高壓同步電機(jī)的變頻控制

摘 要：通過介紹高壓同步電動(dòng)機(jī)的變頻控制，并比較它與異步電機(jī)變頻控制的區(qū)別，為今后同步電機(jī)的變頻改造提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：同步電機(jī)；變頻控制；勵(lì)磁；轉(zhuǎn)子

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工廠現(xiàn)狀

如何采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境和社會(huì)可接受的一切措施來提高能源和資源的利用效率，是每個(gè)企業(yè)面臨的實(shí)際問題，因?yàn)橹挥刑岣吣茉吹睦眯?，才能在市場競爭中處于有利地位?/p>

變頻作為一種常用的、高效的節(jié)能手段已被大家所熟知，但在企業(yè)的原有建設(shè)中，變頻并不能在所有的項(xiàng)目中得到運(yùn)用，因此，我們還需要對(duì)多種設(shè)備進(jìn)行改造，讓它們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮作用的同時(shí)有效地節(jié)約能源。在本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，有2臺(tái)燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)為舊有的風(fēng)機(jī)，主抽風(fēng)機(jī)電機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)，計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行變頻改造。

2 同步電機(jī)原理

同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種，因轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速而得名，它與異步電動(dòng)機(jī)的不同之處在于其轉(zhuǎn)速與頻率之間有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同步電機(jī)是由其極數(shù)與交流電頻率決定的按一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，稱此轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。

同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是可以通過控制勵(lì)磁來調(diào)節(jié)它的功率因素，可使功率因素高達(dá)1.0，甚至更高。但同步電機(jī)啟動(dòng)費(fèi)事，且重載時(shí)有振蕩以致失步的危險(xiǎn)。自變頻技術(shù)得到很大的發(fā)展后，同步電機(jī)運(yùn)行的問題得到了根本解決。

現(xiàn)有同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)基本上為異步啟動(dòng)方式，分為異步啟動(dòng)和牽入同步兩個(gè)階段，啟動(dòng)的步驟是：①先接入定子電源。為了限制啟動(dòng)電流，可采取固態(tài)或液態(tài)軟啟動(dòng)。②開始啟動(dòng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子電路中加入放電電阻。③當(dāng)勵(lì)磁柜中的檢測設(shè)備檢測到電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的90%時(shí)，發(fā)出投全壓信號(hào)，并切除軟啟動(dòng)裝置。定子繞組星點(diǎn)端接，電機(jī)繼續(xù)升速。④當(dāng)電機(jī)達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速時(shí)，切除放電電阻，投入直流勵(lì)磁。異步啟動(dòng)完成后，牽入同步。

3 變頻控制

同步電機(jī)與普通異步電機(jī)的主要區(qū)別是：同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，定子電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的功角必須保持在某一范圍內(nèi)，否則將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失步。在電機(jī)啟動(dòng)之初，功角是任意的，但必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)摹罢健边^程將功角控制在一定范圍內(nèi)，然后電機(jī)才能進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)。因此，啟動(dòng)整步問題是變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵。

變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)時(shí)采用的是帶勵(lì)啟動(dòng)方式，即在啟動(dòng)前，先由勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電勢(shì)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)在開始運(yùn)行時(shí)為一定值，然后變頻器內(nèi)部通過矢量控制方式向同步電機(jī)的定子繞組輸出適當(dāng)頻率的電壓，使電機(jī)的頻率從0緩慢上升，那么旋轉(zhuǎn)磁場的頻率也會(huì)逐漸上升。由同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式，即公式（1）可知，f發(fā)生變化時(shí)，n也在變，即旋轉(zhuǎn)磁場牽引轉(zhuǎn)子緩慢地同步加速，直到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

4 解決方案

燒結(jié)主抽系統(tǒng)目前設(shè)置了2臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率為7 800 kW。目前運(yùn)行的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)采用的是一套軟啟動(dòng)器，啟動(dòng)一臺(tái)成功后先并網(wǎng)運(yùn)行，然后軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行；而后軟啟動(dòng)器再啟動(dòng)另一臺(tái)風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)成功后并網(wǎng)運(yùn)行，然后軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。由于風(fēng)機(jī)電機(jī)不能調(diào)速運(yùn)行，只能靠調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，因此浪費(fèi)大量電能。本次將對(duì)2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，進(jìn)而滿足生產(chǎn)的需要和節(jié)約電能。

