高壓變頻器應用在水廠同步電動機上
| 1.引言 大功率低速負載，如磨機、往復式壓縮機等，使用多極同步電動機可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)，更可以省去變速機構，如齒輪變速箱，降低系統(tǒng)故障率，簡化系統(tǒng)維護。 同步電機物理過程復雜、控制難度高，高壓同步電機調(diào)速系統(tǒng)必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統(tǒng)可靠性較低。 單元串聯(lián)多電平型變頻器具有成本低，網(wǎng)側功率因數(shù)高，網(wǎng)側電流諧波小，輸出電壓波形正弦、基本無畸變，可靠性高等特點，高壓大容量異步電機變頻調(diào)速領域取了非常廣泛應用。將單元串聯(lián)多電平型變頻器應用于同步電動機將有效提高同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)可靠性，降低同步電機變頻改造成本，提高節(jié)能改造帶來效益，同時也為單元串聯(lián)多電平型變頻器打開一個廣闊新市場。利德華福技術人員大量理論分析、計算機仿真和物理系統(tǒng)實驗，解決了同步電機起動整步等關鍵問題，已于2006年4月底成功將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應用于巨化股份公司合成氨廠1000kW/6kV同步電動機上。以下將簡要介紹實際應用中主要技術問題。 2.同步電動機工頻起動投勵過程 更好說明同步電機運行特點，先對同步電機工頻起動投勵過程進行簡要介紹。 電網(wǎng)電壓直接驅動同步電機工頻運行時，同步電動機起動投勵是一個比較復雜過程。當同步電機電樞繞組高壓合閘時，高壓斷路器輔助觸點告知同步電機勵磁裝置準備投勵。此時，勵磁裝置自動同步電機勵磁繞組上接入一個滅磁電阻，止勵磁繞組上感應出高壓，同時起動時提供一部分起動轉矩。同步電機電樞繞組上電后，起動繞組和連有滅磁電阻勵磁繞組共同作用下，電機開始加速。當速度到達95%同步轉速時，勵磁裝置勵磁繞組上感應電壓選擇合適時機投入勵磁，電機被牽入同步速運行。同步電機凸極效應較強、起動負載較低，則勵磁裝置找到合適投勵時機之前，同步電機已經(jīng)進入同步運行狀態(tài)。這種情況下，勵磁裝置將延時投勵準則進行投勵，即高壓合閘后15秒強行投勵。 3.變頻器驅動同步電動機時起動整步過程 用變頻器驅動同步電機運行時，使用與上述方式不同起動方式：帶勵起動。 變頻器向同步電機定子輸出電壓之前，即啟動前，先由勵磁裝置向同步電機勵磁繞組通以一定勵磁電流，然后變頻器再向同步電機電樞繞組輸出適當電壓，起動電機。 同步電機與普通異步電機運行上主要區(qū)別是同步電機運行時，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間夾角必須某一范圍之內(nèi)，否則將導致系統(tǒng)失步。電機起動之初，這二者夾角是任意，必須適當整步過程將這一夾角控制到一定范圍之內(nèi)，然后電機進入穩(wěn)定同步運行狀態(tài)。，起動整步問題是變頻器驅動同步電動機運行關鍵問題。 變頻器驅動同步電動機起動整步過程主要分為以下幾個步驟： 第一步，勵磁裝置投勵。勵磁系統(tǒng)向同步電機勵磁繞組通以一定勵磁電流，同步電機轉子上建立一定磁場。 第二步，變頻器向同步電機電樞繞組施加一定直流電壓，產(chǎn)生一定定子電流。此時，同步電機上產(chǎn)生一定定子電流，并定子上建立較強磁場。轉子定、轉子間電磁力作用下開始轉動，使轉子磁極逐漸向定子磁極異性端靠近。此時轉子轉動方向可能與電機正常運行時轉向相同，也可能相反。 第三步，變頻器電機正常運行時轉動方向，緩慢旋轉其施加電樞繞組上電壓矢量。同步電機轉子轉動和定子磁場旋轉，轉子磁極將某一時刻掠過定子異性磁極，轉子磁極加速追上旋轉定子磁極。此時，電機轉子磁極被較強定子磁極可靠吸引，二者間角度少量有阻尼震蕩后，逐漸趨于一個較小常量。至此，同步電機進入同步運行狀態(tài)，整步過程完成。 