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超大功率高压变频器在淮钢6000KW烧结主抽风机同步电机上的应用
一、概述
  同步电机变频改造向来以改造难度大,技术难点多而著称。同步电机与普通异步电机运行上主要的区别是同步电机在运行时,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。因此同步电机变频调速时必须时刻控制这一夹角在允许的范围内变动,这一点就是同步电机变频和异步电机变频的主要区别。具体到实际中主要注意如下几点:1.同步电机的启动投励过程2.同步电机稳态调速和励磁调节过程3.同步电机正常停机和故障灭磁过程4.同步电机调速时阻尼绕组。
  我司研制的大功率同步电机矢量控制高压变频器具有电网污染小、无需无功补偿设备,快速响应,调速比范围宽,重载恒转矩起动,四象限运行等特点,可以适合调速要求比较高的场合运行,有效解决了大功率同步电机的启动冲击电流大和运行失步、调速范围差等问题。
二、电机参数


2#烧结主抽风机改造前平均运行功率为5464.46KW。
三、变频器配置
我司根据现场设备参数及工艺选配变频器参数如下:
产品名称:高压变频器规格型号:BE-4TD6000-6/1730
设备编号:10184710182检验日期:2010年11月01日
额定容量:7650KVA适配电机:6000KW
额定输入电压:10KV额定输出电压:10KV
额定输入频率:50HZ额定输出电流:460A
防护等级:IP30冷却方式:强迫风冷
使用条件:户内  
四、负载情况
  淮钢集团2#烧结6000KW主抽风机最初设计为电机依靠氺电阻启动,风量采用风门挡板调节,存在很大的局限性。
  电机与风机的转轴并不是刚性连接,而是通过蛇形弹簧连接,类似于柔性连接,即通过一个联轴器,该联轴器的两端是一个独立的部分,中间用蛇形弹簧把它拉紧。从控制系统上看,整个电机的负载就变为了一个二阶惯性环节,并且该二阶惯性环节的阻尼非常小。在控制理论上看,其为一个很容易震荡的系统。这对变频器的启动控制,提出很高的要求。如果控制不好,负载机械产生抖动,而机械的抖动会造成力矩的抖动,同步电机的力矩抖动最终则变成励磁磁场与转子磁场夹角的震荡,反应到变频器上则为电流的震荡。变频器电流的震荡则很容易造成变频器跳过压、过流的故障,从而无法正常启动
负载图:


五、变频系统一次回路改造方案
  同步电机变频调速系统主要由用户开关、变频器、旁路柜、同步电机和励磁柜组成。变频器通过信号来控制励磁柜励磁电流的投切实现同步电机的启停控制,实现同步电机变频调速。系统控制示意图如下所示:


  变频调速系统由用户开关、手动旁路柜、水阻柜、BE-4TD6000-6/1730高压变频器、高压电机组成。手动旁路柜是由三个高压隔离开关QS1、QS21、QS22组成。电机以变频方式运行时,QS1、QS22闭合,QS21断开;电机以工频方式运行时,QS21闭合,QS1、QS22断开。手动旁路柜严格按照“五防”联锁要求设计,变频输出开关QS22和工频开关QS21互锁,完全能够保证变频调速系统安全运行。
在启动方式的选择上,采用同步启动:
  1、励磁装置投励:励磁系统向同步电机的励磁绕组通以一定的励磁电流,在同步电机定子上建立一定的磁场。
  2、转子定位检测:变频器向同步电机的电枢绕组施加一定的直流电压,产生一定的定子电流。此时,在同步电机上产生一定的定子电流,并在定子上建立较强的磁场。转子在定、转子间电磁力的作用下开始转动,使转子磁极逐渐向定子磁极的异性端靠近。此时转子的转动方向可能与电机正常运行时的转向相同,也可能相反。
  3、变频同步起动:变频器按照电机正常运行时的转动方向,缓慢旋转其施加在电枢绕组上的电压矢量。随着同步电机转子的转动和定子磁场的旋转,转子磁极将在某一时刻掠过定子的异性磁极,或者转子磁极加速追上旋转的定子磁极。此时,电机的转子磁极被较强的定子磁极可靠吸引,二者间的角度经过少量有阻尼的震荡后,逐渐趋于一个较小的常量。至此,同步电机进入同步运行状态,整步过程完成。变频器按照预先设定的加速度,逐渐加速到给定频率。此时,同步电机的转子角逐渐拉大到某一常值,电机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至期望转速,同步电机起动过程完成。
六、变频器调试运行情况
  我司技术人员根据负载的特性,采用励磁电流与输出电压同步调节的方式,选择了适合本电机运行的最优励磁电流、电压变化曲线,并把该最优的励磁电流曲线直接固化到同步机的励磁柜上,把电压曲线采用多点V/F的方式,固化到变频器的参数中;然后又采用变频器所独有的同步机抑制震荡技术,有效的解决了负载启动不平稳,容易抖动,造成电流震荡的问题,出色的完成了主抽6000KW同步电机的启动和稳定运行。  
  调试完成后,客户对变频器的启停、运行阶段的控制,只需简单的在上位机上完成,仅仅是调节一下输出频率,启停一下而已。整个过程中也不用关心励磁柜的调节问题,大大降低了启动阶段的工作强度,降低了工作的复杂性,提高了生产效率,同时也减少了出错的可能。


七、节电分析
变频运行效果图:


  该变频器于2010年11月24日起运行,平均运行频率在45HZ左右,平均运行功率4398.57KW,改造前平均运行功率为5464.46KW,节电率达到19.5%。该设备年运行7200小时以上,按电费0.6元/度算,每年节省电费460万元。
八、结束语
  通过BE-4TD6000-6/1730高压变频器2年多的实际运行情况来看,该设备运行比较稳定、调速操作简单、维护方便,给操作人员和维护人员带来了很大方便,在高产稳产、降低能耗和安全环保等方面发挥了很大作用,达到了设计预期效果,并创造了良好的经济效益。

 
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