1、引言

同步電機(jī)具有過載能力強(qiáng)，功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)速恒定及轉(zhuǎn)矩受電源電壓影響較小等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)均有廣泛應(yīng)用。合康變頻的單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器在同步電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域已經(jīng)取得了豐碩成果，在同步電機(jī)啟動(dòng)及調(diào)速方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。本案例應(yīng)用的一拖二同步電機(jī)同步投切系統(tǒng)開拓了高壓變頻器應(yīng)用的新領(lǐng)域，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2、現(xiàn)場應(yīng)用情況

以大慶中瑞無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)同步投切系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例。

LNG液化裝置主要由原料氣凈化處理、凈化天然氣的液化和液化天然氣儲(chǔ)存3個(gè)單元組成。冷劑壓縮機(jī)是天然氣液化單元冷劑循環(huán)部分最重要的設(shè)備，為天然氣液化提供冷量，是液化工廠關(guān)鍵的大型設(shè)備。

在大慶中瑞日產(chǎn)15萬m3天然氣項(xiàng)目中，現(xiàn)有冷劑壓縮機(jī)2臺(tái)，配置拖動(dòng)電機(jī)為無刷勵(lì)磁同步電機(jī)（1250kW/6.6kV），工藝無調(diào)速要求。為降低電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊、減少啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)及機(jī)械部件的損傷，該項(xiàng)目采用了合康公司定制的一拖二同步投切系統(tǒng)——2臺(tái)電機(jī)通過1臺(tái)變頻器無擾切換成工頻運(yùn)行。自2015年12月變頻器調(diào)試完成至今，現(xiàn)場進(jìn)行多次啟停，未發(fā)生一次投切失敗情況。

圖1現(xiàn)場應(yīng)用的冷劑壓縮機(jī)及變頻器室

大慶中瑞日產(chǎn)15萬m3天然氣項(xiàng)目中的變頻器相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1變頻器及電機(jī)參數(shù)

3、工藝介紹

3.1同步投切

同步投切是變頻器與工頻電網(wǎng)之間相互切換的紐帶，它利用鎖相環(huán)技術(shù)，使變頻器輸出電壓的頻率、相位、幅值跟蹤電網(wǎng)電壓并保持一致，以進(jìn)行平穩(wěn)切換；為多臺(tái)水泵的順序自動(dòng)軟啟動(dòng)和需要在工頻和變頻電源之間頻繁切換的系統(tǒng)等，提供了可靠、便利的解決方案。

圖2為同步變卻系統(tǒng)一次回路圖：

圖2同步變卻系統(tǒng)一次回路圖

由上圖可知，同步投切系統(tǒng)由高壓開關(guān)柜（QF、1QF、2QF）、切換柜（QS1、QS2、KM1、KM2）、變頻器、電抗柜及投切控制柜組成。接觸器KM1與KM2間有電氣聯(lián)鎖，兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)只能有一臺(tái)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.1同步投切可分為頻/工投切和工/頻投切

頻/工投切：電機(jī)變頻運(yùn)行，變頻器接收到投切請(qǐng)求后，運(yùn)行到電網(wǎng)頻率，鎖定電網(wǎng)電壓參數(shù)，鎖相成功后工頻斷路器閉合，并網(wǎng)運(yùn)行一定時(shí)間，變頻器停機(jī)并斷開變頻供電支路，電機(jī)由工頻電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)。

工/頻投切：電機(jī)工頻運(yùn)行，變頻器接收到投切指令后啟動(dòng)，運(yùn)行到電網(wǎng)頻率，鎖定電網(wǎng)參數(shù)，鎖相成功后將變頻器側(cè)接觸器閉合與工頻電網(wǎng)并聯(lián)向負(fù)載供電。隨后斷開工頻供電支路，負(fù)載由變頻器驅(qū)動(dòng)。

3.1.2操作過程

采用一鍵式操作：用戶只需按“啟動(dòng)”按鈕，PLC收到啟動(dòng)命令后檢查變頻器狀態(tài)自動(dòng)合高壓；系統(tǒng)待機(jī)后發(fā)出運(yùn)行信號(hào)，變頻器啟動(dòng)10s后PLC發(fā)出投切激活命令，變頻器自動(dòng)加速至電網(wǎng)頻率進(jìn)行鎖相；鎖相成功后，PLC控制工頻斷路器合閘；斷路器合閘成功保持并網(wǎng)運(yùn)行一定時(shí)間，變頻器停機(jī)并對(duì)KM2/KM1進(jìn)行分閘控制，將負(fù)載電機(jī)投切至工頻狀態(tài)；直到KM1/KM2成功分閘后，頻/工投切功能完成。

