高壓同步電機變頻調速技術及應用

梁安江， 張海燕， 柳 毅， 李建功

(上海發電設備成套設計研究院，上海 200240)

0 引言

同步電機的調速是電氣驅動領域的一大難題，從20世紀30年代后期，人們就開始研究同步電機的調速問題。20世紀70年代，隨著交流電機磁場定向控制理論的產生及其技術的推廣應用，世界各大電氣公司都投入大量人力、物力對交流同步電機變頻調速傳動進行研究，期望將這一技術應用于高性能要求的軋機主傳動及礦井提升機傳動中。迄今為止，世界上已有上千套交流變頻裝置應用于大功率同步電機調速系統。除了礦井提升機和軋機外，高壓大功率的交-直-交變頻器也廣泛應用于高爐鼓風機、空壓機及抽水蓄能電站的大型同步電機。

同步電機相對于異步電機來說，最大的劣勢就是存在失步現象，這也是制約同步電機應用變頻裝置的主要原因。若要使用變頻調速，則要求變頻裝置必須解決以下問題:(1)同步電機的起動問題;(2)同步電機調速期間和勵磁裝置的協調問題，防止正常調速期間同步電機失步;(3)同步電機正常停機和故障滅磁問題。

我國從20世紀70年代開始交流同步電機調速技術的研究，20世紀80年代初已研制成功交-交變頻同步電機的試驗樣機，但高壓大功率交流變頻調速裝置直到20世紀90年代后期才得到發展。上海發電設備成套設計研究院自1999年開始通過對國內、外高壓變頻裝置進行調研，確立了總的技術方案，采取智能功率單元串聯多電平方式，于2002年底，研制出1 250 kW/6 kV高壓變頻裝置樣機，2003年7月通過由上海市經濟委員會主持的產品技術鑒定，2003年9月正式投入運行，2005年底又成功研制生產了國產最大容量高壓變頻裝置，容量5 000 kW，已在寧夏某藥業有限公司成功投運。2006年，該公司開始著手研制容量9 600 kW/10 kV的高壓變頻裝置，2007年初申請獲得國家高技術研究發展計劃(863計劃)專題課題。

1 同步電機變頻調速技術分析

同步電機與普通異步電機運行上主要的區別是:同步電機運行時，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角δ(功率角)必須在0～90°范圍內變動，否則將導致失步。因此，同步電機變頻調速時必須時刻控制δ在允許的范圍內變動，而且在同步電機起動時應采取和異步電機不同的方式。以下將簡要介紹同步電機變頻調速過程遇到的難點及MAXF變頻裝置相應的解決措施。

1.1 同步電機的起動

同步電機運行時，對應于端壓U的氣隙合成總磁場拖著轉子勵磁磁場，兩者空間相距δ角、同步旋轉。但在轉子靜止條件下起動時，兩磁場間不能形成有效的電磁轉矩，所以同步電機不能自行起動，必須采取起動措施。通常同步電機起動方法有:輔助電動機起動、異步起動和變頻起動等。

針對變頻起動方法，又有很多種方式，有些同步電機變頻起動均采用先投勵，此時檢測出轉子位置，后根據此位置加入相應相位交流電起動。該方式常會由于轉子位置判斷不正確導致電機起動失敗。MAXF變頻裝置采用先異步軟起動后順極性投勵的方法，該方法可實現同步電機可靠起動。

對同步電機進行異步軟起動，實現額定起動力矩，將同步電機起動到約8 Hz時進行順極性投勵，電動機轉子磁場和定子磁場間夾角經過小量有阻尼振蕩后，電機轉子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進入同步運行狀態。具體所投勵磁大小及投勵時頻率可根據不同應用場合調試確定。

變頻裝置按照預先設定的加速曲線，逐漸加速到給定頻率。在調速過程中，端壓U的氣隙合成總磁場和轉子勵磁磁場之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機轉子磁極在氣隙合成總磁場的吸引下逐漸加速至期望轉速。通過大量MATLAB仿真和工程實踐經驗，得出:針對重載起動的場合，為獲得更大起動力矩，可適當提高變頻裝置輸出電壓和同步電機的勵磁電流。

