高压同步电动机的变频控制

2022-09-12

将单元串联多电平型变频器应用于同步电动机将有效地提高同步电机变频调速系统的可靠性, 降低同步电机变频改造的成本, 提高节能改造带来的效益, 同时也为单元串联多电平型变频器打开一个广阔的新市场。

1 HARSVERT高压变频调速系统的基本原理

HARSVERT高压变频调速系统采用单元串联多电平技术, 属高-高电压源型变频器, 直接10KV输入, 10KV高压输出。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。

移相变压器的输入侧将变换到多网侧高压侧低电压, 次级绕组在绕组中沿延边三角形, 在一定的相位差之间。多级叠加整流器消除了由最独立的电源单元引起的谐波电流, 电流波形可以大大改善网络侧, 网侧逆变电流近似为正弦, 负载功率因数高于0.95。

每个功率单元由电源组侧输入变压器组成。U, V输出端子的每个单元串联连接以形成到电动机电源的星形连接。无输出滤波器;电机不需要减少使用量, 可直接用于旧设备的改造;同时, 电机的谐波损耗大大降低。为了消除由此引起的机械振动, 减少机械轴承和叶轮。

2 同步电动机变频装置的优点

使用同步电动机变频装置具有以下优点:首先投射励磁, 变频器输出电压。软启动电机无冲击, 起动转矩大, 起动过程简单。转换器将自动跟踪转子的位置和速度, 转子速度和同步输出变频器, 而不会导致过电流跳闸, 从而延长电机的使用寿命。谐波频率小于3%, 数量不小于48个脉冲整流脉冲。矢量控制电流和电压, 可以精确地控制变频器的速度和输出电压。输出将在电网关闭时停止, 并在电网恢复后电机转速重大自动跟踪新启动, 这不会造成过流跳闸, 从而减少用户数量, 从而提高生产效率

3 变频装置的现场应用

包钢黄河水源输水系统主要承担着包钢、包头市第一热电厂及其它市属企业的生产和生活用水, 是包钢和包头市的重要生命线。输水主要泵组是由10KV、1600KW的同步电机驱动, 为了提高供水的安全稳定性, 降低供水系统能耗, 节约电能, 实现恒压供水, 2013年5月, 包钢四号泵站405供水泵组进行了变频改造, 选用的变频装置为HARSVERT-VS10/120型高压变频器。

3.1 实施方案

系统原理图如图1所示。

HARSVERT同步电动机变频装置运行时, 实现了同步电动机的励磁调节控制, 励磁装置只是作为一个执行器, 励磁大小由变频装置通过4—20m A信号进行控制。

3.2 泵类负载的流量调节方法及节能原理

泵类负载通常以所输送的液体流量为控制参数, 为此, 目前常采用阀门控制和转速控制两种方法。

3.2.1阀门控制

这种方法是借助改变出口阀门开度的大小来调节流量的。它是一种相沿已久的机械方法。阀门控制的实质是改变管道中流体阻力的大小来改变流量。因为泵的转速不变, 其扬程特性曲线H-Q保持不变。当阀门全开时, 管阻特性曲线R1-Q与扬程特性曲线H-Q相交于点A, 流量为Qa, 泵出口压头为Ha。若关小阀门, 管阻特性曲线变为R2-Q, 它与扬程特性曲线H-Q的交点移到点B, 此时流量为Qb, 泵出口压头升高到Hb。则压头的升高量为:ΔHb=Hb-Ha。于是产生了图4阴线部分所示的能量损失:ΔPb=ΔHb×Qb。

3.2.2 转速控制

转速控制的实质是通过改变所输送液体的能量来改变流量。因为只是转速变化, 阀门的开度不变, 管阻特性曲线R1-Q也就维持不变。额定转速时的扬程特性曲线Ha-Q与管阻特性曲线相交于点A, 流量为Qa, 出口扬程为Ha。当转速降低时, 扬程特性曲线变为Hc-Q, 它与管阻特性曲线R1-Q的交点将下移到C, 流变为为Qc。此时, 假设将流量Qc控制为阀门控制方式下的流量Qb, 则泵的出口压头将降低到Hc。因此, 与阀门控制方式相比压头降低了:ΔHc=Ha-Hc。据此可节约能量为:ΔPc=ΔHc×Qb。与此时, 假设将流量Qc控制为阀门控制方式下的流量Qb, 则泵的出口压头将降低到Hc。因此, 与阀门控制方式阀门控制方式相比, 其节约的能量为:P=ΔPb+ΔPc= (ΔHb-ΔHc) ×Qb。

将这两种方法相比较可见, 在流量相同的情况下, 转速控制避免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在流量减小时, 转速控制使压头反而大幅度降低, 所以它只需要一个比阀门控制小得多的, 得以充分利用的功率损耗。

3.3 恒压供水系统的数学模型

供水系统的等效近似模型为:

当供水系统的设计完成后, 系统的参数以及电机、传感器、变频器环节也得到确定, 系统的数学模型的参数就可以确定下来。

(式3.1) 中, T1、T2、k、τ分别取100、12、0.8、60, 即系统的传递函数可以写成:

在不考虑供水系统干扰的情况下, 系统的传递函数为 (式3.2) 。

3.4 变频改造的实际效果

3.4.1 经济效益

高压变频器投运以后, 在运行条件与改造前基本相同的情况下, 经过连续的用电分析和改造前的对比, 得出目前平均每天 (24小时) 耗电32080KWh, 与改造前相比平均每天节电10960KWh。平均月节电328800KWh (每月按运行30天计算) , 月节约电费14.1384万元 (电价按0.43元/KWh计算) 。

3.4.2 综合效益

本次变频改造不仅节约了电能, 更主要的是, 由于恒压供水也减少了对输水管道的冲击, 保证了输水管道的安全运行。采用高压变频装置后, 实现了设备软起动, 避免了因大起动电流造成的绝缘老化, 以及对由于大起动力矩造成的机械冲击对电机寿命的影响, 减少了电机、水泵和阀门的维护工作量, 节约了维修成本。

本次改造所选用的高压调速装置也是包钢供水系统中目前最大的国产高压同步机变频调速系统, 系统改造后实现了恒压供水, 并且运行稳定, 达到了预期的改造目标。对变频系统国产化及降低成本有着重要的意义, 也为以后其他供水机组同步机变频改造提供了参考和借鉴。

摘要：如何采取技术上可行、经济上合理、环境和社会可接受的一切措施来提高能源和资源的利用效率, 是每个企业面临的实际问题, 因为只有提高能源的利用效率, 才能在市场竞争中处于有利地位。变频作为一种常用的、高效的节能手段已被大家所熟知, 但在企业的原有建设中, 变频并不能在所有的项目中得到运用, 因此, 我们还需要对多种设备进行改造, 让它们在工业生产中发挥作用的同时有效地节约能源。本文介绍了国产高压变频调速系统在供水泵站的应用情况及效果。

关键词：同步电机,高压变频,包钢黄河水源