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浅谈大功率同步电机三电平变频调速系统
作者:山东西子电机 发布日期:2019-08-04 09:01

  

  
    随着科技的不断进步,电子产业更新换代频率(frequency)越来越高,在大功率调速传动领域已出现交流传动取代直流传动的趋势。对于大容量生产机械,如轧钢机、矿井提升机、船舶推进以及牵引传动,交流变频同步电机调速传动不仅具有与直流传动同样优越的调速性能,还具有过载能力大、效率高、体积小、重量轻、转动惯量小、维护简单和可靠性高等优点。同步电机与异步电机变频调速相比较,又具有功率因数高、变频器容量小、弱磁区转矩特性好等特点。由于交流变频同步电机调速传动具有上述优点,国内外工业界在大容量调速传动中已陆续采用并推广这一技术。
1.系统结构及类型
  三电平变频调速系统基于数字化、自动化、网络化和信息化等先进技术,采用“交流同步变频电机+双三电平变频器+全数字DSP调节控制+多PLC网络控制+上位机诊断与监控+局域网信息互联”的控制模式,与其他一般型设备配套使用,完成大功率电力拖动系统调速控制。高压电机指额定电压在1000V以上电动机。常使用的是6000V和10000V电压,由于国外的电网不同,也有3300V和6600V的电压等级。高压电机分为:高压同步电机;高压异步电机;高压异步绕线式电动机;高压鼠笼型电机等。
  内容主要包括以下内容:变压器、高压柜、低压配电系统、PLC控制(control)系统、全数字同步机调速调节系统(包括定子变流柜;励磁整流柜;同步机交流系统调节柜)、操作台及上位机监控系统、其它部分外围设备,系统总图如下:
  2.主要技术特点
  2.1定子回路
  定子(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)变流采用背靠背双三电平结构,网侧为三电平全控整流系统,主要作用为直流电压调节和网侧功率因数控制,阀侧为三电平逆变系统,主要完成速度闭环、转矩控制、电流控制、功率因数调节等功能,中间为大容量电容器,主要起到滤波和无功缓冲作用。


  三电平结构可大大减轻du/dt 对功率器件和电机绝缘的影响,降低功率设备的EMI水平,减小系统损耗。同时背靠背拓扑利于功率系统结构化设计,利于维护,使系统可靠性大大增强。
  2.2谐波污染
  由于晶体闸流管变流器采用相切控制方式调节直流电压或电流(Electron flow),使电网正弦波型受到切割,并由此产生谐波电流,致使电网电压波形畸变。危害是使设备发热,力矩不稳,甚至损坏。
  而同步马达变频(frequency conversion)系统,采用了先进的SVPWM控制技术,抑制了谐波,系统谐波含量极小。满足国际和国内标准,不需要增加治理装置。
  2.3功率因数
  晶闸管装置基本上相对于一个感性负载,随着控制角的改变,其功率因数也发生变化。运行期间一般在0.02-0.7之间,即起动阶段功率因数很低,等速段功率因数较高,需要进行无功补偿。而且直流系统启动无功冲击大,引起电网电压发生波动,尤其对矿井提升机这类短时重复工作制的负荷,电压波动问题更加突出。
  而采用全控整流变换器进行网侧接口的三电平交直交变换器 可实现功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)因数为0.98以上,在轻载时还可对其他无功需求进行补偿,其网侧谐波含量可在不增加滤波器(filter)的前提下符合国际标准。
  2.4调速性能
  目前交流电机的调速技术已经非常成熟,同步机变频(frequency conversion)调试系统采用矢量控制技术,或称磁场定向控制技术,通过坐标变换,把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量,用来分别控制电机的转矩和磁通,就可以获得和直流电机相仿的高动态性能。
  (1)同直流系统相比,同步机变频系统具有更好的转矩响应,直流系统功率器件是晶闸管,控制周期是3.3ms,而同步机变频系统使用的是IGBT,控制频率一般是2KHZ,根本不是一个数量级的。
  (2)直流系统在低速时,不可避免的要受电流纹波的影响(3.3ms),低速精度会有影响;而同步机变频系统低速控制(control)精度要好于直流电机,可实现零速时全负载。高压电动机梭型线圈绕制后,用收缩带,黄蜡绸带等绝缘材料包扎,目的是:保护线圈外绝缘、层间绝缘、匝间绝缘不至于损坏。在拉型机时免受模具夹具、鼻端销钉等摩擦,防止松动变形。
  (3)基于电机的原因,由于同步机没有换向火花对过载能力的限制,同步机变频系统过载能力也大于直流电控系统。电控系统的过载能力只与功率器件有关系。
  2.5单、双绕组同步电机变频(frequency conversion)控制系统
  单绕组和双绕组同步电机价格相当。对电控系统来说,双绕组电控系统价格要高于单绕组电控系统约30%,但是双绕组同步电机电控系统是每个绕组配置(deploy)一台变频(frequency conversion)器,当一台变频器回路出现故障时(例如高压柜、变压器、变频器等),当可实现半速全载运行。
  3.技术应用
  三电平高压变频(frequency conversion)器中同时应用SVPWM和SHEPWM,即低频时采用异步SVPWM,高频时采用SHEPWM,避免了高频时SVPWM谐波特性变差和SHEPWM在低频时存储量大的缺点,充分发挥了二者的优点,使变频器在整个工作范围内都可以有效抑制低次谐波,得到较好的输出波形。混合调制的难点在于衔(xián)接问题,文中分析了影响二者之间平滑切换的原因并提出了具体的解决方法,保证了切换过程中电压和电流(Electron flow)没有跳变。采用PSIM软件对三电平SVPWM和SHEPWM进行了仿真研究(research),并在实际三电平变频器控制平台上进行了实验。在电力系统、轧钢、造纸、煤炭等领域对设备可靠性、安全性(security)要求很高的应用场合,采用三电平变频调速系统,不但能降低能耗,而且可以改善工艺水平,提高生产效率。此变频调速系统结构简单,体积小。与两电平相比,采用同样电压等级,器件可以实现2倍的电压输出。降低电机的共模电压,降低对电网的共模干扰。能方便实现能量的双向流动,电机的四象限运行。与两电平相比,输出du/dt减小一半,相电压输出电平数增加,输出谐波减小。
  “三电平控制”,既继承了“二电平控制”的优点,又解决了原来“二电平控制”的缺点和不足,但是,三电平变频(frequency conversion)器涉及到一个中心点接地的问题,由于现在我们国家煤矿井下的供电系统,规定中心点不接地,为此目前所研发的三电平变频器能否应用到井下,便是一个急需解决的问题。

  
  
  

  

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