高壓變頻器在同步電動(dòng)機上的應用

　　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)。利德華福的技術(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2006年4月底成功地將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應用于巨化股份公司合成氨廠(chǎng)的1000kw/6kv同步電動(dòng)機上。以下將簡(jiǎn)要介紹實(shí)際應用中的主要技術(shù)問(wèn)題。

　　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15s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。

　　變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機的起動(dòng)整步過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：

　?。?）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)。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　　較為典型的同步電機起動(dòng)過(guò)程如圖1所示。

　　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，然后在先調速運行過(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　同步電動(dòng)機的故障滅磁

　　在正常停機時(shí)，變頻器先驅動(dòng)同步電機減速至停機轉速，然后停止向電機的電樞繞組輸出電壓。在該轉速下，最大的勵磁電流在同步電機定子側感應的電壓低于變頻器輸出側的長(cháng)時(shí)間耐受電壓，因此在電機之后的自由滑行過(guò)程中，維持勵磁電流不會(huì )對設備造成危害，不需要即時(shí)滅磁。

　　在遇到故障時(shí)，如果僅停止向其電樞繞組供電，而維持其勵磁電流，則旋轉中的同步電機將持續地向其定子側發(fā)出三相交流電壓，危害設備安全，并可能造成事故的擴大。因此在遇到嚴重故障需要停機時(shí)，變頻器必須通知勵磁裝置進(jìn)行滅磁。

　　同步電機滅磁的物理過(guò)程如下：

　　在滅磁之初，在勵磁裝置的作用下同步電機的勵磁電流迅速下降，但由于同步電機的主磁通無(wú)法突變，在阻尼繞組（起動(dòng)繞組）上隨即感應出較大的電流，此時(shí)旋轉中的同步電機向其定子機端（即變頻器輸出端）發(fā)出較高的三相交流電壓。隨后，阻尼繞組上的電流在阻尼繞組的內阻上逐步衰減為零，同步電機發(fā)出的定子電壓也隨之逐步衰減。這一衰減過(guò)程一般為數秒鐘，因此變頻器的輸出端必須具有停機狀態(tài)下承受短時(shí)過(guò)電壓的能力。

　　6　巨化股份公司合成氨廠(chǎng)的現場(chǎng)應用情況簡(jiǎn)介

　　巨化股份公司合成氨廠(chǎng)始建于1959年，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(chǎng)。此次進(jìn)行變頻改造的是尿素車(chē)間的1號co2活塞式壓縮機，其相關(guān)參數如表1所示：

　　驅動(dòng)壓縮機的是一臺1000kw/6kv同步電動(dòng)機，其相關(guān)參數如表2所示：

　　變頻器選用利德華福 hasvert-s06/130同步電機變頻調速系統，旁路方案選用一拖一手動(dòng)旁路柜，如圖2所示。

　　工頻運行時(shí)，qs1、qs2斷開(kāi)，qs3閉合，同步電機的起動(dòng)、運行、停車(chē)過(guò)程按照原有