力普高压变频器在超大功率同步电机驱动的空压机控制系统的应用

一.引言

钢铁企业冶炼生产工艺中需大量使用氧气、氮气、氩气等工业气体。氧气主要用于高炉、熔融还原炼炉、转炉、电炉冶炼；氮气主要用于炉子密封、保护气、炼钢精炼、转炉溅渣护炉、保安气体、传热介质及系统吹扫等；氩气主要用于炼钢精炼等。为适应生产要求，保证生产安全稳定运行，大型钢厂均配置有专供的制氧站和氧氮氩动力管网系统。

本项目所在钢厂为东亚某国家年产量500万吨钢厂,其制氧车间采用1.5万立方米制氧机，担负着公司冶炼系统中氧、氮、氩等能源介质的生产和输供任务。该机组于2015年10月正式投产，至今已经连续安全运行100多天。制氧机采用6kV12MW同步电机驱动，调速设备采用江苏力普电子科技有限公司提供的LPMV06-15500TTP型号高压变频器。

二.变频方案

高压交流变频调速技术是上世纪九十年代迅速发展起来的交流电动机的调速技术。变频调速以其显著的节能效益、高精确的调速精度、宽范围的调速、完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了用户和市场的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利，使之成为企业采用电机调速方式的首选方案。

在本项目应用工况下，通过变频调速技术改变空压机电机的转速，空压机的供气流量可随着用气流量的改变而改变，可达到在节能效果。同时，由于电机功率较大，通过变频方式启动，也减小了电机启动时对电网的冲击，使得电机机械寿命和电气寿命都可以得到延长。另外，本项目应用地区电网极其不稳定，输入电源经常工作在60%额定电压，且电网频率经常低至30Hz，通过使能LPMV系列高压变频器的AVR功能后可达到稳压稳频输出的效果，使得空压机供电稳定不变。

力普LPMV系列高压变频器采用双DSP+FPGA为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，也可以驱动普通的异步电机。具体来说，力普高压变频调速系统各部分介绍如下。

2.1总体结构

本项目采用直接高压变频电路拓扑，电网直接给移相变压器供电，移相变压器副边绕组给功率单元供电，功率单元输出串联后，直接输出到高压电机，提供驱动电压，励磁柜提供同步电机励磁控制，水冷柜负责整个系统的散热控制。从物理结构上分为控制柜，功率柜，变压器柜、水冷柜、开关柜、励磁柜六大部分。整个系统按着两排设计，第一排为控制柜、功率柜、水冷柜、励磁柜；第二排为变压器柜和开关柜。系统拓扑如图1所示。考虑供电电源波动范围，本项目采用8单元串联方案。

图1. 高压变频系统拓扑示意图

图2变频器第一排实物图

图3 变频器第二排实物图

2.2控制柜

控制柜是整个高压变频调速系统的核心，它根据用户在本地或远程的操作和设置，并采集系统中电压、电流模拟量，及各开关量，进行逻辑处理和计算后，决定并控制各功率单元的动作，进一步驱动电机，满足输出要求。

图4 控制端子接口图

控制柜中包括隔离变压器、脉冲抑制群、整流桥、断路器、可编程逻辑控制器PLC、DSP 控制板、IO板、光纤板、液晶操作人机界面及控制开关等。其中，所有的计算在 DSP 控制板中进行。控制核心为专业设计的双DSP（数字信号处理器），并辅之以FPGA（现场可编程门阵列）和CPLD（复杂可编程逻辑器件），它们的采用不但可进行高速运算，实现复杂的控制功能，而且还大大简化了控制电路的设计，提高了控制系统的可靠性。

2.3 功率柜

功率柜主要用于安装功率单元，实现单元的串联叠加三相输出。功率单元是使用功率电力电子器件进行整流、滤波、逆变的高压变频器部件，也是构成高压变频器主回路的主要部分。每个功率单元都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。每个功率单元由H桥构成，输出一组SPWM波，每相8个单元，通过叠加输出一组17个电平的正弦波；同一相中的每个功率单元的采样频率一致，用同一个载波进行调制，载波相差1/N个采样周期。

当功率单元出现过流、过压故障时，变频器立即封锁该单元的输出，通过软件控制，使功率单元输出电流可以经全桥逆变电路上桥臂，或者下桥臂形成电流回路实现将该单元旁路。

功率单元采用风水散热结合方式，功率柜有主进水管和出水管，柜子顶部配置冷却风机，选择德国EBM的风机，由移相变压器二次检测绕组220V供电，通过断路器由PLC控制功率柜风机的启动，当变频器启动频率运行时，风机启动。

2.4 变压器柜

变压器柜主要由移相变压器、温控仪、冷却风机等部件构成。移相变压器的原理：将高压电源变换为副边相互绝缘的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角形的接法，相互之间有一定的相位差。

变压器柜包含预充电回路，系统通过变压器副边380V辅助绕组对功率单元进行预充电后，再控制原边高压侧给单元上电。

2.5 水冷柜

由于系统输出功率较大，采用风冷方式已经不能满足变频系统的散热要求，故本项目采用水冷散热方式。恒定压力和流速的冷却介质源源不断流经换热器进行热交换，散热后再进入被冷却器件带走热量，温升水回至高压循环泵的进口。根据热负荷的变化，PLC根据供水温度的高低来控制进入换热器的冷却水流量，从而达到系统精确控制温度的要求。

