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 : 高壓大功率同步機采用全數(shù)字化矢量控制方法控制的實現(xiàn)及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 : 大功率變頻器，矢量控制，全數(shù)字化，控制方法

1.引言
隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。而變頻調(diào)速具有優(yōu)異的調(diào)速和制動性能，高效節(jié)能的效果。近期國家發(fā)改委將高壓變頻列為首批50項重點推廣的節(jié)能產(chǎn)品。
榮信電力電子股份有限公司是專業(yè)從事高壓大功率電力電子柔性輸配電和自動化裝備研發(fā)和生產(chǎn)的國家級重點高新企業(yè)。榮信公司主導(dǎo)產(chǎn)品之一­——高壓電機變頻調(diào)速裝置（RHVC）是采用目前國際上先進的IGBT功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)及超導(dǎo)熱管散熱技術(shù)研制而成的系列高壓電機節(jié)能調(diào)速產(chǎn)品
榮信電力電子股份有限公司對鐵煤集團大興礦井主通風機采用了高壓變頻改造,選用功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器 ,實現(xiàn)主通風機的電能節(jié)約和風量無級調(diào)速。

2、大興礦風機變頻改造的必要性
鐵煤集團大興礦井主通風機采用同步電機，而交流同步電機的調(diào)速是電氣驅(qū)動領(lǐng)域的一大難題。難點在于與普通異步電機運行相比，同步電機在運行時，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。因此同步電機進行變頻調(diào)速改造時對高壓變頻裝置的要求也有些差別，具體要求如下：
（1）能夠解決同步電機啟動整步問題；
（2）能夠解決同步電機調(diào)速過程中輸出電壓和勵磁電流的協(xié)調(diào)控制；
（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應(yīng)盡可能小。
鐵煤集團大興礦井主通風機擔負著該礦井下主通風任務(wù)，現(xiàn)在系統(tǒng)存在的問題：
（1）調(diào)節(jié)精度低、線性度差、實時性差；
（2）采用風門調(diào)節(jié)，造成管路壓力增加，造成大量電能浪費；
（3）直接起動時，造成電網(wǎng)波動嚴重和機械沖擊大，影響著系統(tǒng)的運行可靠性和壽命。
鑒于上述問題的存在，對現(xiàn)有風機進行變頻技術(shù)改造，采用完美無諧波大功率變頻器實現(xiàn)主通風機同步電機無級調(diào)速技術(shù)方案。

3、高壓變頻調(diào)速裝置設(shè)計
3.1.系統(tǒng)組成
該高壓變頻器采用性能優(yōu)良、技術(shù)成熟、安全可靠的完美無諧波功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。整個變頻系統(tǒng)主要由全數(shù)字控制器、變頻功率單元等組成，其中散熱技術(shù)采用采用公司自主研發(fā)的高效熱管散熱器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1：

3.2.全數(shù)字化矢量控制方式技術(shù)方案原理
3.2.1全數(shù)字化矢量控制原理
RHVC系列高壓變頻器采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。控制系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，速度環(huán)采用PID調(diào)節(jié)器，能有效地限制動態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。在轉(zhuǎn)子磁場定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機轉(zhuǎn)矩。實際運行中給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值通過PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。經(jīng)過矢量變換將IT、IM變換為電機三相給定電流Ia＊、Ib＊、Ic＊，它們與電機運行電流相比較生成三相驅(qū)動信號。系統(tǒng)全數(shù)字式的關(guān)鍵是電流環(huán)數(shù)字化，就是把數(shù)模混合式變頻系統(tǒng)中的模擬電流環(huán)，采用數(shù)字方式加以實現(xiàn)，其核心提高電流環(huán)的處理速度，達到或接近模擬電流環(huán)的響應(yīng)速度。根據(jù)目前的微處理器DSP、A/D器件的水平，可以滿足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制軟件的優(yōu)化。良好的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計是使研制的系統(tǒng)達到實用化的保證，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，必須充分利用硬件資源，提高集成度降低硬件成本，達到產(chǎn)品化的目標。整個系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2所示。

3.2.2硬件主控實現(xiàn)部分
系統(tǒng)由DSP數(shù)字信號處理器作為主控CPU，可編程邏輯器件實現(xiàn)部分算法的計算和波形發(fā)生及各種信號的處理，單元的狀態(tài)信息經(jīng)可編程邏輯器件進行串行編碼后通過光纖發(fā)送到主控制器的接收板，主控制器接收板進行串行到并行解碼后傳輸?shù)街骺谻PU；主控CPU根據(jù)單元狀態(tài)信息，調(diào)整系統(tǒng)的控制狀態(tài)；測速方式采用變M/T測速，可以實現(xiàn)高精度的測速要求。本系統(tǒng)中的電流檢測元件選擇了根據(jù)磁場補償原理制成的霍爾效應(yīng)電流互感器，以滿足實時監(jiān)測電流的要求。整個硬件的原理框圖如圖3所示。

