梁安江， 張海燕， 柳 毅， 李建功

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240)

0 引言

同步電機的調(diào)速是電氣驅(qū)動領(lǐng)域的一大難題，從20世紀30年代后期，人們就開始研究同步電機的調(diào)速問題。20世紀70年代，隨著交流電機磁場定向控制理論的產(chǎn)生及其技術(shù)的推廣應(yīng)用，世界各大電氣公司都投入大量人力、物力對交流同步電機變頻調(diào)速傳動進行研究，期望將這一技術(shù)應(yīng)用于高性能要求的軋機主傳動及礦井提升機傳動中。迄今為止，世界上已有上千套交流變頻裝置應(yīng)用于大功率同步電機調(diào)速系統(tǒng)。除了礦井提升機和軋機外，高壓大功率的交-直-交變頻器也廣泛應(yīng)用于高爐鼓風機、空壓機及抽水蓄能電站的大型同步電機。

同步電機相對于異步電機來說，最大的劣勢就是存在失步現(xiàn)象，這也是制約同步電機應(yīng)用變頻裝置的主要原因。若要使用變頻調(diào)速，則要求變頻裝置必須解決以下問題:(1)同步電機的起動問題;(2)同步電機調(diào)速期間和勵磁裝置的協(xié)調(diào)問題，防止正常調(diào)速期間同步電機失步;(3)同步電機正常停機和故障滅磁問題。

我國從20世紀70年代開始交流同步電機調(diào)速技術(shù)的研究，20世紀80年代初已研制成功交-交變頻同步電機的試驗樣機，但高壓大功率交流變頻調(diào)速裝置直到20世紀90年代后期才得到發(fā)展。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院自1999年開始通過對國內(nèi)、外高壓變頻裝置進行調(diào)研，確立了總的技術(shù)方案，采取智能功率單元串聯(lián)多電平方式，于2002年底，研制出1 250 kW/6 kV高壓變頻裝置樣機，2003年7月通過由上海市經(jīng)濟委員會主持的產(chǎn)品技術(shù)鑒定，2003年9月正式投入運行，2005年底又成功研制生產(chǎn)了國產(chǎn)最大容量高壓變頻裝置，容量5 000 kW，已在寧夏某藥業(yè)有限公司成功投運。2006年，該公司開始著手研制容量9 600 kW/10 kV的高壓變頻裝置，2007年初申請獲得國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)專題課題。

1 同步電機變頻調(diào)速技術(shù)分析

同步電機與普通異步電機運行上主要的區(qū)別是:同步電機運行時，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角δ(功率角)必須在0～90°范圍內(nèi)變動，否則將導致失步。因此，同步電機變頻調(diào)速時必須時刻控制δ在允許的范圍內(nèi)變動，而且在同步電機起動時應(yīng)采取和異步電機不同的方式。以下將簡要介紹同步電機變頻調(diào)速過程遇到的難點及MAXF變頻裝置相應(yīng)的解決措施。

1.1 同步電機的起動

同步電機運行時，對應(yīng)于端壓U的氣隙合成總磁場拖著轉(zhuǎn)子勵磁磁場，兩者空間相距δ角、同步旋轉(zhuǎn)。但在轉(zhuǎn)子靜止條件下起動時，兩磁場間不能形成有效的電磁轉(zhuǎn)矩，所以同步電機不能自行起動，必須采取起動措施。通常同步電機起動方法有:輔助電動機起動、異步起動和變頻起動等。

針對變頻起動方法，又有很多種方式，有些同步電機變頻起動均采用先投勵，此時檢測出轉(zhuǎn)子位置，后根據(jù)此位置加入相應(yīng)相位交流電起動。該方式常會由于轉(zhuǎn)子位置判斷不正確導致電機起動失敗。MAXF變頻裝置采用先異步軟起動后順極性投勵的方法，該方法可實現(xiàn)同步電機可靠起動。

對同步電機進行異步軟起動，實現(xiàn)額定起動力矩，將同步電機起動到約8 Hz時進行順極性投勵，電動機轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場間夾角經(jīng)過小量有阻尼振蕩后，電機轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進入同步運行狀態(tài)。具體所投勵磁大小及投勵時頻率可根據(jù)不同應(yīng)用場合調(diào)試確定。

