负载换流变频器在高压大功率同步电动机启动中的应用技术

高　平，田　勇，张宏乐

（中航工业燃气涡轮研究院，四川江油621703）

负载换流变频器在高压大功率同步电动机启动中的应用技术

高平，田勇，张宏乐

（中航工业燃气涡轮研究院，四川江油621703）

摘要：简述了负载换流变频器的结构与工作原理，介绍了采用一套负载换流型变频器启动三台高压大功率同步电动机的实际应用技术。

关键词：负载换流变频器；同步电动机；空气压缩机

1　引言

随着现代工业的发展，高压大功率同步电动机日益广泛地应用在冶金、钢铁、石化等行业,用于拖动空气压缩机和水泵类负载。由于高压大功率同步电动机的负载一般都在10MW甚至几十MW以上，因此必须采用软启动设备，以减小电机启动过程中对电机、电网以及传动设备的冲击。高压大功率同步电机常用的启动方式通常有：固态软启动、直接全压启动、串联电抗器降压启动、变频启动等，其中最佳的启动方式为变频启动。传统的旋转变频机组虽然可以启动高压大功率同步电动机，有效地降低启动电流、减小启动冲击，但旋转变频机组设备繁多、结构复杂、站地广、维护成本较高，所以该技术已被逐渐淘汰。随着电力电子技术、微电子学、自动控制理论、计算机技术以及先进制造技术的不断发展，交流静止变频器开始广泛地应用于高压大功率同步电动机起动领域。对于高压大功率同步电动机的变频软启动，目前普遍采用已较为成熟的负载换流型变频器（Load Commutated Inverter，即LCI）。LCI原理上属于交-直-交电流源型变频器，通过配合降压变压器、升压变压器可以构成高-低-高型高压变频器，广泛应用于高压大功率同步电动机的软启动，甚至调速运行。

某厂有3套相同的大型离心式空气压缩机，采用3台10kV、15MW国产同步电动机拖动。该空气压缩机站为间隙运行方式，每月运行约10次，每次运行的机组1－3台不等。要求采用一套变频装置能连续启动3台同步电动机，启动冲击电流小于电机额定电流；从启动、升速直至并网采用自动控制，单台电机启动时间不超过180s；电机启动完成后，变频装置处于“热备”状态，随时准备下一次启动。

2　 SIMOVERT S型负载换流变频器简介

2.1主回路结构

SIMOVERT S型LCI主回路结构如图1所示。功率单元采用强迫空冷，主回路为高－低－高结构，使用降压变压器－变频器－升压变压器；变频器单元（SFC）为双功率单元结构（两个整流单元与两个逆变单元，采用12/12脉冲结构，功率器件为晶闸管）并联运行；再结合励磁单元(EXC)、开/闭环控制单元、灭磁单元（DMU）等，构成电机起动、并网、运行和保护监控的完整变频软启动系统。

图1　 SIMOVERT S型变频器主回路结构

2.1.1降压变压器和升压变压器技术参数

（1）降压变压器（SDT，油浸式变频变压器）额定容量（短时运行）：8000kVA。无载变比：10.0kV/2×2.6kV；50Hz。

一次/二次额定电流：461.9A/888A/888A。矢量组别：Dd0y11。阻抗电压：12%。

（2）升压变压器（SUT，油浸式变频变压器）额定容量（短时运行）：7600kVA。

无载变比：2×2.4kV/10.5kV；0～50Hz。

一次/二次额定电流：914A/914A/438.8A。矢量组别：Dd0y11。阻抗电压：6.5%。

2.1.2变频器（SFC）技术参数

整流单元输入电压：2×2.6kV，3相，允许偏差+ 10%/-10%。

逆变单元输出电压：2×2.4kV,3相。额定频率：50Hz±2%。直流环功率：2×3.1MW。频率控制范围为1:10

频率稳定度：±0.5%

整流单元和逆变单元为6QC7全控三相桥；晶闸管由光纤间接触发,且都有反馈信号。

2.2工作原理

LCI利用同步电动机过励磁时定子电流超前电压的特性，使逆变单元的晶闸管靠同步电动机反电动势自然换流，与单独励磁、直流驱动的直流电机有类似的工作特性：转矩与直流环节的电流成比例,直流环节的电压在恒定磁通运行时与转速成比例。LCI同步电动机具有和直流电机相近的调速方式和较好的调速优越性。相对而言，LCI结构简单、技术成熟，在高压大功率同步电动机调速或软启动系统中应用广泛。