曼氏裂頭蚴病是人獸共患的寄生蟲病，為由曼氏迭宮絳蟲的幼蟲在人體各組織臟器間不斷移行所致的疾病。目前曼氏裂頭蚴病在我國已有數千例報告，其中廣東報道的病例數排在首位［1］。由于很多的感染和病例未被認識或報道，我國該病的實際感染數和發病人數遠在此數之上，并有逐年上升之趨勢。我科于2010年11月18日收治了1例曼氏裂頭蚴感染的患者，現將護理體會報道如下。

1.2 同步電機調速

變頻裝置驅動同步電動機調速時，為了解決變頻裝置和同步電機間的配合，電機速度改變，同時變頻裝置也會協同調節當前勵磁電流大小，以及改變輸出電壓對應值(不是簡單的恒U/f控制)。

在某一設定頻率范圍運行，變頻裝置通過內置PID控制器，實時控制同步電動機的勵磁電流，實現恒功率因數方式調節;在某一設定的頻率范圍內運行時，勵磁電流由變頻裝置根據當前運行工況，輸出4～20 mA信號給勵磁調節器，采用變頻變勵磁電流方式調節。調節方式切換由變頻裝置自動完成，且調節方式的頻率范圍可以通過參數設置。

同步電機調速瞬間，氣隙合成磁場和轉子勵磁磁場間功率角δ會變動。同步電機功率角δ在運行期間不能變化過大，尤其不能讓δ＞90°，這樣同步機將進入不穩定狀態。因此，同步電機變頻調速時，頻率變化速率減小，這樣有利于系統工作穩定。

1.3 同步電機正常停機和故障滅磁

在正常停機時，變頻裝置驅動同步電機至停機轉速，然后停止變頻裝置輸出即可。減速過程中，在恒功率因數頻率點以上運行，勵磁電流根據恒功率因數來調節，在頻率點以下范圍運行，采用變頻變勵磁電流方式運行。

運行期間若變頻裝置外系統出問題，需要緊急停機，可以直接跳開高壓側輸入開關QF，通過高壓開關輔助節點連跳勵磁裝置。若變頻裝置系統出問題要緊急停機時，變頻裝置立刻停止輸出，通過故障信號跳開高壓側輸入開關，再通過高壓開關輔助節點連跳勵磁裝置。

滅磁初期，由于同步電機的主磁通無法突變，在阻尼繞組上感應出很大電流，此時旋轉中的同步電機定子端會出現較高的三相交流電壓。因此，變頻裝置的輸出端應具有在停機狀態下，抗短時過電壓的能力。

2 MAXF同步電機變頻裝置基本原理

MAXF變頻裝置采用若干個脈寬調制(PWM)變頻功率單元串聯的方式，實現直接高壓10 kV輸出。輸入10 kV電網電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電壓源型逆變器結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。10 kV變頻調速裝置每相由8個額定電壓為884 V的功率單元串聯而成，輸出相電壓達8 840 V，每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。裝置系統框圖如圖1所示。

圖1 MAXF高壓變頻裝置系統框圖

3 同步電機變頻裝置的現場應用

河南心連心化肥有限公司為國家百萬噸化肥生產基地。該公司合成氨生產車間共有5臺800 kW/10 kV合成循環空壓機并列運行，一般3臺運行2臺備用，并隨著生產任務的調整，人工調節運行的臺數。平時由于生產工藝要求，經常出現運行空壓機的回流閥打開，造成大量電能浪費，不僅操作人員勞動強度大，而且常出現調節閥故障，增加了閥門的維修工作量。

鑒于以上原因，該公司決定對2#合成循環空壓機進行變頻調速改造，該公司通過多方考察、調研，最終選用上海發電設備成套設計研究院和上?？七_機電控制有限公司共同研制生產的同步電機高壓變頻調速裝置，型號為 MAXF 1250-10000/1250。