變頻裝置按照預先設(shè)定的加速曲線，逐漸加速到給定頻率。在調(diào)速過程中，端壓U的氣隙合成總磁場和轉(zhuǎn)子勵磁磁場之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機轉(zhuǎn)子磁極在氣隙合成總磁場的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速。通過大量MATLAB仿真和工程實踐經(jīng)驗，得出:針對重載起動的場合，為獲得更大起動力矩，可適當提高變頻裝置輸出電壓和同步電機的勵磁電流。

曼氏裂頭蚴病是人獸共患的寄生蟲病，為由曼氏迭宮絳蟲的幼蟲在人體各組織臟器間不斷移行所致的疾病。目前曼氏裂頭蚴病在我國已有數(shù)千例報告，其中廣東報道的病例數(shù)排在首位［1］。由于很多的感染和病例未被認識或報道，我國該病的實際感染數(shù)和發(fā)病人數(shù)遠在此數(shù)之上，并有逐年上升之趨勢。我科于2010年11月18日收治了1例曼氏裂頭蚴感染的患者，現(xiàn)將護理體會報道如下。

1.2 同步電機調(diào)速

變頻裝置驅(qū)動同步電動機調(diào)速時，為了解決變頻裝置和同步電機間的配合，電機速度改變，同時變頻裝置也會協(xié)同調(diào)節(jié)當前勵磁電流大小，以及改變輸出電壓對應(yīng)值(不是簡單的恒U/f控制)。

在某一設(shè)定頻率范圍運行，變頻裝置通過內(nèi)置PID控制器，實時控制同步電動機的勵磁電流，實現(xiàn)恒功率因數(shù)方式調(diào)節(jié);在某一設(shè)定的頻率范圍內(nèi)運行時，勵磁電流由變頻裝置根據(jù)當前運行工況，輸出4～20 mA信號給勵磁調(diào)節(jié)器，采用變頻變勵磁電流方式調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方式切換由變頻裝置自動完成，且調(diào)節(jié)方式的頻率范圍可以通過參數(shù)設(shè)置。

同步電機調(diào)速瞬間，氣隙合成磁場和轉(zhuǎn)子勵磁磁場間功率角δ會變動。同步電機功率角δ在運行期間不能變化過大，尤其不能讓δ＞90°，這樣同步機將進入不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，同步電機變頻調(diào)速時，頻率變化速率減小，這樣有利于系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

1.3 同步電機正常停機和故障滅磁

在正常停機時，變頻裝置驅(qū)動同步電機至停機轉(zhuǎn)速，然后停止變頻裝置輸出即可。減速過程中，在恒功率因數(shù)頻率點以上運行，勵磁電流根據(jù)恒功率因數(shù)來調(diào)節(jié)，在頻率點以下范圍運行，采用變頻變勵磁電流方式運行。

運行期間若變頻裝置外系統(tǒng)出問題，需要緊急停機，可以直接跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)QF，通過高壓開關(guān)輔助節(jié)點連跳勵磁裝置。若變頻裝置系統(tǒng)出問題要緊急停機時，變頻裝置立刻停止輸出，通過故障信號跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)，再通過高壓開關(guān)輔助節(jié)點連跳勵磁裝置。

滅磁初期，由于同步電機的主磁通無法突變，在阻尼繞組上感應(yīng)出很大電流，此時旋轉(zhuǎn)中的同步電機定子端會出現(xiàn)較高的三相交流電壓。因此，變頻裝置的輸出端應(yīng)具有在停機狀態(tài)下，抗短時過電壓的能力。

2 MAXF同步電機變頻裝置基本原理

MAXF變頻裝置采用若干個脈寬調(diào)制(PWM)變頻功率單元串聯(lián)的方式，實現(xiàn)直接高壓10 kV輸出。輸入10 kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。10 kV變頻調(diào)速裝置每相由8個額定電壓為884 V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達8 840 V，每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 MAXF高壓變頻裝置系統(tǒng)框圖

3 同步電機變頻裝置的現(xiàn)場應(yīng)用

河南心連心化肥有限公司為國家百萬噸化肥生產(chǎn)基地。該公司合成氨生產(chǎn)車間共有5臺800 kW/10 kV合成循環(huán)空壓機并列運行，一般3臺運行2臺備用，并隨著生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)整，人工調(diào)節(jié)運行的臺數(shù)。平時由于生產(chǎn)工藝要求，經(jīng)常出現(xiàn)運行空壓機的回流閥打開，造成大量電能浪費，不僅操作人員勞動強度大，而且常出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥故障，增加了閥門的維修工作量。

