高壓同步電機變頻調速技術及應用
梁安江， 張海燕，柳毅， 李建功
(上海發電設備成套設計研究院，上海200240)
摘要：著重闡述了高壓同步電動機變頻調速工程應片技術上的難點及解決措施，如同步電機起動、與勵磁裝置協調控制等。介紹了國產MAxF同步電機高壓變頻裝置在滔塞式空壓機上的應用情況和取得的良好效果。
關鍵詞：同步電機；高壓變頻裝置；變頻調速
中圖分類號：TM 921 51：TM 34l 文獻標志碼：A 文章編號：1673 6540(2010)05-0042 4
0 引 言
同步電機的調速是電氣驅動領域的一大難題，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生及其技術的推廣應用，世界各大電氣公司都投人大量人力、物力對交流同步電機變頻調速傳動進行研究，期望將這一技術應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，世界上已有上下套交流變頻裝置應用于大功率同步電機調速系統：除了礦井提升機和軋機外，高壓大功率的交一直一交變頻器也廣泛應用于高爐鼓風機、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，****的劣勢就是存在失步現象，這也是制約同步電機應用變頻裝置的主要原因。若要使用變頻調速，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)同步電機調速期間和勵磁裝置的協調問題，防止正常調速期問同步電機失步；(3)同步電機正常停機和故障滅磁問題。
由于交流同步電動機在可靠性與維護量、功率因數、電機尺寸與轉動慣量、弱磁比等方面有其自身的優勢，對于大容量電機，例如工業應用上大功率的空氣壓縮機、水泵、煤炭與有色金屬行業中的大功率提升機和鋼廠大容量軋鋼機等均采用同步電機驅動。據統計，我國的高壓同步電機大部分運行在低負荷區，能耗大、效率低，會造成電力的大量浪費，是變頻改造效益最著的用戶。實踐表明：同步電機應用高壓大功率變頻凋速系統，經濟效益良好，其可靠性也可得到保證。因此，我國高壓同步電機變頻調速裝置將來的市場前景良好。
我國從20世紀70年代開始交流同步電機調速技術的研究，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速裝置直到20世紀90年代后期才得到發展。上海發電設備成套設計研究院自1999年開始通過對國內、外高壓變頻裝置進行調研，確立總的技術方案，采取智能功率單元串聯多電平方式，于2002年底，研制1 250 kW／6 kV高壓變頻裝置樣機，2003年7月通過由上海市經濟委員會主持的產品技術鑒定，2003年9月正式投入運行，2005年底又成功研制生產了國產最火容量高壓變頻裝置，容量5 000 kw，已在寧夏某藥、有限公司成功投運。2006年，該公司開始著手研制容量9 600 k／lO kV的高壓變頻裝置，2007年初申請獲得國家高技術研究發展計劃(863計劃)專題課題。
1 同步電機變頻調速技術分析
同步電機與普通異步電機運行上主要的區別是：同步電機運行時，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角δ(功率角)必須在O～90。范圍內變動，否則將導致失步。因此，同步電機變頻調速時必須時刻控制δ在允許的范圍內變動，而且在同步電機起動時應采取和異步電機不同的方式。以F將簡要介紹同步電機變頻調速過程遇到的難點及MAXF變頻裝置相應的解決措施。
1．1同步電機的起動
同步電機運行時，對應于端壓u的氣隙合成總磁場拖著轉于勵磁磁場，兩者空間相距δ角、步旋轉。1=f=l在轉子靜止條件下起動時，兩磁場問不能形成有效的電磁轉矩，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，此時檢測出轉子位置，后根據此位置加入相應相位交流電起動。該方式常會由于轉子位囂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，該方法可實現同步電機可靠起動。
對同步電機進行異步軟起動，實現額定起動力矩，將同步電機起動到約8 Hz時進行順極性投勵，電動機轉子磁場和定子磁場間夾角經過小量有阻尼振蕩后，電機轉子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進入同步運行狀態。具體所投勵磁大小及投勵時頻率可根據不同應用場合調試確定。
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