林晖，张汝韬

（西门子电气传动有限公司，天津 300384）

1 引言

PTA，学名精对苯二甲酸，是生产涤纶的主要原料。我国曾一度严重依赖进口，原料价格受国际市场价格波动影响很大。西门子作为国际知名的设备制造商，可以成套提供PTA的核心生产设备，其中西门子设备中的电气部分包括同步电动/发电机，变频软启动器和励磁控制柜。

2 PTA动力控制系统

该系统中的蒸汽透平机和压缩机构成生产动力系统，而同步发电机和膨胀机构成了生产后的剩余能量回收发电系统。能量回收比是2:1。即30 MW的生产能量回收15 MW的能量，节能效果显著。PTA动力控制系统结构图见图1。

图1 PTA动力控制系统结构简图Fig.1 PTA power system construction overview

由图1可知，1个GL150变频器可以分别启动2台同步机。其中，励磁柜由1个接口控制器MMIP、2个励磁控制器MMCP1&2、以及2个励磁机驱动器SIMOTRAS组成。同期并网装置是西门子7VE61，也是一对一的。MMIP可以在一拖二系统中选择要启动的同步机；每个同步机在自己的MMCP控制器控制并网后，控制励磁机可根据要求工作。共有3种工作模式：1）恒电流方式；2）恒功率因数方式；3）恒无功方式。一般情况下，系统工作在恒功率因数方式下。

3 GL150系统

西门子的SINAMICSYL150变频器是电流源直流母线变频器，用于对1 MW以上额定功率的大型同步电机进行无级调速。根据功率和电压的不同，其电路配置有6，12或 24脉冲电路，将电源侧和电机侧的变频器设计成晶闸管三相桥路。其布局简单，只需要使用较少的半导体。从而可获得较高的效率和可靠性。该变频器能在4象限运行，无需增加其他设备。常规的输出频率范围如下：1）启动变频器（0～50/60 Hz）；2）连续负载运行变频器（0～105 Hz）。

由中央控制器CU320-2DP负责整个驱动的开环控制、闭环控制和闸流晶体管监视。通过光纤控制模块PSA对闸流晶体管的工作进行光电监控和控制。GL150可以用作工业领域速度控制驱动器，也可以作为大型设备的软启动器。

该项目采用的GL150，采用12脉冲，高-低-高配置。输入2×5200 V，输出2×4900 V。结构拓扑图如图2所示。

图2 西门子变频器GL150结构拓扑图Fig.2 Construction topology chart of Siemens converters GL150

其主要的工作是用于透平机和压缩机的启动和并网工作。

4 西门子同步机以及无刷励磁

由西门子生产的H-modyn型，带实心凸极转子的同步电动/发电机（18800 kW/17500 kV·A，10000 V）具有高性能和紧凑的结构。轴承为带有油环的中心法兰轴承。采用外部油冷却的油循环系统为轴承提供润滑和散热。驱动端轴承为导向轴承，以轴向固定转子轴。非驱动端轴承设计为浮动轴承。轴承座与轴瓦绝缘。通过抽出的接地电缆桥接轴瓦绝缘垫。

热交换器单元为带有管道的气-水热交换器。 通过冷却管道中流动的冷却水来驱散机器散发的热量。通过轴装式风机循环内部空气。

电机的励磁是交流无刷励磁机和旋转整流子供电。工作原理为励磁发电机转子绕组和整流子与主励磁是同轴旋转。励磁机的定子由三相交流调压控制器供电，并通过旋转的磁场在转子中感应发电，形成主励磁的直流供电。而励磁机的定子供电相序要与主电机相反，否则励磁电流会随着电机转速的提高而降低。同步机励磁机和主励磁原理图如图3所示。

图3 同步机励磁机和主励磁原理图Fig.3 Exciter machine and main exciter of synchronous generator

5 GL150软启动器的控制顺序

先由蒸汽透平机驱动电机和压缩机到25%的额定转速，并运行30 min暖机。而后变频器启动，MBC和MBM合闸，励磁投入工作。此后，变频器按照加速曲线驱动电机，从25%额定转速加速到99%额定转速后，转由同步并网装置接管控制，直至变频输出的频率和相位与电网一致。一旦达到同步转速，同期装置合电机主开关MBL，在MBL合闸同时，变频器的直流电流降到零，逆变脉冲封锁，MBM和MBC分断，变频器进入待机状态。整个加速和并网时间2.5 min左右。由于GL150保持运行直至设备在并网完成后退出系统控制，不会对电网造成冲击。但是空载情况下，会产生部分容性无功补偿电网。

