摘要：高壓同步電動機(jī)以其功率因數(shù)高儒飒、運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定盼靠、低轉(zhuǎn)速設(shè)計簡單等優(yōu)點在高壓大功率電氣驅(qū)動領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用恍风。但物理過程復(fù)雜栋锣、控制難度高的特點，一直制約著同步電機(jī)的變頻應(yīng)用宣验。利德華福技術(shù)人員經(jīng)過大量的理論分析园赴、仿真、實驗购畴，解決了同步電機(jī)整步等關(guān)鍵問題猫乃，已于2006年4月底成功地將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應(yīng)用于巨化股份公司合成氨廠的1000kW/6kV同步電動機(jī)上，本文將簡要介紹應(yīng)用的相關(guān)情況陪罕。
1.引言
對于大功率低速負(fù)載昆畜，如磨機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)等将借，使用多極同步電動機(jī)不僅可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)向瓶，更可以省去變速機(jī)構(gòu)，如齒輪變速箱讽椿，降低系統(tǒng)故障率脱每，簡化系統(tǒng)維護(hù)。
由于同步電機(jī)物理過程復(fù)雜朗涩、控制難度高忽孽，以往的高壓同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率谢床，系統(tǒng)的可靠性較低兄一。
單元串聯(lián)多電平型變頻器由于具有成本低，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高识腿，網(wǎng)側(cè)電流諧波小出革，輸出電壓波形正弦、基本無畸變渡讼，可靠性高等特點骂束，在高壓大容量異步電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用。將單元串聯(lián)多電平型變頻器應(yīng)用于同步電動機(jī)將有效地提高同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性成箫，降低同步電機(jī)變頻改造的成本展箱，提高節(jié)能改造帶來的效益旨枯，同時也為單元串聯(lián)多電平型變頻器打開一個廣闊的新市場。利德華福的技術(shù)人員經(jīng)過大量的理論分析混驰、計算機(jī)仿真和物理系統(tǒng)實驗攀隔，解決了同步電機(jī)起動整步等關(guān)鍵問題，已于2006年4月底成功地將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應(yīng)用于巨化股份公司合成氨廠的1000kW/6kV同步電動機(jī)上诱紫。以下將簡要介紹實際應(yīng)用中的主要技術(shù)問題二焰。
2.同步電動機(jī)的工頻起動投勵過程
為了更好的說明同步電機(jī)的運(yùn)行特點，先對同步電機(jī)的工頻起動投勵過程進(jìn)行簡要的介紹澈越。
在電網(wǎng)電壓直接驅(qū)動同步電機(jī)工頻運(yùn)行時谣旨，同步電動機(jī)的起動投勵是一個比較復(fù)雜的過程。當(dāng)同步電機(jī)電樞繞組高壓合閘時晨瀑，通過高壓斷路器的輔助觸點告知同步電機(jī)的勵磁裝置準(zhǔn)備投勵尘蟋。此時，勵磁裝置自動在同步電機(jī)的勵磁繞組上接入一個滅磁電阻拉冯，以防止勵磁繞組上感應(yīng)出高壓巍也，同時在起動時提供一部分起動轉(zhuǎn)矩。同步電機(jī)電樞繞組上電后极胸，在起動繞組和連有滅磁電阻的勵磁繞組的共同作用下兵蟹，電機(jī)開始加速。當(dāng)速度到達(dá)95%的同步轉(zhuǎn)速時眯穴，勵磁裝置根據(jù)勵磁繞組上的感應(yīng)電壓選擇合適的時機(jī)投入勵磁笆抱，電機(jī)被牽入同步速運(yùn)行。如果同步電機(jī)的凸極效應(yīng)較強(qiáng)砾脑、起動負(fù)載較低幼驶，則在勵磁裝置找到合適的投勵時機(jī)之前，同步電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)韧衣。在這種情況下盅藻，勵磁裝置將按照延時投勵的準(zhǔn)則進(jìn)行投勵，即高壓合閘后15秒強(qiáng)行投勵畅铭。
3.變頻器驅(qū)動同步電動機(jī)時的起動整步過程
用變頻器驅(qū)動同步電機(jī)運(yùn)行時氏淑，使用與上述方式不同的起動方式：帶勵起動。
