摘 要 ：本文闡述了西門子SIMOVERT S同步電動(dòng)機(jī)自控變頻系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成及工作原理，給出了軟啟動(dòng)系統(tǒng)工作的時(shí)序邏輯，對(duì)主要控制功能進(jìn)行了分析，并就采用一拖二方式在濟(jì)鋼1750m3高爐風(fēng)機(jī)上的典型應(yīng)用進(jìn)行了介紹。 1 引言 根據(jù)電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的要求，對(duì)于調(diào)速范圍小的大型風(fēng)機(jī)、水泵一般采用同步電動(dòng)機(jī)，以便運(yùn)行時(shí)可以向電網(wǎng)補(bǔ)充容性無(wú)功，但由于這類風(fēng)機(jī)、水泵一般都是幾十兆瓦以上超大容量的，必須采用軟啟動(dòng)設(shè)備以減少大型電機(jī)啟動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)和所傳動(dòng)設(shè)備的沖擊，其中用于同步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)裝置主要有液體可調(diào)電阻啟動(dòng)、磁飽和電抗器啟動(dòng)、開關(guān)變壓器啟動(dòng)、同步電動(dòng)機(jī)自控變頻器啟動(dòng)，而前三種原理上都是異步降壓?jiǎn)?dòng)后再牽入同步，由于一是同步電動(dòng)機(jī)做短時(shí)異步運(yùn)行需要一些特殊設(shè)計(jì)如整體極靴或增加阻尼籠條，且需要嚴(yán)格遵守啟動(dòng)時(shí)的熱容量限制，二是由于異步啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比所導(dǎo)致的實(shí)際啟動(dòng)能力不足，經(jīng)常會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)頁(yè)式風(fēng)門關(guān)不嚴(yán)或設(shè)備長(zhǎng)期停用后要求的靜止啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大等原因使電機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)，而且為了保證足夠的啟動(dòng)力矩，電機(jī)的啟動(dòng)電流一般會(huì)達(dá)到額定電流的2.5～3.0倍，為此對(duì)于大型同步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)目前普遍采用的仍然是采用電流源型交—直—交變頻器構(gòu)成的同步電動(dòng)機(jī)自控變頻啟動(dòng)方式，由于它基于磁場(chǎng)定向控制原理，并采用速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以有效保證電機(jī)的啟動(dòng)力矩，且啟動(dòng)電流一般不超過電機(jī)的額定電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)和傳動(dòng)設(shè)備均無(wú)沖擊啟動(dòng)，甚至可以用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的調(diào)速運(yùn)行，這種啟動(dòng)方式是基于自控同步原理實(shí)現(xiàn)的，不進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生熱應(yīng)力，針對(duì)這一主流軟啟動(dòng)方式，世界各大電氣公司都有類似的產(chǎn)品，其中siemens公司更是針對(duì)這一啟動(dòng)方式，基于設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)單、應(yīng)用盡量可靠的思想，對(duì)適于這種傳動(dòng)方式的同步電動(dòng)機(jī)和變頻裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，這就是H-moflex、H-modyn系列高壓電機(jī)和SIMOVERT S系列變頻器。 濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)有限公司現(xiàn)有的3座1750m3高爐風(fēng)機(jī)、2套燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電用的煤壓機(jī)及2座2萬(wàn)m3制氧機(jī)的空壓機(jī)的軟啟動(dòng)均采用了SIMOVERT S系列自控變頻啟動(dòng)裝置，使用2年多的實(shí)踐表明該軟啟動(dòng)裝置故障率低、可用性好、硬件配置合理，基本實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)運(yùn)行。 