高压变频器在水厂同步电动机上的应用

1.引言
　　大功率低速负载，如磨机、往复式压缩机等，使用多极同步电动机可以提高系统功率因数，更可以省去变速机构，如齿轮变速箱，降低系统故障率，简化系统维护。
　　同步电机物理过程复杂、控制难度高，高压同步电机调速系统必须安装速度/位置传感器，增加了故障率，系统可靠性较低。
　　单元串联多电平型变频器具有成本低，网侧功率因数高，网侧电流谐波小，输出电压波形正弦、基本无畸变，可靠性高等特点，高压大容量异步电机变频调速领域取了非常广泛应用。将单元串联多电平型变频器应用于同步电动机将有效提高同步电机变频调速系统可靠性，降低同步电机变频改造成本，提高节能改造带来效益，同时也为单元串联多电平型变频器打开一个广阔新市场。利德华福技术人员大量理论分析、计算机仿真和物理系统实验，解决了同步电机起动整步等关键问题，已于2006年4月底成功将单元串联多电平型高压变频器应用于巨化股份公司合成氨厂1000kW/6kV同步电动机上。以下将简要介绍实际应用中主要技术问题。
　　2.同步电动机工频起动投励过程
　　更好说明同步电机运行特点，先对同步电机工频起动投励过程进行简要介绍。
　　电网电压直接驱动同步电机工频运行时，同步电动机起动投励是一个比较复杂过程。当同步电机电枢绕组高压合闸时，高压断路器辅助触点告知同步电机励磁装置准备投励。此时，励磁装置自动同步电机励磁绕组上接入一个灭磁电阻，止励磁绕组上感应出高压，同时起动时提供一部分起动转矩。同步电机电枢绕组上电后，起动绕组和连有灭磁电阻励磁绕组共同作用下，电机开始加速。当速度到达95%同步转速时，励磁装置励磁绕组上感应电压选择合适时机投入励磁，电机被牵入同步速运行。同步电机凸极效应较强、起动负载较低，则励磁装置找到合适投励时机之前，同步电机已经进入同步运行状态。这种情况下，励磁装置将延时投励准则进行投励，即高压合闸后15秒强行投励。
　　3.变频器驱动同步电动机时起动整步过程
　　用变频器驱动同步电机运行时，使用与上述方式不同起动方式：带励起动。
　　变频器向同步电机定子输出电压之前，即启动前，先由励磁装置向同步电机励磁绕组通以一定励磁电流，然后变频器再向同步电机电枢绕组输出适当电压，起动电机。
　　同步电机与普通异步电机运行上主要区别是同步电机运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间夹角必须某一范围之内，否则将导致系统失步。电机起动之初，这二者夹角是任意，必须适当整步过程将这一夹角控制到一定范围之内，然后电机进入稳定同步运行状态。，起动整步问题是变频器驱动同步电动机运行关键问题。
　　变频器驱动同步电动机起动整步过程主要分为以下几个步骤：
　　第一步，励磁装置投励。励磁系统向同步电机励磁绕组通以一定励磁电流，同步电机转子上建立一定磁场。
　　第二步，变频器向同步电机电枢绕组施加一定直流电压，产生一定定子电流。此时，同步电机上产生一定定子电流，并定子上建立较强磁场。转子定、转子间电磁力作用下开始转动，使转子磁极逐渐向定子磁极异性端靠近。此时转子转动方向可能与电机正常运行时转向相同，也可能相反。
　　第三步，变频器电机正常运行时转动方向，缓慢旋转其施加电枢绕组上电压矢量。同步电机转子转动和定子磁场旋转，转子磁极将某一时刻掠过定子异性磁极，转子磁极加速追上旋转定子磁极。此时，电机转子磁极被较强定子磁极可靠吸引，二者间角度少量有阻尼震荡后，逐渐趋于一个较小常量。至此，同步电机进入同步运行状态，整步过程完成。
　　第四步，变频器预先设定加速度和V/F曲线（即磁通给定），调节输出电压，逐渐加速到给定频率。此时，同步电机转子角逐渐拉大到某一常值，然后电机转子磁极定子磁场吸引下逐渐加速至期望转速，同步电机起动过程完成。
　　同步电机起动整步过程中，定、转子磁势大小选择和各步骤间切换是控制关键问题。选择过低定子磁场，则定子磁极无法第一次转子异性磁极时，将其可靠吸牢，此后转子同性磁极间斥力反向加速作用，下一次定子磁极时，二者将具有更大相对速度，定子磁场更加无法有效牵引转子磁极，最终将导致起动整步失败。选择过大定子磁场可能导致同步电机定子铁心饱和，进一步导致变频器输出过电流，电机起动失败。
　　较为典型同步电机起动过程如下图所示。
　　


