彭彤勇，周艷，孫鑫

（1.中航長沙設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

在國內(nèi)某大型航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)的試驗(yàn)臺氣源系統(tǒng)中，選用了2臺大型空壓機(jī)，其拖動電機(jī)為14680kW的同步電動機(jī)。該型電機(jī)運(yùn)行過程不需要調(diào)速，啟動方式的選擇成了電氣技術(shù)焦點(diǎn)。目前國內(nèi)常用的大型電機(jī)啟動方式為變頻器軟啟動和固態(tài)降壓軟啟動，變頻器軟啟動又分為VSI電壓疊加型變頻器和LCI晶閘管負(fù)載換流型變頻器2種主要形式。經(jīng)過前期方案分析比選，考慮到電網(wǎng)容量、電機(jī)勵磁方式等因素，最后為這2臺大型同步電機(jī)選擇了LCI晶閘管負(fù)載換流型變頻器一拖二的變頻啟動方式。電機(jī)生產(chǎn)廠商為ABB公司，變頻器的供應(yīng)商也選擇了ABB公司。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 電源電網(wǎng)情況

該企業(yè)的園區(qū)建有一處主變電站，共2臺220kV/10kV、63MW的主變壓器，出線電壓等級為10kV。220kV接線采用一線帶兩變接線形式，1回電纜進(jìn)線。10kV接線采用單母線4分段，220/10kV主變每臺主變帶2段母線，共4段母線。

1.2 電機(jī)的參數(shù)

電機(jī)類型：同步電動機(jī)。

工作制：S1；定子方式：星形；相數(shù)：3相。

額定功率：14680kW；額定電壓：10000±5%V。

定子電流：861A；定子極數(shù)：4極；額定頻率：50Hz；額定轉(zhuǎn)速：1500rpm；額定效率：98.46%。

2 變頻啟動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

在前期設(shè)備論證階段，首先考察了10kV固態(tài)軟啟動裝置?？紤]到受到220/10kV主變?nèi)萘肯拗疲虘B(tài)軟啟動3.5倍左右的啟動電流對10kV母線的沖擊較大；國產(chǎn)固態(tài)軟啟動裝置超過10MW的應(yīng)用案例較少，可靠性無法驗(yàn)證；國外的固態(tài)軟啟動也無法獲得有效技術(shù)支持和成熟案例；經(jīng)過和業(yè)主的多次協(xié)商，決定采用10kV變頻啟動裝置；世界上的10kV變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)各種拖動設(shè)備的要求，因而在各項(xiàng)性能指標(biāo)和適用范圍上也各有差異。

根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)而將高壓變頻器分為兩大類：（1）無直流環(huán)節(jié)的變頻器，即交—交變頻器；（2）有直流環(huán)節(jié)的變頻器稱為交—直—交變頻器。

其中直流環(huán)節(jié)采用大電感以平抑電流脈動的變頻器稱為電流源型變頻器，直流環(huán)節(jié)采用大電容以抑制電壓波動的變頻器則稱為電壓源型變頻器。同步機(jī)變頻啟動裝置工況特殊，目前國內(nèi)相關(guān)行業(yè)已投入運(yùn)行的變頻系統(tǒng)主要有負(fù)載換向型變頻器(LCI)和單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器（VSI）兩種類型。

負(fù)載換向型變頻器(LCI)的特點(diǎn)：LCI采用技術(shù)可靠的低壓可控硅元器件和升降壓變壓器組成的軟啟動系統(tǒng)，可控硅元器件質(zhì)量可靠，耐壓性好，電流裕量充足，保證了系統(tǒng)的高可靠性。簡單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了元器件使用數(shù)量，從而降低了故障概率；LCI適用于大功率同步電機(jī)的高速高頻場合，可實(shí)現(xiàn)近似于直流電機(jī)的調(diào)速特性（無換向器電機(jī)），可省去維護(hù)困難的機(jī)械式換向器和電刷。功率范圍可達(dá)100MW以上，轉(zhuǎn)速可以大于7000r/m，電壓范圍可達(dá)1～23kV。負(fù)載換向型變頻器的頻率控制與負(fù)載的運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)，不會出現(xiàn)變頻器輸出失敗的情況。西門子、ABB公司都有LCI產(chǎn)品解決方案。