在變頻器向同步電機(jī)定子輸出電壓之前硕噩，即啟動前假残，先由勵磁裝置向同步電機(jī)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(jī)的電樞繞組輸出適當(dāng)?shù)碾妷毫裥欤饎与姍C(jī)守问。
同步電機(jī)與普通異步電機(jī)運(yùn)行上主要的區(qū)別是同步電機(jī)在運(yùn)行時匀归，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)坑资，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步耗帕。在電機(jī)起動之初，這二者的夾角是任意的爹故，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼竭^程將這一夾角控制到一定的范圍之內(nèi)番艳，然后電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)。因此妹茬，起動整步問題是變頻器驅(qū)動同步電動機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵問題尚和。
變頻器驅(qū)動同步電動機(jī)的起動整步過程主要分為以下幾個步驟：
第一步，勵磁裝置投勵泳唇。勵磁系統(tǒng)向同步電機(jī)的勵磁繞組通以一定的勵磁電流十吐，在同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立一定的磁場。
第二步夜勋，變頻器向同步電機(jī)的電樞繞組施加一定的直流電壓曼舟，產(chǎn)生一定的定子電流。此時聚伤，在同步電機(jī)上產(chǎn)生一定的定子電流嗤积，并在定子上建立較強(qiáng)的磁場。轉(zhuǎn)子在定坠天、轉(zhuǎn)子間電磁力的作用下開始轉(zhuǎn)動夯秃，使轉(zhuǎn)子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。此時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向可能與電機(jī)正常運(yùn)行時的轉(zhuǎn)向相同痢艺，也可能相反仓洼。
第三步，變頻器按照電機(jī)正常運(yùn)行時的轉(zhuǎn)動方向腹备，緩慢旋轉(zhuǎn)其施加在電樞繞組上的電壓矢量衬潦。隨著同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動和定子磁場的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時刻掠過定子的異性磁極植酥，或者轉(zhuǎn)子磁極加速追上旋轉(zhuǎn)的定子磁極镀岛。此時，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極被較強(qiáng)的定子磁極可靠吸引友驮，二者間的角度經(jīng)過少量有阻尼的震蕩后漂羊，逐漸趨于一個較小的常量。至此卸留，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)走越，整步過程完成。
第四步耻瑟，變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度和V/F曲線（即磁通給定）旨指，調(diào)節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率溃墨。此時抽雇，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角逐漸拉大到某一常值希镶，然后電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動過程完成剖冒。
在同步電機(jī)的起動整步過程中欲返，定、轉(zhuǎn)子磁勢大小的選擇和各步驟間的切換是控制的關(guān)鍵問題卓邓。如果選擇過低的定子磁場欧纬，則定子磁極無法在第一次經(jīng)過轉(zhuǎn)子的異性磁極時，將其可靠吸牢铁蒋，此后轉(zhuǎn)子經(jīng)過同性磁極間斥力的反向加速作用祭啸，在下一次經(jīng)過定子磁極時，二者將具有更大的相對速度魏刘，定子磁場更加無法有效牽引轉(zhuǎn)子磁極荞看，最終將導(dǎo)致起動整步失敗。選擇過大的定子磁場可能導(dǎo)致同步電機(jī)的定子鐵心飽和蜂筹，進(jìn)一步導(dǎo)致變頻器輸出過電流需纳，電機(jī)起動失敗。
較為典型的同步電機(jī)起動過程如下圖所示艺挪。
4.變頻器驅(qū)動同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與運(yùn)行時的勵磁調(diào)節(jié)
