高壓同步電機的變頻控制

摘 要：通過介紹高壓同步電動機的變頻控制，并比較它與異步電機變頻控制的區別，為今后同步電機的變頻改造提供了參考依據。

關鍵詞：同步電機；變頻控制；勵磁；轉子

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工廠現狀

如何采取技術上可行、經濟上合理、環境和社會可接受的一切措施來提高能源和資源的利用效率，是每個企業面臨的實際問題，因為只有提高能源的利用效率，才能在市場競爭中處于有利地位。

變頻作為一種常用的、高效的節能手段已被大家所熟知，但在企業的原有建設中，變頻并不能在所有的項目中得到運用，因此，我們還需要對多種設備進行改造，讓它們在工業生產中發揮作用的同時有效地節約能源。在本設計項目中，有2臺燒結主抽風機為舊有的風機，主抽風機電機為同步電動機，計劃對其進行變頻改造。

2 同步電機原理

同步電機是交流旋轉電機的一種，因轉速恒等于同步轉速而得名，它與異步電動機的不同之處在于其轉速與頻率之間有著嚴格的對應關系。同步電機是由其極數與交流電頻率決定的按一定轉速運轉的電機，稱此轉速為同步轉速。

同步電動機還有一個很大的優點，就是可以通過控制勵磁來調節它的功率因素，可使功率因素高達1.0，甚至更高。但同步電機啟動費事，且重載時有振蕩以致失步的危險。自變頻技術得到很大的發展后，同步電機運行的問題得到了根本解決。

現有同步電動機的啟動基本上為異步啟動方式，分為異步啟動和牽入同步兩個階段，啟動的步驟是：①先接入定子電源。為了限制啟動電流，可采取固態或液態軟啟動。②開始啟動，同時在轉子電路中加入放電電阻。③當勵磁柜中的檢測設備檢測到電機的轉速達到同步轉速的90%時，發出投全壓信號，并切除軟啟動裝置。定子繞組星點端接，電機繼續升速。④當電機達到亞同步轉速時，切除放電電阻，投入直流勵磁。異步啟動完成后，牽入同步。

3 變頻控制

同步電機與普通異步電機的主要區別是：同步電機在運行時，定子電壓矢量與轉子磁極位置之間的功角必須保持在某一范圍內，否則將會導致系統失步。在電機啟動之初，功角是任意的，但必須經過適當的“整步”過程將功角控制在一定范圍內，然后電機才能進入穩定的同步運行狀態。因此，啟動整步問題是變頻器驅動同步電動機運行的關鍵。

變頻器驅動同步電機時采用的是帶勵啟動方式，即在啟動前，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。勵磁電勢的轉子磁勢在開始運行時為一定值，然后變頻器內部通過矢量控制方式向同步電機的定子繞組輸出適當頻率的電壓，使電機的頻率從0緩慢上升，那么旋轉磁場的頻率也會逐漸上升。由同步電動機的轉速公式，即公式（1）可知，f發生變化時，n也在變，即旋轉磁場牽引轉子緩慢地同步加速，直到設定轉速。

4 解決方案

燒結主抽系統目前設置了2臺風機，風機的電機功率為7 800 kW。目前運行的兩臺風機采用的是一套軟啟動器，啟動一臺成功后先并網運行，然后軟啟動器退出運行；而后軟啟動器再啟動另一臺風機，啟動成功后并網運行，然后軟啟動器退出運行，風機正常運行。由于風機電機不能調速運行，只能靠調節風機擋板的開度來調節風量，因此浪費大量電能。本次將對2臺風機進行變頻改造，來調節電機的速度，進而滿足生產的需要和節約電能。

對2臺風機進行改造后，整個系統由高、低壓配電系統，高壓變頻器，自控系統，勵磁系統，電機，主抽風機及其輔助控制系統（包括油泵系統（OS）、冷卻系統（CS）等）等組成。改造后的系統圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，該系統可以實現任意一臺電機能由任意一臺變頻器啟動并調速，這樣，即使一臺變頻器出現故障，也還有一臺電機在工頻運行，一臺變頻器也在運行中。在切換變頻器時，通過開關切換變頻器電源即可控制電機調速運行，但一段母線不允許同時帶動兩臺電機運行。本次改造工程的高壓配電系統開關比較多（QF11～QF19、QF21～QF29），為了保證系統運行的安全，必須有可靠的聯鎖邏輯和切換邏輯。聯鎖邏輯能夠保證一段母線不同時帶動兩臺電機運行、兩段母線不同時為一臺變頻器供電、一臺變頻器不同時控制兩臺電機；切換邏輯能夠保證同一臺電機可以在工頻運行和變頻運行之間進行可靠的切換，避免切換過程中出現跳閘等故障。

