1、引言
由于交流同步电机（简称同步电机）在可靠性与维护量、功率因数、电机尺寸与转动惯量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的优势，对于大容量电机，世界各国已基本趋向于使用同步电机。比如工业应用上大功率空气压缩机、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步电机驱动。
交流同步电机的调速是电气驱动领域的一大难题，我国从20世纪70年代开始进行交流同步电机调速技术的研究，80年代初已研制成功交—交变频同步电机的实验样机，但大功率交流变频调速装置直到90年代后期才得到发展。
目前国产大功率变频装置成功应用于同步电机的实例很少，都是国外品牌一统天下。目前我国大型同步电机应用变频调速虽然刚刚起步，但国外已经广泛使用。通过他们长期的运行实践表明：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。因此我国高压同步电机变频调速装置将来的市场前景巨大。
上海发电设备成套设计研究院电气所自1999年开始通过对国内外高压变频装置进行广泛的调研，同时收集资料进行比较，确立了总的技术方案，采取单元串联多电平方式。经过几年不懈努力，2002年底1250kw/6kv高压变频装置样机研制成功，2003年7月通过由上海市经委主持的产品技术鉴定。2003年9月正式投入运行，产品一经推出，获得诸多荣誉。2005年底，我公司成功研制生产了国产最大容量高压变频装置，容量5000kw，在宁夏多维药业有限公司成功投运。2006年，我公司开始着手研制容量9600kw/10kv的高压变频装置，2007年初已成功申请获得国家高技术研究发展计划（863计划）专题课题。目前公司已成功研制出maxf同步电机高压变频调速装置，于2007年10月在河南心连心化肥有限公司空压机同步电机上成功投运。
2、同步电机变频调速技术的难点分析
同步电机与普通异步电机运行上主要的区别是同步电机在运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角必须在某一范围之内，否则将导致系统失步。因此同步电机变频调速时必须时刻控制这一夹角在允许的范围内变动，这一点就是同步电机变频和异步电机变频的主要区别。以下将简要介绍同步电机变频调速过程遇到的难点及maxf变频装置相应解决措施：
（1）同步电机的启动投励过程
通常同步电机启动有两种方式：一种先投励，同步启动；一种异步启动，后顺极性投励。对于同步电机变频启动均采用先投励，同步启动，但常会出现转子位置判断不正确导致电机启动失败。针对同步电机变频调速改造，很容易采用异步启动，顺极性投励方式，所以maxf变频装置对同步电机进行异步软启动，实现额定启动力矩，将同步电机启动到8hz左右进行顺极性投励，具体所投励磁大小及投励时频率可以根据不同应用场合调试确定。至此，电动机转子磁场和定子磁场间夹角经过小量有阻尼震荡后，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。变频器按照预先设定的加速度，逐渐加速到给定频率。此时，同步电机电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角逐渐拉大到某一常值，电机转子磁极在定子磁场的吸引下逐渐加速至期望转速，同步电机起动过程完成。针对要求重载启动的工况，为了启动力矩更大，可以适当提高变频装置输出电压和同步电机的励磁电流。
（2）同步电机稳态调速和励磁调节过程
变频器驱动同步电机调速时，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和改变输出电压对应值（不是简单的恒v/f控制）。在某一设定频率点以上范围运行，变频器采集同步电机功率因素，通过内置pid控制器实时控制同步电动机的励磁电流，实现恒功率因数调节，功率因数0.90(超前)，变频器通过发4～20ma指令给同步电机的励磁调节器调节励磁电流；在此频率以下范围运行时，励磁电流由变频器根据当前运行工况，输出4～20ma信号给励磁调节器去调节，采用变频变励磁电流调节。调节方式切换由变频器自动完成，而且调节方式的切换点频率可以通过参数设置。加装变频器后，同步电动机的无功电流仅在同步电机和变频器间流动，不进入电网，因而变频调速时励磁电流的调节无需关心同步电机的无功电流。
（3）同步电机正常停机和故障灭磁过程
在正常停机时，变频器驱动同步电动机转速至停机，然后停止变频器输出即可。减速过程中，在恒功率因素频率点以上运行，励磁电流根据恒功率因素来调节，在频率点以下范围运行，采用变频变励磁电流方式运行。此过程不需要进行灭磁。
在运行期间出现故障，若变频器外系统出问题，需要紧急停机，可以直接跳开高压侧输入开关qf和变频器输出开关km2，同时跳同步电机励磁装置。若变频器系统出问题要紧急停机时，变频器立刻停止输出，通知同步电机励磁装置进行可控硅逆变灭磁，再通过故障信号跳开高压侧输入开关和变频器输出开关km2。
（4）同步电机调速时阻尼绕组
由于在同步电机的升、降速过程中，瞬间会出现电源同步转速和电机转子实际转速不一致的情况，这样就会在同步电机的阻尼绕组内产生感应电压，形成电流，所以在变频改造前，要检查阻尼绕组内螺钉连接是否牢固，最好将其焊接好，减少绕组内阻。这样即使调速过程中出现较大感应电流也不会发热很大，以致损坏电机阻尼绕组。