對(duì)2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造后，整個(gè)系統(tǒng)由高、低壓配電系統(tǒng)，高壓變頻器，自控系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)，電機(jī)，主抽風(fēng)機(jī)及其輔助控制系統(tǒng)（包括油泵系統(tǒng)（OS）、冷卻系統(tǒng)（CS）等）等組成。改造后的系統(tǒng)圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)電機(jī)能由任意一臺(tái)變頻器啟動(dòng)并調(diào)速，這樣，即使一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障，也還有一臺(tái)電機(jī)在工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻器也在運(yùn)行中。在切換變頻器時(shí)，通過開關(guān)切換變頻器電源即可控制電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，但一段母線不允許同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。本次改造工程的高壓配電系統(tǒng)開關(guān)比較多（QF11～QF19、QF21～QF29），為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全，必須有可靠的聯(lián)鎖邏輯和切換邏輯。聯(lián)鎖邏輯能夠保證一段母線不同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行、兩段母線不同時(shí)為一臺(tái)變頻器供電、一臺(tái)變頻器不同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)；切換邏輯能夠保證同一臺(tái)電機(jī)可以在工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行之間進(jìn)行可靠的切換，避免切換過程中出現(xiàn)跳閘等故障。

針對(duì)以上高壓電氣主接線圖，電氣聯(lián)鎖邏輯如下：①同一段母線不同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行（QF13、QF14、QF24互鎖；QF23、QF24、QF14互鎖）；②兩段母線不同時(shí)為一臺(tái)變頻器供電（QF13、QF24互鎖；QF23、QF14互鎖）；③同一臺(tái)變頻器不同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)（QF18、QF19互鎖；QF28、QF29互鎖）；④同一臺(tái)電機(jī)不同時(shí)受兩臺(tái)變頻控制（QF18、QF28互鎖；QF19、QF29互鎖）；⑤同一臺(tái)電機(jī)不同時(shí)在工頻和變頻模式之間運(yùn)行（QF12和QF18、QF28聯(lián)鎖；QF22和QF22、QF29聯(lián)鎖）。

自控系統(tǒng)由主抽風(fēng)機(jī)監(jiān)控柜（AC01、AC02）、高壓開關(guān)監(jiān)控柜（AC03）和PLC等組成。PLC程序監(jiān)控系統(tǒng)具有多參量（溫度、液位、流量、壓力等）、多任務(wù)（油泵啟停、閥門開啟、聯(lián)鎖保護(hù)等）、多設(shè)備（電機(jī)、開關(guān)、閥門等）的特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（DAS）、過程邏輯處理子系統(tǒng)（SCS）、信息處理子系統(tǒng)和軟件功能塊四大部分組成。

5 同步電動(dòng)機(jī)變頻裝置的優(yōu)點(diǎn)

使用同步電動(dòng)機(jī)變頻裝置有以下一些優(yōu)點(diǎn)：①先投勵(lì)磁，然后變頻器輸出電壓。電機(jī)軟啟動(dòng)無沖擊，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)過程簡單。②變頻器會(huì)自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和變頻器的輸出頻率同步，而不會(huì)引起過流跳閘，這延長了電機(jī)的使用壽命。③諧波小于3%，變頻器整流橋脈沖數(shù)不低于48脈沖。對(duì)電流和電壓進(jìn)行矢量控制，可精確地控制轉(zhuǎn)速和輸出電壓。④變頻器會(huì)在電網(wǎng)掉電時(shí)停止輸出，并在電網(wǎng)恢復(fù)后自動(dòng)跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速重新啟動(dòng)，而不會(huì)引起過流跳閘，這減少了用戶的停機(jī)次數(shù)，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率。⑤變頻器輸出的電壓波形和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，有效降低了電機(jī)的磨損和溫升，提高了系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。⑥變頻器在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的整機(jī)效率達(dá)到了96%以上。⑦轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流為定值，變頻器自動(dòng)調(diào)整輸出定子轉(zhuǎn)矩電流達(dá)到指令值，以適應(yīng)負(fù)載波動(dòng)，而不會(huì)過勵(lì)磁。

6 結(jié)束語

綜上所述，無論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，都可以進(jìn)行變頻改造，尤其是同步電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行改造后既能夠節(jié)省能源，又能提高功率因素，進(jìn)而給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