鑒于以上原因，該公司決定對2#合成循環(huán)空壓機進行變頻調(diào)速改造，該公司通過多方考察、調(diào)研，最終選用上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院和上海科達機電控制有限公司共同研制生產(chǎn)的同步電機高壓變頻調(diào)速裝置，型號為 MAXF 1250-10000/1250。

3.1 實施方案

同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)改造用的變頻調(diào)速裝置具有工頻大旁路設(shè)計。改造后，原來工頻方式的所有操作和保護都不變，只需分閘QS1和QS2，合閘QF3即可。設(shè)計時采用一個轉(zhuǎn)換開關(guān)，具有工頻方式和變頻方式兩位置。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2 s QF1、QF2合閘，而且勵磁系統(tǒng)的控制線路自動切至變頻方式;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2 s QF3自動合閘，而且勵磁系統(tǒng)控制線路自動恢復成工頻方式。具體系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 電氣改造系統(tǒng)原理圖

MAXF系列同步機變頻裝置運行時，將全權(quán)接管同步電動機的勵磁調(diào)節(jié)控制，包括投勵、改變勵磁大小和退勵等。原有的勵磁裝置只是作為一個執(zhí)行器，具體勵磁大小由MAXF變頻裝置通過4～20 mA信號進行控制。

3.2 變頻改造的經(jīng)濟效益

該公司2#合成循環(huán)機高壓同步電動機變頻裝置自投運以來，運行正常，調(diào)節(jié)方便，節(jié)能效果顯著。

3.2.1 工藝操作

2#循環(huán)機變頻裝置投運后，所有并聯(lián)循環(huán)機的旁路全部關(guān)死，總路旁路調(diào)節(jié)閥也關(guān)死，生產(chǎn)操作人員若要對循環(huán)流量進行調(diào)節(jié)，只需在DCS上通過鼠標對變頻裝置頻率進行調(diào)整即可。這樣調(diào)節(jié)方便，精度高，而且操作人員無需調(diào)節(jié)旁路閥，大大減少了工作強度和旁路調(diào)節(jié)閥的后續(xù)維護量。

3.2.2 節(jié)能情況統(tǒng)計

對變頻裝置投運前后的運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，如表1所示。

表1 變頻改造前后運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出，改造前、后在壓縮機補氣流量基本不變的情況下，平均日節(jié)電約為3 085.3 kWh。年節(jié)電1 079 855 kWh(一年按運行350天計算);年節(jié)約電費466 497.36元(電價按0.432元/kWh計算);約2年即可收回成本。

3.3 變頻改造的綜合效益

本次變頻調(diào)速改造不僅為該公司節(jié)約大量的電能，而且大大改善了多臺空壓機并列運行系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。實踐證明，空壓機多機并列運行時，一臺最大容量空壓機變頻調(diào)速能取得以下效果:

(1)可實現(xiàn)軟起動，起動電流(小于額定電流的10%)大大減少，避免了因大起動電流造成的絕緣老化，以及由于大電動力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，減少電機的維護工作量，節(jié)約了檢修維護費用;

(2)采用變頻調(diào)速，避免設(shè)備的頻繁加載、卸載，延長空壓機的壽命;

(3)保證供氣壓力平穩(wěn)，提高供氣質(zhì)量;

(4)減少旁路閥的操作，節(jié)約電能，為用戶節(jié)約高額的電費開支。

3.4 變頻改造注意事項

(1)阻尼繞組加固。由于在同步電機的調(diào)速過程中，瞬間會出現(xiàn)電源同步轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速不一致的情況，這樣就會在同步電機的阻尼繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成電流。因此，對于調(diào)速頻繁的場合，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，也不會發(fā)熱很大，以致?lián)p壞電機阻尼繞組。

(2)勵磁電流控制。勵磁電流調(diào)節(jié)不能簡單的根據(jù)恒功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)，因為當變頻器輸出頻率較低時，功率因數(shù)檢測不準確，容易造成同步電機勵磁電流的調(diào)節(jié)不穩(wěn)，影響機組穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

同步電機的調(diào)速是電氣驅(qū)動行業(yè)的一大難題，應(yīng)用高壓變頻調(diào)速是近年來國內(nèi)變頻廠家的研究課題之一。MAXF同步電動機高壓變頻裝置運行安全可靠，尤其是它的起動方式和采用的勵磁調(diào)節(jié)方式較好。

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