3.1.3鎖相前、后的變頻和工頻電壓波形如圖3/圖4所示

將二者進(jìn)行對(duì)比可知，變頻器鎖相成功后，工頻電網(wǎng)電壓與變頻器電壓的頻率、幅值、相位基本保持一致，極大減小了投切時(shí)產(chǎn)生的“短路電流”，保證了投切的可靠性。

3.1.4采用HIVERT系列高壓變頻同步投切系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，避免電機(jī)啟動(dòng)時(shí)大電流給供電系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)帶來的不利影響，便于系統(tǒng)維修及維護(hù)，降低維護(hù)費(fèi)用，延長設(shè)備使用壽命；

系統(tǒng)可靠性高、安全性好，滿足嚴(yán)格的電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);

實(shí)現(xiàn)工/頻、頻/工之間的無擾動(dòng)切換，無須停機(jī)。

圖4為無刷勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,圖5為旋轉(zhuǎn)整流器結(jié)構(gòu)。

圖5無刷勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6旋轉(zhuǎn)整流器結(jié)構(gòu)

圖7無刷勵(lì)磁同步電機(jī)及電機(jī)名牌

從上圖可以看出，交流勵(lì)磁機(jī)與同步電機(jī)是同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)整流器負(fù)責(zé)電機(jī)起動(dòng)過程的滅磁與投勵(lì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：電機(jī)起動(dòng)時(shí)，滅磁電阻RF連接至電機(jī)勵(lì)磁繞組上，以提供較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低勵(lì)磁繞組端電壓。當(dāng)接收到投勵(lì)信號(hào)時(shí)，控制器關(guān)斷滅磁晶閘管T4，觸發(fā)整流晶閘管T1～T3，為同步電機(jī)提供持續(xù)的勵(lì)磁電流。

在控制方面采用針對(duì)同步電機(jī)特殊設(shè)計(jì)的主控板，依靠參數(shù)設(shè)置可控制0-6Hz內(nèi)定子側(cè)電流值，極大地降低了同步電機(jī)無勵(lì)磁電流運(yùn)行時(shí)的感性無功電流，提高了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可適用于各類型同步電機(jī)。

對(duì)于無刷勵(lì)磁同步電機(jī)，由于交流勵(lì)磁機(jī)發(fā)出的電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁電流的乘積成正比，低速時(shí)勵(lì)磁機(jī)發(fā)出電壓較低，電機(jī)獲得的勵(lì)磁電流偏小，最大輸出轉(zhuǎn)矩（失步轉(zhuǎn)矩）也較小。針對(duì)該特性，本方案采用異步投勵(lì)方式，電機(jī)啟動(dòng)到一定頻率后，再進(jìn)行投勵(lì)。投勵(lì)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流，在同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立磁場。隨著同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和定子磁場的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時(shí)刻掠過定子的異性磁極，或者轉(zhuǎn)子磁極加速追上旋轉(zhuǎn)的定子磁極。此時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極被較強(qiáng)的定子磁極可靠吸引，二者間的角度經(jīng)過少量有阻尼的震蕩后，逐漸趨于一個(gè)較小的常量。至此，同步電機(jī)整步過程完成，進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。

變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度和v/f曲線(即磁通給定)調(diào)節(jié)輸出。此時(shí)同步電機(jī)的功率角逐漸拉大到某一常值，然后電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速，在主控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下進(jìn)行下一步投切動(dòng)作。

由于同步電機(jī)的無功電流僅在電機(jī)和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，因而無須對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行精確的控制。一般可在電機(jī)運(yùn)行的典型工況下，手動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流，使變頻器的輸出電流最小，輸出功率因數(shù)近似為1，在加速過程中維持該電流不變即可。

對(duì)于需要在運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整勵(lì)磁電流的工況，可外加測量模塊實(shí)時(shí)檢測變頻輸出測功率因數(shù)，按恒定功率因數(shù)方式進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

4、結(jié)束語

無刷勵(lì)磁同步電機(jī)由于沒有滑環(huán)、碳刷等可能產(chǎn)生火花的環(huán)節(jié)，簡化了操作及維護(hù)程序，在化工、石油、煤礦等具有爆炸性環(huán)境的場所有著較為廣泛的應(yīng)用。具備同步投切功能的合康高壓變頻器在無刷勵(lì)磁同步機(jī)上的成功應(yīng)用，滿足了生產(chǎn)工藝的特殊要求，為高壓變頻器在新的應(yīng)用領(lǐng)域又邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。

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