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內容簡(jiǎn)介：同步電機的調速是電氣驅動(dòng)行業(yè)的一大困難，應用高壓變頻調速是近年來(lái)我國內變頻廠(chǎng)家研究課題。通過(guò)此次變頻改造，發(fā)現空壓機同步電動(dòng)機的變頻調速既滿(mǎn)足同步電機正常變頻調速運行，又使得活塞式空壓機系統恒壓力運行，獲得較大節電效果。

1、引言

      由于交流同步電機（簡(jiǎn)稱(chēng)同步電機）在可靠性與維護量、功率因數、電機尺寸與轉動(dòng)慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的上風(fēng)，對于大容量電機，世界各國已基本趨向于使用同步電機。比如產(chǎn)業(yè)應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(chǎng)大容量軋鋼機等均采用同步電機驅動(dòng)。

      交流同步電機的調速是電氣驅動(dòng)領(lǐng)域的一大困難，我國從20世紀70年代開(kāi)始進(jìn)行交流同步電機調速技術(shù)的研究，80年代初已研制成功交—交變頻同步電機的實(shí)驗樣機，但大功率交流變頻調速裝置直到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用于同步電機的實(shí)例很少，都是國外品牌一統天下。目前我國大型同步電機應用變頻調速固然剛剛起步，但國外已經(jīng)廣泛使用。通過(guò)他們長(cháng)期的運行實(shí)踐表明：應用高壓大功率變頻調速系統的經(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速裝置將來(lái)的市場(chǎng)遠景巨大。

      上海發(fā)電設備成套設計研究院電氣所自1999年開(kāi)始通過(guò)對國內外高壓變頻裝置進(jìn)行廣泛的調研，同時(shí)收集資料進(jìn)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(guò)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(guò)由上海市經(jīng)委主持的產(chǎn)品技術(shù)鑒定。2003年9月正式投進(jìn)運行，產(chǎn)品一經(jīng)推出，獲得諸多榮譽(yù)。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(kāi)始著(zhù)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(zhuān)題課題。目前公司已成功研制出maxf同步電機高壓變頻調速裝置，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、同步電機變頻調速技術(shù)的難點(diǎn)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在運行時(shí)，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內，否則將導致系統失步。因此同步電機變頻調速時(shí)必須時(shí)刻控制這一夾角在答應的范圍內變動(dòng)，這一點(diǎn)就是同步電機變頻和異步電機變頻的主要區別。以下將扼要先容同步電機變頻調速過(guò)程碰到的難點(diǎn)及maxf變頻裝置相應解決措施：

      （1）同步電機的啟動(dòng)投勵過(guò)程

      通常同步電機啟動(dòng)有兩種方式：一種先投勵，同步啟動(dòng)；一種異步啟動(dòng)，后順極性投勵。對于同步電機變頻啟動(dòng)均采用先投勵，同步啟動(dòng)，但常會(huì )出現轉子位置判定不正確導致電機啟動(dòng)失敗。針對同步電機變頻調速改造，很輕易采用異步啟動(dòng)，順極性投勵方式，所以maxf變頻裝置對同步電機進(jìn)行異步軟啟動(dòng)，實(shí)現額定啟動(dòng)力矩，將同步電機啟動(dòng)到8hz左右進(jìn)行順極性投勵，具體所投勵磁大小及投勵時(shí)頻率可以根據不同應用場(chǎng)合調試確定。至此，電動(dòng)機轉子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)間夾角經(jīng)過(guò)小量有阻尼震蕩后，電機轉子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進(jìn)進(jìn)同步運行狀態(tài)。變頻器按照預先設定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機轉子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期看轉速，同步電機起動(dòng)過(guò)程完成。