6 GL150变频器的逆变器控制特点

1）GL150的逆变器的换向控制不需要附加的换相设备，完全依靠负载自然换相。即逆变器的6个晶闸管顺序工作，依靠同步电动机的感应反电动势来关断。在启动初期，速度较低，反电势很小，变频器会采用电流断续法来关断晶闸管并保证逆变器可靠换相。

2）换相的触发脉冲时刻需要转子的位置信号来产生，通常的做法是在电机轴上安装转子位置检测器来检测，称为直接式转子位置检测。GL150采用电枢反电势检测转子位置，称为间接式位置检测。

7 GL150调试过程和问题分析解决

1）转子位置的测定。GL150采用间接方式测定转子位置。方法是在转子加入励磁电流，通过变化的励磁电流，定子绕组感应出电动势。变频器通过测量电动势的相位，确定转子位置。而且，每次启动时，转子位置都会被测定。

如图4所示，曲线1是励磁磁通，曲线2是转子位置角。励磁电流上升过程中，变频器辨识转子位置。图4中记录了共测量3次，各次辨识过程中，角度会变化，但是首尾角度相同，表明了辨识的准确性和一致性。

图4 转子定位测试波形图Fig.4 Rotor position testing waves

2）电流断续控制的检查。变频器的电流环工作，以小电流注入电机，工作频率为2 Hz， 此时电机励磁被禁止，电机不转。图5为直流电流波形。

图5 电流断续工作测试波形图Fig.5 DC pulsing testing wave

3）进线侧的相角测量。通常的输入降压变压器会给出二次Δ/Y输出的相角差，但是在实际安装过程中，接线的差异会导致相角变化。GL150提供了自己测定相角的功能。方法是检测进线电压的波形，通过相位辨识确定进线相角。此过程非常重要，它决定了整流部分工作的正确和可靠。

4）输出侧的相角测定。因为输出升压变压器的Δ/Y输入绕组也有相角差，变频器同样根据相角差控制输出电流。测定方法如图6所示：GL150的系统1运行，励磁使能，电机被加速到20%的额定速度空载运转。而后，系统1脉冲封锁，励磁保持。此时电机自由减速，电枢的感应电势经由升压变压器反馈到GL150变频器，相角在此时被系统测定。

图6 变频器输出变压器相角测定图Fig.6 Angle testing waves of step up transformer

5）启动，同步，并网。GL150首次试车时，频繁出现了整流器过流和逆变器换向失败的故障。整流器和逆变器均有过电流故障。原因是电机电缆较长，超过200 m，这导致了逆变器晶闸管换相时间加长，后来通过调整换相重叠角稳定逆变器的工作。图7为启动运行和并网曲线。

图7 变频启动及同步并网波形图Fig.7 Startup and synchronize on line record

图7中，电机额定转速是1500 r/min，直流电流1500 A，励磁电流38 A。由于压缩机的启动负荷较重，在变频启动过程中要求透平机蒸汽阀门保持开放到最大，以提供辅助的动力，使电机平稳启动到同步转速时，并顺利并网。同步控制时，并网装置7VE61会发出增频/减频，增压/减压信号，控制GL150的输出电压和频率，使得同步机的电压波形与网侧一致。此前，7VE61需要事先测定主开关的合闸时间，用于预发合闸命令，保证并网时刻的同步，尽可能降低对电网的冲击。启动过程历经120 s，整步并网过程需要十几 s。

并网后，随着设备投入生产后，产生的尾气作为膨胀机的动力。膨胀机驱动同步机发电。发电机励磁系统工作方式是恒功率因数控制方式，随着有功的变化自动调整励磁电流，维持恒定的功率因数。

8 结论

该系统目前已投入生产，启动成功率达100%。励磁系统运行稳定可靠，证明了西门子变频软启系统技术成熟，可靠性高。其安装和调试也较为简单，经过培训的工程师均可顺利完成调试。励磁系统的程序均经过工厂测试，是标准的程序，无需调试。后期的设备维护量很小，故障率极低。

［1］西门子.GL150调试手册V2.5［Z］.2008.

［2］Bimal K Bose.现代电力电子学与交流传动［M］.王聪，赵金，于庆广，等译.北京:机械工业出版社,2005.

［3］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2005.