1、引言
由于交流同步電機（簡稱同步電機）在可靠性與維護量、功率因數(shù)、電機尺寸與轉(zhuǎn)動慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢，對于大容量電機，世界各國已基本趨向于使用同步電機。比如工業(yè)應(yīng)用上大功率空氣壓縮機、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)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(qū)動。
交流同步電機的調(diào)速是電氣驅(qū)動領(lǐng)域的一大難題，我國從20世紀(jì)70年代開始進行交流同步電機調(diào)速技術(shù)的研究，80年代初已研制成功交—交變頻同步電機的實驗樣機，但大功率交流變頻調(diào)速裝置直到90年代后期才得到發(fā)展。
目前國產(chǎn)大功率變頻裝置成功應(yīng)用于同步電機的實例很少，都是國外品牌一統(tǒng)天下。目前我國大型同步電機應(yīng)用變頻調(diào)速雖然剛剛起步，但國外已經(jīng)廣泛使用。通過他們長期的運行實踐表明：應(yīng)用高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟效益良好、其可靠性也可以得到保證。因此我國高壓同步電機變頻調(diào)速裝置將來的市場前景巨大。
上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院電氣所自1999年開始通過對國內(nèi)外高壓變頻裝置進行廣泛的調(diào)研，同時收集資料進行比較，確立了總的技術(shù)方案，采取單元串聯(lián)多電平方式。經(jīng)過幾年不懈努力，2002年底1250kw/6kv高壓變頻裝置樣機研制成功，2003年7月通過由上海市經(jīng)委主持的產(chǎn)品技術(shù)鑒定。2003年9月正式投入運行，產(chǎn)品一經(jīng)推出，獲得諸多榮譽。2005年底，我公司成功研制生產(chǎn)了國產(chǎn)最大容量高壓變頻裝置，容量5000kw，在寧夏多維藥業(yè)有限公司成功投運。2006年，我公司開始著手研制容量9600kw/10kv的高壓變頻裝置，2007年初已成功申請獲得國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）專題課題。目前公司已成功研制出maxf同步電機高壓變頻調(diào)速裝置，于2007年10月在河南心連心化肥有限公司空壓機同步電機上成功投運。
2、同步電機變頻調(diào)速技術(shù)的難點分析
同步電機與普通異步電機運行上主要的區(qū)別是同步電機在運行時，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。因此同步電機變頻調(diào)速時必須時刻控制這一夾角在允許的范圍內(nèi)變動，這一點就是同步電機變頻和異步電機變頻的主要區(qū)別。以下將簡要介紹同步電機變頻調(diào)速過程遇到的難點及maxf變頻裝置相應(yīng)解決措施：
（1）同步電機的啟動投勵過程
通常同步電機啟動有兩種方式：一種先投勵，同步啟動；一種異步啟動，后順極性投勵。對于同步電機變頻啟動均采用先投勵，同步啟動，但常會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置判斷不正確導(dǎo)致電機啟動失敗。針對同步電機變頻調(diào)速改造，很容易采用異步啟動，順極性投勵方式，所以maxf變頻裝置對同步電機進行異步軟啟動，實現(xiàn)額定啟動力矩，將同步電機啟動到8hz左右進行順極性投勵，具體所投勵磁大小及投勵時頻率可以根據(jù)不同應(yīng)用場合調(diào)試確定。至此，電動機轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場間夾角經(jīng)過小量有阻尼震蕩后，電機轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進入同步運行狀態(tài)。變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機起動過程完成。針對要求重載啟動的工況，為了啟動力矩更大，可以適當(dāng)提高變頻裝置輸出電壓和同步電機的勵磁電流。
（2）同步電機穩(wěn)態(tài)調(diào)速和勵磁調(diào)節(jié)過程
