高压同步电机变频调速技术及应用

梁安江， 张海燕， 柳 毅， 李建功

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

0 引言

同步电机的调速是电气驱动领域的一大难题，从20世纪30年代后期，人们就开始研究同步电机的调速问题。20世纪70年代，随着交流电机磁场定向控制理论的产生及其技术的推广应用，世界各大电气公司都投入大量人力、物力对交流同步电机变频调速传动进行研究，期望将这一技术应用于高性能要求的轧机主传动及矿井提升机传动中。迄今为止，世界上已有上千套交流变频装置应用于大功率同步电机调速系统。除了矿井提升机和轧机外，高压大功率的交-直-交变频器也广泛应用于高炉鼓风机、空压机及抽水蓄能电站的大型同步电机。

同步电机相对于异步电机来说，最大的劣势就是存在失步现象，这也是制约同步电机应用变频装置的主要原因。若要使用变频调速，则要求变频装置必须解决以下问题:(1)同步电机的起动问题;(2)同步电机调速期间和励磁装置的协调问题，防止正常调速期间同步电机失步;(3)同步电机正常停机和故障灭磁问题。

我国从20世纪70年代开始交流同步电机调速技术的研究，20世纪80年代初已研制成功交-交变频同步电机的试验样机，但高压大功率交流变频调速装置直到20世纪90年代后期才得到发展。上海发电设备成套设计研究院自1999年开始通过对国内、外高压变频装置进行调研，确立了总的技术方案，采取智能功率单元串联多电平方式，于2002年底，研制出1 250 kW/6 kV高压变频装置样机，2003年7月通过由上海市经济委员会主持的产品技术鉴定，2003年9月正式投入运行，2005年底又成功研制生产了国产最大容量高压变频装置，容量5 000 kW，已在宁夏某药业有限公司成功投运。2006年，该公司开始着手研制容量9 600 kW/10 kV的高压变频装置，2007年初申请获得国家高技术研究发展计划(863计划)专题课题。

1 同步电机变频调速技术分析

同步电机与普通异步电机运行上主要的区别是:同步电机运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角δ(功率角)必须在0～90°范围内变动，否则将导致失步。因此，同步电机变频调速时必须时刻控制δ在允许的范围内变动，而且在同步电机起动时应采取和异步电机不同的方式。以下将简要介绍同步电机变频调速过程遇到的难点及MAXF变频装置相应的解决措施。

1.1 同步电机的起动

同步电机运行时，对应于端压U的气隙合成总磁场拖着转子励磁磁场，两者空间相距δ角、同步旋转。但在转子静止条件下起动时，两磁场间不能形成有效的电磁转矩，所以同步电机不能自行起动，必须采取起动措施。通常同步电机起动方法有:辅助电动机起动、异步起动和变频起动等。

针对变频起动方法，又有很多种方式，有些同步电机变频起动均采用先投励，此时检测出转子位置，后根据此位置加入相应相位交流电起动。该方式常会由于转子位置判断不正确导致电机起动失败。MAXF变频装置采用先异步软起动后顺极性投励的方法，该方法可实现同步电机可靠起动。

对同步电机进行异步软起动，实现额定起动力矩，将同步电机起动到约8 Hz时进行顺极性投励，电动机转子磁场和定子磁场间夹角经过小量有阻尼振荡后，电机转子磁极被定子磁极可靠吸引，同步电机进入同步运行状态。具体所投励磁大小及投励时频率可根据不同应用场合调试确定。

变频装置按照预先设定的加速曲线，逐渐加速到给定频率。在调速过程中，端压U的气隙合成总磁场和转子励磁磁场之间的夹角逐渐拉大到某一常值，电机转子磁极在气隙合成总磁场的吸引下逐渐加速至期望转速。通过大量MATLAB仿真和工程实践经验，得出:针对重载起动的场合，为获得更大起动力矩，可适当提高变频装置输出电压和同步电机的励磁电流。

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1.2 同步电机调速

变频装置驱动同步电动机调速时，为了解决变频装置和同步电机间的配合，电机速度改变，同时变频装置也会协同调节当前励磁电流大小，以及改变输出电压对应值(不是简单的恒U/f控制)。

在某一设定频率范围运行，变频装置通过内置PID控制器，实时控制同步电动机的励磁电流，实现恒功率因数方式调节;在某一设定的频率范围内运行时，励磁电流由变频装置根据当前运行工况，输出4～20 mA信号给励磁调节器，采用变频变励磁电流方式调节。调节方式切换由变频装置自动完成，且调节方式的频率范围可以通过参数设置。

同步电机调速瞬间，气隙合成磁场和转子励磁磁场间功率角δ会变动。同步电机功率角δ在运行期间不能变化过大，尤其不能让δ＞90°，这样同步机将进入不稳定状态。因此，同步电机变频调速时，频率变化速率减小，这样有利于系统工作稳定。

1.3 同步电机正常停机和故障灭磁

在正常停机时，变频装置驱动同步电机至停机转速，然后停止变频装置输出即可。减速过程中，在恒功率因数频率点以上运行，励磁电流根据恒功率因数来调节，在频率点以下范围运行，采用变频变励磁电流方式运行。