針對以上高壓電氣主接線圖，電氣聯鎖邏輯如下：①同一段母線不同時帶動兩臺電機運行（QF13、QF14、QF24互鎖；QF23、QF24、QF14互鎖）；②兩段母線不同時為一臺變頻器供電（QF13、QF24互鎖；QF23、QF14互鎖）；③同一臺變頻器不同時控制兩臺電機（QF18、QF19互鎖；QF28、QF29互鎖）；④同一臺電機不同時受兩臺變頻控制（QF18、QF28互鎖；QF19、QF29互鎖）；⑤同一臺電機不同時在工頻和變頻模式之間運行（QF12和QF18、QF28聯鎖；QF22和QF22、QF29聯鎖）。

自控系統由主抽風機監控柜（AC01、AC02）、高壓開關監控柜（AC03）和PLC等組成。PLC程序監控系統具有多參量（溫度、液位、流量、壓力等）、多任務（油泵啟停、閥門開啟、聯鎖保護等）、多設備（電機、開關、閥門等）的特點。系統軟件由數據采集子系統（DAS）、過程邏輯處理子系統（SCS）、信息處理子系統和軟件功能塊四大部分組成。

5 同步電動機變頻裝置的優點

使用同步電動機變頻裝置有以下一些優點：①先投勵磁，然后變頻器輸出電壓。電機軟啟動無沖擊，啟動轉矩大，啟動過程簡單。②變頻器會自動跟蹤轉子的位置和轉速，使轉子的轉速和變頻器的輸出頻率同步，而不會引起過流跳閘，這延長了電機的使用壽命。③諧波小于3%，變頻器整流橋脈沖數不低于48脈沖。對電流和電壓進行矢量控制，可精確地控制轉速和輸出電壓。④變頻器會在電網掉電時停止輸出，并在電網恢復后自動跟蹤電機轉速重新啟動，而不會引起過流跳閘，這減少了用戶的停機次數，進而提高了生產效率。⑤變頻器輸出的電壓波形和轉矩脈動小于0.1%，有效降低了電機的磨損和溫升，提高了系統的使用壽命，節省了維護費用。⑥變頻器在整個調速范圍內的整機效率達到了96%以上。⑦轉子的勵磁電流為定值，變頻器自動調整輸出定子轉矩電流達到指令值，以適應負載波動，而不會過勵磁。

6 結束語

綜上所述，無論是異步電機還是同步電機，都可以進行變頻改造，尤其是同步電機，對其進行改造后既能夠節省能源，又能提高功率因素，進而給企業帶來很大的經濟效益和社會效益。

作者簡介：張文斌（1971—），男，山西太原人，畢業于北京機械工業學院自動化系，大學本科，工程師，目前主要從事冶金電氣設計方面的工作。

〔編輯：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor

摘 要：通過介紹高壓同步電動機的變頻控制，并比較它與異步電機變頻控制的區別，為今后同步電機的變頻改造提供了參考依據。

關鍵詞：同步電機；變頻控制；勵磁；轉子

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工廠現狀

如何采取技術上可行、經濟上合理、環境和社會可接受的一切措施來提高能源和資源的利用效率，是每個企業面臨的實際問題，因為只有提高能源的利用效率，才能在市場競爭中處于有利地位。

變頻作為一種常用的、高效的節能手段已被大家所熟知，但在企業的原有建設中，變頻并不能在所有的項目中得到運用，因此，我們還需要對多種設備進行改造，讓它們在工業生產中發揮作用的同時有效地節約能源。在本設計項目中，有2臺燒結主抽風機為舊有的風機，主抽風機電機為同步電動機，計劃對其進行變頻改造。

2 同步電機原理

同步電機是交流旋轉電機的一種，因轉速恒等于同步轉速而得名，它與異步電動機的不同之處在于其轉速與頻率之間有著嚴格的對應關系。同步電機是由其極數與交流電頻率決定的按一定轉速運轉的電機，稱此轉速為同步轉速。

同步電動機還有一個很大的優點，就是可以通過控制勵磁來調節它的功率因素，可使功率因素高達1.0，甚至更高。但同步電機啟動費事，且重載時有振蕩以致失步的危險。自變頻技術得到很大的發展后，同步電機運行的問題得到了根本解決。

