交流同步電機(jī)高壓變頻調(diào)速裝置成功投運(yùn)及技術(shù)淺析
1、引言
由于交流同步電機(jī)（簡(jiǎn)稱同步電機(jī)）在可靠性與維護(hù)量、功率因數(shù)、電機(jī)尺寸與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大容量電機(jī)，世界各國已基本趨向于使用同步電機(jī)。比如工業(yè)應(yīng)用上大功率空氣壓縮機(jī)、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機(jī)和鋼廠大容量軋鋼機(jī)等均采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
交流同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一大難題，我國從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行交流同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，80年代初已研制成功交—交變頻同步電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，但大功率交流變頻調(diào)速裝置直到90年代后期才得到發(fā)展。
目前國產(chǎn)大功率變頻裝置成功應(yīng)用于同步電機(jī)的實(shí)例很少，都是國外品牌一統(tǒng)天下。目前我國大型同步電機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速雖然剛剛起步，但國外已經(jīng)廣泛使用。通過他們長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐表明：應(yīng)用高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益良好、其可靠性也可以得到保證。因此我國高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速裝置將來的市場(chǎng)前景巨大。
上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院電氣所自1999年開始通過對(duì)國內(nèi)外高壓變頻裝置進(jìn)行廣泛的調(diào)研，同時(shí)收集資料進(jìn)行比較，確立了總的技術(shù)方案，采取單元串聯(lián)多電平方式。經(jīng)過幾年不懈努力，2002年底1250kw/6kv高壓變頻裝置樣機(jī)研制成功，2003年7月通過由上海市經(jīng)委主持的產(chǎn)品技術(shù)鑒定。2003年9月正式投入運(yùn)行，產(chǎn)品一經(jīng)推出，獲得諸多榮譽(yù)。2005年底，我公司成功研制生產(chǎn)了國產(chǎn)最大容量高壓變頻裝置，容量5000kw，在寧夏多維藥業(yè)有限公司成功投運(yùn)。2006年，我公司開始著手研制容量9600kw/10kv的高壓變頻裝置，2007年初已成功申請(qǐng)獲得國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）專題課題。目前公司已成功研制出maxf同步電機(jī)高壓變頻調(diào)速裝置，于2007年10月在河南心連心化肥有限公司空壓機(jī)同步電機(jī)上成功投運(yùn)。
2、同步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的難點(diǎn)分析
同步電機(jī)與普通異步電機(jī)運(yùn)行上主要的區(qū)別是同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。因此同步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)必須時(shí)刻控制這一夾角在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)，這一點(diǎn)就是同步電機(jī)變頻和異步電機(jī)變頻的主要區(qū)別。以下將簡(jiǎn)要介紹同步電機(jī)變頻調(diào)速過程遇到的難點(diǎn)及maxf變頻裝置相應(yīng)解決措施：
（1）同步電機(jī)的啟動(dòng)投勵(lì)過程
通常同步電機(jī)啟動(dòng)有兩種方式：一種先投勵(lì)，同步啟動(dòng)；一種異步啟動(dòng)，后順極性投勵(lì)。對(duì)于同步電機(jī)變頻啟動(dòng)均采用先投勵(lì)，同步啟動(dòng)，但常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置判斷不正確導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)失敗。針對(duì)同步電機(jī)變頻調(diào)速改造，很容易采用異步啟動(dòng)，順極性投勵(lì)方式，所以maxf變頻裝置對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行異步軟啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)額定啟動(dòng)力矩，將同步電機(jī)啟動(dòng)到8hz左右進(jìn)行順極性投勵(lì)，具體所投勵(lì)磁大小及投勵(lì)時(shí)頻率可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)試確定。至此，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)間夾角經(jīng)過小量有阻尼震蕩后，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機(jī)電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過程完成。針對(duì)要求重載啟動(dòng)的工況，為了啟動(dòng)力矩更大，可以適當(dāng)提高變頻裝置輸出電壓和同步電機(jī)的勵(lì)磁電流。
（2）同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)速和勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程
