同步电机高压变频器原理.ppt

同步电机高压变频器原理及其在煤炭行业矿井提升方面的应用,新汶矿业集团有限责任公司 孙惠民 北京合康亿盛科技有限公司 杜心林 沈士军,一、引言,国内大功率交流同步电机传动一般为几百千瓦至数千千瓦。大容量、低转速、高过载、响应快、四象限运行等传动领域主要用于矿井提升机和钢铁厂的主轧机，对变频器的控制要求特别严格这是普通异步电机及其变频器所不能解决的，在此类系统中应用的大多是大功率同步电机，我国目前在高压大功率同步电机控制系统中采用的技术主要有交交和有交直交两种方式，交交变频器由于其控制原理方式的制约，造成其功能和应用范围受限，交交变频器的结构方式把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。改变切换频率，就可改变输出频率；改变交流电路的导通角，就可以改变交流输出电压幅值；输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。输出波形畸变和输出上限频率的关系，很难确定明确界限。例当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。,交直交变频调速方式是近年和未来发展的主要方向，交直交方式相比较与交交方式的变频具有调速方位款，转矩脉动低，谐波污染少，功率因数高，调速范围宽等特点，目前我国在煤炭行业的矿井提升机的调速有采用串电阻调速，直流调速，和交流调速等等，串电阻调速和直流调速等缺点就不必过多的叙述，交流调速中用的变频以国外的为主，比如ABB、西门子等国外的传动厂商，ABB的调速方式采用的是交直交高高三电平直接转矩调速方式，这种方式有其优点（结构紧凑），但其缺点也是比较多（输入需要滤波器，输出需要滤波器，耐压比较低，功率器件的连接结构比较复杂，可维护性差），而其采用的直接转矩控制方式，其显著的缺点是低速转矩脉动比较大，西门子有两种，一种是前面所述的交交调速方式，另一种交直交方式和ABB的拓扑结构一样。北京合康亿盛于2008年5月份推出了全数字化高压同步电机矢量控制变频器，是目前国内首家做出同步电机矢量控制变频器的公司，一举打破了国外企业的多年垄断行情，并且申请了专利，该项技术填补了国内的空白，合康亿盛的同步电机高压变频器采用的技术方式是交直交高低高矢量控制方式，具有调速范围宽，恒转矩输出，功率因数高、具有100%能量回馈、维修方便，对电网无污染等技术特点。并且在国内煤炭行业的矿井提升机上得到了应用，具有启动静态恒转矩启动，启动平稳，输出转矩大，调速精度高，动态响应快，四象限运行等优点。在矿井提升方面的变频器应用，合康亿盛有100多台的运行应用业绩，同步电机矢量控制和异步电机矢量控制变频器在大中功率的提升机上的应用，充分证明了该技术的优势和可靠性。,北京合康亿盛科技有限公司是一家专业研发、生产高压、大功率变频器的高新技术企业。拥有自主知识产权的合康HIVERT系列高压变频器6kV系列、10kV系列、矢量控制系列、同步机系列、大功率系列均通过国家电力科学研究院、国家电控配电设备质量监督检验中心等权威部门的严格测试。在质量保证体系方面，通过了ISO9001-2000认证。北京合康亿盛科技有限公司是高压变频器国家标准的主要参与制定与支持单位之一，在诸多应用领域处国内领先地位。,二、同步电机高压变频器矢量控制技术原理,北京合康亿盛公司的同步电机矢量控制高压变频器的实现由以下模块组成，移相隔离变压器、带能量回馈的功率单元、主控制器、传感器反馈装置；三相高压直接输入移相隔离变压器，经移相隔离降压多路交流输出后，输入到带能量回馈的功率单元IGBT，功率单元串联输出接到同步电机；系统的原理如图1所示。,图1系统原理,1、交直交单元串联多电平方式 交直交方式使用移相的目的可以提高整流设备的脉波数，减小网侧高次谐波，整流变压器采用二次侧延边三角形移相，交直交方式频率调速范围宽，各级功率模块采用H全桥IGBT驱动方式，由于输出电平数较多，输出波形阶梯增多，就可以使调制波接近正弦，降低电压跳变，这样谐波就少。另一个优点是输出电压的dv/dt较小，对负载电机的冲击小。如一些轧钢机，提升机，卷扬机。如果采用交交变频，必须加减速机构。