      針對要求重載啟動(dòng)的工況，為了啟動(dòng)力矩更大，可以適當進(jìn)步變頻裝置輸出電壓和同步電機的勵磁電流。

      （2）同步電機穩態(tài)調速和勵磁調節過(guò)程

      變頻器驅動(dòng)同步電機調速時(shí)，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(shí)變頻裝置也會(huì )協(xié)同調節當前勵磁電流大小和改變輸出電壓對應值（不是簡(jiǎn)單的恒v/f控制）。在某一設定頻率點(diǎn)以上范圍運行，變頻器采集同步電機功率因素，通過(guò)內置pid控制器實(shí)時(shí)控制同步電動(dòng)機的勵磁電流，實(shí)現恒功率因數調節，功率因數0.90（超前），變頻器通過(guò)發(fā)4～20ma指令給同步電機的勵磁調節器調節勵磁電流；在此頻率以下范圍運行時(shí)，勵磁電流由變頻器根據當前運行工況，輸出4～20ma信號給勵磁調節器往調節，采用變頻變勵磁電流調節。調節方式切換由變頻器自動(dòng)完成，而且調節方式的切換點(diǎn)頻率可以通過(guò)參數設置。加裝變頻器后，同步電動(dòng)機的無(wú)功電流僅在同步電機和變頻器間活動(dòng)，不進(jìn)進(jìn)電網(wǎng)，因而變頻調速時(shí)勵磁電流的調節無(wú)需關(guān)心同步電機的無(wú)功電流。

      （3）同步電機正常停機和故障滅磁過(guò)程

      在正常停機時(shí)，變頻器驅動(dòng)同步電動(dòng)機轉速至停機，然后停止變頻器輸出即可。減速過(guò)程中，在恒功率因素頻率點(diǎn)以上運行，勵磁電流根據恒功率因素來(lái)調節，在頻率點(diǎn)以下范圍運行，采用變頻變勵磁電流方式運行。此過(guò)程不需要進(jìn)行滅磁。

      在運行期間出現故障，若變頻器外系統出題目，需要緊急停機，可以直接跳開(kāi)高壓側輸進(jìn)開(kāi)關(guān)qf和變頻器輸出開(kāi)關(guān)km2，同時(shí)跳同步電機勵磁裝置。若變頻器系統出題目要緊急停機時(shí)，變頻器立即停止輸出，通知同步電機勵磁裝置進(jìn)行可控硅逆變滅磁，再通過(guò)故障信號跳開(kāi)高壓側輸進(jìn)開(kāi)關(guān)和變頻器輸出開(kāi)關(guān)km2。

      （4）同步電機調速時(shí)阻尼繞組

      由于在同步電機的升、降速過(guò)程中，瞬間會(huì )出現電源同步轉速和電機轉子實(shí)際轉速不一致的情況，這樣就會(huì )在同步電機的阻尼繞組內產(chǎn)生感應電壓，形成電流，所以在變頻改造前，要檢查阻尼繞組內螺釘連接是否牢固，最好將其焊接好，減少繞組內阻。這樣即使調速過(guò)程中出現較大感應電流也不會(huì )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(shí)將全權接管同步機的勵磁調節，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(gè)執行器，具體勵磁大小由maxf變頻裝置通過(guò)4-20ma信號進(jìn)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(jìn)行變頻調速改造時(shí)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(dòng)整步題目；

      （2）能夠解決同步電機調速過(guò)程中輸出電壓和勵磁電流的協(xié)調控制；
　
　　（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應盡可能小。

      3.2實(shí)施方案

      同步電機變頻調速系統改造用的變頻調速裝置應具有工頻旁路回路設計。

      改造后，不能影響原來(lái)工頻方式的所有操縱、保護。設計時(shí)采用一個(gè)轉換開(kāi)關(guān)，具有工頻方式和變頻方式兩個(gè)位置。將轉換開(kāi)關(guān)轉至“變頻”位置，則變頻裝置旁路柜開(kāi)關(guān)qf3分閘，延時(shí)2秒qf1、qf2合閘，而且勵磁系統的控制線(xiàn)路切至變頻方式；將開(kāi)關(guān)轉至“工頻”位置，則變頻裝置旁路開(kāi)關(guān)qf1、qf2分閘，延時(shí)2秒qf3自動(dòng)合閘，而且勵磁系統控制線(xiàn)路也恢復成工頻方式。