为适应大功率电力电子设备在高电压条件下的使用要求，防止在高电压环境下产生漏电流，冷却介质必须具备极低的电导率。因此在主循环回路上并联了去离子水处理回路。预设一定流量的冷却介质流经离子交换器，不断净化管路中可能析出的离子，与主循环回路冷却介质在主循环泵入口合流。

循环管路设有气囊式膨胀罐稳压系统，为系统保持恒压并能吸收系统中冷却介质的体积变化，从而保证整个系统的正常运行。

系统中各机电单元及传感器由PLC自动监控运行。系统运行状态信号通过硬接点传送到被冷却器件主控制器，并可通过主控制器远程操控水冷系统。 水冷系统原理示意图如下图所示。

图5 水冷系统工作原理图

2.6 励磁柜

如果空压机反转，则油泵也相应反转，这样润滑油泵将无法工作，空压机的润滑将发生障碍，从而使空压机不能正常工作，容易使机身受损。 所以在使用变频调速系统对同步电机调速时，需要根据使用同步电机的方式合理选择控制方式。目前通常做法如下：

(1)变频启动之前让励磁装置投励。励磁系统向同步电机的励磁绕组通以一定的励磁电流，在同步电机转子上建立一定的磁场。

(2)变频装置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。

(4)变频器按照预先设定的加速度和v/f曲线(即磁通给定)，调节输出电压，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，然后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。

按着上述步骤调速时候，如果在第二步无准确转子位置检测在启动时可能出现短时电机正反振动现象，如图6所示。此种同步调速方式不适合空压机调速。

图6 先投励同步电机启动方式可能出现问题示意图

解决上述问题有两种方式，一种电机内部增加位置传感器，精确检测转子位置，根据转子位置实时调整定子电压矢量和励磁电流，保证电机按设定方向旋转；另外一种方式，先异步启动，强制电机按着设定方向旋转后，在某一个频率点强制励磁，系统阻尼震荡后嵌入同步运行。 本系统采用后者，可以很方便实现同步电机启动。启动效果如图7所示。

图7 先异步启动再投励运行示意图    

三.现场工况

根据现场要求，此系统采用一拖一方式驱动电机，无工频旁路，系统电路构成方案如图8所示。

图8 系统工程方案图  

为了保证安全，变频器高压连跳信号和输入开关柜高压断路器也实现互锁，变频器高压连跳串入上一级高压断路器的脱扣线圈，变频器出现故障时，上一级的高压断路器断开，实现高压故障连跳功能。考虑单台变压器容量较大，散热及移相角度不容易控制，本系统采用两个变压器串联工作。

输出开关柜含有真空断路器及差动保护装置，在电机励磁出现故障或者电机短路等情况下实现输出跳闸保护。

　　空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图9所示。

图9 压力外部闭环控制

变频器将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为4～20mA电信号送给PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的运行频率，从而调整电动机的转速，那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同，从而使实际压力始终维持在给定压力。

在实际运行中，加载运行时电流为1100A，卸载运行时电流为450A，空气压缩机运行频率常在50Hz左右（额定频率60Hz），运行电流为450～1100A，采用变频方案节省大量的电能，延长了设备的使用寿命。该系统于2015年10月10日安装调试完毕，并且安全运行到至今。

图10 现场运行某时刻HMI界面图

由于新上项目，无法对节能效果进行对比，但是根据用户的使用情况可总结变频驱动空气压缩机方案有如下特点：

（1）节约能源使运行成本降低

变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。

(2）提高压力控制精度

　　变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度高，可以使管网的系统压力保持基本恒定。

（3）全面改善压缩机的运行性能

　　变频器软启、软停止，从而减少对压缩机的电气部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。变频调速后，电机运转速度可调低，从而有效地降了空压机运行时的噪声。

（4）保证生产连续性

 由于变频器具有稳频稳压输出功能，从而使得电网供电的变化不会影响压缩机的正  常运转，从而保证整个压缩系统正常运转。

四.结束语

随着钢厂的大型化发展，与其配套空分装置也向大型化迈进，空分行业在经历了数十年的大发展后，国内空分企业也在积极赶超世界领先企业，国产空分供货商以杭氧为代表，已经研发出12万等级的超大型空分设备。空分设备的大型化发展意味着对大功率的高压变频调速的需求越来越多。通过采用高压变频器调速系统不但可以解决电机软启动问题，也可带来可观的节能效果。

江苏力普电子科技有限公司自主研发的6kV15.5MVA同步机高压变频调速系统在东亚某国家第二大钢铁厂一次性成功投入运营以来，其性能稳定、节能效果明显。本项目的投运成功标志着江苏力普电子科技有限公司在大功率水冷型高压变频器上取得了突破，提高公司在行业内的竞争实力,成为国内少数掌握超大功率高压变频调速系统设计生产技术的厂家之一。