自控变频同步电动机软启动系统在济钢1750m3高炉风机传动中的应用

 摘 要 ：本文阐述了西门子SIMOVERT S同步电动机自控变频系统的主回路结构、控制系统组成及工作原理，给出了软启动系统工作的时序逻辑，对主要控制功能进行了分析，并就采用一拖二方式在济钢1750m3高炉风机上的典型应用进行了介绍。 
1  引言
    根据电网优化运行的要求，对于调速范围小的大型风机、水泵一般采用同步电动机，以便运行时可以向电网补充容性无功，但由于这类风机、水泵一般都是几十兆瓦以上超大容量的，必须采用软启动设备以减少大型电机启动过程中对电网和所传动设备的冲击，其中用于同步电动机的软启动装置主要有液体可调电阻启动、磁饱和电抗器启动、开关变压器启动、同步电动机自控变频器启动，而前三种原理上都是异步降压启动后再牵入同步，由于一是同步电动机做短时异步运行需要一些特殊设计如整体极靴或增加阻尼笼条，且需要严格遵守启动时的热容量限制，二是由于异步启动时电机的启动转矩与电压的平方成正比所导致的实际启动能力不足，经常会因为转页式风门关不严或设备长期停用后要求的静止启动转矩增大等原因使电机无法正常启动，而且为了保证足够的启动力矩，电机的启动电流一般会达到额定电流的2.5～3.0倍，为此对于大型同步电动机的软启动目前普遍采用的仍然是采用电流源型交—直—交变频器构成的同步电动机自控变频启动方式，由于它基于磁场定向控制原理，并采用速度闭环调节，可以有效保证电机的启动力矩，且启动电流一般不超过电机的额定电流，实现了对电网和传动设备均无冲击启动，甚至可以用于风机、水泵类负载的调速运行，这种启动方式是基于自控同步原理实现的，不进入异步运行状态，不会对电机的转子侧产生热应力，针对这一主流软启动方式，世界各大电气公司都有类似的产品，其中siemens公司更是针对这一启动方式，基于设计尽量简单、应用尽量可靠的思想，对适于这种传动方式的同步电动机和变频装置进行了优化设计，这就是H-moflex、H-modyn系列高压电机和SIMOVERT S系列变频器。
    济南钢铁集团有限公司现有的3座1750m3高炉风机、2套燃气—蒸汽联合循环发电用的煤压机及2座2万m3制氧机的空压机的软启动均采用了SIMOVERT S系列自控变频启动装置，使用2年多的实践表明该软启动装置故障率低、可用性好、硬件配置合理，基本实现了免维护运行。
2  主回路组成和工作原理
    SIMOVERT S变频器是专为同步电动机运行开发的全数字变频装置，功率单元采用了晶闸管三相桥式电流源型变频器，分为6脉冲和12脉冲两种，在1750m3高炉风机的软启动系统中，采用了12脉冲的功率单元结构和高—低—高的电压变换方法，在电流型逆变器的直流耦合电抗器设计上采用了siemens的两个独立直流母线的电抗器反向耦合的技术，采用这种电路结构后直流母线电抗器只有传统额定功率电路结构所采用直流母线电抗器的60%，使得电抗器的体积和损耗大为减少，并可以实现柜内安装。
    由于采用的是电流型逆变器原理，功率回路采用了无熔断器设计，由于采用了电抗器反向耦合及脉冲监控触发和经特殊设计的整流侧脉冲组合逻辑，使得即使不用在直流平波电抗器两侧并联释能晶闸管，也能够保证在电流断续换向时将变频器电流快速拉到零，从而大大简化了主电路结构和控制线路，提高了系统的可靠性。
    同步电动机自控变频的核心就是转子定向，以前都是采用在电机转子上安装编码器的方法直接测量，但这样对于设备安装要求、调试及系统的可靠性都带来了不稳定因素，为此siemens公司采用了矢量运算的方法，通过采用LEM元件高精度地检测电机侧的两相电压和两相电流后，通过电压模型便可以准确计算出气隙磁通的位置，但要计算转子侧磁通的位置，还需要知道电机转子的初始位置，在SIMOVERT S系统中，电机转子的初始定位是系统利用转子侧突加励磁在定子绕组中感应的电压进行计算后自动完成的；当电机低速运行时，由于电机的反电势和电压较低，用电压模型计算磁通位置是不准确的，由于定向的不准确，会造成电机启动力矩的减少，如果电机是重载启动或设备要求电机长期在低速条件下运行，就需要在电机转子上安装编码器。
