同步电机LCI变频启动研究与应用

彭彤勇，周艳，孙鑫

（1.中航长沙设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306）

在国内某大型航空发动机制造企业的试验台气源系统中，选用了2台大型空压机，其拖动电机为14680kW的同步电动机。该型电机运行过程不需要调速，启动方式的选择成了电气技术焦点。目前国内常用的大型电机启动方式为变频器软启动和固态降压软启动，变频器软启动又分为VSI电压叠加型变频器和LCI晶闸管负载换流型变频器2种主要形式。经过前期方案分析比选，考虑到电网容量、电机励磁方式等因素，最后为这2台大型同步电机选择了LCI晶闸管负载换流型变频器一拖二的变频启动方式。电机生产厂商为ABB公司，变频器的供应商也选择了ABB公司。

1 系统介绍

1.1 电源电网情况

该企业的园区建有一处主变电站，共2台220kV/10kV、63MW的主变压器，出线电压等级为10kV。220kV接线采用一线带两变接线形式，1回电缆进线。10kV接线采用单母线4分段，220/10kV主变每台主变带2段母线，共4段母线。

1.2 电机的参数

电机类型：同步电动机。

工作制：S1；定子方式：星形；相数：3相。

额定功率：14680kW；额定电压：10000±5%V。

定子电流：861A；定子极数：4极；额定频率：50Hz；额定转速：1500rpm；额定效率：98.46%。

2 变频启动系统设计

2.1 系统设计

在前期设备论证阶段，首先考察了10kV固态软启动装置。考虑到受到220/10kV主变容量限制，固态软启动3.5倍左右的启动电流对10kV母线的冲击较大；国产固态软启动装置超过10MW的应用案例较少，可靠性无法验证；国外的固态软启动也无法获得有效技术支持和成熟案例；经过和业主的多次协商，决定采用10kV变频启动装置；世界上的10kV变频器不像低压变频器那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。

根据有无直流环节而将高压变频器分为两大类：（1）无直流环节的变频器，即交—交变频器；（2）有直流环节的变频器称为交—直—交变频器。

其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器，直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。同步机变频启动装置工况特殊，目前国内相关行业已投入运行的变频系统主要有负载换向型变频器(LCI)和单元串联多电平电压源型变频器（VSI）两种类型。

负载换向型变频器(LCI)的特点：LCI采用技术可靠的低压可控硅元器件和升降压变压器组成的软启动系统，可控硅元器件质量可靠，耐压性好，电流裕量充足，保证了系统的高可靠性。简单的电路拓扑结构，减少了元器件使用数量，从而降低了故障概率；LCI适用于大功率同步电机的高速高频场合，可实现近似于直流电机的调速特性（无换向器电机），可省去维护困难的机械式换向器和电刷。功率范围可达100MW以上，转速可以大于7000r/m，电压范围可达1～23kV。负载换向型变频器的频率控制与负载的运转有关，不会出现变频器输出失败的情况。西门子、ABB公司都有LCI产品解决方案。

单元串联多电平电压源型变频器（VSI）的特点：功率器件IGBT串联型变频器，此种变频器采用多个功率单元串联来实现中压变频，采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式直接实现高压输出，无需输出变压器。输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪声。多单元串联有良好广泛的适用性，多单元串联元器件均为模块化设计，维护时直接更换。其功率范围一般为1～20MW，电压范围可达10kV。此原理的一些变频器输出的健康状态依赖于对电机工况的检测,电机侧一般会安装测速编码器。目前西门子、ABB、施耐德、艾默生等公司均有VSI型变频器，可在国内生产组装。通过对LCI和VSI两种主要的10kV变频器进行技术调研和设备论证，考虑到已订购的同步电机励磁系统与LCI变频系统有完善的控制联锁体系和类似应用案例，如果采用VSI变频系统需要对同步电机的励磁系统做局部调整，最终建议业主选用了LCI变频器。LCI变频启动系统的一次接线图如图1。

图1 一次接线图

2.2 设备选型

本系统为一套软启动装置，启动2台同步电机，同步电机由变频器启动，达到同步转速后，变频器退出，切换至工频运行。全套设备包括输入变压器、输入变压器、变频器、变频输入开关柜ICB、变频输出开关柜SCB1和SCB2、工频输入开关柜RCB1和RCB2，以及电机配套提供的励磁柜MCP1和MCP2。变频器设备本身带PLC控制器，负责整套变频启动设备的控制和调节。按设备厂提供的数据，变频器容量约为电机容量的35%即可满足启动要求，本工程选择了一套5600kVA的变频器，变频器输入电压和输出电压均为3.46kV。输入变压器为双绕组干式变压器，电压10/3.46kV，容量8100kVA，接线组别为YnD。输出变压器为双绕组干式变压器，电压3.46/10kV，容量7830kVA，接线组别为Dy5。ICB、SCB和RCB开关柜均为标准KYN28-12型开关柜，采用VD4真空断路器。RCB1、RCB2配置带电动机差动的继电综合保护器，ICB配置变压器保护继电综合保护器。

