高压大功率同步机的控制策略与应用

　　1、引 言

　　随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速技术已成为发展趋势。而变频调速具有优异的调速和制动性能，高效节能的效果。近期国家发改委将高压变频列为首批50项重点推广的节能产品。

　　荣信电力电子股份有限公司对铁煤集团大兴矿井主通风机采用了高压变频改造,选用功率单元串联多电平高压变频器 ,实现主通风机的电能节约和风量无级调速。

　　2、大兴矿风机变频改造的必要性

　　铁煤集团大兴矿井主通风机采用同步电机，而交流同步电机的调速是电气驱动领域的一大难题。难点在于与普通异步电机运行相比，同步电机在运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角必须在某一范围之内，否则将导致系统失步。因此同步电机进行变频调速改造时对高压变频装置的要求也有些差别，具体要求如下：

　　(1)能够解决同步电机启动整步问题;

　　(2)能够解决同步电机调速过程中输出电压和励磁电流的协调控制;

　　(3)变频装置输出电压、电流谐波应尽可能小。

　　铁煤集团大兴矿井主通风机担负着该矿井下主通风任务，现在系统存在的问题：

　　(1)调节精度低、线性度差、实时性差;

　　(2)采用风门调节，造成管路压力增加，造成大量电能浪费;

　　(3)直接起动时，造成电网波动严重和机械冲击大，影响着系统的运行可靠性和寿命。

　　鉴于上述问题的存在，对现有风机进行变频技术改造，采用完美无谐波大功率变频器实现主通风机同步电机无级调速技术方案。

　　3、高压变频调速装置设计

　　3.1 系统组成

　　该高压变频器采用性能优良、技术成熟、安全可靠的完美无谐波功率单元串联多电平技术。整个变频系统主要由全数字控制器、变频功率单元等组成，其中散热技术采用采用公司自主研发的高效热管散热器，系统结构图见图1：

图1 系统结构图

　　3.2 全数字化矢量控制方式技术方案原理

　　3.2.1 全数字化矢量控制原理

　　RHVC系列高压变频器采用转子带速度反馈的矢量控制技术。控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，速度环采用PID调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。系统全数字式的关键是电流环数字化，就是把数模混合式变频系统中的模拟电流环，采用数字方式加以实现，其核心提高电流环的处理速度，达到或接近模拟电流环的响应速度。根据目前的微处理器DSP、A/D器件的水平，可以满足硬件的需要;另一方面在于控制策略及控制软件的优化。良好的系统硬件和软件设计是使研制的系统达到实用化的保证，在满足性能要求的基础上，必须充分利用硬件资源，提高集成度降低硬件成本，达到产品化的目标。整个系统的控制原理框图如图2所示。