运行期间若变频装置外系统出问题，需要紧急停机，可以直接跳开高压侧输入开关QF，通过高压开关辅助节点连跳励磁装置。若变频装置系统出问题要紧急停机时，变频装置立刻停止输出，通过故障信号跳开高压侧输入开关，再通过高压开关辅助节点连跳励磁装置。

灭磁初期，由于同步电机的主磁通无法突变，在阻尼绕组上感应出很大电流，此时旋转中的同步电机定子端会出现较高的三相交流电压。因此，变频装置的输出端应具有在停机状态下，抗短时过电压的能力。

2 MAXF同步电机变频装置基本原理

MAXF变频装置采用若干个脉宽调制(PWM)变频功率单元串联的方式，实现直接高压10 kV输出。输入10 kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。10 kV变频调速装置每相由8个额定电压为884 V的功率单元串联而成，输出相电压达8 840 V，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。装置系统框图如图1所示。

图1 MAXF高压变频装置系统框图

3 同步电机变频装置的现场应用

河南心连心化肥有限公司为国家百万吨化肥生产基地。该公司合成氨生产车间共有5台800 kW/10 kV合成循环空压机并列运行，一般3台运行2台备用，并随着生产任务的调整，人工调节运行的台数。平时由于生产工艺要求，经常出现运行空压机的回流阀打开，造成大量电能浪费，不仅操作人员劳动强度大，而且常出现调节阀故障，增加了阀门的维修工作量。

鉴于以上原因，该公司决定对2#合成循环空压机进行变频调速改造，该公司通过多方考察、调研，最终选用上海发电设备成套设计研究院和上海科达机电控制有限公司共同研制生产的同步电机高压变频调速装置，型号为 MAXF 1250-10000/1250。

3.1 实施方案

同步电机变频调速系统改造用的变频调速装置具有工频大旁路设计。改造后，原来工频方式的所有操作和保护都不变，只需分闸QS1和QS2，合闸QF3即可。设计时采用一个转换开关，具有工频方式和变频方式两位置。将转换开关转至“变频”位置，则变频装置旁路柜开关QF3分闸，延时2 s QF1、QF2合闸，而且励磁系统的控制线路自动切至变频方式;将开关转至“工频”位置，则变频装置旁路开关QF1、QF2分闸，延时2 s QF3自动合闸，而且励磁系统控制线路自动恢复成工频方式。具体系统原理图如图2所示。

图2 电气改造系统原理图

MAXF系列同步机变频装置运行时，将全权接管同步电动机的励磁调节控制，包括投励、改变励磁大小和退励等。原有的励磁装置只是作为一个执行器，具体励磁大小由MAXF变频装置通过4～20 mA信号进行控制。

3.2 变频改造的经济效益

该公司2#合成循环机高压同步电动机变频装置自投运以来，运行正常，调节方便，节能效果显著。

3.2.1 工艺操作

2#循环机变频装置投运后，所有并联循环机的旁路全部关死，总路旁路调节阀也关死，生产操作人员若要对循环流量进行调节，只需在DCS上通过鼠标对变频装置频率进行调整即可。这样调节方便，精度高，而且操作人员无需调节旁路阀，大大减少了工作强度和旁路调节阀的后续维护量。

3.2.2 节能情况统计

对变频装置投运前后的运行数据进行统计，如表1所示。

表1 变频改造前后运行数据统计表

从表1统计数据可看出，改造前、后在压缩机补气流量基本不变的情况下，平均日节电约为3 085.3 kWh。年节电1 079 855 kWh(一年按运行350天计算);年节约电费466 497.36元(电价按0.432元/kWh计算);约2年即可收回成本。

3.3 变频改造的综合效益

本次变频调速改造不仅为该公司节约大量的电能，而且大大改善了多台空压机并列运行系统的调节性能。实践证明，空压机多机并列运行时，一台最大容量空压机变频调速能取得以下效果:

(1)可实现软起动，起动电流(小于额定电流的10%)大大减少，避免了因大起动电流造成的绝缘老化，以及由于大电动力矩造成的机械冲击对电机寿命的影响，减少电机的维护工作量，节约了检修维护费用;

(2)采用变频调速，避免设备的频繁加载、卸载，延长空压机的寿命;

(3)保证供气压力平稳，提高供气质量;

(4)减少旁路阀的操作，节约电能，为用户节约高额的电费开支。

3.4 变频改造注意事项

(1)阻尼绕组加固。由于在同步电机的调速过程中，瞬间会出现电源同步转速与电机转子实际转速不一致的情况，这样就会在同步电机的阻尼绕组内产生感应电压，形成电流。因此，对于调速频繁的场合，在变频改造前，要检查阻尼绕组内螺钉连接是否牢固，最好将其焊接好，减少绕组内阻。这样即使调速过程中出现较大感应电流，也不会发热很大，以致损坏电机阻尼绕组。

(2)励磁电流控制。励磁电流调节不能简单的根据恒功率因数进行调节，因为当变频器输出频率较低时，功率因数检测不准确，容易造成同步电机励磁电流的调节不稳，影响机组稳定运行。

4 结语

同步电机的调速是电气驱动行业的一大难题，应用高压变频调速是近年来国内变频厂家的研究课题之一。MAXF同步电动机高压变频装置运行安全可靠，尤其是它的起动方式和采用的励磁调节方式较好。

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