高压大功率同步机的控制策略与应用研究

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 : 高压大功率同步机采用全数字化矢量控制方法控制的实现及其应用。
关键词 : 大功率变频器，矢量控制，全数字化，控制方法

1.引言
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速技术已成为发展趋势。而变频调速具有优异的调速和制动性能，高效节能的效果。近期国家发改委将高压变频列为首批50项重点推广的节能产品。
荣信电力电子股份有限公司是专业从事高压大功率电力电子柔性输配电和自动化装备研发和生产的国家级重点高新企业。荣信公司主导产品之一­——高压电机变频调速装置（RHVC）是采用目前国际上先进的IGBT功率单元串联多电平技术、数字控制技术、SPWM脉宽调制技术及超导热管散热技术研制而成的系列高压电机节能调速产品
荣信电力电子股份有限公司对铁煤集团大兴矿井主通风机采用了高压变频改造,选用功率单元串联多电平高压变频器 ,实现主通风机的电能节约和风量无级调速。

2、大兴矿风机变频改造的必要性
铁煤集团大兴矿井主通风机采用同步电机，而交流同步电机的调速是电气驱动领域的一大难题。难点在于与普通异步电机运行相比，同步电机在运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角必须在某一范围之内，否则将导致系统失步。因此同步电机进行变频调速改造时对高压变频装置的要求也有些差别，具体要求如下：
（1）能够解决同步电机启动整步问题；
（2）能够解决同步电机调速过程中输出电压和励磁电流的协调控制；
（3）变频装置输出电压、电流谐波应尽可能小。
铁煤集团大兴矿井主通风机担负着该矿井下主通风任务，现在系统存在的问题：
（1）调节精度低、线性度差、实时性差；
（2）采用风门调节，造成管路压力增加，造成大量电能浪费；
（3）直接起动时，造成电网波动严重和机械冲击大，影响着系统的运行可靠性和寿命。
鉴于上述问题的存在，对现有风机进行变频技术改造，采用完美无谐波大功率变频器实现主通风机同步电机无级调速技术方案。

3、高压变频调速装置设计
3.1.系统组成
该高压变频器采用性能优良、技术成熟、安全可靠的完美无谐波功率单元串联多电平技术。整个变频系统主要由全数字控制器、变频功率单元等组成，其中散热技术采用采用公司自主研发的高效热管散热器，系统结构图见图1：

3.2.全数字化矢量控制方式技术方案原理
3.2.1全数字化矢量控制原理
RHVC系列高压变频器采用转子带速度反馈的矢量控制技术。控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，速度环采用PID调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia＊、Ib＊、Ic＊，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。系统全数字式的关键是电流环数字化，就是把数模混合式变频系统中的模拟电流环，采用数字方式加以实现，其核心提高电流环的处理速度，达到或接近模拟电流环的响应速度。根据目前的微处理器DSP、A/D器件的水平，可以满足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制软件的优化。良好的系统硬件和软件设计是使研制的系统达到实用化的保证，在满足性能要求的基础上，必须充分利用硬件资源，提高集成度降低硬件成本，达到产品化的目标。整个系统的控制原理框图如图2所示。

3.2.2硬件主控实现部分
系统由DSP数字信号处理器作为主控CPU，可编程逻辑器件实现部分算法的计算和波形发生及各种信号的处理，单元的状态信息经可编程逻辑器件进行串行编码后通过光纤发送到主控制器的接收板，主控制器接收板进行串行到并行解码后传输到主控CPU；主控CPU根据单元状态信息，调整系统的控制状态；测速方式采用变M/T测速，可以实现高精度的测速要求。本系统中的电流检测元件选择了根据磁场补偿原理制成的霍尔效应电流互感器，以满足实时监测电流的要求。整个硬件的原理框图如图3所示。

3.3.变频功率模块
由电网送来的三相6000V交流电经过隔离移相变压器变为15组690V分别供给15个功率单元，每相上的5个功率单元输出的单相SPWM波相叠加后，采用Y形连接，将形成线电压为6000V的高质量的正弦波输出供给高压同步电动机驱动风机。
主控柜和功率柜之间采用光纤隔离技术，做到了高压与低压的完全隔离，具有极高的安全性。功率单元采用交—直—交变频技术，单相输出，IGBT元件采用先进高效的热管散热技术，大大提高了工作可靠性。

高压变频器参数：
额定容量：2000kVA 输入电压：6000V+15%-30%
高压电网频率：45～55HZ 输出电压：0～6000V
输出频率：0～50HZ 输出电压谐波含量：< 4%
功率因数：96% 过载能力：120% （5分钟）
效率：96% 冷却方式：热管冷却
工作环境温度：-20°C — +45°C

电机参数：
额定电压：6KV 额定功率：1600KW
额定电流：150A 额定转速：500r/m
功率因数：95% 励磁电流：180A
励磁电压：80V
3.4高压变频器应用设计
针对铁煤集团大兴矿井主通风机通目前的情况，采用高压变频器一台，一拖一的工作方式，对主通风机同步电机实现无级调速控制方案。风机电机由高压变频器控制，原风门调节开度开到最大，风量的调整通过控制电机转速来实现，达到风量的实时精确调节。稳态时，变频器的输入、输出波形分别如图4和图5所示：

（1）采用高压变频无级调速技术方案后，风机电动机的转速可方便地从目前的额定转速向下调节，得到生产所需要的风量；
（2）电机不用一直工作在额定转速，大大降低了系统机械的磨损，延长了设备的使用寿命；
（3）通过与控制中心通讯连接，可实现风机的自动调节；
（4）通过变频控制在风量满足条件下，还可取得可观的节能效果。电机实现真正软起动，起动电流控制在额定以下。

4、通风机变频调速系统的经济效益
风机属于平方转矩负载，风机的风量Q与转速n成正比，而风机的功率P与转速n的立方成正比。
风机风量Q = K1n （1）
风机风压 P = K2 n2 （2）
风机功率 P = K2 n3 （3）
每年耗电量为（电流为运行实际值）:
P =UI （4）
风门开度取60％，改造前实际运行电流为146A，改造后为92A，根据已有经验和现场实测，由式（4）可得改造前年用电为1320万度，改造后为832万度，变频的年节电为220万元，设备投入大约在二年左右可全部收回。

5、创新点
（1）原理创新：控制方法采用全数字化矢量控制，同时RHVC还可实现正转、反转、牵引、电制动等功能，以满足提升、牵引等需要四象限运行的负载调速需要。
（2）技术创新：变频器采用全数字同步启动，同时可实现飞车启动。
（3）结构创新：采用自主研发的高效热管散热技术，相较于传统风冷散热设计效率大幅提升，彻底消除了大功率器件IGBT的热岛效应。
（4）工艺创新： IGBT与散热器之间采用半自动涂覆机实现导热硅脂涂覆，它的特点是厚度准确，分布均匀，增加大功率器件导热性且节能。

6、结论
同步电机的调速是电气驱动行业的一大难题，近年来应用高压变频调速一直是我国变频厂家研究的课题。而此次荣信电力电子有限公司高压变频器成功应用在大兴矿主扇风机同步电机上，其示范意义是不言而喻的。实际应用表明，高压变频器的应用于同步电机系统改造必将取得良好的运行效果和经济效益。