摘要：本文主要介绍了大功率电励磁同步机的基本特点、变频改造的难点分析，以及汇川技术大传动产品线针对电励磁同步电机的解决方案，通过公司HD93系列10MVA产品目前的现场应用，了解同步机变频改造需注意的关键点以及改造效果分析。
一、概述
国家“十二五”规划明确提出了关于节能减排的规范文件，如未能采取更加有效的应对措施，我国面临的资源环境约束将日益强化。从国内看，随着工业化、城镇化进程加快和消费结构升级，我国能源需求呈刚性增长，受国内资源保障能力和环境容量制约，我国经济社会发展面临的资源环境瓶颈约束更加突出，节能减排工作难度不断加大。从国际看，围绕能源安全和气候变化的博弈更加激烈。一方面，贸易保护主义抬头，部分发达国家凭借技术优势开征碳税并计划实施碳关税，绿色贸易壁垒日益突出。另一方面，全球范围内绿色经济、低碳技术正在兴起，不少发达国家大幅增加投入，支持节能环保、新能源和低碳技术等领域创新发展，抢占未来发展制高点的竞争日趋激烈。
规划中提出对电机系统实施变频调速、永磁调速、无功补偿等节能改造，优化系统运行和控制，提高系统整体运行效率。变频调速尤其在大功率风机类平方转矩负载场合应用效果尤为明显。
冶金行业向来是耗能大户，尤其在目前产能过剩、利润低的情况下，节能显得尤为重要，钢铁行业中的大功率电动机耗费了大量的电费，由于实际过程导致工频运行大马拉小车现象严重，变频改造成了不二之选。
目前钢铁行业中的烧结主抽风机，功率一般为整个钢铁厂除了高炉鼓风机第二大功率的设备，而且多为大功率同步机驱动，同步机的变频改造一直以来就是一大技术难点，下面将介绍一下同步机的改造方案及应用效果。
二、同步机及烧结工艺介绍
1、大功率同步机变频改造难点
同步机相比于异步机有诸多优点：
(1)对转矩扰动具有更强的承受能力，动态响应快;
(2)在极低电源频率下也能运行，调速范围宽;
(3)通过改变励磁电流，功率因数可调;
(4)稳定性高，转矩与端电压成正比;
上述的诸多优点使得其使用越来越广泛，但是大功率同步机变频控制技术一直是高压变频领域的一大难点，各厂家技术参差不齐，导致其最终的控制效果差距较大，以下为有刷同步电机变频改造需要注意的事项：
(1)同步电机的起动问题：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;
(2)同步电机调速期间和励磁装置的协调问题，防止正常调速期间同步机失步;
(3)同步电机正常停机和故障灭磁问题。
2、汇川技术HD93同步机控制技术
汇川依据自身多年同步机控制经验，在高压大功率同步机控制方面，通过我们大量的仿真实验以及现场实验分析，研发了适用于高压大功率领域同步机的矢量控制方案，依托于磁链闭环矢量控制(SFOC)这一平台，实现了真正的同步机变频无速度传感器矢量控制技术启动方式(SVC)，整个启动过程平滑、无冲击，不存在启动整步问题，并且控制精度高、转矩响应快，稳定性好。
图1：汇川同步机磁链闭环矢量控制原理图
图2：汇川同步机变频启动过程图
基于电机d - q轴 系数学方程，对电机的磁链、电流进行解耦控制，具有磁链、电压闭环特点。
通过汇川多个大容量同步机变频改造应用现场的调试运行情况来看，汇川同步机控制方案还具有调试简单、调试时间短，以及运行稳定的众多优点，得到了用户的一直好评，汇川的同步机控制技术已经在国内建立了绝对的领先地位。
3、烧结工艺简介
图3：烧结工艺
烧结工艺是指根据原料特性所选择的加工程序和烧结工艺制度，它对烧结生产的产量和质量有着直接而重要的影响。按照烧结过程的内在规律选择合适的工艺流程和操作制度，利用现代科学技术成果，强化烧结生产过程，能够获得先进的技术经济指标，保证实现高产、优质、低耗。本生产工艺流程有原料的接受，兑灰，拌合，筛分破碎及溶剂燃料的破碎筛分，配料，混料，点火，抽风烧结，抽风冷却，破碎筛分，除尘等环节组成。目前生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。烧结生产的工艺流程如上图所示。主要包括烧结料的准备，配料与混合，烧结和产品处理等工序。
三、 客户现场改造方案
1、项目背景
本次我司HD93产品改造对象为河北省武安市某钢铁集团烧结厂烧结主抽风机，此烧结线为220m2规模烧结线，配备有8000kW功率烧结主抽一台，是整个烧结厂的最大耗电设备，在整个钢厂也属于耗能大户，工频运行采用水阻启动方式，启动冲击大，所以每次启动此电机都比较困难，另外由于要根据生产情况调节风量，平时采用风门调节的方式进行，风门一般在60%~80%调节，能量浪费严重，所以节能改造迫在眉睫。
2、设备参数介绍
3、改造系统方案
图4：系统一次图
4、系统方案说明