启动转矩产生的基本原理就是基于对转子侧磁通的定向，按照矢量控制理论中力矩星形分布情况，判断每一触发时刻能产生zui大加速力矩的两相定子电流，触发该对晶体管导通，给对应的两相定子绕组通电，产生一个超前转子磁场的同步定子磁场，两个磁场相互作用，使转子获得当前电流下的zui大电磁转矩，转子开始转动，整流器采用速度和电流双闭环结构控制输出电流的幅值，逆变器采用矢量控制技术控制输出电流的频率。
    由于采用常规的晶闸管技术构成功率变换回路，所以影响主回路可靠运行的关键是晶闸管的可靠换向，在SIMOVERT S系统中，整流侧的晶闸管依靠电网电压换向，逆变侧的晶闸管依赖电机定子的反电势进行负载换向，但低速时（小于额定转速的8%）由于定子产生的反电动势不足以关断逆变侧的晶体管，采用电流断续法进行换相，此时逆变器以逆变超前角γ=0°运行，需要换相时，整流侧推β，暂时强迫关断正导通的一对晶体管，闭锁整流器和逆变器的输出，再给换相后应该导通的一对晶体管加上触发脉冲使其导通，从而实现换相，此期间SFC输出的电流是断续的；当转速大于额定值的8%时，同步电动机可产生足够大的反电动势，进入负载换相阶段，为了保证换向余量角不变,在转速由额定值的8%升至25%期间,变频器的输出电流由额定值的80%升至额定值,逆变超前角γ=60°,之后逆变器输出额定电流值，逆变超前角γ=50°，同时转子侧的励磁电流按照定子电压闭环进行控制，以补偿定子电流电枢反应的去磁作用，保持气隙磁通不变，改善了逆变侧的换向条件并保证了电机的过载能力。 
    当变频装置拖动电机启动达到95%额定转速以上时，起动自动同步装置进入自动整步微调阶段。同步装置根据频率差Δf，产生一个附加转速微调信号，自动调整变频器输出电流，对转速做微调，同步装置同时发出命令给励磁系统，调节励磁电流，使变频母线电压与电网电压平衡，zui终实现无电流冲击并网，整流器的晶体管即运行于全逆变状态，其输出电流迅速降为零，关闭晶体管，然后封锁整流器和逆变器的全部触发脉冲，断开软启动装置的输出断路器MBM及输入断路器MBC,完成整个起动过程。
    变频器所驱动的高压同步电动机采用了无刷励磁结构，采用具有三相交流调压功能的全数字化装置simotras HD供电，励磁功率是通过磁耦合和励磁机定转子间的相对运动实现的，值得注意的是，系统要求励磁机定子侧正确接线,应该保证由励磁机定子电流所形成的定子旋转磁场方向与同步电动机转子的实际方向相反，以保证励磁功率的正常传递。
    矢量运算模型所需要的电机侧的电压电流信号均取自升压变压器的输入侧，为了避免升压变压器的剩磁影响到同步电动机转子初始位置定向的准确性，每次软启动结束后，都由一台西门子6SE70系列变压变频装置SIMOVERT MASTDRIVER VC完成升压变压器的消磁工作。
    为了进一步提高系统的可靠性,晶闸管的触发采用了高电位板TAS21A进行脉冲隔离放大,触发功率直接取自主回路的阻容吸收,并采用了由SE48.1+IMPAG4+SAV21组成的晶闸管触发和监控单元,实现了高低压回路的光耦隔离,脉冲触发的监控逻辑主要由接口模板SE48.1完成,对误触发的有效监控保证了晶闸管触发的可靠性及因晶闸管损坏或触发脉冲丢失等原因所造成的功率单元灾难。
在济钢1750m3高炉风机的软启动设计中，采用了一拖二的配置，即通过两套励磁和一套软启动功率柜实现对两台25000kW风机电机的分时启动。
3  控制系统组成及各部分的主要功能
    控制系统主要由S7-300工作站和采用simadyn-d多微处理器、多任务并行处理控制器构成的SFC组成，S7-300工作站主要负责电机的励磁和运行控制，SFC完成软启动过程中所涉及的所有设备的控制，包括断路器MBC、MBM、MBL的分合，励磁电流的设定计算、电机的速度控制、电流调节，整流和逆变部分触发脉冲的形成，软启动过程中的故障诊断及保护，系统设计上S7-300工作站和SFC部分的功能相对独立，当软启动结束后，由S7-300接管电机的运行控制，此时即使    SFC部分断电也不会影响到电机的正常运行。
