负载换流变频技术在高压电动机起动中应用研究

论文摘要

高压大功率同步电动机广泛应用于冶金、钢铁、石化等行业。但是,同步电动机的起动一直是一个相当复杂的的问题,其起动方式长期以来是人们关注的一个重要课题。高压大功率同步电机常用的起动方式通常有:直接全压起动、串联电抗器降压起动、变频起动等,其中最佳的起动方式为变频起动。利用旋转变频机组启动高压大功率同步电动机,可以有效降低启动电流,减小启动冲击。但是,旋转变频机组设备繁多、结构复杂、站地广、噪音大,维护成本较高,所以该技术逐渐淘汰。随着电力电子技术、微电子学、自动控制理论、计算机技术以及先进制造技术的不断发展,电气传动技术也发生了一场历史性革命,即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术。交流静止变频器开始广泛应用于高压大功率同步电动机启动领域。作者所在单位是航空发动机高空模拟试车台的大型气源中心,拥有10台10kV、12000kW同步电动机和4台10kV、5000kW异步电动机。其中,12000kW同步电动机采用旋转变频机组启动。旋转变频机组主要由一台同步电动机、两台直流发电机、两台直流电动机和一台同步发电机构成;输出范围为0.8HZ～50HZ、200V～10.5kV、4000kW;通过改变直流发电机的励磁电流改变同步发电机的输出频率和电压。启动12000kW同步电动机时,频率大约0.8HZ,启动电流不到300A(额定电流的40%);单台电机从启动到同步并网时间约6分钟。该系统自动化程度较低。作者所在单位需要新建气源厂房由三台空气压缩机构成(采用10kV、15000kW同步电动机拖动),因此需要设计一套变频软启动系统,实现三台压缩机的依次启动,要求启动冲击电流小、启动时间短,自动并网。通过技术分析,选择了SIMENS公司的LCI负载换流型变频器构成变频软启动系统,希望通过该系统的设计,在掌握负载换流变频器的工作原理和性能的基础上,为今后变频装置运行、维护积累技术经验。通过该项目的设计研究工作,提高目前高空模拟试车台气源系统的自动化水平,并建立相应的变频软起动技术规范,为今后气源系统的进一步发展做好技术储备。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高压电动机的起动方式
• 1.2 课题的背景和意义
• 1.3 国内外研究的技术现状分析
• 1.4 课题主要研究内容和目标
• 第二章 电力电子器件与大功率变频器
• 2.1 电力电子器件
• 2.1.1 晶闸管
• 2.1.2 门极可关断晶闸管
• 2.1.3 集成门极换向晶闸管
• 2.1.4 绝缘栅双极晶体管
• 2.1.5 注入增强型绝缘栅晶体管
• 2.2 高压大功率变频器
• 2.3 国内外大功率变频器的发展
• 2.4 高压大功率变频器分类、技术原理及特点
• 2.4.1 交-交变频器
• 2.4.2 交-直-交变频器
• 2.4.3 交-直-交电压型高压变频器
• 2.4.4 交-直-交电流型高压变频器
• 第三章 同步电动机矢量控制原理及控制系统
• 3.1 同步电动机的矢量控制原理
• 3.1.1 经典同步电动机矢量控制原理
• 3.1.2 矢量控制的特点
• 3.2 同步电动机矢量控制系统的基本结构
• 3.3 同步电动机矢量控制系统的构成
• 3.3.1 坐标变换单元
• 3.3.2 位置检测单元
• 3.3.3 MT 轴定子电流模型
• 3.3.4 磁链观测器——电流模型Mi 单元
• 3.3.5 磁链观测器——电压模型Mu 单元
• 3.3.6 电流控制系统、磁链控制系统、速度控制系统
• 第四章 负载换流同步电动机变频调速系统
• 4.1 LCI（负载换流）同步电动机的基本原理
• 4.1.1 LCI 变频器供电时电机的定子磁动势
• 4.1.2 运行原理
• 4.2 换流方法[20-25]
• 4.2.1 反电动势换流法（自然换流法）
• 4.2.2 电流断续换流法
• 4.3 负载换流同步电动机系统的几种基本关系
• 4.3.1 电机电压与直流电压
• 4.3.2 电机转速与直流电压
• 4.3.3 电机转速与电源电压
• 4.3.4 电机定子电流与直流电流
• 4.3.5 电机的转矩
• 4.3.6 电机的功率因数
• 4.3.7 换流剩余角
• 第五章 负载换流同步电动机软起动应用
• 5.1 工程应用背景及目的
• 5.2 工程应用中高压同步电动机以及负载空气压缩机技术参数
• 5.2.1 同步电动机基本参数
• 5.2.2 电机励磁参数
• 5.2.3 电机损耗参数
• 5.2.4 其他参数
• 5.2.5 空气压缩机参数
• 5.3 西门子LCI 变频器（SIMOVERT S）技术概述
• 5.3.1 技术概述
• 5.3.2 变频器技术参数
• 5.3.3 降压变压器和升压变压器技术参数
• 5.3.4 西门子LCI 变频器运行原理
• 5.3.5 励磁系统
• 5.4 负载换流变频软起动系统主接线电气设计
• 5.5 主要参数设置
• 5.5.1 励磁器主要参数设置
• 5.5.2 变频器主要参数设置
• 5.6 电机的起动和保护
• 5.6.1 起动控制
• 5.6.2 电机的并网
• 5.6.3 系统的保护和监视
• 5.7 电机的监视与控制后台
• 5.8 由LCI 变频器、同步电动机构成的变频软启动系统技术特点
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果