摘? ?要：高壓同步電動(dòng)機以其功率因數高、運行轉速穩定、低轉速設計簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在高壓大功率電氣驅動(dòng)領(lǐng)域有著(zhù)大量的應用。但物理過(guò)程復雜、控制難度高的特點(diǎn)，一直制約著(zhù)大功率同步電機的變頻應用。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器?高壓同步電機?大功率

1.引言

高壓同步電動(dòng)機以其功率因數高、運行轉速穩定、低轉速設計簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在高壓大功率電氣驅動(dòng)領(lǐng)域有著(zhù)大量的應用，如大功率風(fēng)機、水泵、油泵等。對于大功率低速負載，如磨機、往復式壓縮機等，使用多極同步電動(dòng)機不僅可以提高系統功率因數，更可以省去變速機構，如齒輪變速箱，降低系統故障率，簡(jiǎn)化系統維護。由于同步電機物理過(guò)程復雜、控制難度高，以往的高壓同步電機調速系統必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統的可靠性較低。

單元串聯(lián)多電平型變頻器由于具有成本低，網(wǎng)側功率因數高，網(wǎng)側電流諧波小，輸出電壓波形正弦、基本無(wú)畸變，可靠性高等特點(diǎn)，在高壓大容量異步電機變頻調速領(lǐng)域取得了非常廣泛的應用。將單元串聯(lián)多電平型變頻器應用于同步電動(dòng)機將有效地提高同步電機變頻調速系統的可靠性，降低同步電機變頻改造的成本，提高節能改造帶來(lái)的效益，同時(shí)也為單元串聯(lián)多電平型變頻器打開(kāi)一個(gè)廣闊的新市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)我公司技術(shù)人員經(jīng)過(guò)大量的理論分析、計算機仿真和物理系統實(shí)驗，解決了同步電機起動(dòng)整步等關(guān)鍵問(wèn)題，已于2013年11月底成功地將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應用于河北某鋼鐵集團4#燒結同步主抽風(fēng)機8000kW/10kV電動(dòng)機上。如圖一示為我司高壓變頻器在客戶(hù)現場(chǎng)的實(shí)景，以下將簡(jiǎn)要介紹實(shí)際應用中的主要技術(shù)問(wèn)題。

圖1 高壓變頻器現場(chǎng)運行實(shí)景

2.同步電動(dòng)機的工頻起動(dòng)投勵過(guò)程

為了更好的說(shuō)明同步電機的運行特點(diǎn)，先對同步電機的工頻起動(dòng)投勵過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

在電網(wǎng)電壓直接驅動(dòng)同步電機工頻運行時(shí)，同步電動(dòng)機的起動(dòng)投勵是一個(gè)比較復雜的過(guò)程。當同步電機電樞繞組高壓合閘時(shí)，通過(guò)高壓斷路器的輔助觸點(diǎn)告知同步電機的勵磁裝置準備投勵。此時(shí)，勵磁裝置自動(dòng)在同步電機的勵磁繞組上接入一個(gè)滅磁電阻，以防止勵磁繞組上感應出高壓，同時(shí)在起動(dòng)時(shí)提供一部分起動(dòng)轉矩。同步電機電樞繞組上電后，在起動(dòng)繞組和連有滅磁電阻的勵磁繞組的共同作用下，電機開(kāi)始加速。當速度到達95%的同步轉速時(shí)，勵磁裝置根據勵磁繞組上的感應電壓選擇合適的時(shí)機投入勵磁，電機被牽入同步速運行。如果同步電機的凸極效應較強、起動(dòng)負載較低，則在勵磁裝置找到合適的投勵時(shí)機之前，同步電機已經(jīng)進(jìn)入同步運行狀態(tài)。在這種情況下，勵磁裝置將按照延時(shí)投勵的準則進(jìn)行投勵，即高壓合閘后15秒強行投勵。

3.變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機時(shí)的起動(dòng)整步過(guò)程

用變頻器驅動(dòng)同步電機運行時(shí)，使用與上述方式不同的起動(dòng)方式：帶勵起動(dòng)。在變頻器向同步電機定子輸出電壓之前，即啟動(dòng)前，先由勵磁裝置向同步電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，然后變頻器再向同步電機的電樞繞組輸出適當的電壓，起動(dòng)電機。

同步電機與普通異步電機運行上主要的區別是同步電機在運行時(shí)，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內，否則將導致系統失步。在電機起動(dòng)之初，這二者的夾角是任意的，必須經(jīng)過(guò)適當的整步過(guò)程將這一夾角控制到一定的范圍之內，然后電機進(jìn)入穩定的同步運行狀態(tài)。因此，起動(dòng)整步問(wèn)題是變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機運行的關(guān)鍵問(wèn)題。

第一步，勵磁裝置投勵。勵磁系統向同步電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，在同步電機轉子上建立一定的磁場(chǎng)。

