陳廣書

（山東濟煉石化工程有限公司，山東濟南 250101）

1 概述

隨著煉油企業(yè)精制、改質(zhì)、催化、裂化等項目的增加，越來越多的防爆無刷勵磁同步電動機被廣泛使用。由于應(yīng)用的同步電動機的功率越來越大，為了降低同步電機在啟動過程中對電網(wǎng)的沖擊，減少同步電機啟動過程中對電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的干擾，對防爆無刷勵磁同步電機啟動過程要求也越來越高。

目前大電機的啟動方式大致可分為以下幾種，全壓直接啟動，電抗器降壓啟動，自耦變壓器啟動，變壓器-電動機組啟動，降壓軟啟動（主要是固態(tài)軟啟動），變頻軟啟動。各種啟動方式都有其優(yōu)缺點及適用范圍。電動機啟動順序的選擇也是優(yōu)先按照全壓直接啟動，電抗器降壓啟動，自耦變壓器啟動，變壓器-電動機組啟動，降壓軟啟動（主要是固態(tài)軟啟動），變頻軟啟動順序進行。

目前同步電動機啟動方式主要有異步啟動和變頻啟動。異步啟動是同步電動機常用的啟動方式，視供電系統(tǒng)容量采用全壓啟動或降壓啟動，待轉(zhuǎn)速到亞同步速時投入勵磁。變頻啟動需要一套專用變頻電源，同時對控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)要求較高，但是隨著同步電動機功率越來越大，以及受用戶電網(wǎng)的限制，目前對采用變頻方式進行啟動的無刷勵磁同步電動機需求也越來越多。

但是變頻電源的輸出電流能力通常只有電機額定電流的1.5倍，這種啟動方式若采用異步啟動時間過長且不好控制，導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)中的滅磁電阻因長時間通電而導(dǎo)致表面溫度超出防爆標準，甚至過熱燒毀，并且異步啟動過程中滑差的大小存在不確定性，啟動電流可能超過變頻電源的許用能力，損壞變頻電源。所以對于無刷勵磁同步電動機采用變頻異步啟也有其局限性。

關(guān)于勵磁方式，常規(guī)的直流勵磁方式（勵磁機的定子勵磁方式為直流勵磁）在電機初始啟動時由于轉(zhuǎn)速為零（勵磁機的電樞電壓無法建立）而不能為主電機提供勵磁。通行的做法為將勵磁方式改為交流，勵磁機定轉(zhuǎn)子均為交流繞組，勵磁裝置輸出電壓可調(diào)的三相交流電至勵磁機定子，在電機初始啟動時利用變壓器效應(yīng)將電能傳輸至勵磁機轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)三相可控硅整流后，為主電機提供有效勵磁電源。

2 同步電動機啟動方案的選擇與配置

2.1 啟動方案選擇

某海外項目全廠電源無外接電網(wǎng)，孤網(wǎng)運行，電廠配置4臺60MW 機組。常減壓裝置同步電機7 350kW，10kV，額定電流486A，功率因數(shù)0.9（超前），效率0.97，Ks=4.369，變壓器一次側(cè)短路容量203MVA。電機驅(qū)動負載類型為往復(fù)式壓縮機。經(jīng)過計算在最大運行方式下采用直接啟動時母線和機端電壓降均小于規(guī)范要求。當(dāng)采用固態(tài)軟啟，該啟動方式的啟動電流倍數(shù)為3倍額定電流，無法滿足啟動要求。所以最終選擇變頻啟動，啟動電流倍數(shù)為1.5倍額定電流。當(dāng)采用變頻異步啟動時，和異步電動機變頻啟動特性一樣，其啟動容量也無法滿足要求。最終選擇啟動方式采用變頻同步軟起交流勵磁。

同步軟啟動性能曲線如圖1所示，粗實線為啟動轉(zhuǎn)矩曲線，細實線為負載阻力矩曲線，圖中在起始階段啟動轉(zhuǎn)矩滿足啟動要求，具有良好的啟動性能。

圖1 同步電動機軟起性能曲線

同步軟啟動系統(tǒng)配置主要包括：10kV 變頻器（4 000kVA），同步電動機，交流勵磁機，交流勵磁柜。該方案的一次接線圖如圖2所示：L1，L2為電機旁路斷路器，KD1，KD2，V1，V2為變頻器回路斷路器，K11，K12為變頻回路交流接觸器。

圖2 同步軟起啟動方案一次接線圖

其中，變頻器與勵磁柜之間的主要二次接線見圖3，具體接口信號包括：

（1）勵磁就緒。勵磁裝置在檢測到變頻器發(fā)出的投勵命令后，勵磁繼電器吸合。

（2）勵磁故障輸出。當(dāng)勵磁裝置檢測到裝置內(nèi)部或外部輸入信號異常時接點吸合，該接點信號僅用于報警。

（3）勵磁事故輸出。勵磁裝置檢測到裝置內(nèi)部或外部輸入信號異常而導(dǎo)致必須停機的致命故障時接點吸合。該接點信號用于事故停機，變頻器在檢測到接點吸合時應(yīng)立即停機。