2.2.1主回路工作原理

整流单元（A211、A111）是两个全控三相桥,由降压变压器（SDT）的次级三相输出进行换相导通。逆变单元（A212、A112）也是两个全控三相桥,由电机端电压和负载进行换相导通。逆变单元将直流环节的电流从电机定子绕组中的一个线圈切换到另一个线圈,从而在定子绕组中产生一个旋转磁场使转子同步旋转。利用电压相序和与之同步的频率将直流环节的电流分别依序接通到电机定子的各相绕组。当转子持续旋转时,磁通也持续旋转。逆变单元起到与直流电机机械换相类似的电子换相器的功能：电枢安匝转换成磁通,并按照转子的旋转进行相应切换。因此,同步电机就像直接在线运行一样,不会发生“失步”。

2.2.2控制原理

SFC的开/闭环控制单元采用了全数字化多处理器SIMADYN D控制系统，控制原理图如图2所示。硬件包括：处理器板、通讯板、触发器板、诊断板、光电输入输出板、I/O板、操作面板等，以插卡方式安装在标准机架上；软件采用全图形式的编程语言STRUG G进行设计开发，最小组态单位为功能块，包括：逻辑块、算术块、诊断块、信号转换块、I/O块和通讯块等。选择各功能块连接并设置参数，便构成实现对SFC的各种高速开/闭环控制、运算、检测、监视、报警及诊断等功能。整流单元采用速度和电流双闭环控制，逆变单元采用矢量控制技术。

图2　控制原理图

3　 LCI的“一拖三”方式应用技术

3.1“一拖三”变频系统主接线设计

采用一套SIMOVERT S型LCI，构成“一拖三”变频软启动系统的主接线图如图3所示。

图3　“一拖三”变频软启动系统原理图

3.2电机及空气压缩机主要参数

电机型号为T15000-4/1800，形式为凸极式,旋转转子式；额定功率为15MW,额定转速为1500rpm（4P）,额定频率为50Hz,额定电压为10kV，额定电流为984.4A，满载励磁电压为80V，满载励磁电流为460A；额定功率因数为0.9(超前)；电动机转子转动惯量（飞轮转矩）为GD2:5750kg.m2；采用下水冷方式。

离心式空气压缩机的增速比为3.911，转速为5867rpm；转动惯量为GD2（折算到电机端）30380kg. m2，负载额定转矩为22230.91N.m（额定转速、满载，已折算到电机端）。

3.3励磁单元（EXC）的构成和主要功能

EXC主要产生并控制同步电动机的励磁电流、并网条件判断、电气参数检测、电机综合继电保护、测控人机界面、辅助设备与高压开关的开环控制等。EXC的构成及主要功能如下：

（1）7UM62综合继电保护单元：实现电机的继电保护；

（2）SIMEAS P电力仪表：实现电气运行参数（功率因数、无功功率、有功功率、系统电压、系统电流）的检测与A/D转换；

（3）6RA70直流调速器：实现励磁系统的交流/直流转换，并按照上层参数及控制逻辑要求实现励磁电流的自动调节；

（4）OP17人机界面：操作员的接口，实现各种设定值整定、电力系统参数显示、报警及保护信息接受/解除；

（5）S7-300型PLC系统：包括1个S7 315-2DP的CPU及配套的I/O模块组成，通过程序及通讯实现整个系统的协调控制，并与其他可通讯设备、系统实现通讯；