maxf系列同步机变频装置运行时将全权接管同步机的励磁调节，包括投励、改变励磁大小和退励。原有的励磁装置只是作为一个执行器，具体励磁大小由maxf变频装置通过4-20ma信号进行控制。
3、maxf系列同步电机高压变频装置改造方案
3.1 同步电机对高压变频装置的要求
由于同步电机与异步电机的不同，同步电机进行变频调速改造时对高压变频装置的要求也有些差别，具体要求如下：
（1）能够解决同步电机启动整步问题；
（2）能够解决同步电机调速过程中输出电压和励磁电流的协调控制；
（3）变频装置输出电压、电流谐波应尽可能小。
3.2 实施方案
同步电机变频调速系统改造用的变频调速装置应具有工频旁路回路设计。改造后，不能影响原来工频方式的所有操作、保护。设计时采用一个转换开关，具有工频方式和变频方式两个位置。将转换开关转至“变频”位置，则变频装置旁路柜开关qf3分闸，延时2秒qf1、qf2合闸，而且励磁系统的控制线路切至变频方式；将开关转至“工频”位置，则变频装置旁路开关qf1、qf2分闸，延时2秒qf3自动合闸，而且励磁系统控制线路也恢复成工频方式。具体系统原理图请见图1。
图1 改造后系统原理图
4、国产高压变频器在同步电机上应用简介
河南心连心化肥有限公司合成氨生产车间共有5台800kw/10kv合成循环空压机并列运行，3台运行2台备用，随着生产任务的多少，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。而且操作人员劳动强度大，时常出现调节阀故障。鉴于此原因，该公司决定对2#合成循环空压机同步电机进行变频调速改造，该公司通过多方的考察、调研，最终选用上海发电设备成套设计研究院（以下简称上海成套院）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，产品型号：maxf 1250-10000/1250。主要理由是：该公司已经采用过上海成套院生产的异步电机高压变频调速装置，装置运行可靠、具有功率单元在线更换、采用长寿命无极性电力电容和完善的电压自动平衡技术。
4.1 变频改造的经济效益
该公司2#合成循环机同步电机变频器于2007年10月27日投运以来，运行正常，变频器各部分均正常，同步电机变频调速电柜外貌见图2。
图2 同步电机变频调速电柜外貌
（1）运行参数
·变频器负荷540kw左右，励磁电流135a左右，功率因数为超前0.90左右；
·频率一般运行在41hz左右，输入电流32a左右，输出电流45a左右；
·励磁电流及功率因数比较稳定。
（2）工艺操作
变频装置投运后，几台循环机的旁路已经全部关闭，总路旁路调节阀也关闭，生产操作人员根据生产系统及合成塔温度情况需要对循环量进行调节时，只需在dcs上通过鼠标对变频器频率进行调整即可，调节方便，精度高，无需再调节旁路调节阀，可大大减少旁路调节阀的维护。
（3）节能情况统计
对变频器投运前后的电耗情况统计如下：
● 变频器投运前，9月15日~10月26日，平均日耗电：52529.7度。
系统具体参数：
补气流量：76487 m3/h；系统压力：20mpa；
系统压差：1.90 mpa；循环氢：57.9%。
● 变频器投运后，10月28日~11月28日，平均日耗电：49444.4度。
系统具体参数：
补气流量：77046 m3/h；系统压力：20.7mpa；
系统压差：1.95 mpa；循环氢：57.6%。
由于该公司4台循环压缩机为并联运行，4台机共同承担气体压缩任务负荷，因此节电计算只能以4台机总体耗电量进行对比。根据以上变频器投运前后一段时间运行数据对比，平均日节电：3085.3度。年节电1079855度（一年按运行350天计算）；年节约电费358511.86元（电价按0.332元/度计算）；大约两年半收回成本。
4.2 变频改造的综合效益
此次变频调速改造不仅为该公司节约大量的电能，而且大大改善了多台空压机并列运行系统的调节性能。实践验证，空压机多机并列系统变频调速控制的作用如下：
（1）可实现软启动，启动电流（小于额定电流的10%）大大减少，避免了因大启动电流造成的绝缘老化及由于大电动力矩造成的机械冲击对电机寿命的影响，减少电机的维护工作量，节约检修维护费用；
（2）采用变频调速，避免设备的频繁加载、卸载，延长空压机的寿命；
（3）采用变频调速后，降低空压机运行转速；
（4）保证供气压力平稳，提高供气质量；
（5）大量节约电能,为用户节约高额的电费开支；
（6）自动控制，简便高效，可靠和自保护,无需专人看护。
5、结束语
同步电机的调速是电气驱动行业的一大难题，应用高压变频调速是近年来我国内变频厂家研究课题。通过此次变频改造，发现空压机同步电动机的变频调速既满足同步电机正常变频调速运行，又使得活塞式空压机系统恒压力运行，获得较大节电效果。而且maxf系列同步机高压变频装置调节同步电动机平稳，其独到的是它的启动方式和它的励磁调节方式，它是异步启动后顺极性投励，这个启动非常可靠，不存在启动不成功的情况。而且它对同步机的励磁调节平稳，实现恒功率因素调节。
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