而交直交可以在许可的范围内频率任意调解。这就解决了上述问题。,2、基于能量回馈的功率单元 普通高压变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了普通高压变频器的应用范围,基于能量反馈的系统解决上述问题,并且实现了真正的节能目标而不是浪费掉能量。 带能量回馈的功率单元，输入为移相隔离变压器副边降压绕组的三相，IGBT的控制信号为经光纤传输过来的PWM信号控制其导通和关断，输出经单元串联后到电机。原理如图2。,图2 能量回馈单元原理图,3、全数字矢量控制方式 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量（电压、电流、电动势、磁动势）都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值直流给定量。按这些给定量实时控制,就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中，需用到静止和旋转的坐标系，以及矢量在各坐标系之间的变换，交流同步电机的矢量控制，需要把电机的ABC三相定子静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic、变换成和两相静止坐标系(Clarke变换)，也叫三相二相变换，再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系（Park变换），等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id(Id相当于直流电动机的励磁电流)；Iq相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标逆变换（Park逆变换）（Clarke逆变换），实现对同步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交解耦控制。,同步电机采用改进的空间矢量磁场定向控制策略，控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，电流环采用PI调节器，实现简单，并能获得较好的电流跟踪性能。速度环采用PI调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。系统采用转速、电流双闭环调速系统；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。 控制原理框图如上图3所示。,图3 矢量控制原理图,本方案的同步电机的励磁电流是If是按照固定励磁电流给定方式工作，对于同步电机的转子励磁电流If的给定，通过对同步电机的空载特性试验和短路同性实验，测出电机的各项参数并计算出所需运行的额定励磁电流，此时根据额定的励磁电流If调节定子侧的去磁电流Idref就可以调节系统的功率因数，控制Idref就可以使得系统是运行在功率因数超前还是滞后。 系统主控制器主控芯片采用DSP数字信号处理器，该处理器采用哈弗数据总线结构，采用四级预处理指令功能，指令执行时间段，处理速度快，可以实现同步电机高压变频器中矢量控制的复杂算法和信号处理，这是通用的单片机所不能实现的，另外采用了外扩的FPGA处理实时要求更高的算法处理，并对输出的SPWM波形进行实时的处理，保证了输出SPWM波形的精度和信号完整性。功率单元采用的是国外知名厂商的IGBT和电容，保证了产品的寿命和可靠性，对产品的整体质量有较好的保证。功率单元与主控制器之间的通信采用的是光纤传输，光纤通讯采用的光信号传输，可以有效的解决各个设备之间的电磁干扰问题，并且其传输速度快，不影响信号的实时传递。,三方案实现（应用例子）,合康亿盛的矿井提升机用高压变频器自推出到现在已经有100多台的实际应用案例，在目前国内的矿井提升机用同步电机高压变频器只有合康亿盛推出该产品，而且整体性能和指标找过国外的产品，同等功率的价格却比他们的便宜的多，而且维护很方便，售后服务很到位，因此未来这方面的应用有很大的发展空间。