單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器（VSI）的特點(diǎn)：功率器件IGBT串聯(lián)型變頻器，此種變頻器采用多個功率單元串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)中壓變頻，采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式直接實(shí)現(xiàn)高壓輸出，無需輸出變壓器。輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲。多單元串聯(lián)有良好廣泛的適用性，多單元串聯(lián)元器件均為模塊化設(shè)計，維護(hù)時直接更換。其功率范圍一般為1～20MW，電壓范圍可達(dá)10kV。此原理的一些變頻器輸出的健康狀態(tài)依賴于對電機(jī)工況的檢測,電機(jī)側(cè)一般會安裝測速編碼器。目前西門子、ABB、施耐德、艾默生等公司均有VSI型變頻器，可在國內(nèi)生產(chǎn)組裝。通過對LCI和VSI兩種主要的10kV變頻器進(jìn)行技術(shù)調(diào)研和設(shè)備論證，考慮到已訂購的同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)與LCI變頻系統(tǒng)有完善的控制聯(lián)鎖體系和類似應(yīng)用案例，如果采用VSI變頻系統(tǒng)需要對同步電機(jī)的勵磁系統(tǒng)做局部調(diào)整，最終建議業(yè)主選用了LCI變頻器。LCI變頻啟動系統(tǒng)的一次接線圖如圖1。

圖1 一次接線圖

2.2 設(shè)備選型

本系統(tǒng)為一套軟啟動裝置，啟動2臺同步電機(jī)，同步電機(jī)由變頻器啟動，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速后，變頻器退出，切換至工頻運(yùn)行。全套設(shè)備包括輸入變壓器、輸入變壓器、變頻器、變頻輸入開關(guān)柜ICB、變頻輸出開關(guān)柜SCB1和SCB2、工頻輸入開關(guān)柜RCB1和RCB2，以及電機(jī)配套提供的勵磁柜MCP1和MCP2。變頻器設(shè)備本身帶PLC控制器，負(fù)責(zé)整套變頻啟動設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)。按設(shè)備廠提供的數(shù)據(jù)，變頻器容量約為電機(jī)容量的35%即可滿足啟動要求，本工程選擇了一套5600kVA的變頻器，變頻器輸入電壓和輸出電壓均為3.46kV。輸入變壓器為雙繞組干式變壓器，電壓10/3.46kV，容量8100kVA，接線組別為YnD。輸出變壓器為雙繞組干式變壓器，電壓3.46/10kV，容量7830kVA，接線組別為Dy5。ICB、SCB和RCB開關(guān)柜均為標(biāo)準(zhǔn)KYN28-12型開關(guān)柜，采用VD4真空斷路器。RCB1、RCB2配置帶電動機(jī)差動的繼電綜合保護(hù)器，ICB配置變壓器保護(hù)繼電綜合保護(hù)器。

2.3 啟動過程設(shè)計

（1）啟動過程描述如下（以啟動1號電機(jī)為例）：①將SCB1合閘，選擇1號電機(jī)待啟動。②同步電機(jī)的啟動和同步由變頻器SFC控制。變頻器的PLC控制器在收到必要的狀態(tài)信號后，將變頻器輸入變壓器端的ICB斷路器合閘，開始變頻啟動。③變頻器按設(shè)定轉(zhuǎn)矩曲線將電機(jī)加速到99%額定轉(zhuǎn)速。④同步裝置開始運(yùn)行，給變頻器SFC發(fā)電壓和電流調(diào)整信號。⑤變頻器SFC調(diào)整轉(zhuǎn)速，將同步裝置的電壓和頻率調(diào)整信號發(fā)給MCP1勵磁裝置。⑥達(dá)到同步條件后，變頻器SFC將RCB1合閘。⑦變頻器SFC封鎖晶閘管脈沖，將變頻電流降到零。⑧變頻器SFC將ICB分閘，將SCB1分閘。⑨電機(jī)工頻運(yùn)行。

（2）由變頻器廠家提供的啟動特性曲線如圖2。

圖2 啟動特性曲線

圖中方塊記號的曲線為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩曲線，星形記號的曲線為負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線，虛線曲線為啟動時間。變頻啟動過程總的啟動時間約為79s，其中包括電機(jī)啟動之前約5s的磁場建立時間，圖2所示44s的啟動時間，和同步裝置開始工作后約為30s的同步時間。

（3）啟動過程中，需要變頻器SFC控制器、電機(jī)MCP勵磁控制柜、空壓機(jī)UCP控制柜和FCS廠房集中控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，梳理各設(shè)備控制器之間的邏輯關(guān)系，分析啟動命令執(zhí)行時序，形成完整的端子接線表和啟動邏輯控制表。變頻啟動過程中的具體時序控制如下：