現有同步電動機的啟動基本上為異步啟動方式，分為異步啟動和牽入同步兩個階段，啟動的步驟是：①先接入定子電源。為了限制啟動電流，可采取固態或液態軟啟動。②開始啟動，同時在轉子電路中加入放電電阻。③當勵磁柜中的檢測設備檢測到電機的轉速達到同步轉速的90%時，發出投全壓信號，并切除軟啟動裝置。定子繞組星點端接，電機繼續升速。④當電機達到亞同步轉速時，切除放電電阻，投入直流勵磁。異步啟動完成后，牽入同步。

3 變頻控制

同步電機與普通異步電機的主要區別是：同步電機在運行時，定子電壓矢量與轉子磁極位置之間的功角必須保持在某一范圍內，否則將會導致系統失步。在電機啟動之初，功角是任意的，但必須經過適當的“整步”過程將功角控制在一定范圍內，然后電機才能進入穩定的同步運行狀態。因此，啟動整步問題是變頻器驅動同步電動機運行的關鍵。

變頻器驅動同步電機時采用的是帶勵啟動方式，即在啟動前，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。勵磁電勢的轉子磁勢在開始運行時為一定值，然后變頻器內部通過矢量控制方式向同步電機的定子繞組輸出適當頻率的電壓，使電機的頻率從0緩慢上升，那么旋轉磁場的頻率也會逐漸上升。由同步電動機的轉速公式，即公式（1）可知，f發生變化時，n也在變，即旋轉磁場牽引轉子緩慢地同步加速，直到設定轉速。

4 解決方案

燒結主抽系統目前設置了2臺風機，風機的電機功率為7 800 kW。目前運行的兩臺風機采用的是一套軟啟動器，啟動一臺成功后先并網運行，然后軟啟動器退出運行；而后軟啟動器再啟動另一臺風機，啟動成功后并網運行，然后軟啟動器退出運行，風機正常運行。由于風機電機不能調速運行，只能靠調節風機擋板的開度來調節風量，因此浪費大量電能。本次將對2臺風機進行變頻改造，來調節電機的速度，進而滿足生產的需要和節約電能。

對2臺風機進行改造后，整個系統由高、低壓配電系統，高壓變頻器，自控系統，勵磁系統，電機，主抽風機及其輔助控制系統（包括油泵系統（OS）、冷卻系統（CS）等）等組成。改造后的系統圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，該系統可以實現任意一臺電機能由任意一臺變頻器啟動并調速，這樣，即使一臺變頻器出現故障，也還有一臺電機在工頻運行，一臺變頻器也在運行中。在切換變頻器時，通過開關切換變頻器電源即可控制電機調速運行，但一段母線不允許同時帶動兩臺電機運行。本次改造工程的高壓配電系統開關比較多（QF11～QF19、QF21～QF29），為了保證系統運行的安全，必須有可靠的聯鎖邏輯和切換邏輯。聯鎖邏輯能夠保證一段母線不同時帶動兩臺電機運行、兩段母線不同時為一臺變頻器供電、一臺變頻器不同時控制兩臺電機；切換邏輯能夠保證同一臺電機可以在工頻運行和變頻運行之間進行可靠的切換，避免切換過程中出現跳閘等故障。

針對以上高壓電氣主接線圖，電氣聯鎖邏輯如下：①同一段母線不同時帶動兩臺電機運行（QF13、QF14、QF24互鎖；QF23、QF24、QF14互鎖）；②兩段母線不同時為一臺變頻器供電（QF13、QF24互鎖；QF23、QF14互鎖）；③同一臺變頻器不同時控制兩臺電機（QF18、QF19互鎖；QF28、QF29互鎖）；④同一臺電機不同時受兩臺變頻控制（QF18、QF28互鎖；QF19、QF29互鎖）；⑤同一臺電機不同時在工頻和變頻模式之間運行（QF12和QF18、QF28聯鎖；QF22和QF22、QF29聯鎖）。

自控系統由主抽風機監控柜（AC01、AC02）、高壓開關監控柜（AC03）和PLC等組成。PLC程序監控系統具有多參量（溫度、液位、流量、壓力等）、多任務（油泵啟停、閥門開啟、聯鎖保護等）、多設備（電機、開關、閥門等）的特點。系統軟件由數據采集子系統（DAS）、過程邏輯處理子系統（SCS）、信息處理子系統和軟件功能塊四大部分組成。

