摘 要 ：本文闡述了西門子SIMOVERT S同步電動機自控變頻系統的主回路結構、控制系統組成及工作原理，給出了軟啟動系統工作的時序邏輯，對主要控制功能進行了分析，并就采用一拖二方式在濟鋼1750m3高爐風機上的典型應用進行了介紹。 1 引言 根據電網優化運行的要求，對于調速范圍小的大型風機、水泵一般采用同步電動機，以便運行時可以向電網補充容性無功，但由于這類風機、水泵一般都是幾十兆瓦以上超大容量的，必須采用軟啟動設備以減少大型電機啟動過程中對電網和所傳動設備的沖擊，其中用于同步電動機的軟啟動裝置主要有液體可調電阻啟動、磁飽和電抗器啟動、開關變壓器啟動、同步電動機自控變頻器啟動，而前三種原理上都是異步降壓啟動后再牽入同步，由于一是同步電動機做短時異步運行需要一些特殊設計如整體極靴或增加阻尼籠條，且需要嚴格遵守啟動時的熱容量限制，二是由于異步啟動時電機的啟動轉矩與電壓的平方成正比所導致的實際啟動能力不足，經常會因為轉頁式風門關不嚴或設備長期停用后要求的靜止啟動轉矩增大等原因使電機無法正常啟動，而且為了保證足夠的啟動力矩，電機的啟動電流一般會達到額定電流的2.5～3.0倍，為此對于大型同步電動機的軟啟動目前普遍采用的仍然是采用電流源型交—直—交變頻器構成的同步電動機自控變頻啟動方式，由于它基于磁場定向控制原理，并采用速度閉環調節，可以有效保證電機的啟動力矩，且啟動電流一般不超過電機的額定電流，實現了對電網和傳動設備均無沖擊啟動，甚至可以用于風機、水泵類負載的調速運行，這種啟動方式是基于自控同步原理實現的，不進入異步運行狀態，不會對電機的轉子側產生熱應力，針對這一主流軟啟動方式，世界各大電氣公司都有類似的產品，其中siemens公司更是針對這一啟動方式，基于設計盡量簡單、應用盡量可靠的思想，對適于這種傳動方式的同步電動機和變頻裝置進行了優化設計，這就是H-moflex、H-modyn系列高壓電機和SIMOVERT S系列變頻器。 濟南鋼鐵集團有限公司現有的3座1750m3高爐風機、2套燃氣—蒸汽聯合循環發電用的煤壓機及2座2萬m3制氧機的空壓機的軟啟動均采用了SIMOVERT S系列自控變頻啟動裝置，使用2年多的實踐表明該軟啟動裝置故障率低、可用性好、硬件配置合理，基本實現了免維護運行。 2 主回路組成和工作原理 SIMOVERT S變頻器是專為同步電動機運行開發的全數字變頻裝置，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高爐風機的軟啟動系統中，采用了12脈沖的功率單元結構和高—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計上采用了siemens專利的兩個獨立直流母線的電抗器反向耦合的技術，采用這種電路結構后直流母線電抗器只有傳統額定功率電路結構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，并可以實現柜內安裝。 由于采用的是電流型逆變器原理，功率回路采用了無熔斷器設計，由于采用了電抗器反向耦合及脈沖監控觸發和經特殊設計的整流側脈沖組合邏輯，使得即使不用在直流平波電抗器兩側并聯釋能晶閘管，也能夠保證在電流斷續換向時將變頻器電流快速拉到零，從而大大簡化了主電路結構和控制線路，提高了系統的可靠性。 同步電動機自控變頻的核心就是轉子定向，以前都是采用在電機轉子上安裝編碼器的方法直接測量，但這樣對于設備安裝要求、調試及系統的可靠性都帶來了不穩定因素，為此siemens公司采用了矢量運算的方法，通過采用LEM元件高精度地檢測電機側的兩相電壓和兩相電流后，通過電壓模型便可以準確計算出氣隙磁通的位置，但要計算轉子側磁通的位置，還需要知道電機轉子的初始位置，在SIMOVERT S系統中，電機轉子的初始定位是系統利用轉子側突加勵磁在定子繞組中感應的電壓進行計算后自動完成的；當電機低速運行時，由于電機的反電勢和電壓較低，用電壓模型計算磁通位置是不準確的，由于定向的不準確，會造成電機啟動力矩的減少，如果電機是重載啟動或設備要求電機長期在低速條件下運行，就需要在電機轉子上安裝編碼器。 