作者簡介：張文斌（1971—），男，山西太原人，畢業(yè)于北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院自動(dòng)化系，大學(xué)本科，工程師，目前主要從事冶金電氣設(shè)計(jì)方面的工作。

〔編輯：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor

摘 要：通過介紹高壓同步電動(dòng)機(jī)的變頻控制，并比較它與異步電機(jī)變頻控制的區(qū)別，為今后同步電機(jī)的變頻改造提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：同步電機(jī)；變頻控制；勵(lì)磁；轉(zhuǎn)子

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工廠現(xiàn)狀

如何采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境和社會(huì)可接受的一切措施來提高能源和資源的利用效率，是每個(gè)企業(yè)面臨的實(shí)際問題，因?yàn)橹挥刑岣吣茉吹睦眯剩拍茉谑袌龈偁幹刑幱谟欣匚弧?/p>

變頻作為一種常用的、高效的節(jié)能手段已被大家所熟知，但在企業(yè)的原有建設(shè)中，變頻并不能在所有的項(xiàng)目中得到運(yùn)用，因此，我們還需要對(duì)多種設(shè)備進(jìn)行改造，讓它們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮作用的同時(shí)有效地節(jié)約能源。在本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，有2臺(tái)燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)為舊有的風(fēng)機(jī)，主抽風(fēng)機(jī)電機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)，計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行變頻改造。

2 同步電機(jī)原理

同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種，因轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速而得名，它與異步電動(dòng)機(jī)的不同之處在于其轉(zhuǎn)速與頻率之間有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同步電機(jī)是由其極數(shù)與交流電頻率決定的按一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，稱此轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。

同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是可以通過控制勵(lì)磁來調(diào)節(jié)它的功率因素，可使功率因素高達(dá)1.0，甚至更高。但同步電機(jī)啟動(dòng)費(fèi)事，且重載時(shí)有振蕩以致失步的危險(xiǎn)。自變頻技術(shù)得到很大的發(fā)展后，同步電機(jī)運(yùn)行的問題得到了根本解決。

現(xiàn)有同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)基本上為異步啟動(dòng)方式，分為異步啟動(dòng)和牽入同步兩個(gè)階段，啟動(dòng)的步驟是：①先接入定子電源。為了限制啟動(dòng)電流，可采取固態(tài)或液態(tài)軟啟動(dòng)。②開始啟動(dòng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子電路中加入放電電阻。③當(dāng)勵(lì)磁柜中的檢測設(shè)備檢測到電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的90%時(shí)，發(fā)出投全壓信號(hào)，并切除軟啟動(dòng)裝置。定子繞組星點(diǎn)端接，電機(jī)繼續(xù)升速。④當(dāng)電機(jī)達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速時(shí)，切除放電電阻，投入直流勵(lì)磁。異步啟動(dòng)完成后，牽入同步。

3 變頻控制

同步電機(jī)與普通異步電機(jī)的主要區(qū)別是：同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，定子電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的功角必須保持在某一范圍內(nèi)，否則將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失步。在電機(jī)啟動(dòng)之初，功角是任意的，但必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)摹罢健边^程將功角控制在一定范圍內(nèi)，然后電機(jī)才能進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)。因此，啟動(dòng)整步問題是變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵。

變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)時(shí)采用的是帶勵(lì)啟動(dòng)方式，即在啟動(dòng)前，先由勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電勢(shì)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)在開始運(yùn)行時(shí)為一定值，然后變頻器內(nèi)部通過矢量控制方式向同步電機(jī)的定子繞組輸出適當(dāng)頻率的電壓，使電機(jī)的頻率從0緩慢上升，那么旋轉(zhuǎn)磁場的頻率也會(huì)逐漸上升。由同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式，即公式（1）可知，f發(fā)生變化時(shí)，n也在變，即旋轉(zhuǎn)磁場牽引轉(zhuǎn)子緩慢地同步加速，直到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

4 解決方案

燒結(jié)主抽系統(tǒng)目前設(shè)置了2臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率為7 800 kW。目前運(yùn)行的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)采用的是一套軟啟動(dòng)器，啟動(dòng)一臺(tái)成功后先并網(wǎng)運(yùn)行，然后軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行；而后軟啟動(dòng)器再啟動(dòng)另一臺(tái)風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)成功后并網(wǎng)運(yùn)行，然后軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。由于風(fēng)機(jī)電機(jī)不能調(diào)速運(yùn)行，只能靠調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，因此浪費(fèi)大量電能。本次將對(duì)2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，進(jìn)而滿足生產(chǎn)的需要和節(jié)約電能。

