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路尚書，朱春毅，許海濤，黃  勇

1  概述
中壓大容量的交流同步電機廣泛應用于電力、冶金、礦山、石油等領域，一般都是電壓6～10kV以上，容量數兆瓦的高壓同步電機。由于容量很大，直接起動對電網的沖擊太大，不可能直接起動并入電網。因而須采用軟起動設備將同步機按一定的加速度起動起來，通過同期調整，待頻率、電壓及相角滿足要求時再并入電網。
針對這種情況，我們與ALSTOM公司合作，采用進口硬件，通過自己組態編制軟件，研制和開發了高壓直接變頻全數字大型同步電機軟起動控制系統。該系統主要設備由交－直－交10kV光纖觸發電流型變頻器、32位處理器變頻起動控制及同期并網調整系統、旋轉勵磁系統和運行監控系統等組成。該系統已于1998年9月在昆明鋼鐵公司6號高爐鼓風機上成功投入工業運行。該高爐有兩臺鼓風機，每臺鼓風機由一臺30MW同步電動機驅動，兩臺鼓風機一用一備，兩臺電機共用一套軟起動系統。
2  軟起動系統主要設備
(1)  變頻起動功率部分
功率部分為晶閘管串聯，整流橋和逆變橋結構相同，每橋臂12只SCR元件串聯，它們構成交－直－交電流型10kV變頻器的功率部分。脈沖采用光纖傳輸，有效的避免了脈沖干擾，同時解決了高低壓之間的絕緣隔離問題。
(2)  變頻起動控制柜
控制柜是本套變頻裝置的控制核心，包括一套數字化控制器、同期調整裝置和一些輔助設備。
(3)  勵磁柜
勵磁柜為同步機的轉子提供勵磁電流，由勵磁控制系統和整流箱構成。
(4)  電壓檢測及繼電柜
電壓檢測主要是通過檢測同步機的定子電壓來檢測電勢，從而為逆變橋脈沖控制提供有效信息。
(5)  交流進線電抗器
(6)  直流電抗器
 3  系統的基本構成
系統主要由定子回路控制器、旋轉勵磁控制器、整流逆變功率器件、電流檢測CT、電壓檢測PT等構成。定子及旋轉勵磁控制系統均采用32位處理器。系統控制原理框圖如圖1所示。變頻軟起動系統主要組成如下：
3.1  定子變流主回路

