升壓變壓器進行滅磁，以便啟動下一臺電機時，準確判斷電機轉子位置。

（6）該SFC可連續啟動4次，第5次啟動需間隔60min。

4　結束語

采用一套SIMOVERT S型LCI，構成“一拖三”變頻軟啟動系統，成功地實現了對三臺高壓大功率同步電動機的連續、依次變頻軟啟動。該負載換流變頻系統設計選型合理，技術成熟可靠，啟動電流小、對電網沖擊小、啟動時間短、啟動可靠性高，整個啟動過程自動化水平高，基本實現免維護運行，取得了較好的使用效果，為今后運行以及類似項目的建設或技改積累了經驗。

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Application technology of LCI in the starting of high－voltage and big－power synchronous motors

GAO Ping，TIAN Yong，ZHANG Hong－le
（Gas Turbine Research Institute of China Aviation Industry，Jiangyou 621703，China）

Abstract：The principles and the structure of Siemens LCI are introduced.The actual application technologies of using one set of Siemens LCI starting the three high－voltage high－power synchronous motors are also given.

Key words：LCI；synchronous motor；air compressor

中圖分類號：TN773

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）05—0006—05

作者簡介：

高平（1978－），男，2001年7月畢業于河海大學電力系統及其自動化專業，現為中國燃氣渦輪研究院第二運行中心副主任，高級工程師，從事國內航空試驗基地動力保障系統（供配電與電力拖動、冷卻水等）的運行、維護與技術改造相關的技術與管理工作。

收稿日期：2015－06－03