由于變頻器驅(qū)動同步電機(jī)時使用無需安裝速度/位置傳感器的控制方法不翩，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機(jī)時的波形相同麻裳，因此在運(yùn)行過程中口蝠，變頻器可以完全等效于一個正弦電壓源，無轉(zhuǎn)矩脈動津坑，具有較高的可靠性妙蔗。
由于同步電機(jī)的無功電流僅在電機(jī)和變頻器間流動，不進(jìn)入電網(wǎng)疆瑰，因而無須對電機(jī)的勵磁電流進(jìn)行精確的控制眉反。一般可在電機(jī)運(yùn)行的典型工況下，手動調(diào)節(jié)其勵磁電流穆役，使變頻器的輸出電流最小寸五，輸出功率因數(shù)近似為1，然后調(diào)速運(yùn)行過程中維持該電流不變即可聘楞。對于需要在運(yùn)行時實時調(diào)整勵磁電流的工況涉爆，變頻器可以實測其輸出給同步電機(jī)的無功功率，向勵磁裝置下達(dá)勵磁給定信號虑涣，調(diào)整勵磁電流层阎。
5.同步電動機(jī)的故障滅磁
在正常停機(jī)時，變頻器先驅(qū)動同步電機(jī)減速至停機(jī)轉(zhuǎn)速坪逃，然后停止向電機(jī)的電樞繞組輸出電壓轰弥。在該轉(zhuǎn)速下芥斋，最大的勵磁電流在同步電機(jī)定子側(cè)感應(yīng)的電壓低于變頻器輸出側(cè)的長時間耐受電壓，因此在電機(jī)之后的自由滑行過程中玩猿，維持勵磁電流不會對設(shè)備造成危害，不需要即時滅磁盈械。
在遇到故障時魄恭，如果僅停止向其電樞繞組供電，而維持其勵磁電流案贩，則旋轉(zhuǎn)中的同步電機(jī)將持續(xù)地向其定子側(cè)發(fā)出三相交流電壓揣褂，危害設(shè)備安全，并可能造成事故的擴(kuò)大攒庵。因此在遇到嚴(yán)重故障需要停機(jī)時嘴纺，變頻器必須通知勵磁裝置進(jìn)行滅磁。
同步電機(jī)滅磁的物理過程如下：
在滅磁之初浓冒，在勵磁裝置的作用下同步電機(jī)的勵磁電流迅速下降栽渴，但由于同步電機(jī)的主磁通無法突變，在阻尼繞組（起動繞組）上隨即感應(yīng)出較大的電流稳懒，此時旋轉(zhuǎn)中的同步電機(jī)向其定子機(jī)端（即變頻器輸出端）發(fā)出較高的三相交流電壓闲擦。隨后，阻尼繞組上的電流在阻尼繞組的內(nèi)阻上逐步衰減為零场梆，同步電機(jī)發(fā)出的定子電壓也隨之逐步衰減墅冷。這一衰減過程一般為數(shù)秒鐘，因此變頻器的輸出端必須具有停機(jī)狀態(tài)下承受短時過電壓的能力或油。
6.巨化股份公司合成氨廠的現(xiàn)場應(yīng)用情況簡介
巨化股份公司合成氨廠始建于1959年寞忿，是浙江省重要的化肥生產(chǎn)基地和最大的甲醇、甲醛生產(chǎn)廠顶岸。此次進(jìn)行變頻改造的是尿素車間的1號CO2活塞式壓縮機(jī)腔彰，其相關(guān)參數(shù)如下：
驅(qū)動壓縮機(jī)的是一臺1000kW/6kV同步電動機(jī)，其相關(guān)參數(shù)如下：
變頻器選用利德華福HASVERT-S06/130同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)拿酱，旁路方案選用一拖一手動旁路柜萎雁，如下圖所示。
工頻運(yùn)行時聂帜，QS1您眉、QS2斷開，QS3閉合涡趟，同步電機(jī)的起動林皇、運(yùn)行、停車過程按照原有邏輯進(jìn)行呼泪。
變頻運(yùn)行時妓付，QS3斷開憔吉，QS1、QS2閉合滚胎，變頻器上電時肿讽，斷路器QF閉合，經(jīng)過約15秒延時后田搏，勵磁裝置向同步電機(jī)投入勵磁電流找田，然后從現(xiàn)場向變頻器下達(dá)“啟動”命令，變頻器按照預(yù)設(shè)的邏輯向同步電機(jī)輸出電壓着憨，同步電機(jī)起動墩衙。
變頻停機(jī)時，從現(xiàn)場向變頻器下達(dá)“停機(jī)”命令甲抖，變頻器驅(qū)動同步電機(jī)減速至停機(jī)頻率漆改，然后停止輸出電壓。最后在現(xiàn)場分?jǐn)鄶嗦菲鱍F准谚，由其輔助觸點通知勵磁裝置滅磁挫剑，滅磁完成后關(guān)閉勵磁裝置電源。
遇到故障時柱衔，變頻器在停止電壓輸出的同時暮顺，立即分?jǐn)鄶嗦菲鱍F，由其輔助觸點通知勵磁裝置立即滅磁秀存。
7.小結(jié)
單元串聯(lián)多電平型變頻器在同步電動機(jī)上應(yīng)用的成功實現(xiàn)捶码，擴(kuò)展了高壓變頻器產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，也擴(kuò)大了國家能源節(jié)約政策的實現(xiàn)途徑或链，為我國建設(shè)節(jié)約型社會提供了更多的技術(shù)保障惫恼。
