1.引言
高壓同步電動(dòng)機(jī)以其功率因數(shù)高、運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、低轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在高壓大功率電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用，如大功率風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等。對(duì)于大功率低速負(fù)載，如磨機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)等，使用多極同步電動(dòng)機(jī)不僅可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)，更可以省去變速機(jī)構(gòu)，如齒輪變速箱，降低系統(tǒng)故障率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)維護(hù)。
由于同步電機(jī)物理過(guò)程復(fù)雜、控制難度高，以往的高壓同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統(tǒng)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(cè)功率因數(shù)高，網(wǎng)側(cè)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(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用。將單元串聯(lián)多電平型變頻器應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)將有效地提高同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，降低同步電機(jī)變頻改造的成本，提高節(jié)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(jì)算機(jī)仿真和物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，解決了同步電機(jī)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(yīng)用于巨化股份公司合成氨廠的1000kW/6kV同步電動(dòng)機(jī)上。以下將簡(jiǎn)要介紹實(shí)際應(yīng)用中的主要技術(shù)問(wèn)題。
2.同步電動(dòng)機(jī)的工頻起動(dòng)投勵(lì)過(guò)程
為了更好的說(shuō)明同步電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，先對(duì)同步電機(jī)的工頻起動(dòng)投勵(lì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。
在電網(wǎng)電壓直接驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)投勵(lì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。當(dāng)同步電機(jī)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(jī)的勵(lì)磁裝置準(zhǔn)備投勵(lì)。此時(shí)，勵(lì)磁裝置自動(dòng)在同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組上接入一個(gè)滅磁電阻，以防止勵(lì)磁繞組上感應(yīng)出高壓，同時(shí)在起動(dòng)時(shí)提供一部分起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同步電機(jī)電樞繞組上電后，在起動(dòng)繞組和連有滅磁電阻的勵(lì)磁繞組的共同作用下，電機(jī)開(kāi)始加速。當(dāng)速度到達(dá)95%的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁裝置根據(jù)勵(lì)磁繞組上的感應(yīng)電壓選擇合適的時(shí)機(jī)投入勵(lì)磁，電機(jī)被牽入同步速運(yùn)行。如果同步電機(jī)的凸極效應(yīng)較強(qiáng)、起動(dòng)負(fù)載較低，則在勵(lì)磁裝置找到合適的投勵(lì)時(shí)機(jī)之前，同步電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下，勵(lì)磁裝置將按照延時(shí)投勵(lì)的準(zhǔn)則進(jìn)行投勵(lì)，即高壓合閘后15秒強(qiáng)行投勵(lì)。
3.變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)的起動(dòng)整步過(guò)程
用變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，使用與上述方式不同的起動(dòng)方式：帶勵(lì)起動(dòng)。
在變頻器向同步電機(jī)定子輸出電壓之前，即啟動(dòng)前，先由勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流，然后變頻器再向同步電機(jī)的電樞繞組輸出適當(dāng)?shù)碾妷海饎?dòng)電機(jī)。
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。在電機(jī)起動(dòng)之初，這二者的夾角是任意的，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼竭^(guò)程將這一夾角控制到一定的范圍之內(nèi)，然后電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)。因此，起動(dòng)整步問(wèn)題是變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。
變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)整步過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：
第一步，勵(lì)磁裝置投勵(lì)。勵(lì)磁系統(tǒng)向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流，在同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立一定的磁場(chǎng)。
第二步，變頻器向同步電機(jī)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(jī)上產(chǎn)生一定的定子電流，并在定子上建立較強(qiáng)的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子在定、轉(zhuǎn)子間電磁力的作用下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。此時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可能與電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)向相同，也可能相反。
第三步，變頻器按照電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，緩慢旋轉(zhuǎn)其施加在電樞繞組上的電壓矢量。隨著同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時(shí)刻掠過(guò)定子的異性磁極，或者轉(zhuǎn)子磁極加速追上旋轉(zhuǎn)的定子磁極。此時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極被較強(qiáng)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(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，整步過(guò)程完成。
第四步，變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度和V/F曲線（即磁通給定），調(diào)節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角逐漸拉大到某一常值，然后電機(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(guò)程完成。
在同步電機(jī)的起動(dòng)整步過(guò)程中，定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)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(zhuǎn)子的異性磁極時(shí)，將其可靠吸牢，此后轉(zhuǎn)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(duì)速度，定子磁場(chǎng)更加無(wú)法有效牽引轉(zhuǎn)子磁極，最終將導(dǎo)致起動(dòng)整步失敗。選擇過(guò)大的定子磁場(chǎng)可能導(dǎo)致同步電機(jī)的定子鐵心飽和，進(jìn)一步導(dǎo)致變頻器輸出過(guò)電流，電機(jī)起動(dòng)失敗。
較為典型的同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程如下圖所示。