2 主回路組成和工作原理 SIMOVERT S變頻器是專為同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行開發(fā)的全數(shù)字變頻裝置，功率單元采用了晶閘管三相橋式電流源型變頻器，分為6脈沖和12脈沖兩種，在1750m3高爐風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)系統(tǒng)中，采用了12脈沖的功率單元結(jié)構(gòu)和高—低—高的電壓變換方法，在電流型逆變器的直流耦合電抗器設(shè)計(jì)上采用了siemens專利的兩個(gè)獨(dú)立直流母線的電抗器反向耦合的技術(shù)，采用這種電路結(jié)構(gòu)后直流母線電抗器只有傳統(tǒng)額定功率電路結(jié)構(gòu)所采用直流母線電抗器的60%，使得電抗器的體積和損耗大為減少，并可以實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)安裝。 由于采用的是電流型逆變器原理，功率回路采用了無(wú)熔斷器設(shè)計(jì)，由于采用了電抗器反向耦合及脈沖監(jiān)控觸發(fā)和經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的整流側(cè)脈沖組合邏輯，使得即使不用在直流平波電抗器兩側(cè)并聯(lián)釋能晶閘管，也能夠保證在電流斷續(xù)換向時(shí)將變頻器電流快速拉到零，從而大大簡(jiǎn)化了主電路結(jié)構(gòu)和控制線路，提高了系統(tǒng)的可靠性。 同步電動(dòng)機(jī)自控變頻的核心就是轉(zhuǎn)子定向，以前都是采用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝編碼器的方法直接測(cè)量，但這樣對(duì)于設(shè)備安裝要求、調(diào)試及系統(tǒng)的可靠性都帶來了不穩(wěn)定因素，為此siemens公司采用了矢量運(yùn)算的方法，通過采用LEM元件高精度地檢測(cè)電機(jī)側(cè)的兩相電壓和兩相電流后，通過電壓模型便可以準(zhǔn)確計(jì)算出氣隙磁通的位置，但要計(jì)算轉(zhuǎn)子側(cè)磁通的位置，還需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置，在SIMOVERT S系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始定位是系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)子側(cè)突加勵(lì)磁在定子繞組中感應(yīng)的電壓進(jìn)行計(jì)算后自動(dòng)完成的；當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)的反電勢(shì)和電壓較低，用電壓模型計(jì)算磁通位置是不準(zhǔn)確的，由于定向的不準(zhǔn)確，會(huì)造成電機(jī)啟動(dòng)力矩的減少，如果電機(jī)是重載啟動(dòng)或設(shè)備要求電機(jī)長(zhǎng)期在低速條件下運(yùn)行，就需要在電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝編碼器。 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的基本原理就是基于對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)磁通的定向，按照矢量控制理論中力矩星形分布情況，判斷每一觸發(fā)時(shí)刻能產(chǎn)生最大加速力矩的兩相定子電流，觸發(fā)該對(duì)晶體管導(dǎo)通，給對(duì)應(yīng)的兩相定子繞組通電，產(chǎn)生一個(gè)超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步定子磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子獲得當(dāng)前電流下的最大電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，整流器采用速度和電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)控制輸出電流的幅值，逆變器采用矢量控制技術(shù)控制輸出電流的頻率。 由于采用常規(guī)的晶閘管技術(shù)構(gòu)成功率變換回路，所以影響主回路可靠運(yùn)行的關(guān)鍵是晶閘管的可靠換向，在SIMOVERT S系統(tǒng)中，整流側(cè)的晶閘管依靠電網(wǎng)電壓換向，逆變側(cè)的晶閘管依賴電機(jī)定子的反電勢(shì)進(jìn)行負(fù)載換向，但低速時(shí)（小于額定轉(zhuǎn)速的8%）由于定子產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)不足以關(guān)斷逆變側(cè)的晶體管，采用電流斷續(xù)法進(jìn)行換相，此時(shí)逆變器以逆變超前角γ=0°運(yùn)行，需要換相時(shí)，整流側(cè)推β，暫時(shí)強(qiáng)迫關(guān)斷正導(dǎo)通的一對(duì)晶體管，閉鎖整流器和逆變器的輸出，再給換相后應(yīng)該導(dǎo)通的一對(duì)晶體管加上觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)換相，此期間SFC輸出的電流是斷續(xù)的；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于額定值的8%時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生足夠大的反電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)入負(fù)載換相階段，為了保證換向余量角不變,在轉(zhuǎn)速由額定值的8%升至25%期間,變頻器的輸出電流由額定值的80%升至額定值,逆變超前角γ=60°,之后逆變器輸出額定電流值，逆變超前角γ=50°，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電流按照定子電壓閉環(huán)進(jìn)行控制，以補(bǔ)償定子電流電樞反應(yīng)的去磁作用，保持氣隙磁通不變，改善了逆變側(cè)的換向條件并保證了電機(jī)的過載能力。 