高压同步电机变频调速技术及应用

励磁装置协调控制等。介绍了国产 MAXF 同步电机高压变频装置在活塞式空压机上的应用情况和取得的良
High Voltage Synchronous Motor Variable Frequency Speed Regulation Technology and Application
LIANG Anjiang， ZHANG Haiyan， LIU Yi， LI Jiangong （ Shanghai Power Equipment Research Institute， Shanghai 200240 ，China）
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此， 变频装置的输出端应具有在停机状态下 ， 抗短 时过电压的能力。
2MAXF 同ຫໍສະໝຸດ 电机变频装置基本原 理MAXF 变 频 装 置 采 用 若 干 个 脉 宽 调 制 （ PWM） 变频功率单元串联的方式， 实现直接高压 10 kV 输出。输入 10 kV 电网电压经过副边多重 化的隔离变压器降压后给功率单元供电， 功率单 元为三相输入、 单相输出的交 － 直 － 交 PWM 电 压源型逆变器结构， 实现变压变频的高压直接输 供给高压电动机。10 kV 变频调速装置每相 出， 由 8 个额定电压为 884 V 的功率单元串联而成， 输出相电压达 8 840 V， 每个功率单元分别由输入 变压器的一组副边供电， 功率单元之间及变压器 二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角 实现多重化， 以达到降低输入谐波电流的 形接法， 目的。装置系统框图如图 1 所示。
同步电机的调速是电气驱动领域的一大难 题， 从 20 世纪 30 年代后期， 人们就开始研究同步 电机的调速问题。20 世纪 70 年代， 随着交流电 机磁场定向控制理论的产生及其技术的推广应 用， 世界各大电气公司都投入大量人力 、 物力对交 期望将这一 流同步电机变频调速传动进行研究， 技术应用于高性能要求的轧机主传动及矿井提升 机传动中。迄今为止， 世界上已有上千套交流变 频装置应用于大功率同步电机调速系统 。除了矿 井提升机和轧机外， 高压大功率的交 － 直 － 交变 空压机及抽水蓄 频器也广泛应用于高炉鼓风机、 能电站的大型同步电机。 同步电机相对于异步电机来说， 最大的劣势 就是存在失步现象， 这也是制约同步电机应用变 频装置的主要原因。 若要使用变频调速， 则要求 ：（ 1 ） 变频装置必须解决以下问题 同步电机的起 动问题；（ 2 ） 同步电机调速期间和励磁装置的协 调问题， 防止正常调速期间同步电机失步 ；（ 3 ） 同
台运行 2 台备用， 并随着生产任务的调整， 人工调 节运行的台数。 平时由于生产工艺要求， 经常出 现运行空压机的回流阀打开， 造成大量电能浪费， 不仅操作人员劳动强度大， 而且常出现调节阀故 增加了阀门的维修工作量。 障， # 鉴于以上原因， 该公司决定对 2 合成循环空 压机进行变频调速改造， 该公司通过多方考察、 调 研， 最终选用上海发电设备成套设计研究院和上 海科达机电控制有限公司共同研制生产的同步电 机 高 压 变 频 调 速 装 置， 型 号 为 MAXF 1250 － 10000 /1250 。 3. 1 实施方案 同步电机变频调速系统改造用的变频调速装 置具有工频大旁路设计。 改造后， 原来工频方式 的所有操作和保护都不变， 只需分闸 QS1 和 QS2 ， 合闸 QF3 即可。设计时采用一个转换开关， 具有 工频方式和变频方式两位置。 将转换开关转至 “变频” 位置， 则变频装置旁路柜开关 QF3 分闸， QF2 合闸， 延时 2 s QF1 、 而且励磁系统的控制线 “工频 ” 路自动切至变频方式； 将开关转至 位置， QF2 分闸， 则变频装置旁路开关 QF1 、 延时 2 s QF3 自动合闸， 而且励磁系统控制线路自动恢复成工 频方式。具体系统原理图如图 2 所示。
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方式， 于 2002 年底， 研制出 1 250 kW /6 kV 高压 2003 年 7 月通过由上海市经济委 变频装置样机， 2003 年 9 月正式投入 员会主持的产品技术鉴定， 2005 年底又成功研制生产了国产最大容量 运行， 容量 5 000 kW， 已在宁夏某药业 高压变频装置， 有限公司成功投运。2006 年， 该公司开始着手研 2007 年 制容量 9 600 kW /10 kV 的高压变频装置， 初申请获得国家高技术研究发展计划 （ 863 计划 ） 专题课题。
摘 好效果。 关键词： 同步电机； 高压变频装置； 变频调速 中图分类号： TM 921. 51 ∶ TM 341 文献标志码：A 6540 （ 2010 ） 05004204 文章编号：1673要： 着重阐述了高压同步电动机变频调速工程应用技术上的难点及解决措施， 如同步电机起动、 与
梁安江， 张海燕， 柳
机转速， 然后停止变频装置输出即可。 减速过程 中， 在恒功率因数频率点以上运行， 励磁电流根据 在频率点以下范围运行， 采用 恒功率因数来调节， 变频变励磁电流方式运行。 运行期间若变频装置外系统出问题， 需要紧 急停机， 可以直接跳开高压侧输入开关 QF， 通过 高压开关辅助节点连跳励磁装置 。若变频装置系 统出问题要紧急停机时， 变频装置立刻停止输出， 通过故障信号跳开高压侧输入开关， 再通过高压 。 开关辅助节点连跳励磁装置 灭磁初期， 由于同步电机的主磁通无法突变 ， 在阻尼绕组上感应出很大电流， 此时旋转中的同 步电机定子端会出现较高的三相交流电压 。 因