4.變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)
由于變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)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(jī)時(shí)的波形相同，因此在運(yùn)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)，具有較高的可靠性。
由于同步電機(jī)的無(wú)功電流僅在電機(jī)和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，因而無(wú)須對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行精確的控制。一般可在電機(jī)運(yùn)行的典型工況下，手動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流，使變頻器的輸出電流最小，輸出功率因數(shù)近似為1，然后調(diào)速運(yùn)行過(guò)程中維持該電流不變即可。對(duì)于需要在運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整勵(lì)磁電流的工況，變頻器可以實(shí)測(cè)其輸出給同步電機(jī)的無(wú)功功率，向勵(lì)磁裝置下達(dá)勵(lì)磁給定信號(hào)，調(diào)整勵(lì)磁電流。
5.同步電動(dòng)機(jī)的故障滅磁
在正常停機(jī)時(shí)，變頻器先驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)減速至停機(jī)轉(zhuǎn)速，然后停止向電機(jī)的電樞繞組輸出電壓。在該轉(zhuǎn)速下，最大的勵(lì)磁電流在同步電機(jī)定子側(cè)感應(yīng)的電壓低于變頻器輸出側(cè)的長(zhǎng)時(shí)間耐受電壓，因此在電機(jī)之后的自由滑行過(guò)程中，維持勵(lì)磁電流不會(huì)對(duì)設(shè)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(lì)磁電流，則旋轉(zhuǎn)中的同步電機(jī)將持續(xù)地向其定子側(cè)發(fā)出三相交流電壓，危害設(shè)備安全，并可能造成事故的擴(kuò)大。因此在遇到嚴(yán)重故障需要停機(jī)時(shí)，變頻器必須通知?jiǎng)?lì)磁裝置進(jìn)行滅磁。
同步電機(jī)滅磁的物理過(guò)程如下：
在滅磁之初，在勵(lì)磁裝置的作用下同步電機(jī)的勵(lì)磁電流迅速下降，但由于同步電機(jī)的主磁通無(wú)法突變，在阻尼繞組（起動(dòng)繞組）上隨即感應(yīng)出較大的電流，此時(shí)旋轉(zhuǎn)中的同步電機(jī)向其定子機(jī)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(nèi)阻上逐步衰減為零，同步電機(jī)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(shù)秒鐘，因此變頻器的輸出端必須具有停機(jī)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的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況簡(jiǎn)介
巨化股份公司合成氨廠始建于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。此次進(jìn)行變頻改造的是尿素車間的1號(hào)CO2活塞式壓縮機(jī)，其相關(guān)參數(shù)如下：


驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的是一臺(tái)1000kW/6kV同步電動(dòng)機(jī)，其相關(guān)參數(shù)如下：


變頻器選用利德華福 HASVERT-S06/130同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，旁路方案選用一拖一手動(dòng)旁路柜，如下圖所示。


工頻運(yùn)行時(shí)，QS1、QS2斷開(kāi)，QS3閉合，同步電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行、停車過(guò)程按照原有邏輯進(jìn)行。
變頻運(yùn)行時(shí)，QS3斷開(kāi)，QS1、QS2閉合，變頻器上電時(shí)，斷路器QF閉合，經(jīng)過(guò)約15秒延時(shí)后，勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)投入勵(lì)磁電流，然后從現(xiàn)場(chǎng)向變頻器下達(dá)“啟動(dòng)”命令，變頻器按照預(yù)設(shè)的邏輯向同步電機(jī)輸出電壓，同步電機(jī)起動(dòng)。
變頻停機(jī)時(shí)，從現(xiàn)場(chǎng)向變頻器下達(dá)“停機(jī)”命令，變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)減速至停機(jī)頻率，然后停止輸出電壓。最后在現(xiàn)場(chǎng)分?jǐn)鄶嗦菲鱍F，由其輔助觸點(diǎn)通知?jiǎng)?lì)磁裝置滅磁，滅磁完成后關(guān)閉勵(lì)磁裝置電源。
遇到故障時(shí)，變頻器在停止電壓輸出的同時(shí)，立即分?jǐn)鄶嗦菲鱍F，由其輔助觸點(diǎn)通知?jiǎng)?lì)磁裝置立即滅磁。
7.小結(jié)
單元串聯(lián)多電平型變頻器在同步電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的成功實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展了高壓變頻器產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，也擴(kuò)大了國(guó)家能源節(jié)約政策的實(shí)現(xiàn)途徑，為我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)提供了更多的技術(shù)保障。