1)變頻器關(guān)閉。①勵磁母線電壓正常；②UPS母線電壓正常；③空壓機(jī)UCP自檢正常。2)啟動準(zhǔn)備。①設(shè)備初始化正常；②自動復(fù)位關(guān)閉；③FCS給出外部指令，RCB1差動保護(hù)關(guān)閉；④斷路器狀態(tài)：SCB1/SCB2分閘；ICB分閘；RCB1/RCB2分閘；⑤FCS給出外部指令，SCB1合閘。3)勵磁啟動。①空壓機(jī)UCP發(fā)啟動信號至SFC；②SFC發(fā)指令，ICB合閘；③SFC發(fā)啟動命令至MCP1；④MCP1發(fā)啟動中狀態(tài)信號至FCS。4)電機(jī)啟動。①SFC發(fā)勵磁電流設(shè)定值至MCP1；②MCP1發(fā)勵磁電流運(yùn)行至至SFC；③電機(jī)開始加速；④MCP1按設(shè)定曲線調(diào)節(jié)勵磁電流；⑤電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的99%。5)同步。①SFC調(diào)整電壓/頻率；②SFC將同步狀態(tài)的電壓/頻率信號至MCP1；③同步狀態(tài)完成；④MCP1發(fā)指令，RCB1合閘；⑤延時1s；MCP1發(fā)指令，SCB1分閘。6)啟動結(jié)束。① MCP1發(fā)啟動結(jié)束信號至FCS；②FCS發(fā)指令，ICB分閘；③FCS給出外部指令，RCB1差動保護(hù)開啟。

3 系統(tǒng)調(diào)試問題及解決方案

本工程變頻啟動設(shè)備的調(diào)試過程經(jīng)歷了約2周時間。調(diào)試過程中經(jīng)歷了電流信號異常、差動保護(hù)異動、勵磁電流異常等故障情況，經(jīng)過對二次線路的核查及控制設(shè)定值的調(diào)整，解決了所有問題。目前該工程已順利投產(chǎn)。經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，大型同步電機(jī)LCI變頻啟動有以下幾條需要注意的事項(xiàng)：

（1）啟動起始的SCB合閘指令為2臺電機(jī)的選擇指令，可由機(jī)組UCP給出，也可由FCS給出，經(jīng)分析，選擇了FCS指令，控制流程更短可靠性較高。

（2）根據(jù)變壓器廠給出的變壓器勵磁曲線，輸入降壓變壓器約5倍的勵磁涌流，輸出升壓變壓器約18倍的勵磁涌流。變頻輸入開關(guān)柜的ICB斷路器過電流保護(hù)整定計算中，我們分析了啟動過程，輸出變壓器前端的晶閘管導(dǎo)通角由零逐步增大，不需要考慮其勵磁涌流。決定按輸入變壓器的勵磁涌流進(jìn)行ICB的保護(hù)整定，運(yùn)行情況正常。

（3）系統(tǒng)的10kV電源來自總站的2臺220/10kV變壓器。為避免同步過程中出現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)電壓/頻率同步的故障，我們將3段10kV進(jìn)線均調(diào)整到同一臺220/10kV主變供電。

（4）RCB工頻開關(guān)柜斷路器設(shè)置差動保護(hù)器。兩組差動保護(hù)CT必須與規(guī)格型號完全一致。為避免在同步轉(zhuǎn)換過程中的誤動作，在啟動程序開始之前將RCB的差動保護(hù)器閉鎖關(guān)閉，啟動完成后再將差動保護(hù)投入。

4 結(jié)語

通過本工程中對大型同步電機(jī)變頻啟動系統(tǒng)的設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行調(diào)試，分析比較了10kV同步電機(jī)的各種啟動方式的特點(diǎn)，總結(jié)了LCI變頻啟動系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)，分析了啟動流程和啟動控制時序，并對系統(tǒng)調(diào)試中遇到的技術(shù)問題提出了解決方案。在設(shè)計中考慮了系統(tǒng)電網(wǎng)和已有設(shè)備的具體要求，保證了啟動過程的順利投產(chǎn)和可靠性。從實(shí)踐角度來看，本次同步電機(jī)變頻啟動的設(shè)計是成功的，自建成調(diào)試投產(chǎn)以來，多次啟動運(yùn)行均效果良好，且對系統(tǒng)電網(wǎng)未造成明顯沖擊和不良影響，保證了企業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)任務(wù)的順利進(jìn)行。