　　
　　4.变频器驱动同步电动机稳态运行与运行时励磁调节
　　变频器驱动同步电机时使用无需安装速度/位置传感器控制方法，而变频器输出波形为多电平PWM波形，与控制异步电机时波形相同，运行过程中，变频器可以完全等效于一个正弦电压源，无转矩脉动，具有较高可靠性。
　　同步电机无功电流仅电机和变频器间流动，不进入电网，无须对电机励磁电流进行精确控制。一般可电机运行典型工况下，手动调节其励磁电流，使变频器输出电流最小，输出功率因数近似为1，然后调速运行过程中维持该电流不变即可。需要运行时实时调整励磁电流工况，变频器可以实测其输出给同步电机无功功率，向励磁装置下达励磁给定信号，调整励磁电流。
　　5.同步电动机故障灭磁
　　正常停机时，变频器先驱动同步电机减速至停机转速，然后停止向电机电枢绕组输出电压。该转速下，最大励磁电流同步电机定子侧感应电压低于变频器输出侧长时间耐受电压，电机之后自由滑行过程中，维持励磁电流不会对设备造成危害，不需要即时灭磁。
　　遇到故障时，仅停止向其电枢绕组供电，而维持其励磁电流，则旋转中同步电机将持续向其定子侧发出三相交流电压，危害设备安全，并可能造成事故扩大。遇到严重故障需要停机时，变频器必须通知励磁装置进行灭磁。
　　同步电机灭磁物理过程如下：
　　灭磁之初，励磁装置作用下同步电机励磁电流迅速下降，但同步电机主磁通无法突变，阻尼绕组（起动绕组）上随即感应出较大电流，此时旋转中同步电机向其定子机端（即变频器输出端）发出较高三相交流电压。随后，阻尼绕组上电流阻尼绕组内阻上逐步衰减为零，同步电机发出定子电压也随之逐步衰减。这一衰减过程一般为数秒钟，变频器输出端必须具有停机状态下承受短时过电压能力。
　　6.巨化股份公司合成氨厂现场应用情况简介
　　巨化股份公司合成氨厂始建于1959年，是浙江省重要化肥生产基和最大甲醇、甲醛生产厂。此次进行变频改造是尿素车间1号CO2活塞式压缩机，其相关参数如下：
　　


　　
　　驱动压缩机是一台1000kW/6kV同步电动机，其相关参数如下：
　　


　　
　　变频器选用利德华福 HASVERT-S06/130同步电机变频调速系统，旁路方案选用一拖一手动旁路柜，如下图所示。
　　


　　
　　工频运行时，QS1、QS2断开，QS3闭合，同步电机起动、运行、停车过程原有逻辑进行。
　　变频运行时，QS3断开，QS1、QS2闭合，变频器上电时，断路器QF闭合，约15秒延时后，励磁装置向同步电机投入励磁电流，然后从现场向变频器下达“启动”命令，变频器预设逻辑向同步电机输出电压，同步电机起动。
　　变频停机时，从现场向变频器下达“停机”命令，变频器驱动同步电机减速至停机频率，然后停止输出电压。最后现场分断断路器QF，由其辅助触点通知励磁装置灭磁，灭磁完成后关闭励磁装置电源。
　　遇到故障时，变频器停止电压输出同时，立即分断断路器QF，由其辅助触点通知励磁装置立即灭磁。
　　7.小结
　　单元串联多电平型变频器同步电动机上应用成功实现，扩展了高压变频器产业应用领域，也扩大了国家能源节约政策实现途径，为我国建设节约型社会提供了更多技术保障。