3.3.變頻功率模塊
由電網(wǎng)送來的三相6000V交流電經(jīng)過隔離移相變壓器變?yōu)?5組690V分別供給15個功率單元，每相上的5個功率單元輸出的單相SPWM波相疊加后，采用Y形連接，將形成線電壓為6000V的高質(zhì)量的正弦波輸出供給高壓同步電動機驅(qū)動風機。
主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術(shù)，做到了高壓與低壓的完全隔離，具有極高的安全性。功率單元采用交—直—交變頻技術(shù)，單相輸出，IGBT元件采用先進高效的熱管散熱技術(shù)，大大提高了工作可靠性。

高壓變頻器參數(shù)：
額定容量：2000kVA 輸入電壓：6000V+15%-30%
高壓電網(wǎng)頻率：45～55HZ 輸出電壓：0～6000V
輸出頻率：0～50HZ 輸出電壓諧波含量：< 4%
功率因數(shù)：96% 過載能力：120% （5分鐘）
效率：96% 冷卻方式：熱管冷卻
工作環(huán)境溫度：-20°C — +45°C

電機參數(shù)：
額定電壓：6KV 額定功率：1600KW
額定電流：150A 額定轉(zhuǎn)速：500r/m
功率因數(shù)：95% 勵磁電流：180A
勵磁電壓：80V
3.4高壓變頻器應(yīng)用設(shè)計
針對鐵煤集團大興礦井主通風機通目前的情況，采用高壓變頻器一臺，一拖一的工作方式，對主通風機同步電機實現(xiàn)無級調(diào)速控制方案。風機電機由高壓變頻器控制，原風門調(diào)節(jié)開度開到最大，風量的調(diào)整通過控制電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，達到風量的實時精確調(diào)節(jié)。穩(wěn)態(tài)時，變頻器的輸入、輸出波形分別如圖4和圖5所示：

（1）采用高壓變頻無級調(diào)速技術(shù)方案后，風機電動機的轉(zhuǎn)速可方便地從目前的額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)，得到生產(chǎn)所需要的風量；
（2）電機不用一直工作在額定轉(zhuǎn)速，大大降低了系統(tǒng)機械的磨損，延長了設(shè)備的使用壽命；
（3）通過與控制中心通訊連接，可實現(xiàn)風機的自動調(diào)節(jié)；
（4）通過變頻控制在風量滿足條件下，還可取得可觀的節(jié)能效果。電機實現(xiàn)真正軟起動，起動電流控制在額定以下。

4、通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟效益
風機屬于平方轉(zhuǎn)矩負載，風機的風量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，而風機的功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。
風機風量Q = K1n （1）
風機風壓 P = K2 n2 （2）
風機功率 P = K2 n3 （3）
每年耗電量為（電流為運行實際值）:
P =UI （4）
風門開度取60％，改造前實際運行電流為146A，改造后為92A，根據(jù)已有經(jīng)驗和現(xiàn)場實測，由式（4）可得改造前年用電為1320萬度，改造后為832萬度，變頻的年節(jié)電為220萬元，設(shè)備投入大約在二年左右可全部收回。

5、創(chuàng)新點
（1）原理創(chuàng)新：控制方法采用全數(shù)字化矢量控制，同時RHVC還可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、牽引、電制動等功能，以滿足提升、牽引等需要四象限運行的負載調(diào)速需要。
（2）技術(shù)創(chuàng)新：變頻器采用全數(shù)字同步啟動，同時可實現(xiàn)飛車啟動。
（3）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：采用自主研發(fā)的高效熱管散熱技術(shù)，相較于傳統(tǒng)風冷散熱設(shè)計效率大幅提升，徹底消除了大功率器件IGBT的熱島效應(yīng)。
（4）工藝創(chuàng)新： IGBT與散熱器之間采用半自動涂覆機實現(xiàn)導(dǎo)熱硅脂涂覆，它的特點是厚度準確，分布均勻，增加大功率器件導(dǎo)熱性且節(jié)能。

6、結(jié)論
同步電機的調(diào)速是電氣驅(qū)動行業(yè)的一大難題，近年來應(yīng)用高壓變頻調(diào)速一直是我國變頻廠家研究的課題。而此次榮信電力電子有限公司高壓變頻器成功應(yīng)用在大興礦主扇風機同步電機上，其示范意義是不言而喻的。實際應(yīng)用表明，高壓變頻器的應(yīng)用于同步電機系統(tǒng)改造必將取得良好的運行效果和經(jīng)濟效益。