變頻器驅(qū)動同步電機調(diào)速時，為了解決變頻裝置和同步電機間的配合，電機速度改變同時變頻裝置也會協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)前勵磁電流大小和改變輸出電壓對應(yīng)值（不是簡單的恒v/f控制）。在某一設(shè)定頻率點以上范圍運行，變頻器采集同步電機功率因素，通過內(nèi)置pid控制器實時控制同步電動機的勵磁電流，實現(xiàn)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，功率因數(shù)0.90(超前)，變頻器通過發(fā)4～20ma指令給同步電機的勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)勵磁電流；在此頻率以下范圍運行時，勵磁電流由變頻器根據(jù)當(dāng)前運行工況，輸出4～20ma信號給勵磁調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)，采用變頻變勵磁電流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方式切換由變頻器自動完成，而且調(diào)節(jié)方式的切換點頻率可以通過參數(shù)設(shè)置。加裝變頻器后，同步電動機的無功電流僅在同步電機和變頻器間流動，不進入電網(wǎng)，因而變頻調(diào)速時勵磁電流的調(diào)節(jié)無需關(guān)心同步電機的無功電流。
（3）同步電機正常停機和故障滅磁過程
在正常停機時，變頻器驅(qū)動同步電動機轉(zhuǎn)速至停機，然后停止變頻器輸出即可。減速過程中，在恒功率因素頻率點以上運行，勵磁電流根據(jù)恒功率因素來調(diào)節(jié)，在頻率點以下范圍運行，采用變頻變勵磁電流方式運行。此過程不需要進行滅磁。
在運行期間出現(xiàn)故障，若變頻器外系統(tǒng)出問題，需要緊急停機，可以直接跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)qf和變頻器輸出開關(guān)km2，同時跳同步電機勵磁裝置。若變頻器系統(tǒng)出問題要緊急停機時，變頻器立刻停止輸出，通知同步電機勵磁裝置進行可控硅逆變滅磁，再通過故障信號跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)和變頻器輸出開關(guān)km2。
（4）同步電機調(diào)速時阻尼繞組
由于在同步電機的升、降速過程中，瞬間會出現(xiàn)電源同步轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速不一致的情況，這樣就會在同步電機的阻尼繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成電流，所以在變頻改造前，要檢查阻尼繞組內(nèi)螺釘連接是否牢固，最好將其焊接好，減少繞組內(nèi)阻。這樣即使調(diào)速過程中出現(xiàn)較大感應(yīng)電流也不會發(fā)熱很大，以致?lián)p壞電機阻尼繞組。
maxf系列同步機變頻裝置運行時將全權(quán)接管同步機的勵磁調(diào)節(jié)，包括投勵、改變勵磁大小和退勵。原有的勵磁裝置只是作為一個執(zhí)行器，具體勵磁大小由maxf變頻裝置通過4-20ma信號進行控制。
3、maxf系列同步電機高壓變頻裝置改造方案
3.1 同步電機對高壓變頻裝置的要求
由于同步電機與異步電機的不同，同步電機進行變頻調(diào)速改造時對高壓變頻裝置的要求也有些差別，具體要求如下：
（1）能夠解決同步電機啟動整步問題；
（2）能夠解決同步電機調(diào)速過程中輸出電壓和勵磁電流的協(xié)調(diào)控制；
（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應(yīng)盡可能小。
3.2 實施方案
同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)改造用的變頻調(diào)速裝置應(yīng)具有工頻旁路回路設(shè)計。改造后，不能影響原來工頻方式的所有操作、保護。設(shè)計時采用一個轉(zhuǎn)換開關(guān)，具有工頻方式和變頻方式兩個位置。將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至“變頻”位置，則變頻裝置旁路柜開關(guān)qf3分閘，延時2秒qf1、qf2合閘，而且勵磁系統(tǒng)的控制線路切至變頻方式；將開關(guān)轉(zhuǎn)至“工頻”位置，則變頻裝置旁路開關(guān)qf1、qf2分閘，延時2秒qf3自動合閘，而且勵磁系統(tǒng)控制線路也恢復(fù)成工頻方式。具體系統(tǒng)原理圖請見圖1。
圖1 改造后系統(tǒng)原理圖
4、國產(chǎn)高壓變頻器在同步電機上應(yīng)用簡介