      4、國產(chǎn)高壓變頻器在同步電機上應用簡(jiǎn)介

      河南心連心化肥有限公司合成氨生產(chǎn)車(chē)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(zhù)生產(chǎn)任務(wù)的多少，人工調節運行的臺數。平時(shí)由于生產(chǎn)工藝要求，經(jīng)常出現運行空壓機的回流閥打開(kāi)，造成大量電能浪費。而且操縱職員勞動(dòng)強度大，時(shí)常出現調節閥故障。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(jìn)行變頻調速改造，該公司通過(guò)多方的考察、調研，終極選用上海發(fā)電設備成套設計研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海成套院）和上海科達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速裝置，產(chǎn)品型號：maxf1250-10000/1250。主要理由是：該公司已經(jīng)采用過(guò)上海成套院生產(chǎn)的異步電機高壓變頻調速裝置，裝置運行可靠、具有功率單元在線(xiàn)更換、采用長(cháng)壽命無(wú)極性電力電容和完善的電壓自動(dòng)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(lái)，運行正常，變頻器各部分均正常，同步電機變頻調速電柜外貌。

      （1）運行參數

      變頻器負荷540kw左右，勵磁電流135a左右，功率因數為超前0.90左右；

      頻率一般運行在41hz左右，輸進(jìn)電流32a左右，輸出電流45a左右；

      勵磁電流及功率因數比較穩定。

      （2）工藝操縱

      變頻裝置投運后，幾臺循環(huán)機的旁路已經(jīng)全部封閉，總路旁路調節閥也封閉，生產(chǎn)操縱職員根據生產(chǎn)系統及合成塔溫度情況需要對循環(huán)量進(jìn)行調節時(shí)，只需在dcs上通過(guò)鼠標對變頻器頻率進(jìn)行調整即可，調節方便，精度高，無(wú)需再調節旁路調節閥，可大大減少旁路調節閥的維護。

      （3）節能情況統計

      對變頻器投運前后的電耗情況統計如下：

      ●變頻器投運前，9月15日～10月26日，均勻日耗電：52529.7度。

      系統具體參數：

      補氣流量：76487m3/h；系統壓力：20mpa；

      系統壓差：1.90mpa；循環(huán)氫：57.9%。

      ●變頻器投運后，10月28日～11月28日，均勻日耗電：49444.4度。來(lái)源:輸配電設備網(wǎng)

      系統具體參數：

      補氣流量：77046m3/h；系統壓力：20.7mpa；

      系統壓差：1.95mpa；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臺機共同承擔氣體壓縮任務(wù)負荷，因此節電計算只能以4臺機總體耗電量進(jìn)行對比。根據以上變頻器投運前后一段時(shí)間運行數據對比，均勻日節電：3085.3度。年節電1079855度（一年按運行350天計算）；年節約電費358511.86元（電價(jià)按0.332元/度計算）；大約兩年半收回本錢(qián)。

      4.2變頻改造的綜合效益

      此次變頻調速改造不僅為該公司節約大量的電能，而且大大改善了多臺空壓機并列運行系統的調節性能。實(shí)踐驗證，空壓機多機并列系統變頻調速控制的作用如下：

      （1）可實(shí)現軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流（小于額定電流的10%）大大減少，避免了因大啟動(dòng)電流造成的盡緣老化及由于大電動(dòng)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，節約檢驗維護用度；

      （2）采用變頻調速，避免設備的頻繁加載、卸載，延長(cháng)空壓機的壽命；

      （3）采用變頻調速后，降低空壓機運行轉速；

      （4）保證供氣壓力平穩，進(jìn)步供氣質(zhì)量；

      （5）大量節約電能,為用戶(hù)節約高額的電費開(kāi)支；

      （6）自動(dòng)控制，簡(jiǎn)便高效，可靠和自保護,無(wú)需專(zhuān)人看護。

      5、結束語(yǔ)

      同步電機的調速是電氣驅動(dòng)行業(yè)的一大困難，應用高壓變頻調速是近年來(lái)我國內變頻廠(chǎng)家研究課題。通過(guò)此次變頻改造，發(fā)現空壓機同步電動(dòng)機的變頻調速既滿(mǎn)足同步電機正常變頻調速運行，又使得活塞式空壓機系統恒壓力運行，獲得較大節電效果。而且maxf系列同步機高壓變頻裝置調節同步電動(dòng)機平穩，其獨到的是它的啟動(dòng)方式和它的勵磁調節方式，它是異步啟動(dòng)后順極性投勵，這個(gè)啟動(dòng)非常可靠，不存在啟動(dòng)不成功的情況。而且它對同步機的勵磁調節平穩，實(shí)現恒功率因素調節。

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