當(dāng)變頻裝置拖動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)達(dá)到95%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，起動(dòng)自動(dòng)同步裝置進(jìn)入自動(dòng)整步微調(diào)階段。同步裝置根據(jù)頻率差Δf，產(chǎn)生一個(gè)附加轉(zhuǎn)速微調(diào)信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出電流，對(duì)轉(zhuǎn)速做微調(diào)，同步裝置同時(shí)發(fā)出命令給勵(lì)磁系統(tǒng)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使變頻母線電壓與電網(wǎng)電壓平衡，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)電流沖擊并網(wǎng)，整流器的晶體管即運(yùn)行于全逆變狀態(tài)，其輸出電流迅速降為零，關(guān)閉晶體管，然后封鎖整流器和逆變器的全部觸發(fā)脈沖，斷開軟啟動(dòng)裝置的輸出斷路器MBM及輸入斷路器MBC,完成整個(gè)起動(dòng)過程。 變頻器所驅(qū)動(dòng)的高壓同步電動(dòng)機(jī)采用了無(wú)刷勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，采用具有三相交流調(diào)壓功能的全數(shù)字化裝置simotras HD供電，勵(lì)磁功率是通過磁耦合和勵(lì)磁機(jī)定轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，值得注意的是，系統(tǒng)要求勵(lì)磁機(jī)定子側(cè)正確接線,應(yīng)該保證由勵(lì)磁機(jī)定子電流所形成的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際方向相反，以保證勵(lì)磁功率的正常傳遞。 矢量運(yùn)算模型所需要的電機(jī)側(cè)的電壓電流信號(hào)均取自升壓變壓器的輸入側(cè)，為了避免升壓變壓器的剩磁影響到同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定向的準(zhǔn)確性，每次軟啟動(dòng)結(jié)束后，都由一臺(tái)西門子6SE70系列變壓變頻裝置SIMOVERT MASTDRIVER VC完成升壓變壓器的消磁工作。 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,晶閘管的觸發(fā)采用了高電位板TAS21A進(jìn)行脈沖隔離放大,觸發(fā)功率直接取自主回路的阻容吸收,并采用了由SE48.1+IMPAG4+SAV21組成的晶閘管觸發(fā)和監(jiān)控單元,實(shí)現(xiàn)了高低壓回路的光耦隔離,脈沖觸發(fā)的監(jiān)控邏輯主要由接口模板SE48.1完成,對(duì)誤觸發(fā)的有效監(jiān)控保證了晶閘管觸發(fā)的可靠性及因晶閘管損壞或觸發(fā)脈沖丟失等原因所造成的功率單元災(zāi)難。 在濟(jì)鋼1750m3高爐風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)中，采用了一拖二的配置，即通過兩套勵(lì)磁和一套軟啟動(dòng)功率柜實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)25000kW風(fēng)機(jī)電機(jī)的分時(shí)啟動(dòng)。 系統(tǒng)主回路配置和供電系統(tǒng)原理見圖1。 3 控制系統(tǒng)組成及各部分的主要功能 控制系統(tǒng)主要由S7-300工作站和采用simadyn-d多微處理器、多任務(wù)并行處理控制器構(gòu)成的SFC組成，S7-300工作站主要負(fù)責(zé)電機(jī)的勵(lì)磁和運(yùn)行控制，SFC完成軟啟動(dòng)過程中所涉及的所有設(shè)備的控制，包括斷路器MBC、MBM、MBL的分合，勵(lì)磁電流的設(shè)定計(jì)算、電機(jī)的速度控制、電流調(diào)節(jié)，整流和逆變部分觸發(fā)脈沖的形成，軟啟動(dòng)過程中的故障診斷及保護(hù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上S7-300工作站和SFC部分的功能相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)軟啟動(dòng)結(jié)束后，由S7-300接管電機(jī)的運(yùn)行控制，此時(shí)即使 SFC部分?jǐn)嚯娨膊粫?huì)影響到電機(jī)的正常運(yùn)行。 