對(duì)2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造后，整個(gè)系統(tǒng)由高、低壓配電系統(tǒng)，高壓變頻器，自控系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)，電機(jī)，主抽風(fēng)機(jī)及其輔助控制系統(tǒng)（包括油泵系統(tǒng)（OS）、冷卻系統(tǒng)（CS）等）等組成。改造后的系統(tǒng)圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)電機(jī)能由任意一臺(tái)變頻器啟動(dòng)并調(diào)速，這樣，即使一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障，也還有一臺(tái)電機(jī)在工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻器也在運(yùn)行中。在切換變頻器時(shí)，通過開關(guān)切換變頻器電源即可控制電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，但一段母線不允許同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。本次改造工程的高壓配電系統(tǒng)開關(guān)比較多（QF11～QF19、QF21～QF29），為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全，必須有可靠的聯(lián)鎖邏輯和切換邏輯。聯(lián)鎖邏輯能夠保證一段母線不同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行、兩段母線不同時(shí)為一臺(tái)變頻器供電、一臺(tái)變頻器不同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)；切換邏輯能夠保證同一臺(tái)電機(jī)可以在工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行之間進(jìn)行可靠的切換，避免切換過程中出現(xiàn)跳閘等故障。

針對(duì)以上高壓電氣主接線圖，電氣聯(lián)鎖邏輯如下：①同一段母線不同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行（QF13、QF14、QF24互鎖；QF23、QF24、QF14互鎖）；②兩段母線不同時(shí)為一臺(tái)變頻器供電（QF13、QF24互鎖；QF23、QF14互鎖）；③同一臺(tái)變頻器不同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)（QF18、QF19互鎖；QF28、QF29互鎖）；④同一臺(tái)電機(jī)不同時(shí)受兩臺(tái)變頻控制（QF18、QF28互鎖；QF19、QF29互鎖）；⑤同一臺(tái)電機(jī)不同時(shí)在工頻和變頻模式之間運(yùn)行（QF12和QF18、QF28聯(lián)鎖；QF22和QF22、QF29聯(lián)鎖）。

自控系統(tǒng)由主抽風(fēng)機(jī)監(jiān)控柜（AC01、AC02）、高壓開關(guān)監(jiān)控柜（AC03）和PLC等組成。PLC程序監(jiān)控系統(tǒng)具有多參量（溫度、液位、流量、壓力等）、多任務(wù)（油泵啟停、閥門開啟、聯(lián)鎖保護(hù)等）、多設(shè)備（電機(jī)、開關(guān)、閥門等）的特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（DAS）、過程邏輯處理子系統(tǒng)（SCS）、信息處理子系統(tǒng)和軟件功能塊四大部分組成。

5 同步電動(dòng)機(jī)變頻裝置的優(yōu)點(diǎn)

使用同步電動(dòng)機(jī)變頻裝置有以下一些優(yōu)點(diǎn)：①先投勵(lì)磁，然后變頻器輸出電壓。電機(jī)軟啟動(dòng)無沖擊，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)過程簡單。②變頻器會(huì)自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和變頻器的輸出頻率同步，而不會(huì)引起過流跳閘，這延長了電機(jī)的使用壽命。③諧波小于3%，變頻器整流橋脈沖數(shù)不低于48脈沖。對(duì)電流和電壓進(jìn)行矢量控制，可精確地控制轉(zhuǎn)速和輸出電壓。④變頻器會(huì)在電網(wǎng)掉電時(shí)停止輸出，并在電網(wǎng)恢復(fù)后自動(dòng)跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速重新啟動(dòng)，而不會(huì)引起過流跳閘，這減少了用戶的停機(jī)次數(shù)，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率。⑤變頻器輸出的電壓波形和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，有效降低了電機(jī)的磨損和溫升，提高了系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。⑥變頻器在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的整機(jī)效率達(dá)到了96%以上。⑦轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流為定值，變頻器自動(dòng)調(diào)整輸出定子轉(zhuǎn)矩電流達(dá)到指令值，以適應(yīng)負(fù)載波動(dòng)，而不會(huì)過勵(lì)磁。

6 結(jié)束語

綜上所述，無論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，都可以進(jìn)行變頻改造，尤其是同步電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行改造后既能夠節(jié)省能源，又能提高功率因素，進(jìn)而給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

作者簡介：張文斌（1971—），男，山西太原人，畢業(yè)于北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院自動(dòng)化系，大學(xué)本科，工程師，目前主要從事冶金電氣設(shè)計(jì)方面的工作。

〔編輯：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor

摘 要：通過介紹高壓同步電動(dòng)機(jī)的變頻控制，并比較它與異步電機(jī)變頻控制的區(qū)別，為今后同步電機(jī)的變頻改造提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：同步電機(jī)；變頻控制；勵(lì)磁；轉(zhuǎn)子

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工廠現(xiàn)狀

如何采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境和社會(huì)可接受的一切措施來提高能源和資源的利用效率，是每個(gè)企業(yè)面臨的實(shí)際問題，因?yàn)橹挥刑岣吣茉吹睦眯?，才能在市場競爭中處于有利地位?/p>

變頻作為一種常用的、高效的節(jié)能手段已被大家所熟知，但在企業(yè)的原有建設(shè)中，變頻并不能在所有的項(xiàng)目中得到運(yùn)用，因此，我們還需要對(duì)多種設(shè)備進(jìn)行改造，讓它們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮作用的同時(shí)有效地節(jié)約能源。在本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，有2臺(tái)燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)為舊有的風(fēng)機(jī)，主抽風(fēng)機(jī)電機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)，計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行變頻改造。

2 同步電機(jī)原理

同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種，因轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速而得名，它與異步電動(dòng)機(jī)的不同之處在于其轉(zhuǎn)速與頻率之間有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同步電機(jī)是由其極數(shù)與交流電頻率決定的按一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，稱此轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。

同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是可以通過控制勵(lì)磁來調(diào)節(jié)它的功率因素，可使功率因素高達(dá)1.0，甚至更高。但同步電機(jī)啟動(dòng)費(fèi)事，且重載時(shí)有振蕩以致失步的危險(xiǎn)。自變頻技術(shù)得到很大的發(fā)展后，同步電機(jī)運(yùn)行的問題得到了根本解決。

現(xiàn)有同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)基本上為異步啟動(dòng)方式，分為異步啟動(dòng)和牽入同步兩個(gè)階段，啟動(dòng)的步驟是：①先接入定子電源。為了限制啟動(dòng)電流，可采取固態(tài)或液態(tài)軟啟動(dòng)。②開始啟動(dòng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子電路中加入放電電阻。③當(dāng)勵(lì)磁柜中的檢測設(shè)備檢測到電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的90%時(shí)，發(fā)出投全壓信號(hào)，并切除軟啟動(dòng)裝置。定子繞組星點(diǎn)端接，電機(jī)繼續(xù)升速。④當(dāng)電機(jī)達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速時(shí)，切除放電電阻，投入直流勵(lì)磁。異步啟動(dòng)完成后，牽入同步。

3 變頻控制

同步電機(jī)與普通異步電機(jī)的主要區(qū)別是：同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，定子電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的功角必須保持在某一范圍內(nèi)，否則將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失步。在電機(jī)啟動(dòng)之初，功角是任意的，但必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)摹罢健边^程將功角控制在一定范圍內(nèi)，然后電機(jī)才能進(jìn)入穩(wěn)定的同步運(yùn)行狀態(tài)。因此，啟動(dòng)整步問題是變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵。

變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)時(shí)采用的是帶勵(lì)啟動(dòng)方式，即在啟動(dòng)前，先由勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組通以一定的勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電勢(shì)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)在開始運(yùn)行時(shí)為一定值，然后變頻器內(nèi)部通過矢量控制方式向同步電機(jī)的定子繞組輸出適當(dāng)頻率的電壓，使電機(jī)的頻率從0緩慢上升，那么旋轉(zhuǎn)磁場的頻率也會(huì)逐漸上升。由同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式，即公式（1）可知，f發(fā)生變化時(shí)，n也在變，即旋轉(zhuǎn)磁場牽引轉(zhuǎn)子緩慢地同步加速，直到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

4 解決方案

燒結(jié)主抽系統(tǒng)目前設(shè)置了2臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率為7 800 kW。目前運(yùn)行的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)采用的是一套軟啟動(dòng)器，啟動(dòng)一臺(tái)成功后先并網(wǎng)運(yùn)行，然后軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行；而后軟啟動(dòng)器再啟動(dòng)另一臺(tái)風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)成功后并網(wǎng)運(yùn)行，然后軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。由于風(fēng)機(jī)電機(jī)不能調(diào)速運(yùn)行，只能靠調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，因此浪費(fèi)大量電能。本次將對(duì)2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，進(jìn)而滿足生產(chǎn)的需要和節(jié)約電能。