啟動轉矩產生的基本原理就是基于對轉子側磁通的定向，按照矢量控制理論中力矩星形分布情況，判斷每一觸發時刻能產生最大加速力矩的兩相定子電流，觸發該對晶體管導通，給對應的兩相定子繞組通電，產生一個超前轉子磁場的同步定子磁場，兩個磁場相互作用，使轉子獲得當前電流下的最大電磁轉矩，轉子開始轉動，整流器采用速度和電流雙閉環結構控制輸出電流的幅值，逆變器采用矢量控制技術控制輸出電流的頻率。 由于采用常規的晶閘管技術構成功率變換回路，所以影響主回路可靠運行的關鍵是晶閘管的可靠換向，在SIMOVERT S系統中，整流側的晶閘管依靠電網電壓換向，逆變側的晶閘管依賴電機定子的反電勢進行負載換向，但低速時（小于額定轉速的8%）由于定子產生的反電動勢不足以關斷逆變側的晶體管，采用電流斷續法進行換相，此時逆變器以逆變超前角γ=0°運行，需要換相時，整流側推β，暫時強迫關斷正導通的一對晶體管，閉鎖整流器和逆變器的輸出，再給換相后應該導通的一對晶體管加上觸發脈沖使其導通，從而實現換相，此期間SFC輸出的電流是斷續的；當轉速大于額定值的8%時，同步電動機可產生足夠大的反電動勢，進入負載換相階段，為了保證換向余量角不變,在轉速由額定值的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°，同時轉子側的勵磁電流按照定子電壓閉環進行控制，以補償定子電流電樞反應的去磁作用，保持氣隙磁通不變，改善了逆變側的換向條件并保證了電機的過載能力。 當變頻裝置拖動電機啟動達到95%額定轉速以上時，起動自動同步裝置進入自動整步微調階段。同步裝置根據頻率差Δf，產生一個附加轉速微調信號，自動調整變頻器輸出電流，對轉速做微調，同步裝置同時發出命令給勵磁系統，調節勵磁電流，使變頻母線電壓與電網電壓平衡，最終實現無電流沖擊并網，整流器的晶體管即運行于全逆變狀態，其輸出電流迅速降為零，關閉晶體管，然后封鎖整流器和逆變器的全部觸發脈沖，斷開軟啟動裝置的輸出斷路器MBM及輸入斷路器MBC,完成整個起動過程。 變頻器所驅動的高壓同步電動機采用了無刷勵磁結構，采用具有三相交流調壓功能的全數字化裝置simotras HD供電，勵磁功率是通過磁耦合和勵磁機定轉子間的相對運動實現的，值得注意的是，系統要求勵磁機定子側正確接線,應該保證由勵磁機定子電流所形成的定子旋轉磁場方向與同步電動機轉子的實際方向相反，以保證勵磁功率的正常傳遞。 矢量運算模型所需要的電機側的電壓電流信號均取自升壓變壓器的輸入側，為了避免升壓變壓器的剩磁影響到同步電動機轉子初始位置定向的準確性，每次軟啟動結束后，都由一臺西門子6SE70系列變壓變頻裝置SIMOVERT MASTDRIVER VC完成升壓變壓器的消磁工作。 為了進一步提高系統的可靠性,晶閘管的觸發采用了高電位板TAS21A進行脈沖隔離放大,觸發功率直接取自主回路的阻容吸收,并采用了由SE48.1+IMPAG4+SAV21組成的晶閘管觸發和監控單元,實現了高低壓回路的光耦隔離,脈沖觸發的監控邏輯主要由接口模板SE48.1完成,對誤觸發的有效監控保證了晶閘管觸發的可靠性及因晶閘管損壞或觸發脈沖丟失等原因所造成的功率單元災難。 在濟鋼1750m3高爐風機的軟啟動設計中，采用了一拖二的配置，即通過兩套勵磁和一套軟啟動功率柜實現對兩臺25000kW風機電機的分時啟動。 系統主回路配置和供電系統原理見圖1。 3 控制系統組成及各部分的主要功能 控制系統主要由S7-300工作站和采用simadyn-d多微處理器、多任務并行處理控制器構成的SFC組成，S7-300工作站主要負責電機的勵磁和運行控制，SFC完成軟啟動過程中所涉及的所有設備的控制，包括斷路器MBC、MBM、MBL的分合，勵磁電流的設定計算、電機的速度控制、電流調節，整流和逆變部分觸發脈沖的形成，軟啟動過程中的故障診斷及保護，系統設計上S7-300工作站和SFC部分的功能相對獨立，當軟啟動結束后，由S7-300接管電機的運行控制，此時即使 SFC部分斷電也不會影響到電機的正常運行。 