SFC部分的硬件采用simadyn-d通用控制器，它采用多處理器并行處理方案，最大總線周期小于1μs，處理器的典型循環(huán)掃描時(shí)間小于10ms，適合完成快速和復(fù)雜的控制任務(wù)，如液壓AGC系統(tǒng)、SVC系統(tǒng)和傳動(dòng)級(jí)控制，硬件主要有處理器板、通訊板、通訊緩沖板、脈沖觸發(fā)板、信號(hào)接口模板、輸入輸出板等，simadyn-d系統(tǒng)采用全圖形式的編程語(yǔ)言STRUC G進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)開發(fā)。功能塊是軟件設(shè)計(jì)的最小組態(tài)單位，包括邏輯塊、算術(shù)塊、診斷塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換塊、I/O塊和通訊塊等。一個(gè)功能塊即一個(gè)子程序，相當(dāng)于硬件設(shè)計(jì)中的集成電路。只需要用鼠標(biāo)從圖形庫(kù)中選擇預(yù)先編制好的功能塊，將各功能塊相互連接并設(shè)定參數(shù)，即構(gòu)成實(shí)現(xiàn)一定的系統(tǒng)控制功能的軟件功能包，系統(tǒng)調(diào)試采用IBS G、drivemonitor等在線監(jiān)控和修改軟件完成。 控制系統(tǒng)的SFC部分主要包括兩個(gè)A100和A200機(jī)架，A100機(jī)架有4個(gè)處理器，A200有一個(gè)處理器，各處理器的主要控制功能如下： （1）A100機(jī)架24槽，主要完成變頻器本體的電流閉環(huán)控制、脈沖形成與監(jiān)控。 D01-P1：PM6 FP-AST：完成與傳動(dòng)有關(guān)的順序控制，如控制器的使能、運(yùn)行模式的切換等。 FP-ERW：以電壓閉環(huán)方式完成勵(lì)磁電流設(shè)定值的計(jì)算。 FP-EAL：綜合來自順序控制功能包、操作員控制功能包及通訊控制功能包的控制字，實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能和軟啟動(dòng)的啟/停綜合控制。 FP-UHR：用于啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘同步功能。 D05-P2、D07-P3：PG16 完成傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩控制，采用80C186-16 16位單片機(jī)。 FP-MN1、FP-MN2：完成電網(wǎng)側(cè)變流器的電流控制，包括實(shí)際值的處理、閉環(huán)電流控制，邏輯無(wú)環(huán)流邏輯及門極脈沖發(fā)生。 D09-P4：PS16 完成矢量運(yùn)算和SE21.2接口模塊、TS12脈沖觸發(fā)模板一起完成對(duì)電機(jī)側(cè)逆變器的控制，同時(shí)TS12還接受來自SE48.1和SE21.2的故障信號(hào)，通過PG16完成故障推β控制。 FP-SMS：矢量控制功能包，完成對(duì)逆變器負(fù)載換相的矢量控制及監(jiān)視，低速運(yùn)行時(shí)斷續(xù)換相觸發(fā)脈沖的控制及監(jiān)視，主要包括電壓模型（FB-UMS）、實(shí)際值處理（FB-IST）、反電勢(shì)補(bǔ)償計(jì)算（FB-OFC）、觸發(fā)角計(jì)算（FB-ALB）等功能塊。 （2）A200機(jī)架12槽，主要完成電機(jī)的速度閉環(huán)控制及與S7-300工作站的通訊，包括： D01-P1：PM6; FP-NRG:完成軟啟動(dòng)過程中的速度給定和閉環(huán)調(diào)節(jié); FP-WRG：電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償; FP-ANF：實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁裝置的使能命令及勵(lì)磁電流給定值的下傳、與自動(dòng)同步裝置交換控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻側(cè)母線電壓和頻率的控制，完成并網(wǎng)過程; FP-DIA：記錄simovert軟啟動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷。 控制系統(tǒng)的S7-300工作站由MMIP連接柜的S7-300為主站，連接系統(tǒng)1勵(lì)磁柜MMCP1的S7-300和系統(tǒng)2勵(lì)磁柜MMCP2的S7-300及SFC柜的A200機(jī)架組成，主要完成勵(lì)磁電流外環(huán)的PID控制，啟動(dòng)同步并網(wǎng)過程，MBC、MBM、MBL斷路器的分合閘順序控制，與OP17操作面板的通訊接口，與勵(lì)磁裝置simotras HD的通訊接口，與SFC的通訊接口。 SIMOVERT S軟啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)過程的時(shí)序邏輯如圖2所示，控制系統(tǒng)的通訊配置圖如圖3所示。 4 結(jié)束語(yǔ) 1750m3高爐風(fēng)機(jī)采用西門子SIMOVERT S變頻器起動(dòng)的成功率在99%以上，且啟動(dòng)平穩(wěn)、穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備傳動(dòng)鏈沖擊小，電機(jī)并網(wǎng)基本上無(wú)沖擊，啟動(dòng)性能明顯高于傳統(tǒng)的起動(dòng)方法，為實(shí)現(xiàn)高爐系統(tǒng)的高利用率和大量節(jié)省成本起到了決定性作用，因?yàn)槿绻麊?dòng)過程中斷，高爐必須在裝滿料的情況下冷卻下來，造成近10天以上的時(shí)間不能使用。