（4）勵磁運行輸出。當(dāng)勵磁投入且檢測到勵磁電流上升至設(shè)定值（可整定）后時接點吸合，勵磁滅磁結(jié)束后接點斷開。

（5）變頻器故障輸入。從變頻器來的無源干接點信號，在變頻器故障禁止勵磁投入時由變頻器控制接點吸合。在勵磁未投勵時該接點吸合將導(dǎo)致勵磁就緒輸出接點釋放，在勵磁投勵時該接點吸合則導(dǎo)致緊急滅磁。

（6）勵磁起?？刂戚斎?。從變頻器來的無源干接點信號，與勵磁控制4～20mA 信號輸入的電流值共同決定勵磁是否投入。

（7）勵磁控制4～20mA 輸入。變頻器對勵磁裝置的投勵/滅磁控制及對勵磁電流大小的調(diào)節(jié)都通過勵磁控制 4～20mA信號。

（8）機組轉(zhuǎn)速4～20mA 輸入。機組轉(zhuǎn)速信號用于勵磁裝置測量并顯示機組轉(zhuǎn)速，并用于計算勵磁機定子過電壓限制器的動態(tài)定值；在勵磁調(diào)節(jié)器的配置清單中設(shè)有可整定的“轉(zhuǎn)速輸入滿度（20mA）轉(zhuǎn)速值” 定值，該參數(shù)定義了機組轉(zhuǎn)速4～20mA 信號的滿度值 20mA 與機組轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 啟動過程分析

該同步電機的啟動邏輯為：接到電機啟動信號后，變頻控制器自檢無故障后向勵磁機發(fā)出指令，使勵磁機就緒，交流勵磁機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流，并通過整流盤整流后給主機轉(zhuǎn)子勵磁，主機轉(zhuǎn)子在接到直流勵磁電流后產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)子磁場；變頻器產(chǎn)生低頻交流，并在主機定子內(nèi)形成低頻旋轉(zhuǎn)磁場。由于轉(zhuǎn)子此時已經(jīng)建立磁場，在電磁力的影響下，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速逐漸上升。

由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上升，交流勵磁機的轉(zhuǎn)差率提高，感應(yīng)電流變大，對應(yīng)的主機轉(zhuǎn)子勵磁電流也會增加。為了防止主機轉(zhuǎn)子勵磁電流過大，此時變頻控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速的提高，降低勵磁機定子電壓。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高，定子電壓達到額定電壓，啟動完成。對照圖1，具體過程如下：勵磁就緒后且主電機旁路斷路器L1處于斷開，變頻器回路接觸器K11閉合，斷路器KD1閉合，變頻器確認斷路器KD1已閉合，交流接觸器K12閉合，在工藝允許情況下閉合斷路器V1，將斷路器V1狀態(tài)反饋變頻器，之后變頻器發(fā)出指令啟動勵磁，勵磁已啟動信號反饋給變頻器，變頻器通過4～20mA 信號反饋給勵磁柜調(diào)節(jié)勵磁電流大小，啟動完成后變頻器發(fā)出信號閉合L1，斷開V1，勵磁不再跟蹤4～20mA 信號，復(fù)位勵磁啟動信號，勵磁轉(zhuǎn)入工頻運行，整個啟動過程完成。當(dāng)需要停機時，旁路斷路器L1分閘，工頻定子電流小于額定電流5%時正常停機滅磁，當(dāng)大于5%額定電流時，自動調(diào)節(jié)勵磁電流小于5%額定電流，正常滅磁。

本項目用電機驅(qū)動負載類型為往復(fù)式壓縮機，電機采用變頻同步啟動，對于異步電動機而言，采用變頻啟動在額定頻率以下為恒轉(zhuǎn)矩啟動，而相對同步電動機而言，在額定頻率以下其啟動轉(zhuǎn)矩與勵磁電流呈線性關(guān)系，其啟動轉(zhuǎn)矩可根據(jù)初始施加的勵磁電流大小進行調(diào)整。

圖3 變頻器與勵磁柜接口信號

3 結(jié)論

隨著煉化企業(yè)向大型化發(fā)展，越來越多的同步電動機投入運行通過以上分析，對于大型同步電動機采用同步軟起交流勵磁方式，相比其他啟動方式有很好的啟動性能，對電網(wǎng)的沖擊最小，采用交流勵磁在電機初始啟動時能為主電機提供有效勵磁電源，無須換向器，尤其是處于孤網(wǎng)運行或容量不大的煉化企業(yè)，該啟動方式是較好的選擇。