5 同步電動機變頻裝置的優點

使用同步電動機變頻裝置有以下一些優點：①先投勵磁，然后變頻器輸出電壓。電機軟啟動無沖擊，啟動轉矩大，啟動過程簡單。②變頻器會自動跟蹤轉子的位置和轉速，使轉子的轉速和變頻器的輸出頻率同步，而不會引起過流跳閘，這延長了電機的使用壽命。③諧波小于3%，變頻器整流橋脈沖數不低于48脈沖。對電流和電壓進行矢量控制，可精確地控制轉速和輸出電壓。④變頻器會在電網掉電時停止輸出，并在電網恢復后自動跟蹤電機轉速重新啟動，而不會引起過流跳閘，這減少了用戶的停機次數，進而提高了生產效率。⑤變頻器輸出的電壓波形和轉矩脈動小于0.1%，有效降低了電機的磨損和溫升，提高了系統的使用壽命，節省了維護費用。⑥變頻器在整個調速范圍內的整機效率達到了96%以上。⑦轉子的勵磁電流為定值，變頻器自動調整輸出定子轉矩電流達到指令值，以適應負載波動，而不會過勵磁。

6 結束語

綜上所述，無論是異步電機還是同步電機，都可以進行變頻改造，尤其是同步電機，對其進行改造后既能夠節省能源，又能提高功率因素，進而給企業帶來很大的經濟效益和社會效益。

作者簡介：張文斌（1971—），男，山西太原人，畢業于北京機械工業學院自動化系，大學本科，工程師，目前主要從事冶金電氣設計方面的工作。

〔編輯：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor

摘 要：通過介紹高壓同步電動機的變頻控制，并比較它與異步電機變頻控制的區別，為今后同步電機的變頻改造提供了參考依據。

關鍵詞：同步電機；變頻控制；勵磁；轉子

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工廠現狀

如何采取技術上可行、經濟上合理、環境和社會可接受的一切措施來提高能源和資源的利用效率，是每個企業面臨的實際問題，因為只有提高能源的利用效率，才能在市場競爭中處于有利地位。

變頻作為一種常用的、高效的節能手段已被大家所熟知，但在企業的原有建設中，變頻并不能在所有的項目中得到運用，因此，我們還需要對多種設備進行改造，讓它們在工業生產中發揮作用的同時有效地節約能源。在本設計項目中，有2臺燒結主抽風機為舊有的風機，主抽風機電機為同步電動機，計劃對其進行變頻改造。

2 同步電機原理

同步電機是交流旋轉電機的一種，因轉速恒等于同步轉速而得名，它與異步電動機的不同之處在于其轉速與頻率之間有著嚴格的對應關系。同步電機是由其極數與交流電頻率決定的按一定轉速運轉的電機，稱此轉速為同步轉速。

同步電動機還有一個很大的優點，就是可以通過控制勵磁來調節它的功率因素，可使功率因素高達1.0，甚至更高。但同步電機啟動費事，且重載時有振蕩以致失步的危險。自變頻技術得到很大的發展后，同步電機運行的問題得到了根本解決。

現有同步電動機的啟動基本上為異步啟動方式，分為異步啟動和牽入同步兩個階段，啟動的步驟是：①先接入定子電源。為了限制啟動電流，可采取固態或液態軟啟動。②開始啟動，同時在轉子電路中加入放電電阻。③當勵磁柜中的檢測設備檢測到電機的轉速達到同步轉速的90%時，發出投全壓信號，并切除軟啟動裝置。定子繞組星點端接，電機繼續升速。④當電機達到亞同步轉速時，切除放電電阻，投入直流勵磁。異步啟動完成后，牽入同步。

3 變頻控制

同步電機與普通異步電機的主要區別是：同步電機在運行時，定子電壓矢量與轉子磁極位置之間的功角必須保持在某一范圍內，否則將會導致系統失步。在電機啟動之初，功角是任意的，但必須經過適當的“整步”過程將功角控制在一定范圍內，然后電機才能進入穩定的同步運行狀態。因此，啟動整步問題是變頻器驅動同步電動機運行的關鍵。

變頻器驅動同步電機時采用的是帶勵啟動方式，即在啟動前，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。勵磁電勢的轉子磁勢在開始運行時為一定值，然后變頻器內部通過矢量控制方式向同步電機的定子繞組輸出適當頻率的電壓，使電機的頻率從0緩慢上升，那么旋轉磁場的頻率也會逐漸上升。由同步電動機的轉速公式，即公式（1）可知，f發生變化時，n也在變，即旋轉磁場牽引轉子緩慢地同步加速，直到設定轉速。

