林暉，張汝韜

（西門子電氣傳動有限公司，天津 300384）

1 引言

PTA，學(xué)名精對苯二甲酸，是生產(chǎn)滌綸的主要原料。我國曾一度嚴(yán)重依賴進(jìn)口，原料價格受國際市場價格波動影響很大。西門子作為國際知名的設(shè)備制造商，可以成套提供PTA的核心生產(chǎn)設(shè)備，其中西門子設(shè)備中的電氣部分包括同步電動/發(fā)電機，變頻軟啟動器和勵磁控制柜。

2 PTA動力控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)中的蒸汽透平機和壓縮機構(gòu)成生產(chǎn)動力系統(tǒng)，而同步發(fā)電機和膨脹機構(gòu)成了生產(chǎn)后的剩余能量回收發(fā)電系統(tǒng)。能量回收比是2:1。即30 MW的生產(chǎn)能量回收15 MW的能量，節(jié)能效果顯著。PTA動力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 PTA動力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 PTA power system construction overview

由圖1可知，1個GL150變頻器可以分別啟動2臺同步機。其中，勵磁柜由1個接口控制器MMIP、2個勵磁控制器MMCP1&2、以及2個勵磁機驅(qū)動器SIMOTRAS組成。同期并網(wǎng)裝置是西門子7VE61，也是一對一的。MMIP可以在一拖二系統(tǒng)中選擇要啟動的同步機；每個同步機在自己的MMCP控制器控制并網(wǎng)后，控制勵磁機可根據(jù)要求工作。共有3種工作模式：1）恒電流方式；2）恒功率因數(shù)方式；3）恒無功方式。一般情況下，系統(tǒng)工作在恒功率因數(shù)方式下。

3 GL150系統(tǒng)

西門子的SINAMICSYL150變頻器是電流源直流母線變頻器，用于對1 MW以上額定功率的大型同步電機進(jìn)行無級調(diào)速。根據(jù)功率和電壓的不同，其電路配置有6，12或 24脈沖電路，將電源側(cè)和電機側(cè)的變頻器設(shè)計成晶閘管三相橋路。其布局簡單，只需要使用較少的半導(dǎo)體。從而可獲得較高的效率和可靠性。該變頻器能在4象限運行，無需增加其他設(shè)備。常規(guī)的輸出頻率范圍如下：1）啟動變頻器（0～50/60 Hz）；2）連續(xù)負(fù)載運行變頻器（0～105 Hz）。

由中央控制器CU320-2DP負(fù)責(zé)整個驅(qū)動的開環(huán)控制、閉環(huán)控制和閘流晶體管監(jiān)視。通過光纖控制模塊PSA對閘流晶體管的工作進(jìn)行光電監(jiān)控和控制。GL150可以用作工業(yè)領(lǐng)域速度控制驅(qū)動器，也可以作為大型設(shè)備的軟啟動器。

該項目采用的GL150，采用12脈沖，高-低-高配置。輸入2×5200 V，輸出2×4900 V。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 西門子變頻器GL150結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.2 Construction topology chart of Siemens converters GL150

其主要的工作是用于透平機和壓縮機的啟動和并網(wǎng)工作。

4 西門子同步機以及無刷勵磁

由西門子生產(chǎn)的H-modyn型，帶實心凸極轉(zhuǎn)子的同步電動/發(fā)電機（18800 kW/17500 kV·A，10000 V）具有高性能和緊湊的結(jié)構(gòu)。軸承為帶有油環(huán)的中心法蘭軸承。采用外部油冷卻的油循環(huán)系統(tǒng)為軸承提供潤滑和散熱。驅(qū)動端軸承為導(dǎo)向軸承，以軸向固定轉(zhuǎn)子軸。非驅(qū)動端軸承設(shè)計為浮動軸承。軸承座與軸瓦絕緣。通過抽出的接地電纜橋接軸瓦絕緣墊。

熱交換器單元為帶有管道的氣-水熱交換器。 通過冷卻管道中流動的冷卻水來驅(qū)散機器散發(fā)的熱量。通過軸裝式風(fēng)機循環(huán)內(nèi)部空氣。

電機的勵磁是交流無刷勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流子供電。工作原理為勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組和整流子與主勵磁是同軸旋轉(zhuǎn)。勵磁機的定子由三相交流調(diào)壓控制器供電，并通過旋轉(zhuǎn)的磁場在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)發(fā)電，形成主勵磁的直流供電。而勵磁機的定子供電相序要與主電機相反，否則勵磁電流會隨著電機轉(zhuǎn)速的提高而降低。同步機勵磁機和主勵磁原理圖如圖3所示。

圖3 同步機勵磁機和主勵磁原理圖Fig.3 Exciter machine and main exciter of synchronous generator

5 GL150軟啟動器的控制順序

先由蒸汽透平機驅(qū)動電機和壓縮機到25%的額定轉(zhuǎn)速，并運行30 min暖機。而后變頻器啟動，MBC和MBM合閘，勵磁投入工作。此后，變頻器按照加速曲線驅(qū)動電機，從25%額定轉(zhuǎn)速加速到99%額定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)由同步并網(wǎng)裝置接管控制，直至變頻輸出的頻率和相位與電網(wǎng)一致。一旦達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，同期裝置合電機主開關(guān)MBL，在MBL合閘同時，變頻器的直流電流降到零，逆變脈沖封鎖，MBM和MBC分?jǐn)啵冾l器進(jìn)入待機狀態(tài)。整個加速和并網(wǎng)時間2.5 min左右。由于GL150保持運行直至設(shè)備在并網(wǎng)完成后退出系統(tǒng)控制，不會對電網(wǎng)造成沖擊。但是空載情況下，會產(chǎn)生部分容性無功補償電網(wǎng)。