第四步，變頻器預先設定加速度和V/F曲線（即磁通給定），調(diào)節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機轉子角逐漸拉大到某一常值，然后電機轉子磁極定子磁場吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動過程完成。 同步電機起動整步過程中，定、轉子磁勢大小選擇和各步驟間切換是控制關鍵問題。選擇過低定子磁場，則定子磁極無法第一次轉子異性磁極時，將其可靠吸牢，此后轉子同性磁極間斥力反向加速作用，下一次定子磁極時，二者將具有更大相對速度，定子磁場更加無法有效牽引轉子磁極，最終將導致起動整步失敗。選擇過大定子磁場可能導致同步電機定子鐵心飽和，進一步導致變頻器輸出過電流，電機起動失敗。 4.變頻器驅動同步電動機穩(wěn)態(tài)運行與運行時勵磁調(diào)節(jié) 變頻器驅動同步電機時使用無需安裝速度/位置傳感器控制方法，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機時波形相同，運行過程中，變頻器可以完全等效于一個正弦電壓源，無轉矩脈動，具有較高可靠性。 同步電機無功電流僅電機和變頻器間流動，不進入電網(wǎng)，無須對電機勵磁電流進行精確控制。一般可電機運行典型工況下，手動調(diào)節(jié)其勵磁電流，使變頻器輸出電流最小，輸出功率因數(shù)近似為1，然后調(diào)速運行過程中維持該電流不變即可。需要運行時實時調(diào)整勵磁電流工況，變頻器可以實測其輸出給同步電機無功功率，向勵磁裝置下達勵磁給定信號，調(diào)整勵磁電流。 5.同步電動機故障滅磁 正常停機時，變頻器先驅動同步電機減速至停機轉速，然后停止向電機電樞繞組輸出電壓。該轉速下，******勵磁電流同步電機定子側感應電壓低于變頻器輸出側長時間耐受電壓，電機之后自由滑行過程中，維持勵磁電流不會對設備造成危害，不需要即時滅磁。 遇到故障時，僅停止向其電樞繞組供電，而維持其勵磁電流，則旋轉中同步電機將持續(xù)向其定子側發(fā)出三相交流電壓，危害設備安全，并可能造成事故擴大。遇到嚴重故障需要停機時，變頻器必須通知勵磁裝置進行滅磁。 同步電機滅磁物理過程如下： 滅磁之初，勵磁裝置作用下同步電機勵磁電流迅速下降，但同步電機主磁通無法突變，阻尼繞組（起動繞組）上隨即感應出較大電流，此時旋轉中同步電機向其定子機端（即變頻器輸出端）發(fā)出較高三相交流電壓。隨后，阻尼繞組上電流阻尼繞組內(nèi)阻上逐步衰減為零，同步電機發(fā)出定子電壓也隨之逐步衰減。這一衰減過程一般為數(shù)秒鐘，變頻器輸出端必須具有停機狀態(tài)下承受短時過電壓能力。 6.巨化股份公司合成氨廠現(xiàn)場應用情況簡介 巨化股份公司合成氨廠始建于1959年，是浙江省重要化肥生產(chǎn)基和******甲醇、甲醛生產(chǎn)廠。此次進行變頻改造是尿素車間1號CO2活塞式壓縮機 變頻器選用利德華福 HASVERT-S06/130同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，旁路方案選用一拖一手動旁路柜。 工頻運行時，QS1、QS2斷開，QS3閉合，同步電機起動、運行、停車過程原有邏輯進行。 變頻運行時，QS3斷開，QS1、QS2閉合，變頻器上電時，斷路器QF閉合，約15秒延時后，勵磁裝置向同步電機投入勵磁電流，然后從現(xiàn)場向變頻器下達“啟動”命令，變頻器預設邏輯向同步電機輸出電壓，同步電機起動。 變頻停機時，從現(xiàn)場向變頻器下達“停機”命令，變頻器驅動同步電機減速至停機頻率，然后停止輸出電壓。最后現(xiàn)場分斷斷路器QF，由其輔助觸點通知勵磁裝置滅磁，滅磁完成后關閉勵磁裝置電源。 遇到故障時，變頻器停止電壓輸出同時，立即分斷斷路器QF，由其輔助觸點通知勵磁裝置立即滅磁。 7.小結 單元串聯(lián)多電平型變頻器同步電動機上應用成功實現(xiàn)，擴展了高壓變頻器產(chǎn)業(yè)應用領域，也擴大了國家能源節(jié)約政策實現(xiàn)途徑，為我國建設節(jié)約型社會提供了更多技術保障。 |