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同步电机变频调速技术分析
同步电机与普通异步电机运行上主要的区别 电枢电压矢量与转子磁极位 是：同步电机运行时， 置之间的夹角 δ（ 功率角） 必须在 0 ～ 90° 范围内变 动， 否则将导致失步。因此， 同步电机变频调速时 必须时刻控制 δ 在允许的范围内变动， 而且在同 步电机起动时应采取和异步电机不同的方式 。以 下将简要介绍同步电机变频调速过程遇到的难点 及 MAXF 变频装置相应的解决措施。 1. 1 同步电机的起动 同步电机运行时， 对应于端压 U 的气隙合成 两者空间相距 δ 角、 同 总磁场拖着转子励磁磁场， 步旋转。但在转子静止条件下起动时， 两磁场间 ， 不能形成有效的电磁转矩 所以同步电机不能自 行起动， 必须采取起动措施。 通常同步电机起动 方法有： 辅助电动机起动、 异步起动和变频起动 等。 针对变频起动方法， 又有很多种方式， 有些同 步电机变频起动均采用先投励， 此时检测出转子 位置， 后根据此位置加入相应相位交流电起动。 该方式常会由于转子位置判断不正确导致电机起 动失败。MAXF 变频装置采用先异步软起动后顺 该方法可实现同步电机可靠起 极性投励的方法， 动。 对同步电机进行异步软起动， 实现额定起动 将同步电机起动到约 8 Hz 时进行顺极性投 力矩， 励， 电动机转子磁场和定子磁场间夹角经过小量 有阻尼振荡后， 电机转子磁极被定子磁极可靠吸 引， 同步电机进入同步运行状态。 具体所投励磁 大小及投励时频率可根据不同应用场合调试确 定。 变频装置按照预先设定的加速曲线， 逐渐加
Abstract： The difficulty of high voltage synchronous motor variable frequency speed regulation technology and solving measures were introduced，such as synchronous motor launch and coordinate with the excitation device control. The application of domestic MAXF synchronous motor inverter device in highpressure piston compressor，and have achieved better results were described. Key words： synchronous motor； highvoltage inverter； variable frequency speed regulation
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高压同步电机变频调速技术及应用
毅， 李建功 （ 上海发电设备成套设计研究院，上海 200240 ）
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引
言
步电机正常停机和故障灭磁问题 。 由于交流同步电动机在可靠性与维护量、 功 率因数、 电机尺寸与转动惯量、 弱磁比等方面有其 对于大容量电机， 例如工业应用上大 自身的优势， 功率的空气压缩机、 水泵、 煤炭与有色金属行业中 的大功率提升机和钢厂大容量轧钢机等均采用同 我国的高压同步电机大部 步电机驱动。 据统计， 分运行在低负荷区， 能耗大、 效率低， 会造成电力 是变频改造效益显著的用户。 实践 的大量浪费， 表明：同步电机应用高压大功率变频调速系统 ， 经 其可靠性也可得到保证。因此， 我国 济效益良好， 高压同步电机变频调速装置将来的市场前景良 好。 我国从 20 世纪 70 年代开始交流同步电机调 20 世纪 80 年代初已研制成功交 速技术的研究， － 交变频同步电机的试验样机， 但高压大功率交 流变频调速装置直到 20 世纪 90 年代后期才得到 发展。上海发电设备成套设计研究院自 1999 年 开始通过对国内、 外高压变频装置进行调研， 确立 了总的技术方案， 采取智能功率单元串联多电平
速到给定频率。在调速过程中， 端压 U 的气隙合 成总磁场和转子励磁磁场之间的夹角逐渐拉大到 某一常值， 电机转子磁极在气隙合成总磁场的吸 引下逐渐加速至期望转速。 通过大 量 MATLAB 仿真和工程实践经验， 得出： 针对重载起动的场 合， 为获得更大起动力矩， 可适当提高变频装置输 出电压和同步电机的励磁电流。 1. 2 同步电机调速 变频装置驱动同步电动机调速时， 为了解决 ， 变频装置和同步电机间的配合 电机速度改变， 同 时变频装置也会协同调节当前励磁电流大小 ， 以 及改变输 出 电 压 对 应 值 （ 不 是 简 单 的 恒 U / f 控 制） 。 在某一设定频率范围运行， 变频装置通过内 置 PID 控制器， 实时控制同步电动机的励磁电流 ， 实现恒功率因数方式调节； 在某一设定的频率范 励磁电流由变频装置根据当前运行 围内运行时， 工况， 输出 4 ～ 20 mA 信号给励磁调节器， 采用变 频变励磁电流方式调节。调节方式切换由变频装 置自动完成， 且调节方式的频率范围可以通过参 数设置。 同步电机调速瞬间， 气隙合成磁场和转子励 磁磁场间功率角 δ 会变动。同步电机功率角 δ 在 运行期间不能变化过大， 尤其不能让 δ > 90° ， 这 。 ， 样同步机将进入不稳定状态 因此 同步电机变 频调速时， 频率变化速率减小， 这样有利于系统工 作稳定。 1. 3 同步电机正常停机和故障灭磁 在正常停机时， 变频装置驱动同步电机至停
图1
MAXF 高压变频装置系统框图
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同步电机变频装置的现场应用
河南心连心化肥有限公司为国家百万吨化肥