第二步，變頻器向同步電機的電樞繞組施加一定的直流電壓，產(chǎn)生一定的定子電流。此時(shí)，在同步電機上產(chǎn)生一定的定子電流，并在定子上建立較強的磁場(chǎng)。轉子在定、轉子間電磁力的作用下開(kāi)始轉動(dòng)，使轉子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。此時(shí)轉子的轉動(dòng)方向可能與電機正常運行時(shí)的轉向相同，也可能相反。

第三步，變頻器按照電機正常運行時(shí)的轉動(dòng)方向，緩慢旋轉其施加在電樞繞組上的電壓矢量。隨著(zhù)同步電機轉子的轉動(dòng)和定子磁場(chǎng)的旋轉，轉子磁極將在某一時(shí)刻掠過(guò)定子的異性磁極，或者轉子磁極加速追上旋轉的定子磁極。此時(shí)，電機的轉子磁極被較強的定子磁極可靠吸引，二者間的角度經(jīng)過(guò)少量有阻尼的震蕩后，逐漸趨于一個(gè)較小的常量。至此，同步電機進(jìn)入同步運行狀態(tài)，整步過(guò)程完成。

第四步，變頻器按照預先設定的加速度和V/F曲線(xiàn)（即磁通給定），調節輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機的轉子角逐漸拉大到某一常值，然后電機轉子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動(dòng)過(guò)程完成。

在同步電機的起動(dòng)整步過(guò)程中，定、轉子磁勢大小的選擇和各步驟間的切換是控制的關(guān)鍵問(wèn)題。如果選擇過(guò)低的定子磁場(chǎng)，則定子磁極無(wú)法在第一次經(jīng)過(guò)轉子的異性磁極時(shí)，將其可靠吸牢，此后轉子經(jīng)過(guò)同性磁極間斥力的反向加速作用，在下一次經(jīng)過(guò)定子磁極時(shí)，二者將具有更大的相對速度，定子磁場(chǎng)更加無(wú)法有效牽引轉子磁極，最終將導致起動(dòng)整步失敗。選擇過(guò)大的定子磁場(chǎng)可能導致同步電機的定子鐵心飽和，進(jìn)一步導致變頻器輸出過(guò)電流，電機起動(dòng)失敗。

4.變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機的穩態(tài)運行與運行時(shí)的勵磁調節

由于變頻器驅動(dòng)同步電機時(shí)使用無(wú)需安裝速度/位置傳感器的控制方法，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機時(shí)的波形相同，因此在運行過(guò)程中，變頻器可以完全等效于一個(gè)正弦電壓源，無(wú)轉矩脈動(dòng)，具有較高的可靠性。

由于同步電機的無(wú)功電流僅在電機和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，因而無(wú)須對電機的勵磁電流進(jìn)行精確的控制。一般可在電機運行的典型工況下，手動(dòng)調節其勵磁電流，使變頻器的輸出電流最小，輸出功率因數近似為1，然后調速運行過(guò)程中維持該電流不變即可。對于需要在運行時(shí)實(shí)時(shí)調整勵磁電流的工況，變頻器可以實(shí)測其輸出給同步電機的無(wú)功功率，向勵磁裝置下達勵磁給定信號，調整勵磁電流。

5.情況簡(jiǎn)介

4號燒結電機和風(fēng)機參數

采用一拖一手動(dòng)旁路圖如下：

整個(gè)切換方案用戶(hù)原有變頻軟起、KA1、KA2、QF、原有勵磁柜和新上變頻器、手動(dòng)刀閘QS1、QS2組成。在變頻運行時(shí)QS1合閘QS2斷開(kāi)。當變頻器出現故障時(shí)用戶(hù)原有軟啟動(dòng)部分啟動(dòng)后進(jìn)行工頻運行，此時(shí)QS2合閘QS1斷開(kāi)。QS1和QS2電氣連鎖能夠保證五聯(lián)防要求。

變頻運行時(shí)，QS2斷開(kāi)，QS1閉合，變頻器上電時(shí)，用戶(hù)開(kāi)關(guān)閉合，經(jīng)過(guò)約15秒延時(shí)后，勵磁裝置向同步電機投入勵磁電流，然后從現場(chǎng)向變頻器下達“啟動(dòng)”命令，變頻器按照預設的邏輯向同步電機輸出電壓，同步電機起動(dòng)。

變頻停機時(shí)，從現場(chǎng)向變頻器下達“停機”命令，變頻器驅動(dòng)同步電機減速至停機頻率，然后停止輸出電壓。最后在現場(chǎng)分斷用戶(hù)開(kāi)關(guān)，由其輔助觸點(diǎn)通知勵磁裝置滅磁，滅磁完成后關(guān)閉勵磁裝置電源。

6.小結

單元串聯(lián)多電平型變頻器在大功率同步電動(dòng)機上應用的成功實(shí)現，擴展了高壓變頻器產(chǎn)業(yè)的應用領(lǐng)域，也擴大了國家能源節約政策的實(shí)現途徑，為我國建設節約型社會(huì )提供了更多的技術(shù)保障。

參考文獻

[1]《Goodrive5000系列高壓變頻調速系統說(shuō)明書(shū)》 深圳市英威騰電氣股份有限公司