4 解決方案

燒結主抽系統目前設置了2臺風機，風機的電機功率為7 800 kW。目前運行的兩臺風機采用的是一套軟啟動器，啟動一臺成功后先并網運行，然后軟啟動器退出運行；而后軟啟動器再啟動另一臺風機，啟動成功后并網運行，然后軟啟動器退出運行，風機正常運行。由于風機電機不能調速運行，只能靠調節風機擋板的開度來調節風量，因此浪費大量電能。本次將對2臺風機進行變頻改造，來調節電機的速度，進而滿足生產的需要和節約電能。

對2臺風機進行改造后，整個系統由高、低壓配電系統，高壓變頻器，自控系統，勵磁系統，電機，主抽風機及其輔助控制系統（包括油泵系統（OS）、冷卻系統（CS）等）等組成。改造后的系統圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，該系統可以實現任意一臺電機能由任意一臺變頻器啟動并調速，這樣，即使一臺變頻器出現故障，也還有一臺電機在工頻運行，一臺變頻器也在運行中。在切換變頻器時，通過開關切換變頻器電源即可控制電機調速運行，但一段母線不允許同時帶動兩臺電機運行。本次改造工程的高壓配電系統開關比較多（QF11～QF19、QF21～QF29），為了保證系統運行的安全，必須有可靠的聯鎖邏輯和切換邏輯。聯鎖邏輯能夠保證一段母線不同時帶動兩臺電機運行、兩段母線不同時為一臺變頻器供電、一臺變頻器不同時控制兩臺電機；切換邏輯能夠保證同一臺電機可以在工頻運行和變頻運行之間進行可靠的切換，避免切換過程中出現跳閘等故障。

針對以上高壓電氣主接線圖，電氣聯鎖邏輯如下：①同一段母線不同時帶動兩臺電機運行（QF13、QF14、QF24互鎖；QF23、QF24、QF14互鎖）；②兩段母線不同時為一臺變頻器供電（QF13、QF24互鎖；QF23、QF14互鎖）；③同一臺變頻器不同時控制兩臺電機（QF18、QF19互鎖；QF28、QF29互鎖）；④同一臺電機不同時受兩臺變頻控制（QF18、QF28互鎖；QF19、QF29互鎖）；⑤同一臺電機不同時在工頻和變頻模式之間運行（QF12和QF18、QF28聯鎖；QF22和QF22、QF29聯鎖）。

自控系統由主抽風機監控柜（AC01、AC02）、高壓開關監控柜（AC03）和PLC等組成。PLC程序監控系統具有多參量（溫度、液位、流量、壓力等）、多任務（油泵啟停、閥門開啟、聯鎖保護等）、多設備（電機、開關、閥門等）的特點。系統軟件由數據采集子系統（DAS）、過程邏輯處理子系統（SCS）、信息處理子系統和軟件功能塊四大部分組成。

5 同步電動機變頻裝置的優點

使用同步電動機變頻裝置有以下一些優點：①先投勵磁，然后變頻器輸出電壓。電機軟啟動無沖擊，啟動轉矩大，啟動過程簡單。②變頻器會自動跟蹤轉子的位置和轉速，使轉子的轉速和變頻器的輸出頻率同步，而不會引起過流跳閘，這延長了電機的使用壽命。③諧波小于3%，變頻器整流橋脈沖數不低于48脈沖。對電流和電壓進行矢量控制，可精確地控制轉速和輸出電壓。④變頻器會在電網掉電時停止輸出，并在電網恢復后自動跟蹤電機轉速重新啟動，而不會引起過流跳閘，這減少了用戶的停機次數，進而提高了生產效率。⑤變頻器輸出的電壓波形和轉矩脈動小于0.1%，有效降低了電機的磨損和溫升，提高了系統的使用壽命，節省了維護費用。⑥變頻器在整個調速范圍內的整機效率達到了96%以上。⑦轉子的勵磁電流為定值，變頻器自動調整輸出定子轉矩電流達到指令值，以適應負載波動，而不會過勵磁。

6 結束語

綜上所述，無論是異步電機還是同步電機，都可以進行變頻改造，尤其是同步電機，對其進行改造后既能夠節省能源，又能提高功率因素，進而給企業帶來很大的經濟效益和社會效益。

作者簡介：張文斌（1971—），男，山西太原人，畢業于北京機械工業學院自動化系，大學本科，工程師，目前主要從事冶金電氣設計方面的工作。

〔編輯：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor