山東海化煤業(yè)化工有限公司占地90多萬平方米，現(xiàn)有職工2100余人，建有大型現(xiàn)代化焦?fàn)t6座以及與之相配套的化工系統(tǒng)和90萬噸原煤入洗能力的洗煤廠，13mw/年發(fā)電能力的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠。公司擁有年產(chǎn)120萬噸冶金焦炭的生產(chǎn)能力，主要產(chǎn)品有冶金焦炭、鑄造焦炭、粗苯、焦油、煤氣、碳酸銨等10余種，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷日本、印度及東南亞等國家和地區(qū)。
公司地處煤炭儲量14.5億噸的棗滕煤田腹地，煤炭資源十分豐富。同時(shí)擁有6萬噸的儲煤場，擁有與京滬鐵路棗莊西站相連的總長2500m的4股鐵路專用線，三座1000m機(jī)械化裝卸平臺，可容納89個(gè)貨位。公司自備有15個(gè)總?cè)萘靠蛇_(dá)1400噸的化產(chǎn)品儲油罐，焦油、粗苯自備車20輛。與生產(chǎn)配套的日供水20000m3的獨(dú)立供水設(shè)施，有35kv雙回路5600kva變配電設(shè)施，機(jī)械加工、污水處理及運(yùn)輸設(shè)施齊全。
此次山東海化煤業(yè)化工有限公司改造的是2臺2400kw/10kv增安型無刷勵磁同步電動機(jī)，負(fù)載是煤氣壓縮機(jī)。這么大功率的無刷勵磁同步電機(jī)變頻改造在國內(nèi)是第一次，在世界范圍內(nèi)也少見。我公司接到定單后，沒有畏懼，抱著“國外能搞，咱們也能搞”的決心，克服了沒有資料等困難，作了充分的準(zhǔn)備，功夫不負(fù)有心人，最終上電投運(yùn)一次成功。下面和大家探討一下我們在增安型無刷勵磁同步電動機(jī)的高壓變頻改造中的幾個(gè)問題。
2 無刷同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工頻運(yùn)行過程
2.1 無刷同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)
無刷同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中：1為滑動軸承，2為無刷同步電動機(jī)繞組，3為冷卻器，4為旋轉(zhuǎn)整流器，5為勵磁發(fā)電機(jī)。
2.2 無刷勵磁同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無刷勵磁同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中勵磁發(fā)電機(jī)與同步電動機(jī)同軸轉(zhuǎn)動。
其中，旋轉(zhuǎn)整流器負(fù)責(zé)電機(jī)起動過程滅磁與投勵邏輯，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機(jī)起動時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器控制滅磁晶閘管t4將滅磁電阻rf連接至無刷同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組上，以提供較大的起動轉(zhuǎn)矩，降低勵磁繞組端電壓，此時(shí)整流晶閘管t1～t3截止；當(dāng)電機(jī)到達(dá)亞同步速且滿足準(zhǔn)角條件時(shí)，控制器觸發(fā)整流晶閘管t1～t3，將勵磁發(fā)電機(jī)的電樞電壓整流后加在同步電動機(jī)的勵磁繞組上，為同步電動機(jī)提供持續(xù)的勵磁電流，同時(shí)關(guān)斷滅磁晶閘管t4。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器等效于三相二極管不控整流器。
2.3 無刷同步電動機(jī)的工頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行
無刷同步電動機(jī)在工頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，勵磁器向勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組通以適當(dāng)?shù)膭畲烹娏鳎趧畲虐l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組端部感應(yīng)出三相交流電壓，由旋轉(zhuǎn)整流器（等效于二極管整流器）整流成直流電壓，施加在無刷同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組上，為其提供持續(xù)的勵磁電流。
根據(jù)勵磁發(fā)電機(jī)的物理特性，其輸出的電樞電壓近似成正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵磁發(fā)電機(jī)勵磁電流的乘積，因此勵磁器可以通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)無刷同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁電流的目的。
2.4 無刷同步電動機(jī)的工頻起動投勵過程
無刷同步電動機(jī)的工頻起動投勵過程如圖4所示。
工頻起動時(shí)，首先高壓斷路器合閘，旋轉(zhuǎn)整流器的滅磁部分電路根據(jù)同步電動機(jī)勵磁繞組上的感應(yīng)電壓將滅磁電阻連接至同步電動機(jī)的勵磁繞組上，同步電動機(jī)逐漸加速。
高壓斷路器合閘后，勵磁器觸發(fā)晶閘管，向勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組通以一定的勵磁電流。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組電壓逐漸升高，當(dāng)其高于旋轉(zhuǎn)整流器的最低工作電壓后，由其供電的旋轉(zhuǎn)整流器控制器上電，旋轉(zhuǎn)整流器監(jiān)測同步電動機(jī)勵磁繞組上的感應(yīng)電壓，當(dāng)其周期大于預(yù)設(shè)值（表示同步電動機(jī)已到達(dá)亞同步速）且到達(dá)反向過零點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)整流晶閘管，關(guān)斷滅磁晶閘管，將勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞電壓整流后加在同步電動機(jī)的勵磁繞組上，完成投勵。同步電機(jī)經(jīng)過短暫的整步過程后進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)起動過程完成。
2.5 無刷同步電動機(jī)的工頻停機(jī)過程
工頻停機(jī)時(shí)，斷開高壓斷路器，同時(shí)勵磁器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角至有源逆變區(qū)，將勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁電流迅速降至零，勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組電壓迅速下降，當(dāng)其小于旋轉(zhuǎn)整流器的最低工作電壓時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器控制電掉電，其整流晶閘管截止，續(xù)流二極管將滅磁電阻連接至同步電動機(jī)的勵磁繞組上，同步電動機(jī)的勵磁電流迅速下降至零。同步電動機(jī)在負(fù)載和阻力轉(zhuǎn)矩等的作用下逐漸停穩(wěn)。
3 無刷同步電機(jī)的變頻運(yùn)行
3.1 調(diào)速運(yùn)行時(shí)的勵磁發(fā)電機(jī)特性
與有刷同步電動機(jī)的滑環(huán)直接勵磁不同，無刷同步電動機(jī)的勵磁電流由旋轉(zhuǎn)的勵磁發(fā)電機(jī)發(fā)出。由于勵磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵磁發(fā)電機(jī)定子勵磁電流的乘積成正比，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于其額定轉(zhuǎn)速較多時(shí)，勵磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓較低，此時(shí)即使勵磁器向勵磁發(fā)電機(jī)輸出最大的勵磁電流，無刷同步電動機(jī)的勵磁電流也將小于其額定值。在起動初期轉(zhuǎn)速很低時(shí)，無刷同步電動機(jī)將無法獲得勵磁電流。
同步電動機(jī)在無勵磁電流條件下變頻啟動時(shí)，其定子電樞繞組將從變頻器吸收較大的感性無功電流（典型值約為電機(jī)額定電流的2～3倍），該電流僅在變頻器和同步電動機(jī)之間流動，不注入電網(wǎng)，但會造成變頻器和同步電動機(jī)定子電樞繞組的短時(shí)發(fā)熱。因此，在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，應(yīng)向勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組施加盡可能大的電流，以最大限度降低電機(jī)的起動電流。
3.2 變頻起動時(shí)的投勵與整步過程
無刷同步電動機(jī)的變頻起動過程如圖5所示。
高壓斷路器合閘后，變頻器高壓上電。變頻器收到“啟動”命令后，從0.5hz開始向同步電動機(jī)的定子電樞繞組輸出電壓，并按照預(yù)設(shè)的加速時(shí)間和v/f曲線逐漸提升輸出電壓的頻率和幅值，同步電動機(jī)空載起動。
變頻器向同步電動機(jī)定子電樞繞組輸出電壓的同時(shí)，通知勵磁器開始向勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組輸出強(qiáng)勵勵磁電流，該電流為大于勵磁發(fā)電機(jī)的額定勵磁電流，小于勵磁發(fā)電機(jī)的最大短時(shí)勵磁電流，此時(shí)，勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組電流近似為零。
變頻器起動后，同步電動機(jī)依靠其凸極轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子剩磁，經(jīng)過短暫的異步加速和整步過程（約1s～2s）后進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。由于此時(shí)同步電動機(jī)無勵磁電流，僅依靠凸極轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子剩磁運(yùn)行，因而其定子側(cè)電流較大，約為電機(jī)額定電流的2～3倍。
隨著電機(jī)的加速，勵磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電樞繞組感應(yīng)的電壓逐漸升高，當(dāng)其高于旋轉(zhuǎn)整流器的最低工作電壓時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器控制電源上電。由于此時(shí)同步電動機(jī)工作在同步運(yùn)行狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)子角的少量擺動在勵磁繞組上感應(yīng)出較低頻率的電壓，該電壓的周期滿足滑差頻率判據(jù)。旋轉(zhuǎn)整流器在檢測到該電壓后，立即觸發(fā)整流晶閘管，向同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組投入勵磁電流。由于此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速仍然較低，勵磁發(fā)電機(jī)的電樞電壓較低，因而向同步電動機(jī)輸出的勵磁電流也較低。投入勵磁后，同步電動機(jī)的定子電樞電流將有所降低，隨著電機(jī)的加速，勵磁發(fā)電機(jī)輸出的電壓逐漸增加，同步電動機(jī)獲得的勵磁電流也逐漸增加，同步電動機(jī)的定子電樞電流逐漸降低至額定電流之下。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增至最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速（調(diào)速區(qū)間下限）后，變頻器通知勵磁器將勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁電流調(diào)整為勵磁發(fā)電機(jī)的最大持續(xù)工作勵磁電流（或額定勵磁電流），電機(jī)起動過程完成，電機(jī)可以在該轉(zhuǎn)速下加載運(yùn)行，或者根據(jù)工藝需要，加速至期望的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
由于上述電機(jī)起動過程較短（其典型值約為30s），且通常啟動前勵磁發(fā)電機(jī)和同步電動機(jī)繞組溫度不高，因此這一過程不會導(dǎo)致勵磁發(fā)電機(jī)和同步電動機(jī)過熱。
3.3 調(diào)速范圍
對于無刷同步電動機(jī)，由于低速時(shí)勵磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓較低，同步電動機(jī)獲得的勵磁電流較小，其最大輸出轉(zhuǎn)矩（失步轉(zhuǎn)矩）較小，因此需要根據(jù)電機(jī)的勵磁-轉(zhuǎn)矩特性確定其最低運(yùn)行頻率。
一般來說，為了提高電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行范圍，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，勵磁器向勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組輸出勵磁發(fā)電機(jī)的最大持續(xù)工作勵磁電流，此時(shí)勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞繞組將輸出該轉(zhuǎn)速下最大的感應(yīng)電壓（仍小于其額定轉(zhuǎn)速下的額定電樞電壓），同步電動機(jī)也能獲得該轉(zhuǎn)速下的最大勵磁電流。
根據(jù)勵磁發(fā)電機(jī)在其最大持續(xù)工作勵磁電流下的輸出電壓、同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組電阻，以及同步電動機(jī)的勵磁-轉(zhuǎn)矩特性曲線，可以計(jì)算出各轉(zhuǎn)速下同步電動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（失步轉(zhuǎn)矩）。一般可以按照同步電動機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩不小于該轉(zhuǎn)速條件下負(fù)載轉(zhuǎn)矩峰值的1.3倍的原則來確定同步電動機(jī)的最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速（典型值為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的60%～70%）。
3.4 勵磁調(diào)節(jié)
（1）同步電動機(jī)在最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，將從變頻器吸收一定的感性無功電流，功率因數(shù)滯后。隨著轉(zhuǎn)速的升高，其功率因數(shù)將逐漸升高，直至單位功率因數(shù)（pf=1）。為了降低損耗，提高系統(tǒng)效率，在功率因數(shù)到達(dá)單位功率因數(shù)之前，勵磁器應(yīng)向勵磁發(fā)電機(jī)的定子勵磁繞組輸出其最大持續(xù)工作勵磁電流。
（2）當(dāng)同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高時(shí)，將向變頻器發(fā)出感性的無功電流，功率因數(shù)超前，此時(shí)，為了降低損耗，提高系統(tǒng)效率，變頻器將根據(jù)其輸出功率因數(shù)，與勵磁器進(jìn)行通訊，降低勵磁器輸出到勵磁發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使同步電動機(jī)在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。
3.5 變頻停機(jī)過程
變頻器收到“立即停機(jī)”命令后，將停止向同步電動機(jī)的定子電樞繞組輸出電壓，同時(shí)通知勵磁器滅磁，勵磁發(fā)電機(jī)的勵磁電流快速衰減，同步電動機(jī)的勵磁電流通過滅磁電阻快速衰減，電機(jī)在負(fù)載和阻力轉(zhuǎn)矩的作用下逐漸停穩(wěn)。
3.6 失步保護(hù)
當(dāng)變頻器檢測到同步電動機(jī)失步時(shí)，立即停止向同步電動機(jī)的定子電樞繞組輸出電壓，同時(shí)通知勵磁器滅磁，報(bào)告故障。
4 節(jié)電情況
附表是現(xiàn)場所記錄的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示出高壓變頻改造后節(jié)電效果是很好的。
5 結(jié)束語
本文基于無刷同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，對無刷同步電動機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)可能遇到的問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了無刷同步電動機(jī)的變頻運(yùn)行方式，在該運(yùn)行方式下，變頻器可以驅(qū)動無刷同步電動機(jī)可靠、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速運(yùn)行。另外在選擇變頻器時(shí)，容量須適當(dāng)考慮放大，此次我公司選擇型號為hivert-t10/192，額定電流為192a。