變頻同步啟動(dòng)的交流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在石油化工企業(yè)的應(yīng)用

陳廣書

（山東濟(jì)煉石化工程有限公司，山東濟(jì)南 250101）

1 概述

隨著煉油企業(yè)精制、改質(zhì)、催化、裂化等項(xiàng)目的增加，越來越多的防爆無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)被廣泛使用。由于應(yīng)用的同步電動(dòng)機(jī)的功率越來越大，為了降低同步電機(jī)在啟動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少同步電機(jī)啟動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的干擾，對(duì)防爆無刷勵(lì)磁同步電機(jī)啟動(dòng)過程要求也越來越高。

目前大電機(jī)的啟動(dòng)方式大致可分為以下幾種，全壓直接啟動(dòng)，電抗器降壓?jiǎn)?dòng)，自耦變壓器啟動(dòng)，變壓器-電動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)，降壓軟啟動(dòng)（主要是固態(tài)軟啟動(dòng)），變頻軟啟動(dòng)。各種啟動(dòng)方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)順序的選擇也是優(yōu)先按照全壓直接啟動(dòng)，電抗器降壓?jiǎn)?dòng)，自耦變壓器啟動(dòng)，變壓器-電動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)，降壓軟啟動(dòng)（主要是固態(tài)軟啟動(dòng)），變頻軟啟動(dòng)順序進(jìn)行。

目前同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式主要有異步啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)。異步啟動(dòng)是同步電動(dòng)機(jī)常用的啟動(dòng)方式，視供電系統(tǒng)容量采用全壓?jiǎn)?dòng)或降壓?jiǎn)?dòng)，待轉(zhuǎn)速到亞同步速時(shí)投入勵(lì)磁。變頻啟動(dòng)需要一套專用變頻電源，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)要求較高，但是隨著同步電動(dòng)機(jī)功率越來越大，以及受用戶電網(wǎng)的限制，目前對(duì)采用變頻方式進(jìn)行啟動(dòng)的無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)需求也越來越多。

但是變頻電源的輸出電流能力通常只有電機(jī)額定電流的1.5倍，這種啟動(dòng)方式若采用異步啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)且不好控制，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)中的滅磁電阻因長(zhǎng)時(shí)間通電而導(dǎo)致表面溫度超出防爆標(biāo)準(zhǔn)，甚至過熱燒毀，并且異步啟動(dòng)過程中滑差的大小存在不確定性，啟動(dòng)電流可能超過變頻電源的許用能力，損壞變頻電源。所以對(duì)于無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)采用變頻異步啟也有其局限性。

關(guān)于勵(lì)磁方式，常規(guī)的直流勵(lì)磁方式（勵(lì)磁機(jī)的定子勵(lì)磁方式為直流勵(lì)磁）在電機(jī)初始啟動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)速為零（勵(lì)磁機(jī)的電樞電壓無法建立）而不能為主電機(jī)提供勵(lì)磁。通行的做法為將勵(lì)磁方式改為交流，勵(lì)磁機(jī)定轉(zhuǎn)子均為交流繞組，勵(lì)磁裝置輸出電壓可調(diào)的三相交流電至勵(lì)磁機(jī)定子，在電機(jī)初始啟動(dòng)時(shí)利用變壓器效應(yīng)將電能傳輸至勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)三相可控硅整流后，為主電機(jī)提供有效勵(lì)磁電源。