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，處理器的典型循環掃描時間小于10ms，適合完成快速和復雜的控制任務，如液壓AGC系統、SVC系統和傳動級控制，硬件主要有處理器板、通訊板、通訊緩沖板、脈沖觸發板、信號接口模板、輸入輸出板等，simadyn-d系統采用全圖形式的編程語言STRUC G進行軟件設計開發。功能塊是軟件設計的最小組態單位，包括邏輯塊、算術塊、診斷塊、信號轉換塊、I/O塊和通訊塊等。一個功能塊即一個子程序，相當于硬件設計中的集成電路。只需要用鼠標從圖形庫中選擇預先編制好的功能塊，將各功能塊相互連接并設定參數，即構成實現一定的系統控制功能的軟件功能包，系統調試采用IBS G、drivemonitor等在線監控和修改軟件完成。 控制系統的SFC部分主要包括兩個A100和A200機架，A100機架有4個處理器，A200有一個處理器，各處理器的主要控制功能如下： （1）A100機架24槽，主要完成變頻器本體的電流閉環控制、脈沖形成與監控。 D01-P1：PM6 FP-AST：完成與傳動有關的順序控制，如控制器的使能、運行模式的切換等。 FP-ERW：以電壓閉環方式完成勵磁電流設定值的計算。 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，實現邏輯控制功能和軟啟動的啟/停綜合控制。 FP-UHR：用于啟動系統時鐘同步功能。 D05-P2、D07-P3：PG16 完成傳動的轉矩控制，采用80C186-16 16位單片機。 FP-MN1、FP-MN2：完成電網側變流器的電流控制，包括實際值的處理、閉環電流控制，邏輯無環流邏輯及門極脈沖發生。 D09-P4：PS16 完成矢量運算和SE21.2接口模塊、TS12脈沖觸發模板一起完成對電機側逆變器的控制，同時TS12還接受來自SE48.1和SE21.2的故障信號，通過PG16完成故障推β控制。 FP-SMS：矢量控制功能包，完成對逆變器負載換相的矢量控制及監視，低速運行時斷續換相觸發脈沖的控制及監視，主要包括電壓模型（FB-UMS）、實際值處理（FB-IST）、反電勢補償計算（FB-OFC）、觸發角計算（FB-ALB）等功能塊。 （2）A200機架12槽，主要完成電機的速度閉環控制及與S7-300工作站的通訊，包括： D01-P1：PM6; FP-NRG:完成軟啟動過程中的速度給定和閉環調節; FP-WRG：電網電壓前饋補償; FP-ANF：實現勵磁裝置的使能命令及勵磁電流給定值的下傳、與自動同步裝置交換控制信號，實現對變頻側母線電壓和頻率的控制，完成并網過程; FP-DIA：記錄simovert軟啟動系統的狀態，實現軟啟動系統的故障診斷。 控制系統的S7-300工作站由MMIP連接柜的S7-300為主站，連接系統1勵磁柜MMCP1的S7-300和系統2勵磁柜MMCP2的S7-300及SFC柜的A200機架組成，主要完成勵磁電流外環的PID控制，啟動同步并網過程，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，與勵磁裝置simotras HD的通訊接口，與SFC的通訊接口。 SIMOVERT S軟啟動系統啟動過程的時序邏輯如圖2所示，控制系統的通訊配置圖如圖3所示。 4 結束語 1750m3高爐風機采用西門子SIMOVERT S變頻器起動的成功率在99%以上，且啟動平穩、穩定，對風機設備傳動鏈沖擊小，電機并網基本上無沖擊，啟動性能明顯高于傳統的起動方法，為實現高爐系統的高利用率和大量節省成本起到了決定性作用，因為如果啟動過程中斷，高爐必須在裝滿料的情況下冷卻下來，造成近10天以上的時間不能使用。