高壓變頻器在增安型無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機上的應用

　　山東?；簶I(yè)化工有限公司占地90多萬(wàn)平方米，現有職工2100余人，建有大型現代化焦爐6座以及與之相配套的化工系統和90萬(wàn)噸原煤入洗能力的洗煤廠(chǎng)，13mw/年發(fā)電能力的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠(chǎng)。公司擁有年產(chǎn)120萬(wàn)噸冶金焦炭的生產(chǎn)能力，主要產(chǎn)品有冶金焦炭、鑄造焦炭、粗苯、焦油、煤氣、碳酸銨等10余種，產(chǎn)品遠銷(xiāo)日本、印度及東南亞等國家和地區。

　　公司地處煤炭?jì)α?4.5億噸的棗滕煤田腹地，煤炭資源十分豐富。同時(shí)擁有6萬(wàn)噸的儲煤場(chǎng)，擁有與京滬鐵路棗莊西站相連的總長(cháng)2500m的4股鐵路專(zhuān)用線(xiàn)，三座1000m機械化裝卸平臺，可容納89個(gè)貨位。公司自備有15個(gè)總容量可達1400噸的化產(chǎn)品儲油罐，焦油、粗苯自備車(chē)20輛。與生產(chǎn)配套的日供水20000m3的獨立供水設施，有35kv雙回路5600kva變配電設施，機械加工、污水處理及運輸設施齊全。

　　此次山東?；簶I(yè)化工有限公司改造的是2臺2400kw/10kv增安型無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機，負載是煤氣壓縮機。這么大功率的無(wú)刷勵磁同步電機變頻改造在國內是第一次，在世界范圍內也少見(jiàn)。我公司接到定單后，沒(méi)有畏懼，抱著(zhù)“國外能搞，咱們也能搞”的決心，克服了沒(méi)有資料等困難，作了充分的準備，功夫不負有心人，最終上電投運一次成功。下面和大家探討一下我們在增安型無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機的高壓變頻改造中的幾個(gè)問(wèn)題。

　　2 無(wú)刷同步電動(dòng)機的結構與工頻運行過(guò)程

　　2.1 無(wú)刷同步電動(dòng)機的結構

　　無(wú)刷同步電動(dòng)機的結構如圖1所示。

　　圖1中：1為滑動(dòng)軸承，2為無(wú)刷同步電動(dòng)機繞組，3為冷卻器，4為旋轉整流器，5為勵磁發(fā)電機。

　　2.2 無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機勵磁系統結構

　　無(wú)刷勵磁同步電動(dòng)機勵磁系統結構如圖2所示，其中勵磁發(fā)電機與同步電動(dòng)機同軸轉動(dòng)。

　　其中，旋轉整流器負責電機起動(dòng)過(guò)程滅磁與投勵邏輯，其內部結構如圖3所示。電機起動(dòng)時(shí)，旋轉整流器控制滅磁晶閘管t4將滅磁電阻rf連接至無(wú)刷同步電動(dòng)機的轉子勵磁繞組上，以提供較大的起動(dòng)轉矩，降低勵磁繞組端電壓，此時(shí)整流晶閘管t1～t3截止；當電機到達亞同步速且滿(mǎn)足準角條件時(shí)，控制器觸發(fā)整流晶閘管t1～t3，將勵磁發(fā)電機的電樞電壓整流后加在同步電動(dòng)機的勵磁繞組上，為同步電動(dòng)機提供持續的勵磁電流，同時(shí)關(guān)斷滅磁晶閘管t4。此時(shí)，旋轉整流器等效于三相二極管不控整流器。

　　2.3 無(wú)刷同步電動(dòng)機的工頻穩態(tài)運行

　　無(wú)刷同步電動(dòng)機在工頻穩態(tài)運行時(shí)，勵磁器向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組通以適當的勵磁電流，在勵磁發(fā)電機的轉子電樞繞組端部感應出三相交流電壓，由旋轉整流器（等效于二極管整流器）整流成直流電壓，施加在無(wú)刷同步電動(dòng)機的轉子勵磁繞組上，為其提供持續的勵磁電流。

　　根據勵磁發(fā)電機的物理特性，其輸出的電樞電壓近似成正比于電機轉速和勵磁發(fā)電機勵磁電流的乘積，因此勵磁器可以通過(guò)調節晶閘管的觸發(fā)角，調節勵磁發(fā)電機的定子勵磁電流，達到調節無(wú)刷同步電動(dòng)機的轉子勵磁電流的目的。

　　2.4 無(wú)刷同步電動(dòng)機的工頻起動(dòng)投勵過(guò)程

　　無(wú)刷同步電動(dòng)機的工頻起動(dòng)投勵過(guò)程如圖4所示。

　　工頻起動(dòng)時(shí)，首先高壓斷路器合閘，旋轉整流器的滅磁部分電路根據同步電動(dòng)機勵磁繞組上的感應電壓將滅磁電阻連接至同步電動(dòng)機的勵磁繞組上，同步電動(dòng)機逐漸加速。

　　高壓斷路器合閘后，勵磁器觸發(fā)晶閘管，向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組通以一定的勵磁電流。隨著(zhù)電機轉速的升高，勵磁發(fā)電機的轉子電樞繞組電壓逐漸升高，當其高于旋轉整流器的最低工作電壓后，由其供電的旋轉整流器控制器上電，旋轉整流器監測同步電動(dòng)機勵磁繞組上的感應電壓，當其周期大于預設值（表示同步電動(dòng)機已到達亞同步速）且到達反向過(guò)零點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)整流晶閘管，關(guān)斷滅磁晶閘管，將勵磁發(fā)電機的轉子電樞電壓整流后加在同步電動(dòng)機的勵磁繞組上，完成投勵。同步電機經(jīng)過(guò)短暫的整步過(guò)程后進(jìn)入穩定的同步運行狀態(tài)，電機起動(dòng)過(guò)程完成。