變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)調(diào)速時(shí)，為了解決變頻裝置和同步電機(jī)間的配合，電機(jī)速度改變同時(shí)變頻裝置也會(huì)協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)前勵(lì)磁電流大小和改變輸出電壓對(duì)應(yīng)值（不是簡(jiǎn)單的恒v/f控制）。在某一設(shè)定頻率點(diǎn)以上范圍運(yùn)行，變頻器采集同步電機(jī)功率因素，通過內(nèi)置pid控制器實(shí)時(shí)控制同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，功率因數(shù)0.90(超前)，變頻器通過發(fā)4～20ma指令給同步電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流；在此頻率以下范圍運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流由變頻器根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況，輸出4～20ma信號(hào)給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)，采用變頻變勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方式切換由變頻器自動(dòng)完成，而且調(diào)節(jié)方式的切換點(diǎn)頻率可以通過參數(shù)設(shè)置。加裝變頻器后，同步電動(dòng)機(jī)的無功電流僅在同步電機(jī)和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，因而變頻調(diào)速時(shí)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)無需關(guān)心同步電機(jī)的無功電流。
（3）同步電機(jī)正常停機(jī)和故障滅磁過程
在正常停機(jī)時(shí)，變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至停機(jī)，然后停止變頻器輸出即可。減速過程中，在恒功率因素頻率點(diǎn)以上運(yùn)行，勵(lì)磁電流根據(jù)恒功率因素來調(diào)節(jié)，在頻率點(diǎn)以下范圍運(yùn)行，采用變頻變勵(lì)磁電流方式運(yùn)行。此過程不需要進(jìn)行滅磁。
在運(yùn)行期間出現(xiàn)故障，若變頻器外系統(tǒng)出問題，需要緊急停機(jī)，可以直接跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)qf和變頻器輸出開關(guān)km2，同時(shí)跳同步電機(jī)勵(lì)磁裝置。若變頻器系統(tǒng)出問題要緊急停機(jī)時(shí)，變頻器立刻停止輸出，通知同步電機(jī)勵(lì)磁裝置進(jìn)行可控硅逆變滅磁，再通過故障信號(hào)跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)和變頻器輸出開關(guān)km2。
（4）同步電機(jī)調(diào)速時(shí)阻尼繞組
由于在同步電機(jī)的升、降速過程中，瞬間會(huì)出現(xiàn)電源同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速不一致的情況，這樣就會(huì)在同步電機(jī)的阻尼繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成電流，所以在變頻改造前，要檢查阻尼繞組內(nèi)螺釘連接是否牢固，最好將其焊接好，減少繞組內(nèi)阻。這樣即使調(diào)速過程中出現(xiàn)較大感應(yīng)電流也不會(huì)發(fā)熱很大，以致?lián)p壞電機(jī)阻尼繞組。
maxf系列同步機(jī)變頻裝置運(yùn)行時(shí)將全權(quán)接管同步機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，包括投勵(lì)、改變勵(lì)磁大小和退勵(lì)。原有的勵(lì)磁裝置只是作為一個(gè)執(zhí)行器，具體勵(lì)磁大小由maxf變頻裝置通過4-20ma信號(hào)進(jìn)行控制。
3、maxf系列同步電機(jī)高壓變頻裝置改造方案
3.1 同步電機(jī)對(duì)高壓變頻裝置的要求
由于同步電機(jī)與異步電機(jī)的不同，同步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造時(shí)對(duì)高壓變頻裝置的要求也有些差別，具體要求如下：
（1）能夠解決同步電機(jī)啟動(dòng)整步問題；
（2）能夠解決同步電機(jī)調(diào)速過程中輸出電壓和勵(lì)磁電流的協(xié)調(diào)控制；
（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應(yīng)盡可能小。
3.2 實(shí)施方案
同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)改造用的變頻調(diào)速裝置應(yīng)具有工頻旁路回路設(shè)計(jì)。改造后，不能影響原來工頻方式的所有操作、保護(hù)。設(shè)計(jì)時(shí)采用一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，具有工頻方式和變頻方式兩個(gè)位置。將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至“變頻”位置，則變頻裝置旁路柜開關(guān)qf3分閘，延時(shí)2秒qf1、qf2合閘，而且勵(lì)磁系統(tǒng)的控制線路切至變頻方式；將開關(guān)轉(zhuǎn)至“工頻”位置，則變頻裝置旁路開關(guān)qf1、qf2分閘，延時(shí)2秒qf3自動(dòng)合閘，而且勵(lì)磁系統(tǒng)控制線路也恢復(fù)成工頻方式。具體系統(tǒng)原理圖請(qǐng)見圖1。 
圖1 改造后系統(tǒng)原理圖
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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