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• 關鍵詞：                                                                電勵磁同步機、有刷同步電機、燒結主抽、動態勵磁、同步機矢量控制

• 摘要：高壓大功率同步機的變頻改造一直是各高壓變頻器廠家研究的重點和難點，本文主要介紹了匯川技術在電勵磁同步機矢量控制上的技術特點和解決方案，以及匯川HD93系列同步機專用高壓變頻器在冶金燒結主抽上的應用情況。

一、前言
冶金行業向來是耗能大戶，尤其在目前產能過剩、利潤低的情況下，節能顯得尤為重要，鋼鐵行業中的大功率電動機耗費了大量的電費，由于實際過程導致工頻運行大馬拉小車現象嚴重，變頻改造成了不二之選。
目前鋼鐵行業中的燒結主抽風機，功率一般為整個鋼鐵廠除了高爐鼓風機第二大功率的設備，而且多為大功率同步機驅動，同步機的變頻改造一直以來就是一大技術難點，下面將介紹一下同步機的改造方案及應用效果。

二、有刷電勵磁同步機及燒結工藝介紹
2.1大功率同步機變頻改造難點
同步機相比于異步機有諸多優點：
（1）對轉矩擾動具有更強的承受能力，動態響應快；
（2）在極低電源頻率下也能運行，調速范圍寬；
（3）通過改變勵磁電流，功率因數可調；
（4）穩定性高，轉矩與端電壓成正比；
上述的諸多優點使得其使用越來越廣泛，但是大功率同步機變頻控制技術一直是高壓變頻領域的一大難點，各廠家技術參差不齊，導致其最終的控制效果差距較大，以下為有刷同步電機變頻改造需要注意的事項：
（1）同步電機的起動問題：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；
（2）同步電機調速期間和勵磁裝置的協調問題，防止正常調速期間同步機失步；
（3）同步電機正常停機和故障滅磁問題。
2.2匯川技術HD93同步機控制技術
匯川依據自身多年同步機控制經驗，在高壓大功率同步機控制方面，通過我們大量的仿真實驗以及現場實驗分析，研發了適用于高壓大功率領域同步機的矢量控制方案，依托于磁鏈閉環矢量控制（SFOC）這一平臺，實現了真正的同步機變頻無速度傳感器矢量控制技術啟動方式（SVC），整個啟動過程平滑、無沖擊，不存在啟動整步問題，并且控制精度高、轉矩響應快，穩定性好。

圖1：匯川同步機變頻啟動過程圖
基于電機d - q軸 系數學方程，對電機的磁鏈、電流進行解耦控制，具有磁鏈、電流、速度三閉環的特點。
通過匯川多個大容量同步機變頻改造應用現場的調試運行情況來看，匯川同步機控制方案還具有調試簡單、調試時間短，以及運行穩定的眾多優點，得到了用戶的一致好評，匯川的同步機控制技術已經在國內建立了絕對的領先地位。
2.3燒結工藝簡介

圖2：燒結工藝簡圖
燒結工藝是指根據原料特性所選擇的加工程序和燒結工藝制度，它對燒結生產的產量和質量有著直接而重要的影響。按照燒結過程的內在規律選擇合適的工藝流程和操作制度，利用現代科學技術成果，強化燒結生產過程，能夠獲得先進的技術經濟指標，保證實現高產、優質、低耗。本生產工藝流程有原料的接受，兌灰，拌合，篩分破碎及溶劑燃料的破碎篩分，配料，混料，點火，抽風燒結，抽風冷卻，破碎篩分，除塵等環節組成。目前生產上廣泛采用帶式抽風燒結機生產燒結礦。燒結生產的工藝流程如上圖所示。主要包括燒結料的準備，配料與混合，燒結和產品處理等工序。

三、項目改造方案
3.1項目簡介
本次我司HD93系列同步機專用高壓變頻器改造對象為河北省邯鄲市某鋼鐵集團燒結廠燒結主抽風機，此燒結線為200m2規模燒結線，配備有5600kW功率燒結主抽一臺，在整個燒結廠屬于耗電大戶，工頻運行采用水阻啟動方式，啟動沖擊大，所以每次啟動此電機都比較困難，另外由于要根據生產情況調節風量，平時采用風門調節的方式進行，風門一般在60%~80%調節，能量浪費嚴重，所以節能改造迫在眉睫。
3.2改造系統方案

圖3：系統一次圖
3.3系統方案說明
系統采用HD93高性能型同步機專用高壓變頻器、勵磁柜、開關柜和旁路柜完成對同步機負載的同步電機控制。整個系統方案在保留客戶原勵磁系統的情況下，我們重新配備變頻勵磁柜，在變頻器正常運行的情況下，變頻器與變頻勵磁柜配合來控制客戶同步電機啟動與運行，而為了保證電機的可靠運行，我們配備了工頻旁路旁路系統，在變頻器出現重故障的情況下，客戶還可以利用旁路系統跟原工頻勵磁系統來進行控制電機的啟動運行。
總結高壓變頻器方案如下:
（1）系統采周一拖一配手動工頻旁路柜，工頻運行時，可以配合原有水阻軟啟動方式運行；
（2）控制系統改造，實現新舊高壓柜的遠程操作及聯鎖；
（3）勵磁系統改造，實現工變頻狀態的勵磁控制轉換；
3.4電氣配置說明
（1）SM為客戶現場電勵磁同步電動機，基本電氣參數為5600kW/10kV。
（2）Mg1為變頻運行專用勵磁柜。在變頻狀態下，通過變頻器內部運算給定勵磁電流指令，勵磁柜與變頻器實現勵磁電流閉環控制，MG2為客戶原有工頻勵磁柜，MG1與MG2之間設置有切換開關，需要工頻運行時，勵磁系統切換至MG2。
 