　　2.5 無(wú)刷同步電動(dòng)機的工頻停機過(guò)程

　　工頻停機時(shí)，斷開(kāi)高壓斷路器，同時(shí)勵磁器調節晶閘管的觸發(fā)角至有源逆變區，將勵磁發(fā)電機的定子勵磁電流迅速降至零，勵磁發(fā)電機的轉子電樞繞組電壓迅速下降，當其小于旋轉整流器的最低工作電壓時(shí)，旋轉整流器控制電掉電，其整流晶閘管截止，續流二極管將滅磁電阻連接至同步電動(dòng)機的勵磁繞組上，同步電動(dòng)機的勵磁電流迅速下降至零。同步電動(dòng)機在負載和阻力轉矩等的作用下逐漸停穩。

　　3 無(wú)刷同步電機的變頻運行

　　3.1 調速運行時(shí)的勵磁發(fā)電機特性

　　與有刷同步電動(dòng)機的滑環(huán)直接勵磁不同，無(wú)刷同步電動(dòng)機的勵磁電流由旋轉的勵磁發(fā)電機發(fā)出。由于勵磁發(fā)電機發(fā)出的電壓與電機轉速和勵磁發(fā)電機定子勵磁電流的乘積成正比，當電機轉速低于其額定轉速較多時(shí)，勵磁發(fā)電機發(fā)出的電壓較低，此時(shí)即使勵磁器向勵磁發(fā)電機輸出最大的勵磁電流，無(wú)刷同步電動(dòng)機的勵磁電流也將小于其額定值。在起動(dòng)初期轉速很低時(shí)，無(wú)刷同步電動(dòng)機將無(wú)法獲得勵磁電流。

　　同步電動(dòng)機在無(wú)勵磁電流條件下變頻啟動(dòng)時(shí)，其定子電樞繞組將從變頻器吸收較大的感性無(wú)功電流（典型值約為電機額定電流的2～3倍），該電流僅在變頻器和同步電動(dòng)機之間流動(dòng)，不注入電網(wǎng)，但會(huì )造成變頻器和同步電動(dòng)機定子電樞繞組的短時(shí)發(fā)熱。因此，在電機轉速較低時(shí)，應向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組施加盡可能大的電流，以最大限度降低電機的起動(dòng)電流。

　　3.2 變頻起動(dòng)時(shí)的投勵與整步過(guò)程

　　無(wú)刷同步電動(dòng)機的變頻起動(dòng)過(guò)程如圖5所示。

　　高壓斷路器合閘后，變頻器高壓上電。變頻器收到“啟動(dòng)”命令后，從0.5hz開(kāi)始向同步電動(dòng)機的定子電樞繞組輸出電壓，并按照預設的加速時(shí)間和v/f曲線(xiàn)逐漸提升輸出電壓的頻率和幅值，同步電動(dòng)機空載起動(dòng)。

　　變頻器向同步電動(dòng)機定子電樞繞組輸出電壓的同時(shí)，通知勵磁器開(kāi)始向勵磁發(fā)電機的定子勵磁繞組輸出強勵勵磁電流，該電流為大于勵磁發(fā)電機的額定勵磁電流，小于勵磁發(fā)電機的最大短時(shí)勵磁電流，此時(shí)，勵磁發(fā)電機的轉子電樞繞組電流近似為零。

　　變頻器起動(dòng)后，同步電動(dòng)機依靠其凸極轉矩和轉子剩磁，經(jīng)過(guò)短暫的異步加速和整步過(guò)程（約1s～2s）后進(jìn)入同步運行狀態(tài)。由于此時(shí)同步電動(dòng)機無(wú)勵磁電流，僅依靠凸極轉矩和轉子剩磁運行，因而其定子側電流較大，約為電機額定電流的2～3倍。

　　隨著(zhù)電機的加速，勵磁發(fā)電機轉子電樞繞組感應的電壓逐漸升高，當其高于旋轉整流器的最低工作電壓時(shí)，旋轉整流器控制電源上電。由于此時(shí)同步電動(dòng)機工作在同步運行狀態(tài)下，其轉子角的少量擺動(dòng)在勵磁繞組上感應出較低頻率的電壓，該電壓的周期滿(mǎn)足滑差頻率判據。旋轉整流器在檢測到該電壓后，立即觸發(fā)整流晶閘管，向同步電動(dòng)機的轉子勵磁繞組投入勵磁電流。由于此時(shí)電機的轉速仍然較低，勵磁發(fā)電機的電樞電壓較低，因而向同步電動(dòng)機輸出的勵磁電流也較低。投入勵磁后，同步電動(dòng)機的定子電樞電流將有所降低，隨著(zhù)電機的加速，勵磁發(fā)電機輸出的電壓逐漸增加，同步電動(dòng)機獲得的勵磁電流也逐漸增加，同步電動(dòng)機的定子電樞電流逐漸降低至額定電流之下。

　　當電機轉速增至最低運行轉速（調速區間下限）后，變頻器通知勵磁器將勵磁發(fā)電機的定子勵磁電流調整為勵磁發(fā)電機的最大持續工作勵磁電流（或額定勵磁電流），電機起動(dòng)過(guò)程完成，電機可以在該轉速下加載運行，或者根據工藝需要，加速至期望的轉速運行。

　　由于上述電機起動(dòng)過(guò)程較短（其典型值約為30s），且通常啟動(dòng)前勵磁發(fā)電機和同步電動(dòng)機