（7）7VE6同步器：用于同步电动机并网控制。

3.4控制网络结构

EXC以S7-300型PLC系统作为控制核心，其中除了自身具有I/O输入外，还与各个通讯设备（6RA70、SIMEAS P仪表、SFC开/闭环控制柜、OP17、用户DCS）等通过PROFIBUS DP现场总线进行通讯，各设备自身通过软件进行参数化后按照各自功能独立运行，同时与S7-300软件通过程序实现实时网络通讯，完成数据交换，并最终完成既定的控制逻辑。整个变频系统的控制网络结构如图4所示。

（1）3台EXC内S7-300 CPU的MPI接口组成的MPI子网络；

图4　控制网络结构图

（2）3台EXC内S7－300 CPU的PROFIBUS接口、6RA70调速器、OP17、SIMEAS P组成的PROFIBUS DP子网，即，＋EXC1_PROFIBUS、＋EXC2_PROFIBUS、＋EXC3_PROFIBUS；

（3）3台EXC内的CP342－5通讯管理器与用户DCS（压缩机PLC测控系统，GE90－30，以太网结构）构成的PROFIBUSDP子网，即，DCS_PROFIBUS_EXC1、DCS_PROFIBUS_EXC2、DCS_PROFIBUS_EXC3。

3.5电机的启动、并网及运行

3.5.1电机的启动

为降低启动功率，压缩机采用“节流启动”方式，即：全开放空阀、全关出口阀、全关旁路阀，进口阀略开一定角度（此开度须在调试中摸索总结）。电机启动前，需要首先对空气压缩机组的辅助设备进行启动和调节，包括润滑油泵、顶升油泵、进口阀、出口阀、旁路阀以及冷却水阀等，由压缩机组PLC测控系统给EXC发出“允许启动”信号。

电机启动的全过程由EXC控制。用户发出启动指令（在EXC上的OP17操作面板或用户DCS系统的上位机上），待EXC准备就绪后，启动EXC辅助装置，并发出指令使SFC的开环控制系统启动变频器的辅助装置；SFC的开环控制系统命令功率单元的空气冷却风机工作后，SFC反馈“辅助装置已工作“的信号，然后EXC给电机输出励磁电流，并闭合电机起动柜（MBM）以及给SFC的开环控制系统发一个启动指令；之后，SFC开环控制系统闭合降压变压器运行柜（MBC），使SFC的闭环控制系统就绪，同时要求励磁电流闭环控制系统就绪；当触发脉冲就绪时，SFC的闭环控制系统会得到指令，接着开始检测电机转子位置。初始阶段，采用DC环脉冲技术（断续换流方式），SFC开始启动电机并按照启动特性曲线将电机加速到比同步转速低5%的速度上；之后，采用电压检测信号的负载换流方式，将转速升至额定转速。升速至同步转速时间设定为75s。由于该变频系统用于软启动，在低速时对转矩脉动要求不高，故取消了旋转编码器，因此减小了故障环节。

3.5.2电机的并网

升速过程中，励磁电流的设定值为电枢电流与速度的函数值，在电机启动过程中由SFC的场定向闭环控制系统设定。安装在EXC内的自动同步器(7VE6)将对电网电压与电机电压进行比较，当达到7VE6的启动转速（49HZ）时，7VE6将针对电压和频率的上升和下降输出相应的脉冲。速度设定值可从反映频率的脉冲信号上获得，并输送到SFC的闭环控制中去；速度的另一个设定值可从反映电压的脉冲信号上获得，且该设定值需与励磁电流设定值叠加，若电机的相位和电压绝对值与电网的相位和电压绝对值相等，7VE6将发出同步脉冲信号，并输送给EXC。同步脉冲信号将使励磁电流设定值锁定，而且7VE6闭合电机运行柜（MBL），收到确认信号后,EXC将给SFC发一个关机命令。此时，电机并入工频电网，达到同步转速。并网判断时间限制为300秒，超过该时间则变频系统自动停机。