3.1 實施方案

同步電機變頻調速系統改造用的變頻調速裝置具有工頻大旁路設計。改造后，原來工頻方式的所有操作和保護都不變，只需分閘QS1和QS2，合閘QF3即可。設計時采用一個轉換開關，具有工頻方式和變頻方式兩位置。將轉換開關轉至“變頻”位置，則變頻裝置旁路柜開關QF3分閘，延時2 s QF1、QF2合閘，而且勵磁系統的控制線路自動切至變頻方式;將開關轉至“工頻”位置，則變頻裝置旁路開關QF1、QF2分閘，延時2 s QF3自動合閘，而且勵磁系統控制線路自動恢復成工頻方式。具體系統原理圖如圖2所示。

圖2 電氣改造系統原理圖

MAXF系列同步機變頻裝置運行時，將全權接管同步電動機的勵磁調節控制，包括投勵、改變勵磁大小和退勵等。原有的勵磁裝置只是作為一個執行器，具體勵磁大小由MAXF變頻裝置通過4～20 mA信號進行控制。

3.2 變頻改造的經濟效益

該公司2#合成循環機高壓同步電動機變頻裝置自投運以來，運行正常，調節方便，節能效果顯著。

3.2.1 工藝操作

2#循環機變頻裝置投運后，所有并聯循環機的旁路全部關死，總路旁路調節閥也關死，生產操作人員若要對循環流量進行調節，只需在DCS上通過鼠標對變頻裝置頻率進行調整即可。這樣調節方便，精度高，而且操作人員無需調節旁路閥，大大減少了工作強度和旁路調節閥的后續維護量。

3.2.2 節能情況統計

對變頻裝置投運前后的運行數據進行統計，如表1所示。

表1 變頻改造前后運行數據統計表

從表1統計數據可看出，改造前、后在壓縮機補氣流量基本不變的情況下，平均日節電約為3 085.3 kWh。年節電1 079 855 kWh(一年按運行350天計算);年節約電費466 497.36元(電價按0.432元/kWh計算);約2年即可收回成本。

3.3 變頻改造的綜合效益

本次變頻調速改造不僅為該公司節約大量的電能，而且大大改善了多臺空壓機并列運行系統的調節性能。實踐證明，空壓機多機并列運行時，一臺最大容量空壓機變頻調速能取得以下效果:

(1)可實現軟起動，起動電流(小于額定電流的10%)大大減少，避免了因大起動電流造成的絕緣老化，以及由于大電動力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，減少電機的維護工作量，節約了檢修維護費用;

(2)采用變頻調速，避免設備的頻繁加載、卸載，延長空壓機的壽命;

(3)保證供氣壓力平穩，提高供氣質量;

(4)減少旁路閥的操作，節約電能，為用戶節約高額的電費開支。

3.4 變頻改造注意事項

(1)阻尼繞組加固。由于在同步電機的調速過程中，瞬間會出現電源同步轉速與電機轉子實際轉速不一致的情況，這樣就會在同步電機的阻尼繞組內產生感應電壓，形成電流。因此，對于調速頻繁的場合，在變頻改造前，要檢查阻尼繞組內螺釘連接是否牢固，最好將其焊接好，減少繞組內阻。這樣即使調速過程中出現較大感應電流，也不會發熱很大，以致損壞電機阻尼繞組。

(2)勵磁電流控制。勵磁電流調節不能簡單的根據恒功率因數進行調節，因為當變頻器輸出頻率較低時，功率因數檢測不準確，容易造成同步電機勵磁電流的調節不穩，影響機組穩定運行。

4 結語

同步電機的調速是電氣驅動行業的一大難題，應用高壓變頻調速是近年來國內變頻廠家的研究課題之一。MAXF同步電動機高壓變頻裝置運行安全可靠，尤其是它的起動方式和采用的勵磁調節方式較好。

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