变频同步启动的交流励磁同步电动机在石油化工企业的应用

陈广书

（山东济炼石化工程有限公司，山东济南 250101）

1 概述

随着炼油企业精制、改质、催化、裂化等项目的增加，越来越多的防爆无刷励磁同步电动机被广泛使用。由于应用的同步电动机的功率越来越大，为了降低同步电机在启动过程中对电网的冲击，减少同步电机启动过程中对电网中其他用电设备的干扰，对防爆无刷励磁同步电机启动过程要求也越来越高。

目前大电机的启动方式大致可分为以下几种，全压直接启动，电抗器降压启动，自耦变压器启动，变压器-电动机组启动，降压软启动（主要是固态软启动），变频软启动。各种启动方式都有其优缺点及适用范围。电动机启动顺序的选择也是优先按照全压直接启动，电抗器降压启动，自耦变压器启动，变压器-电动机组启动，降压软启动（主要是固态软启动），变频软启动顺序进行。

目前同步电动机启动方式主要有异步启动和变频启动。异步启动是同步电动机常用的启动方式，视供电系统容量采用全压启动或降压启动，待转速到亚同步速时投入励磁。变频启动需要一套专用变频电源，同时对控制系统及通信系统要求较高，但是随着同步电动机功率越来越大，以及受用户电网的限制，目前对采用变频方式进行启动的无刷励磁同步电动机需求也越来越多。

但是变频电源的输出电流能力通常只有电机额定电流的1.5倍，这种启动方式若采用异步启动时间过长且不好控制，导致励磁系统中的灭磁电阻因长时间通电而导致表面温度超出防爆标准，甚至过热烧毁，并且异步启动过程中滑差的大小存在不确定性，启动电流可能超过变频电源的许用能力，损坏变频电源。所以对于无刷励磁同步电动机采用变频异步启也有其局限性。

关于励磁方式，常规的直流励磁方式（励磁机的定子励磁方式为直流励磁）在电机初始启动时由于转速为零（励磁机的电枢电压无法建立）而不能为主电机提供励磁。通行的做法为将励磁方式改为交流，励磁机定转子均为交流绕组，励磁装置输出电压可调的三相交流电至励磁机定子，在电机初始启动时利用变压器效应将电能传输至励磁机转子侧经三相可控硅整流后，为主电机提供有效励磁电源。

2 同步电动机启动方案的选择与配置

2.1 启动方案选择

某海外项目全厂电源无外接电网，孤网运行，电厂配置4台60MW 机组。常减压装置同步电机7 350kW，10kV，额定电流486A，功率因数0.9（超前），效率0.97，Ks=4.369，变压器一次侧短路容量203MVA。电机驱动负载类型为往复式压缩机。经过计算在最大运行方式下采用直接启动时母线和机端电压降均小于规范要求。当采用固态软启，该启动方式的启动电流倍数为3倍额定电流，无法满足启动要求。所以最终选择变频启动，启动电流倍数为1.5倍额定电流。当采用变频异步启动时，和异步电动机变频启动特性一样，其启动容量也无法满足要求。最终选择启动方式采用变频同步软起交流励磁。

同步软启动性能曲线如图1所示，粗实线为启动转矩曲线，细实线为负载阻力矩曲线，图中在起始阶段启动转矩满足启动要求，具有良好的启动性能。

图1 同步电动机软起性能曲线

同步软启动系统配置主要包括：10kV 变频器（4 000kVA），同步电动机，交流励磁机，交流励磁柜。该方案的一次接线图如图2所示：L1，L2为电机旁路断路器，KD1，KD2，V1，V2为变频器回路断路器，K11，K12为变频回路交流接触器。

图2 同步软起启动方案一次接线图

其中，变频器与励磁柜之间的主要二次接线见图3，具体接口信号包括：

（1）励磁就绪。励磁装置在检测到变频器发出的投励命令后，励磁继电器吸合。

（2）励磁故障输出。当励磁装置检测到装置内部或外部输入信号异常时接点吸合，该接点信号仅用于报警。

（3）励磁事故输出。励磁装置检测到装置内部或外部输入信号异常而导致必须停机的致命故障时接点吸合。该接点信号用于事故停机，变频器在检测到接点吸合时应立即停机。

（4）励磁运行输出。当励磁投入且检测到励磁电流上升至设定值（可整定）后时接点吸合，励磁灭磁结束后接点断开。

（5）变频器故障输入。从变频器来的无源干接点信号，在变频器故障禁止励磁投入时由变频器控制接点吸合。在励磁未投励时该接点吸合将导致励磁就绪输出接点释放，在励磁投励时该接点吸合则导致紧急灭磁。

（6）励磁起停控制输入。从变频器来的无源干接点信号，与励磁控制4～20mA 信号输入的电流值共同决定励磁是否投入。

（7）励磁控制4～20mA 输入。变频器对励磁装置的投励/灭磁控制及对励磁电流大小的调节都通过励磁控制 4～20mA信号。

（8）机组转速4～20mA 输入。机组转速信号用于励磁装置测量并显示机组转速，并用于计算励磁机定子过电压限制器的动态定值；在励磁调节器的配置清单中设有可整定的“转速输入满度（20mA）转速值” 定值，该参数定义了机组转速4～20mA 信号的满度值 20mA 与机组转速的对应关系。

2.2 启动过程分析

该同步电机的启动逻辑为：接到电机启动信号后，变频控制器自检无故障后向励磁机发出指令，使励磁机就绪，交流励磁机转子产生感应电流，并通过整流盘整流后给主机转子励磁，主机转子在接到直流励磁电流后产生恒定的转子磁场；变频器产生低频交流，并在主机定子内形成低频旋转磁场。由于转子此时已经建立磁场，在电磁力的影响下，转子开始转动，转速逐渐上升。

由于转子转速的上升，交流励磁机的转差率提高，感应电流变大，对应的主机转子励磁电流也会增加。为了防止主机转子励磁电流过大，此时变频控制器根据转速的提高，降低励磁机定子电压。随着转子转速提高，定子电压达到额定电压，启动完成。对照图1，具体过程如下：励磁就绪后且主电机旁路断路器L1处于断开，变频器回路接触器K11闭合，断路器KD1闭合，变频器确认断路器KD1已闭合，交流接触器K12闭合，在工艺允许情况下闭合断路器V1，将断路器V1状态反馈变频器，之后变频器发出指令启动励磁，励磁已启动信号反馈给变频器，变频器通过4～20mA 信号反馈给励磁柜调节励磁电流大小，启动完成后变频器发出信号闭合L1，断开V1，励磁不再跟踪4～20mA 信号，复位励磁启动信号，励磁转入工频运行，整个启动过程完成。当需要停机时，旁路断路器L1分闸，工频定子电流小于额定电流5%时正常停机灭磁，当大于5%额定电流时，自动调节励磁电流小于5%额定电流，正常灭磁。

本项目用电机驱动负载类型为往复式压缩机，电机采用变频同步启动，对于异步电动机而言，采用变频启动在额定频率以下为恒转矩启动，而相对同步电动机而言，在额定频率以下其启动转矩与励磁电流呈线性关系，其启动转矩可根据初始施加的励磁电流大小进行调整。

图3 变频器与励磁柜接口信号

3 结论

随着炼化企业向大型化发展，越来越多的同步电动机投入运行通过以上分析，对于大型同步电动机采用同步软起交流励磁方式，相比其他启动方式有很好的启动性能，对电网的冲击最小，采用交流励磁在电机初始启动时能为主电机提供有效励磁电源，无须换向器，尤其是处于孤网运行或容量不大的炼化企业，该启动方式是较好的选择。