圖1  變頻軟起動系統控制原理圖

本系統采用交－直－交電流型變流供電方式，采用無換向器電機控制原理。由于是直接高壓變頻，沒有高壓變壓器，三相交流電壓10kV經由高壓開關柜、高壓交流進線電抗器直接送入整流柜，經整流側的SCR將其整流得到直流母線電壓，直流電壓再經平波電抗器送入逆變柜中，由逆變柜中的SCR再將它逆變成頻率可變(0~60Hz)、電壓可變(0~10kV)的交流電源，饋電給10kV、30MW交流同步電機。整流和逆變柜中共用SCR 144支，每一橋臂由12支SCR串聯構成，SCR的參數為3000V、580A。整流和逆變柜中的SCR采用帶自動強制觸發的光纖觸發原理，且將每一SCR的導通信息處理后，通過光線傳輸到控制系統中，進行實時監控。
3.2  定子回路控制器
本系統的控制箱部分是系統控制核心，包括一套數字化控制器、同期調整裝置和一些輔助設備。控制器為由ALSTOM公司生產的A300、A320、A340組成的整體控制機箱，主要由通用處理器MCU032、存儲卡MEC032、開關量輸入輸出板BIO032、模擬量輸入輸出板ADA132、整流脈沖控制LCC板、逆變脈沖控制板MCC板、系統操作面板等構成。所有的控制板都是基于一個系統總線。同期調整裝置的主要作用，是當電機的實際轉速基本達到同步轉速時，對同步電機的運行狀態與電網進行同期調整。當同步電機的運行頻率、相位及電壓都滿足了并網要求時，發出并網指令將同步電機并入電網。
3.3  旋轉勵磁回路控制器
對于特大容量的同步電機，采用旋轉勵磁機省去了普通同步機的勵磁滑環，有效地解決了勵磁滑環炭刷磨損所引起的一系列問題，提高了設備的運行可靠性，減少了設備維護量。旋轉勵磁回路控制器，主回路采用電流閉環的SCR變流控制。同步機起動及并網過程中接受定子變頻系統的給定，并網后接受來自同步機運行監控系統的調節。此系統主要由處理器MCU032、電流控制器SRE032和脈沖形成放大單元及功率變流器件、檢測器件等構成，完成旋轉勵磁機的交流調壓電流閉環控制。
4  變頻軟起動系統的幾個關鍵技術
4.1  系統特點
對于大容量的高速同步電機采用國際上通用的無換向器電機控制原理。其主要特點如下：
?  調速性能優良，可與直流電機調速性能相媲美；
? 調速范圍可達標1:10甚至1:50；
?  結構簡單，無機械換向器，不會產生火花，便于維護；
?  容易做到大容量，高轉速，高電壓；
?  變頻器效率高；
?  電流型變頻器，電流控制能力強；
?  可以方便地實現四象限運行。
4.2  換流控制策略
換流控制方式是一個系統水平的重要標志，在昆鋼30MW同步機變頻軟起動系統中，我們采用了完全無位置傳感器方式，無轉子位置檢測器，也無速度傳感器。通過定子PT檢測出的電壓信號計算出換流位置，系統結構簡單，運行安全可靠，維護量小。
4.3  初始起動脈沖定位及換流方式轉換
有位置傳感器時，系統上電時通過傳感器即可知道轉子位置。無位置傳感器系統要使電機從靜止狀態順利起動起來，就需要采取一定措施將轉子初始位置檢測出來。我們可以在同步機勵磁回路加階躍電流，由從定子PT檢測到的三相電壓信號得到轉子初始位置，即可正確地發起動脈沖，使電機順利地起動起來。換流方式為：低速（一般6%額定轉速以下）采用電流控制斷續換流，達到一定速度（一般6%～8%）采用電壓信號換流，速度繼續升高（一般達到8%～10%以上）則采用負荷換流。
4.4  換流裕度控制
根據無換向器電機原理做的同步機調速系統，最初采用恒換流超前角控制，后來發展到恒換流剩余角控制。恒換流超前角控制即為了不導致換流失敗，在電勢自然換向點之前一定角度提前換流，一般系統此換流超前角為60度，轉矩脈動分量比較大。
恒換流剩余角控制一般留的換流剩余角為45度左右，比恒換流超前角控制有所改善，現在國際和國內比較先進的系統大多都采用恒換流剩余角控制。
本系統采用最為先進的換流裕度控制。所謂換流裕度控制是根據電機實際的運行狀況，電壓、電流、頻率及電機主回路實際參數按一定的數學模型算出換流所需的參量，進行換流控制。它的優點是最大限度的提高電機的實際有效轉矩且安全可靠。
5  系統的主要技術指標
(1)  軟起動變頻器容量： 10MVA
(2)  輸入電壓：         10kV
(3)  電壓波動允許值：   5%
(4)  輸入頻率：         50±2Hz
(5)  輸出頻率：         0～60Hz
(6)  輸出頻率精度：     0.1%
(7)  光纖觸發；
(8)  電流型變頻器電流控制特性好；
(9)  冷卻方式：強迫風冷；
(10)  軟件模塊化編程，可靈活修改參數；
(11)  可靠性高，具有完善的故障自診斷和故障記憶顯示功能。
6  結語
昆鋼高爐鼓風機同步機軟起動工程，電機容量2×30MW，系統裝置容量10MVA 10kV，是國內首次完全依靠自己的技術力量，承接的電機及裝置容量比較大的工程項目。本系統采用國際最先進的無位置檢測器及速度檢測器，全數字技術32位控制技術。從硬件組態，軟件編程，硬件制作，出廠前的聯機調試及現場調試，解決了一系列關鍵技術難題。在現場從系統送電開始僅用十天左右的時間，就如期順利地完成了兩臺30MW同步電機的成功并網運行，將SIEMENS 70年代的落后的二手設備改造成為當今國際最先進的控制水平的同步機軟起動系統。此項目的順利投運，得到了昆鋼及國內同行的高度贊揚，也為國內同類軟起動系統和風機、水泵類變頻運行系統的改造提供了先進的技術設備和成功改造的范例。