圖4：勵磁系統切換
（3）QS1、QS2、QS3為工頻旁路柜內高壓隔離開關，用于變頻或工頻啟動同步電機。
（4）變頻器為匯川HD93高性能型同步機高壓變頻器，基本型號為HD93-J100/8000-DN，額定頻率50Hz，最大運行頻率為50 Hz。輸入變壓器為8000kVA/10kV干式移相變壓器，絕緣等級H級，功率單元為兩象限兩電平單元級聯結構，內含每相9個單元，總共27個功率單元。控制柜內IO板提供標準IO接口和總線通訊接口（CAN、Modbus485、Profibus-DP）。
3.5系統功能說明（變頻工況）
（1）系統控制電源380V和冷卻風機電源上電，變頻勵磁柜選擇并且控制電源上電；
（2）對變頻器和勵磁柜進行相關的參數設定，變頻勵磁柜和變頻器置于“遠方”控制；
（3）將變頻輸入隔離刀閘QS1、輸出隔離刀閘QS2合閘，勵磁切換開關切換至變頻勵磁，變頻器及勵磁柜控制系統自檢，如無故障，輸出“合閘允許”信號；
（4）用戶開關柜斷路器QF1合閘，待水阻柜啟動完成后，星點柜QF2合閘；
（5）變頻器及勵磁柜如上電正常，輸出“變頻器準備就緒”和“勵磁柜就緒”信號到總控臺；
（6）總控臺對變頻器給定運行頻率，發啟動指令。
（7）變頻器接收到啟動命令后，發勵磁啟動指令給勵磁柜，同時發出動態勵磁電流指令；
（8）當運行頻率達到50Hz時，變頻器輸出電壓達到10kV。
（9）在運行過程中，當變頻器出現嚴重故障時，會同時聯跳輸入斷路器QF，且通知勵磁柜進行滅磁。
（10）QS2和QS3設有機械聯鎖，當QS2閉合時，QS3不能合閘。
（11）當工藝需要停機時，通過總控臺向變頻器發送“停機”指令，變頻器接受指令后封鎖變頻器輸出。
3.6改造后節能對比

變頻改造之后實現了較為可觀的節電量，為公司的節能減排工作做出了較大的貢獻，降低了整個公司的生產成本，得到了客戶的一致認可。

四、匯川HD93系列高壓變頻器簡介
4.1 HD93系統工作原理

圖5：產品原理圖
4.1.1主電路拓撲原理
電網電壓經主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯星接后形成三相變頻電源給高壓電動機供電。根據串聯單元級數的不同，產品分為3kV、6kV、10kV三個系列。主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴格的諧波失真要求。無需任何功因補償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾器。電動機諧波損耗小，轉矩脈動小，無明顯電動機噪聲。電動機不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機無附加電應力損害。
4.1.2功率單元原理
功率單元采用三相交流輸入，整流濾波后形成直流電壓，經IGBT  H橋逆變后輸出脈寬調制（PWM）電壓。功率單元控制板由IGBT驅動電路和監測保護電路、光纖通信電路、單元旁路電路和控制電源組成。運行中功率單元故障時，變頻器可將故障單元自動旁路并繼續運行，等情況允許時再停機排除故障。

圖6：單元原理圖
4.2 HD93技術特點與優勢
匯川HD93系列同步機專用高壓變頻器為完美無諧波型變頻器，采用功率單元級聯式技術路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級完成，因此控制波形和逆變波形可以實時校驗。具有國際領先的技術！
所有產品均進行滿載72小時測試，除一些保護功能外，同磁鏈閉環矢量控制技術（SFOC）、同步機矢量變頻控制、永磁同步高頻技術、快速疊頻技術、Syn-transfer技術、同步機飛車啟動、非對稱機械旁路技術、雙路控制電源等功能，這些功能技術上處于國際領先水平。
公司的電力電子，自動控制和計算機等領域具有理論水平和實踐經驗的優秀科研隊伍，長期致力于電力電子領域各類產品的開發研制，對于關系產品質量的生產工藝也作了大量的完善和改進，如：其中層疊直流母線的制作工藝保證了直流母線的分布電感最小，有效抑制了功率器件在開關過程中的di/dt電壓尖峰；高密度FPGA貼片工藝保證了控制器在惡劣環境下能夠長期穩定運行；整流橋、功率器件和電解電容的安裝工藝使整個系統的離散性達到最小，保證質量和性能的高度一致性。為保障質量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調試工裝，建全了相應的質量管理體系。

五、現場應用照片

圖7：電機及負載

圖8：變頻器上電沖擊波形示意

圖9：動態勵磁過程波形（紅色曲線為勵磁電流）

六、總結
冶金行業歷來屬于高耗能行業，大功率電機數量巨大，常年工頻運行導致能源浪費嚴重，變頻改造不僅能夠實現顯著地節能效果，且能夠改善運行工藝，達到多重改造效果，經濟效益及社會效益顯著，燒結主抽風機的變頻改造不僅能夠實現較高的節能效果，還能夠實現大功率同步電機的啟動調速問題。匯川技術HD93系列同步機專用高壓變頻器之所以能夠成功的改造此次大功率燒結主抽風機，也是產品高性能、高可靠性的一個證明。
匯川技術有限公司依托多年的自動化行業的應用經驗，對冶金行業的變頻改造具有獨到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術的高性能變頻器，產品廣泛應用于冶金、電力、化工、市政、裝備制造業等多個應用領域。