    SFC部分的硬件采用simadyn-d通用控制器，它采用多处理器并行处理方案，zui大总线周期小于1μs，处理器的典型循环扫描时间小于10ms，适合完成快速和复杂的控制任务，如液压AGC系统、SVC系统和传动级控制，硬件主要有处理器板、通讯板、通讯缓冲板、脉冲触发板、信号接口模板、输入输出板等，simadyn-d系统采用全图形式的编程语言STRUC G进行软件设计开发。功能块是软件设计的zui小组态单位，包括逻辑块、算术块、诊断块、信号转换块、I/O块和通讯块等。一个功能块即一个子程序，相当于硬件设计中的集成电路。只需要用鼠标从图形库中选择预先编制好的功能块，将各功能块相互连接并设定参数，即构成实现一定的系统控制功能的软件功能包，系统调试采用IBS G、drivemonitor等在线监控和修改软件完成。
    控制系统的SFC部分主要包括两个A100和A200机架，A100机架有4个处理器，A200有一个处理器，各处理器的主要控制功能如下：
    （1）A100机架24槽，主要完成变频器本体的电流闭环控制、脉冲形成与监控。
    D01-P1：PM6
    FP-AST：完成与传动有关的顺序控制，如控制器的使能、运行模式的切换等。
    FP-ERW：以电压闭环方式完成励磁电流设定值的计算。
    FP-EAL：综合来自顺序控制功能包、操作员控制功能包及通讯控制功能包的控制字，实现逻辑控制功能和软启动的启/停综合控制。
    FP-UHR：用于启动系统时钟同步功能。
    D05-P2、D07-P3：PG16
    完成传动的转矩控制，采用80C186-16 16位单片机。
    FP-MN1、FP-MN2：完成电网侧变流器的电流控制，包括实际值的处理、闭环电流控制，逻辑无环流逻辑及门极脉冲发生。
    D09-P4：PS16
    完成矢量运算和SE21.2接口模块、TS12脉冲触发模板一起完成对电机侧逆变器的控制，同时TS12还接受来自SE48.1和SE21.2的故障信号，通过PG16完成故障推β控制。
    FP-SMS：矢量控制功能包，完成对逆变器负载换相的矢量控制及监视，低速运行时断续换相触发脉冲的控制及监视，主要包括电压模型（FB-UMS）、实际值处理（FB-IST）、反电势补偿计算（FB-OFC）、触发角计算（FB-ALB）等功能块。
    （2）A200机架12槽，主要完成电机的速度闭环控制及与S7-300工作站的通讯，包括：
    D01-P1：PM6;
    FP-NRG:完成软启动过程中的速度给定和闭环调节;
    FP-WRG：电网电压前馈补偿;
    FP-ANF：实现励磁装置的使能命令及励磁电流给定值的下传、与自动同步装置交换控制信号，实现对变频侧母线电压和频率的控制，完成并网过程;
    FP-DIA：记录simovert软启动系统的状态，实现软启动系统的故障诊断。
    控制系统的S7-300工作站由MMIP连接柜的S7-300为主站，连接系统1励磁柜MMCP1的S7-300和系统2励磁柜MMCP2的S7-300及SFC柜的A200机架组成，主要完成励磁电流外环的PID控制，启动同步并网过程，MBC、MBM、MBL断路器的分合闸顺序控制，与OP17操作面板的通讯接口，与励磁装置simotras HD的通讯接口，与SFC的通讯接口。 
    4  结束语
    1750m3高炉风机采用西门子SIMOVERT S变频器起动的成功率在99%以上，且启动平稳、稳定，对风机设备传动链冲击小，电机并网基本上无冲击，启动性能明显高于传统的起动方法，为实现高炉系统的高利用率和大量节省成本起到了决定性作用，因为如果启动过程中断，高炉必须在装满料的情况下冷却下来，造成近10天以上的时间不能使用。