6 GL150變頻器的逆變器控制特點

1）GL150的逆變器的換向控制不需要附加的換相設(shè)備，完全依靠負(fù)載自然換相。即逆變器的6個晶閘管順序工作，依靠同步電動機的感應(yīng)反電動勢來關(guān)斷。在啟動初期，速度較低，反電勢很小，變頻器會采用電流斷續(xù)法來關(guān)斷晶閘管并保證逆變器可靠換相。

2）換相的觸發(fā)脈沖時刻需要轉(zhuǎn)子的位置信號來產(chǎn)生，通常的做法是在電機軸上安裝轉(zhuǎn)子位置檢測器來檢測，稱為直接式轉(zhuǎn)子位置檢測。GL150采用電樞反電勢檢測轉(zhuǎn)子位置，稱為間接式位置檢測。

7 GL150調(diào)試過程和問題分析解決

1）轉(zhuǎn)子位置的測定。GL150采用間接方式測定轉(zhuǎn)子位置。方法是在轉(zhuǎn)子加入勵磁電流，通過變化的勵磁電流，定子繞組感應(yīng)出電動勢。變頻器通過測量電動勢的相位，確定轉(zhuǎn)子位置。而且，每次啟動時，轉(zhuǎn)子位置都會被測定。

如圖4所示，曲線1是勵磁磁通，曲線2是轉(zhuǎn)子位置角。勵磁電流上升過程中，變頻器辨識轉(zhuǎn)子位置。圖4中記錄了共測量3次，各次辨識過程中，角度會變化，但是首尾角度相同，表明了辨識的準(zhǔn)確性和一致性。

圖4 轉(zhuǎn)子定位測試波形圖Fig.4 Rotor position testing waves

2）電流斷續(xù)控制的檢查。變頻器的電流環(huán)工作，以小電流注入電機，工作頻率為2 Hz， 此時電機勵磁被禁止，電機不轉(zhuǎn)。圖5為直流電流波形。

圖5 電流斷續(xù)工作測試波形圖Fig.5 DC pulsing testing wave

3）進(jìn)線側(cè)的相角測量。通常的輸入降壓變壓器會給出二次Δ/Y輸出的相角差，但是在實際安裝過程中，接線的差異會導(dǎo)致相角變化。GL150提供了自己測定相角的功能。方法是檢測進(jìn)線電壓的波形，通過相位辨識確定進(jìn)線相角。此過程非常重要，它決定了整流部分工作的正確和可靠。

4）輸出側(cè)的相角測定。因為輸出升壓變壓器的Δ/Y輸入繞組也有相角差，變頻器同樣根據(jù)相角差控制輸出電流。測定方法如圖6所示：GL150的系統(tǒng)1運行，勵磁使能，電機被加速到20%的額定速度空載運轉(zhuǎn)。而后，系統(tǒng)1脈沖封鎖，勵磁保持。此時電機自由減速，電樞的感應(yīng)電勢經(jīng)由升壓變壓器反饋到GL150變頻器，相角在此時被系統(tǒng)測定。

圖6 變頻器輸出變壓器相角測定圖Fig.6 Angle testing waves of step up transformer

5）啟動，同步，并網(wǎng)。GL150首次試車時，頻繁出現(xiàn)了整流器過流和逆變器換向失敗的故障。整流器和逆變器均有過電流故障。原因是電機電纜較長，超過200 m，這導(dǎo)致了逆變器晶閘管換相時間加長，后來通過調(diào)整換相重疊角穩(wěn)定逆變器的工作。圖7為啟動運行和并網(wǎng)曲線。

圖7 變頻啟動及同步并網(wǎng)波形圖Fig.7 Startup and synchronize on line record

圖7中，電機額定轉(zhuǎn)速是1500 r/min，直流電流1500 A，勵磁電流38 A。由于壓縮機的啟動負(fù)荷較重，在變頻啟動過程中要求透平機蒸汽閥門保持開放到最大，以提供輔助的動力，使電機平穩(wěn)啟動到同步轉(zhuǎn)速時，并順利并網(wǎng)。同步控制時，并網(wǎng)裝置7VE61會發(fā)出增頻/減頻，增壓/減壓信號，控制GL150的輸出電壓和頻率，使得同步機的電壓波形與網(wǎng)側(cè)一致。此前，7VE61需要事先測定主開關(guān)的合閘時間，用于預(yù)發(fā)合閘命令，保證并網(wǎng)時刻的同步，盡可能降低對電網(wǎng)的沖擊。啟動過程歷經(jīng)120 s，整步并網(wǎng)過程需要十幾 s。

并網(wǎng)后，隨著設(shè)備投入生產(chǎn)后，產(chǎn)生的尾氣作為膨脹機的動力。膨脹機驅(qū)動同步機發(fā)電。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)工作方式是恒功率因數(shù)控制方式，隨著有功的變化自動調(diào)整勵磁電流，維持恒定的功率因數(shù)。

8 結(jié)論

該系統(tǒng)目前已投入生產(chǎn)，啟動成功率達(dá)100%。勵磁系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，證明了西門子變頻軟啟系統(tǒng)技術(shù)成熟，可靠性高。其安裝和調(diào)試也較為簡單，經(jīng)過培訓(xùn)的工程師均可順利完成調(diào)試。勵磁系統(tǒng)的程序均經(jīng)過工廠測試，是標(biāo)準(zhǔn)的程序，無需調(diào)試。后期的設(shè)備維護(hù)量很小，故障率極低。

［1］西門子.GL150調(diào)試手冊V2.5［Z］.2008.

［2］Bimal K Bose.現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動［M］.王聰，趙金，于慶廣，等譯.北京:機械工業(yè)出版社,2005.

［3］天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.