以下是新汶矿业集团鲁新矿的矿井提升技术方案（部分内容）：,本控制方案系统采用 “NT型提升机网络化集散控制系统”，该系统已通过专家技术鉴定，是在全数字电控系统的基础上，集成了近年来国内外网络及提升领域的最新技术，可以替代原装进口的同类产品，具有较进口设备更高的性能价格比。本方案完全满足矿井提升机主井的技术要求，并具有更高的性能。 整个提升机电控系统分为3个部分：全数字交-直-交高压变频全数字调速系统、网络化操作控制系统、监控系统。,电控型号：JKMK/ZBP-NT-3200KW/10KV-31B /D1（含义：多绳提升机交-直-交变频全数字网络化控制，电机额定功率/电压：3200KW/6KV并具有足够的过载倍数（2.0），高压供电：10KV，10KV交-直-交高压变频；数字监控器、单水平提升） 调速系统：采用北京合康同步电机矢量控制高压变频器，变频器型号：HIVERT-T3VF-066/400，输入电压，10KV，输出电压6KV，额定输出电流400A，电机带位置反馈编码器，本高压变频器适合主井低速直联提升机，同步机转速36rpm，额定频率7.2HZ。 网络化操作系统：采用西门子公司S7双PLC双线制控制，配组合式网络化控制的操纵台；,监控系统：采用原装进口工控机系统含大屏幕彩色显示器、激光打印机；监控软件是基于Win-CC系统下的人机接口，由许多标准软件技术构成。它用于监视和控制过程控制系统，在调试过程具有编程器的功能，具有汉化程度高。 操作系统、调速系统、监控系统、主井提升信号系统之间通过工业局域网络进行系统通讯及信号交换，并预留与矿山局域网进行联网的接口，具有远程监控功能。该系统硬件配置整洁、功能强大、技术先进、安全可靠、高效节能,3.1、提升机电控系统总体技术方案 3.1.1选用北京合康亿盛同步电机矢量控制高压变频器，满足主井低速直联提升机的四象限运行的需要。 特点如下： 高压变频器利用36脉冲初相变压器降压整流，输入电源功率因数0.96，电流谐波3.5%，系统不需要输入滤波器。 高压变频器每相内6个功率单元串联，输出采用移相多重化PWM控制，输出电压纹波小，系统不需要输出滤波器； 高压变频器利用全数字化同步电机矢量控制技术，电流速度采用双闭环控制，系统分辨率为0.01HZ,稳定调速范围0.27.2HZ,转矩过载倍数2.0 功率单元采用同步整流技术，目的系统具有100%的具有回馈能力； 监视器采用全中文显示界面操作，系统提供完善的功能接口，方便与电控励磁柜高压电源的控制，保护指示功能齐全；,3.1.2 采用了全数字速度、电流、位置闭环控制使提升机在任意速度下运行稳定可靠并保持较高的运行效率。 3.1.3 操作和安全保护系统，主控PLC选用SIEMENS公司的S7-400 ，副控PLC选用SIEMENS公司的S7-300；主、辅PLC之间相互通讯及监视并实现双线制控制，对提升机运行关键的信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等等）均采用多重保护，互为监视。 3.1.4 PLC操作控制系统能完成提升机手动、半自动、全自动、检修及紧急控制等各种运行方式的控制要求等。控制系统根据提升容器的位置与去向及提升种类，自动选取最大的运行速度，提高系统的运行效率。 检修：检修速度：0.30.5m/s，最大不超过2.0m/s。检修时手动开车。 在任何运行方式下，司机通过急停按钮或脚踏开关实施急停操作。,具有三条安全保护回路，其中，软件安全回路两条、硬件安全回路一条，关键环节采用三重或多重保护，比如过卷、超速等。多条安全保护回路之间互相冗余，保证矿山设备的高效、安全运转。轻重故障具有声、光报警或预报警。 监控系统采用奔（P4） CPU台湾产工控机作为上位机，配大屏幕彩色显示器及激光打印机，实现多画面实时监控，多参量数码及曲线显示、记录，各种故障的报警及记录，所记录的图表、曲线多达1000次提升循环。 各子系统通过网络进行数据和信号交换实现网络化集散控制，使整个系统的外接线大量减少，节省了安装工期及费用。 系统具有远程诊断功能；,3.1.5 具有三条安全保护回路，其中，软件安全回路两条、硬件安全回路一条，关键环节采用三重或多重保护，比如过卷、超速等。多条安全保护回路之间互相冗余，保证矿山设备的高效、安全运转。轻重故障具有声、