收到EXC发出关机命令后，SFC的闭环控制系统立即降低电流、关断SFC，通报EXC禁发脉冲，断开降压变压器运行柜（MBI），SFC与EXC交接完毕。之后,SFC处于“热备”状态，准备下一次启动。

3.5.3电机的运行

电机并入工频电网运行后，电机的继电保护以及励磁电流调节完全由EXC实现。压缩机在运行中，根据工艺需要对其进、出口阀门进行调节，这将带来电机负荷的变化，此时可根据同步电动机的功率因数、无功功率以及同步的需要，对励磁电流进行设定。励磁电流的设定模式有内设定（OP17操作面板）和外设定（用户DCS上位机），控制模式有恒励磁电流、恒无功功率与恒功率因数。实际运行中，通常采用恒功率因数控制模式，励磁电流根据功率因数的设定值而自动调节。

3.5.4变频软启动系统的调试

为保证压缩机组工艺系统以及变频软启动系统的安全，调试分为两大阶段：启动单电机调试、启动压缩机组（即电机+空气压缩机）调试。在每个调试阶段中，充分发挥了SIMOVERT S型LCI具有的调速功能，通过SIMADYN D开/闭控制系统将SFC设定为“手动模式”，使SFC驱动电机或整个压缩机组逐步提高转速（如500rpm、1000rpm、1500rpm）并在各转速下短时运行，以检验电机、联轴器或整个空气压缩机组的状态，以及对SFC的开闭环控制系统以及EXC的参数值进行修定。最后，将SFC设定为“自动模式”，带整个压缩机组进行自动升速、直至并入工频电网运行。调试及试运行结果如下：

（1）在启动单电机时，并网成功率大约66.7%，启动空气压缩机组时，并网成功率几乎为100%。

（2）空气压缩机组启动，并网时降压变压器功率为4.2MW－6.8MW（对应空气压缩机的进口阀开度为7度－11度）。为保证启动可靠性以及变频系统不过载，建议进口阀开度设定为7度。

（3）单台空气压缩机组从启动到并网结束整个过程一般是120s－180s（每台电机的并网调节时间会因为电网变化而不等，因此全程时间会有差异）。

（4）启动至并网期间给电网的冲击很小（电网负荷从降压变压器支路转移至电机运行支路），约30%的电机额定电流。

（5）每启动完毕一台机组，灭磁单元（DMU）需要对升压变压器进行灭磁，以便启动下一台电机时，准确判断电机转子位置。

（6）该SFC可连续启动4次，第5次启动需间隔60min。

4　结束语

采用一套SIMOVERT S型LCI，构成“一拖三”变频软启动系统，成功地实现了对三台高压大功率同步电动机的连续、依次变频软启动。该负载换流变频系统设计选型合理，技术成熟可靠，启动电流小、对电网冲击小、启动时间短、启动可靠性高，整个启动过程自动化水平高，基本实现免维护运行，取得了较好的使用效果，为今后运行以及类似项目的建设或技改积累了经验。

参考文献：

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［7］SIEMENS.Manual Edition，2006.

［8］SIEMENS.Operating instructions Edition，2006.

Application technology of LCI in the starting of high－voltage and big－power synchronous motors

GAO Ping，TIAN Yong，ZHANG Hong－le
（Gas Turbine Research Institute of China Aviation Industry，Jiangyou 621703，China）

Abstract：The principles and the structure of Siemens LCI are introduced.The actual application technologies of using one set of Siemens LCI starting the three high－voltage high－power synchronous motors are also given.

Key words：LCI；synchronous motor；air compressor

中图分类号：TN773

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）05—0006—05

作者简介：

高平（1978－），男，2001年7月毕业于河海大学电力系统及其自动化专业，现为中国燃气涡轮研究院第二运行中心副主任，高级工程师，从事国内航空试验基地动力保障系统（供配电与电力拖动、冷却水等）的运行、维护与技术改造相关的技术与管理工作。

收稿日期：2015－06－03