2.3 启动过程设计

（1）启动过程描述如下（以启动1号电机为例）：①将SCB1合闸，选择1号电机待启动。②同步电机的启动和同步由变频器SFC控制。变频器的PLC控制器在收到必要的状态信号后，将变频器输入变压器端的ICB断路器合闸，开始变频启动。③变频器按设定转矩曲线将电机加速到99%额定转速。④同步装置开始运行，给变频器SFC发电压和电流调整信号。⑤变频器SFC调整转速，将同步装置的电压和频率调整信号发给MCP1励磁装置。⑥达到同步条件后，变频器SFC将RCB1合闸。⑦变频器SFC封锁晶闸管脉冲，将变频电流降到零。⑧变频器SFC将ICB分闸，将SCB1分闸。⑨电机工频运行。

（2）由变频器厂家提供的启动特性曲线如图2。

图2 启动特性曲线

图中方块记号的曲线为驱动转矩曲线，星形记号的曲线为负载转矩曲线，虚线曲线为启动时间。变频启动过程总的启动时间约为79s，其中包括电机启动之前约5s的磁场建立时间，图2所示44s的启动时间，和同步装置开始工作后约为30s的同步时间。

（3）启动过程中，需要变频器SFC控制器、电机MCP励磁控制柜、空压机UCP控制柜和FCS厂房集中控制系统进行协调配合，梳理各设备控制器之间的逻辑关系，分析启动命令执行时序，形成完整的端子接线表和启动逻辑控制表。变频启动过程中的具体时序控制如下：

1)变频器关闭。①励磁母线电压正常；②UPS母线电压正常；③空压机UCP自检正常。2)启动准备。①设备初始化正常；②自动复位关闭；③FCS给出外部指令，RCB1差动保护关闭；④断路器状态：SCB1/SCB2分闸；ICB分闸；RCB1/RCB2分闸；⑤FCS给出外部指令，SCB1合闸。3)励磁启动。①空压机UCP发启动信号至SFC；②SFC发指令，ICB合闸；③SFC发启动命令至MCP1；④MCP1发启动中状态信号至FCS。4)电机启动。①SFC发励磁电流设定值至MCP1；②MCP1发励磁电流运行至至SFC；③电机开始加速；④MCP1按设定曲线调节励磁电流；⑤电机转速达到额定转速的99%。5)同步。①SFC调整电压/频率；②SFC将同步状态的电压/频率信号至MCP1；③同步状态完成；④MCP1发指令，RCB1合闸；⑤延时1s；MCP1发指令，SCB1分闸。6)启动结束。① MCP1发启动结束信号至FCS；②FCS发指令，ICB分闸；③FCS给出外部指令，RCB1差动保护开启。

3 系统调试问题及解决方案

本工程变频启动设备的调试过程经历了约2周时间。调试过程中经历了电流信号异常、差动保护异动、励磁电流异常等故障情况，经过对二次线路的核查及控制设定值的调整，解决了所有问题。目前该工程已顺利投产。经过经验总结，大型同步电机LCI变频启动有以下几条需要注意的事项：

（1）启动起始的SCB合闸指令为2台电机的选择指令，可由机组UCP给出，也可由FCS给出，经分析，选择了FCS指令，控制流程更短可靠性较高。

（2）根据变压器厂给出的变压器励磁曲线，输入降压变压器约5倍的励磁涌流，输出升压变压器约18倍的励磁涌流。变频输入开关柜的ICB断路器过电流保护整定计算中，我们分析了启动过程，输出变压器前端的晶闸管导通角由零逐步增大，不需要考虑其励磁涌流。决定按输入变压器的励磁涌流进行ICB的保护整定，运行情况正常。

（3）系统的10kV电源来自总站的2台220/10kV变压器。为避免同步过程中出现无法实现电压/频率同步的故障，我们将3段10kV进线均调整到同一台220/10kV主变供电。

（4）RCB工频开关柜断路器设置差动保护器。两组差动保护CT必须与规格型号完全一致。为避免在同步转换过程中的误动作，在启动程序开始之前将RCB的差动保护器闭锁关闭，启动完成后再将差动保护投入。

4 结语

通过本工程中对大型同步电机变频启动系统的设备选型、系统设计和运行调试，分析比较了10kV同步电机的各种启动方式的特点，总结了LCI变频启动系统的设计要点，分析了启动流程和启动控制时序，并对系统调试中遇到的技术问题提出了解决方案。在设计中考虑了系统电网和已有设备的具体要求，保证了启动过程的顺利投产和可靠性。从实践角度来看，本次同步电机变频启动的设计是成功的，自建成调试投产以来，多次启动运行均效果良好，且对系统电网未造成明显冲击和不良影响，保证了企业试验生产任务的顺利进行。