2 同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方案的選擇與配置

2.1 啟動(dòng)方案選擇

某海外項(xiàng)目全廠電源無外接電網(wǎng)，孤網(wǎng)運(yùn)行，電廠配置4臺(tái)60MW 機(jī)組。常減壓裝置同步電機(jī)7 350kW，10kV，額定電流486A，功率因數(shù)0.9（超前），效率0.97，Ks=4.369，變壓器一次側(cè)短路容量203MVA。電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載類型為往復(fù)式壓縮機(jī)。經(jīng)過計(jì)算在最大運(yùn)行方式下采用直接啟動(dòng)時(shí)母線和機(jī)端電壓降均小于規(guī)范要求。當(dāng)采用固態(tài)軟啟，該啟動(dòng)方式的啟動(dòng)電流倍數(shù)為3倍額定電流，無法滿足啟動(dòng)要求。所以最終選擇變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流倍數(shù)為1.5倍額定電流。當(dāng)采用變頻異步啟動(dòng)時(shí)，和異步電動(dòng)機(jī)變頻啟動(dòng)特性一樣，其啟動(dòng)容量也無法滿足要求。最終選擇啟動(dòng)方式采用變頻同步軟起交流勵(lì)磁。

同步軟啟動(dòng)性能曲線如圖1所示，粗實(shí)線為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線，細(xì)實(shí)線為負(fù)載阻力矩曲線，圖中在起始階段啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足啟動(dòng)要求，具有良好的啟動(dòng)性能。

圖1 同步電動(dòng)機(jī)軟起性能曲線

同步軟啟動(dòng)系統(tǒng)配置主要包括：10kV 變頻器（4 000kVA），同步電動(dòng)機(jī)，交流勵(lì)磁機(jī)，交流勵(lì)磁柜。該方案的一次接線圖如圖2所示：L1，L2為電機(jī)旁路斷路器，KD1，KD2，V1，V2為變頻器回路斷路器，K11，K12為變頻回路交流接觸器。

圖2 同步軟起啟動(dòng)方案一次接線圖

其中，變頻器與勵(lì)磁柜之間的主要二次接線見圖3，具體接口信號(hào)包括：

（1）勵(lì)磁就緒。勵(lì)磁裝置在檢測(cè)到變頻器發(fā)出的投勵(lì)命令后，勵(lì)磁繼電器吸合。

（2）勵(lì)磁故障輸出。當(dāng)勵(lì)磁裝置檢測(cè)到裝置內(nèi)部或外部輸入信號(hào)異常時(shí)接點(diǎn)吸合，該接點(diǎn)信號(hào)僅用于報(bào)警。

（3）勵(lì)磁事故輸出。勵(lì)磁裝置檢測(cè)到裝置內(nèi)部或外部輸入信號(hào)異常而導(dǎo)致必須停機(jī)的致命故障時(shí)接點(diǎn)吸合。該接點(diǎn)信號(hào)用于事故停機(jī)，變頻器在檢測(cè)到接點(diǎn)吸合時(shí)應(yīng)立即停機(jī)。

（4）勵(lì)磁運(yùn)行輸出。當(dāng)勵(lì)磁投入且檢測(cè)到勵(lì)磁電流上升至設(shè)定值（可整定）后時(shí)接點(diǎn)吸合，勵(lì)磁滅磁結(jié)束后接點(diǎn)斷開。

（5）變頻器故障輸入。從變頻器來的無源干接點(diǎn)信號(hào)，在變頻器故障禁止勵(lì)磁投入時(shí)由變頻器控制接點(diǎn)吸合。在勵(lì)磁未投勵(lì)時(shí)該接點(diǎn)吸合將導(dǎo)致勵(lì)磁就緒輸出接點(diǎn)釋放，在勵(lì)磁投勵(lì)時(shí)該接點(diǎn)吸合則導(dǎo)致緊急滅磁。

（6）勵(lì)磁起停控制輸入。從變頻器來的無源干接點(diǎn)信號(hào)，與勵(lì)磁控制4～20mA 信號(hào)輸入的電流值共同決定勵(lì)磁是否投入。

（7）勵(lì)磁控制4～20mA 輸入。變頻器對(duì)勵(lì)磁裝置的投勵(lì)/滅磁控制及對(duì)勵(lì)磁電流大小的調(diào)節(jié)都通過勵(lì)磁控制 4～20mA信號(hào)。