河南心連心化肥有限公司合成氨生產(chǎn)車間共有5臺800kw/10kv合成循環(huán)空壓機并列運行，3臺運行2臺備用，隨著生產(chǎn)任務(wù)的多少，人工調(diào)節(jié)運行的臺數(shù)。平時由于生產(chǎn)工藝要求，經(jīng)常出現(xiàn)運行空壓機的回流閥打開，造成大量電能浪費。而且操作人員勞動強度大，時常出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥故障。鑒于此原因，該公司決定對2#合成循環(huán)空壓機同步電機進行變頻調(diào)速改造，該公司通過多方的考察、調(diào)研，最終選用上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院（以下簡稱上海成套院）和上?？七_(dá)機電控制有限公司共同研制生產(chǎn)的同步電機高壓變頻調(diào)速裝置，產(chǎn)品型號：maxf 1250-10000/1250。主要理由是：該公司已經(jīng)采用過上海成套院生產(chǎn)的異步電機高壓變頻調(diào)速裝置，裝置運行可靠、具有功率單元在線更換、采用長壽命無極性電力電容和完善的電壓自動平衡技術(shù)。
4.1 變頻改造的經(jīng)濟效益
該公司2#合成循環(huán)機同步電機變頻器于2007年10月27日投運以來，運行正常，變頻器各部分均正常，同步電機變頻調(diào)速電柜外貌見圖2。
圖2 同步電機變頻調(diào)速電柜外貌
（1）運行參數(shù)
·變頻器負(fù)荷540kw左右，勵磁電流135a左右，功率因數(shù)為超前0.90左右；
·頻率一般運行在41hz左右，輸入電流32a左右，輸出電流45a左右；
·勵磁電流及功率因數(shù)比較穩(wěn)定。
（2）工藝操作
變頻裝置投運后，幾臺循環(huán)機的旁路已經(jīng)全部關(guān)閉，總路旁路調(diào)節(jié)閥也關(guān)閉，生產(chǎn)操作人員根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)及合成塔溫度情況需要對循環(huán)量進行調(diào)節(jié)時，只需在dcs上通過鼠標(biāo)對變頻器頻率進行調(diào)整即可，調(diào)節(jié)方便，精度高，無需再調(diào)節(jié)旁路調(diào)節(jié)閥，可大大減少旁路調(diào)節(jié)閥的維護。
（3）節(jié)能情況統(tǒng)計
對變頻器投運前后的電耗情況統(tǒng)計如下：
● 變頻器投運前，9月15日~10月26日，平均日耗電：52529.7度。
系統(tǒng)具體參數(shù)：
補氣流量：76487 m3/h；系統(tǒng)壓力：20mpa；
系統(tǒng)壓差：1.90 mpa；循環(huán)氫：57.9%。
● 變頻器投運后，10月28日~11月28日，平均日耗電：49444.4度。
系統(tǒng)具體參數(shù)：
補氣流量：77046 m3/h；系統(tǒng)壓力：20.7mpa；
系統(tǒng)壓差：1.95 mpa；循環(huán)氫：57.6%。
由于該公司4臺循環(huán)壓縮機為并聯(lián)運行，4臺機共同承擔(dān)氣體壓縮任務(wù)負(fù)荷，因此節(jié)電計算只能以4臺機總體耗電量進行對比。根據(jù)以上變頻器投運前后一段時間運行數(shù)據(jù)對比，平均日節(jié)電：3085.3度。年節(jié)電1079855度（一年按運行350天計算）；年節(jié)約電費358511.86元（電價按0.332元/度計算）；大約兩年半收回成本。
4.2 變頻改造的綜合效益
此次變頻調(diào)速改造不僅為該公司節(jié)約大量的電能，而且大大改善了多臺空壓機并列運行系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。實踐驗證，空壓機多機并列系統(tǒng)變頻調(diào)速控制的作用如下：
（1）可實現(xiàn)軟啟動，啟動電流（小于額定電流的10%）大大減少，避免了因大啟動電流造成的絕緣老化及由于大電動力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，減少電機的維護工作量，節(jié)約檢修維護費用；
（2）采用變頻調(diào)速，避免設(shè)備的頻繁加載、卸載，延長空壓機的壽命；
（3）采用變頻調(diào)速后，降低空壓機運行轉(zhuǎn)速；
（4）保證供氣壓力平穩(wěn)，提高供氣質(zhì)量；
（5）大量節(jié)約電能,為用戶節(jié)約高額的電費開支；
（6）自動控制，簡便高效，可靠和自保護,無需專人看護。
5、結(jié)束語
同步電機的調(diào)速是電氣驅(qū)動行業(yè)的一大難題，應(yīng)用高壓變頻調(diào)速是近年來我國內(nèi)變頻廠家研究課題。通過此次變頻改造，發(fā)現(xiàn)空壓機同步電動機的變頻調(diào)速既滿足同步電機正常變頻調(diào)速運行，又使得活塞式空壓機系統(tǒng)恒壓力運行，獲得較大節(jié)電效果。而且maxf系列同步機高壓變頻裝置調(diào)節(jié)同步電動機平穩(wěn)，其獨到的是它的啟動方式和它的勵磁調(diào)節(jié)方式，它是異步啟動后順極性投勵，這個啟動非常可靠，不存在啟動不成功的情況。而且它對同步機的勵磁調(diào)節(jié)平穩(wěn)，實現(xiàn)恒功率因素調(diào)節(jié)。
（轉(zhuǎn)載）