系统采用HD93高性能型同步机专用高压变频器、励磁柜、开关柜和旁路柜完成对同步机负载的同步电机控制。整个系统方案在保留客户原励磁系统的情况下，我们重新配备变频励磁柜，在变频器正常运行的情况下，变频器与变频励磁柜配合来控制客户同步电机启动与运行，而为了保证电机的可靠运行，我们配备了工频旁路系统，在变频器出现重故障的情况下，客户还可以利用旁路系统跟原工频励磁系统来进行控制电机的启动运行。
总结高压变频器方案如下:
(1) 系统采周一拖一配手动工频旁路柜，工频运行时，可以配合原有水阻软启动方式运行;
(2) 控制系统改造，实现新旧高压柜的远程操作及联锁;
(3) 励磁系统改造，实现工变频状态的励磁控制转换;
(4) 配套上位监控系统，远程监控变频器系统状态;
5、电气配置说明
(1)SM为客户现场电励磁同步电动机，基本电气参数为8000kW/10kV。
(2)Mg1为变频运行专用励磁柜。在变频状态下，通过变频器内部运算给定励磁电流指令，励磁柜与变频器实现励磁电流闭环控制，MG2为客户原有工频励磁柜，MG1与MG2之间设置有切换开关，需要工频运行时，励磁系统切换至MG2。
(3)QS1、QS2、QS3为工频旁路柜内高压隔离开关，用于变频或工频启动同步电机。
(4)系统配置工频励磁与变频励磁的切换装置，采用切换刀闸形式，安全可靠。
(5)变频器为汇川HD93高性能型同步机高压变频器，基本电气参数为10000kVA/10kV，额定频率50Hz，最大运行频率为50/60 Hz。输入变压器为10000kVA/10kV干式移相变压器，绝缘等级H级，功率单元为两象限两电平单元级联结构。控制柜内IO板提供标准IO接口和总线通讯接口(CAN、Modbus485、Profibus-DP)。
6、系统功能说明(变频工况)
(1)系统控制电源380V和冷却风机电源上电，变频励磁柜选择并且控制电源上电;
(2)对变频器和励磁柜进行相关的参数设定，变频励磁柜和变频器置于“远方”控制;
(3)将变频输入隔离刀闸QS1、输出隔离刀闸QS2合闸，励磁切换开关切换至变频励磁，变频器及励磁柜控制系统自检，如无故障，输出“合闸允许”信号;
(4)用户开关柜断路器QF1合闸，待水阻柜启动完成后，星点柜QF2合闸;
(5)变频器及励磁柜如上电正常，输出“变频器准备就绪”和“励磁柜就绪”信号到总控台;
(6)总控台对变频器给定运行频率，发启动指令。
(7)变频器接收到启动命令后，发励磁启动指令给励磁柜，同时发出动态励磁电流指令;
(8)当运行频率达到50Hz时，变频器输出电压达到10kV。
(9)在运行过程中，当变频器出现严重故障时，会同时联跳输入断路器QF，且通知励磁柜进行灭磁。
(10)QS2和QS3设有机械联锁，当QS2闭合时，QS3不能合闸。
(11)当工艺需要停机时，通过总控台向变频器发送“停机”指令，变频器接受指令后封锁变频器输出。
7、改造后节能对比
改造前改造后
风门开度平均运行电流风门开度平均运行电流平均节电率
60%~80%460A100%385A16.3%
变频改造之后实现了较为可观的节电量，为公司的节能减排工作做出了较大的贡献，降低了整个公司的生产成本，得到了客户的一致认可。
8、变频改造优势
(1) 完美解决了大容量同步机的启动问题;
(2) 节电，大大降低运行成本;
(3) 提高了机组自动装置的稳定性，为机组的经济优化运行提供了可靠保证;
(4) 同步机的运行参数得到了改善，提高了运行效率;
(5) 可实现大功率同步机负载的变频软启动，启动峰值电流和时间大为减少，避免了因大启动电流造成的绝缘老化及由于较大电动力矩造成对电机的机械冲击，延长了电机的寿命，减少了对电机的维护工作量;
(6) 节流装置全开，不仅达到了降耗节能的目的，同时还减小了管道系统的振动，使管道压力波动减小，延长了管道的使用寿命和检修周期及检修的工作量，使系统运行稳定性得到改善;
(7) 频率的调节性能优越，有利于实现分散控制系统改造，进一步提高系统的优化改造;
(8) 采用变频调节，电动机转速降低使环境噪音影响得到大大改善。
(9) 励磁完全变频控制，只需操作变频器，一键启动/停机，方便操作。
四、现场应用照片
图5：现场工作人员调试照片
图6：现场电机照片
图7：变频系统整机图
图8：现场电机飞车启动时定子电流及励磁电流变化波形图(动态励磁控制)
五、结束语
冶金行业历来属于高耗能行业，大功率电机数量巨大，常年工频运行导致能源浪费严重，变频改造不仅能够实现显著地节能效果，且能够改善运行工艺，达到多重改造效果，经济效益及社会效益显著，烧结主抽风机的变频改造不仅能够实现较高的节能效果，还能够实现大功率同步电机的启动调速问题。汇川技术HD93系列同步机专用高压变频器之所以能够成功的改造此次大功率烧结主抽风机，也是产品高性能、高可靠性的一个证明。
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