（8）機(jī)組轉(zhuǎn)速4～20mA 輸入。機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)用于勵(lì)磁裝置測(cè)量并顯示機(jī)組轉(zhuǎn)速，并用于計(jì)算勵(lì)磁機(jī)定子過電壓限制器的動(dòng)態(tài)定值；在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的配置清單中設(shè)有可整定的“轉(zhuǎn)速輸入滿度（20mA）轉(zhuǎn)速值” 定值，該參數(shù)定義了機(jī)組轉(zhuǎn)速4～20mA 信號(hào)的滿度值 20mA 與機(jī)組轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2 啟動(dòng)過程分析

該同步電機(jī)的啟動(dòng)邏輯為：接到電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后，變頻控制器自檢無故障后向勵(lì)磁機(jī)發(fā)出指令，使勵(lì)磁機(jī)就緒，交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流，并通過整流盤整流后給主機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，主機(jī)轉(zhuǎn)子在接到直流勵(lì)磁電流后產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)；變頻器產(chǎn)生低頻交流，并在主機(jī)定子內(nèi)形成低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子此時(shí)已經(jīng)建立磁場(chǎng)，在電磁力的影響下，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸上升。

由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上升，交流勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)差率提高，感應(yīng)電流變大，對(duì)應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流也會(huì)增加。為了防止主機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流過大，此時(shí)變頻控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速的提高，降低勵(lì)磁機(jī)定子電壓。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高，定子電壓達(dá)到額定電壓，啟動(dòng)完成。對(duì)照?qǐng)D1，具體過程如下：勵(lì)磁就緒后且主電機(jī)旁路斷路器L1處于斷開，變頻器回路接觸器K11閉合，斷路器KD1閉合，變頻器確認(rèn)斷路器KD1已閉合，交流接觸器K12閉合，在工藝允許情況下閉合斷路器V1，將斷路器V1狀態(tài)反饋?zhàn)冾l器，之后變頻器發(fā)出指令啟動(dòng)勵(lì)磁，勵(lì)磁已啟動(dòng)信號(hào)反饋給變頻器，變頻器通過4～20mA 信號(hào)反饋給勵(lì)磁柜調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小，啟動(dòng)完成后變頻器發(fā)出信號(hào)閉合L1，斷開V1，勵(lì)磁不再跟蹤4～20mA 信號(hào)，復(fù)位勵(lì)磁啟動(dòng)信號(hào)，勵(lì)磁轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行，整個(gè)啟動(dòng)過程完成。當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，旁路斷路器L1分閘，工頻定子電流小于額定電流5%時(shí)正常停機(jī)滅磁，當(dāng)大于5%額定電流時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流小于5%額定電流，正常滅磁。

本項(xiàng)目用電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載類型為往復(fù)式壓縮機(jī)，電機(jī)采用變頻同步啟動(dòng)，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，采用變頻啟動(dòng)在額定頻率以下為恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，而相對(duì)同步電動(dòng)機(jī)而言，在額定頻率以下其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流呈線性關(guān)系，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可根據(jù)初始施加的勵(lì)磁電流大小進(jìn)行調(diào)整。

圖3 變頻器與勵(lì)磁柜接口信號(hào)

3 結(jié)論

隨著煉化企業(yè)向大型化發(fā)展，越來越多的同步電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行通過以上分析，對(duì)于大型同步電動(dòng)機(jī)采用同步軟起交流勵(lì)磁方式，相比其他啟動(dòng)方式有很好的啟動(dòng)性能，對(duì)電網(wǎng)的沖擊最小，采用交流勵(lì)磁在電機(jī)初始啟動(dòng)時(shí)能為主電機(jī)提供有效勵(lì)磁電源，無須換向器，尤其是處于孤網(wǎng)運(yùn)行或容量不大的煉化企業(yè)，該啟動(dòng)方式是較好的選擇。