對(duì)2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造后，整個(gè)系統(tǒng)由高、低壓配電系統(tǒng)，高壓變頻器，自控系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)，電機(jī)，主抽風(fēng)機(jī)及其輔助控制系統(tǒng)（包括油泵系統(tǒng)（OS）、冷卻系統(tǒng)（CS）等）等組成。改造后的系統(tǒng)圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)電機(jī)能由任意一臺(tái)變頻器啟動(dòng)并調(diào)速，這樣，即使一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障，也還有一臺(tái)電機(jī)在工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻器也在運(yùn)行中。在切換變頻器時(shí)，通過開關(guān)切換變頻器電源即可控制電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，但一段母線不允許同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。本次改造工程的高壓配電系統(tǒng)開關(guān)比較多（QF11～QF19、QF21～QF29），為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全，必須有可靠的聯(lián)鎖邏輯和切換邏輯。聯(lián)鎖邏輯能夠保證一段母線不同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行、兩段母線不同時(shí)為一臺(tái)變頻器供電、一臺(tái)變頻器不同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)；切換邏輯能夠保證同一臺(tái)電機(jī)可以在工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行之間進(jìn)行可靠的切換，避免切換過程中出現(xiàn)跳閘等故障。

針對(duì)以上高壓電氣主接線圖，電氣聯(lián)鎖邏輯如下：①同一段母線不同時(shí)帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行（QF13、QF14、QF24互鎖；QF23、QF24、QF14互鎖）；②兩段母線不同時(shí)為一臺(tái)變頻器供電（QF13、QF24互鎖；QF23、QF14互鎖）；③同一臺(tái)變頻器不同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)（QF18、QF19互鎖；QF28、QF29互鎖）；④同一臺(tái)電機(jī)不同時(shí)受兩臺(tái)變頻控制（QF18、QF28互鎖；QF19、QF29互鎖）；⑤同一臺(tái)電機(jī)不同時(shí)在工頻和變頻模式之間運(yùn)行（QF12和QF18、QF28聯(lián)鎖；QF22和QF22、QF29聯(lián)鎖）。

自控系統(tǒng)由主抽風(fēng)機(jī)監(jiān)控柜（AC01、AC02）、高壓開關(guān)監(jiān)控柜（AC03）和PLC等組成。PLC程序監(jiān)控系統(tǒng)具有多參量（溫度、液位、流量、壓力等）、多任務(wù)（油泵啟停、閥門開啟、聯(lián)鎖保護(hù)等）、多設(shè)備（電機(jī)、開關(guān)、閥門等）的特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（DAS）、過程邏輯處理子系統(tǒng)（SCS）、信息處理子系統(tǒng)和軟件功能塊四大部分組成。

5 同步電動(dòng)機(jī)變頻裝置的優(yōu)點(diǎn)

使用同步電動(dòng)機(jī)變頻裝置有以下一些優(yōu)點(diǎn)：①先投勵(lì)磁，然后變頻器輸出電壓。電機(jī)軟啟動(dòng)無沖擊，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)過程簡單。②變頻器會(huì)自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和變頻器的輸出頻率同步，而不會(huì)引起過流跳閘，這延長了電機(jī)的使用壽命。③諧波小于3%，變頻器整流橋脈沖數(shù)不低于48脈沖。對(duì)電流和電壓進(jìn)行矢量控制，可精確地控制轉(zhuǎn)速和輸出電壓。④變頻器會(huì)在電網(wǎng)掉電時(shí)停止輸出，并在電網(wǎng)恢復(fù)后自動(dòng)跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速重新啟動(dòng)，而不會(huì)引起過流跳閘，這減少了用戶的停機(jī)次數(shù)，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率。⑤變頻器輸出的電壓波形和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，有效降低了電機(jī)的磨損和溫升，提高了系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。⑥變頻器在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的整機(jī)效率達(dá)到了96%以上。⑦轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流為定值，變頻器自動(dòng)調(diào)整輸出定子轉(zhuǎn)矩電流達(dá)到指令值，以適應(yīng)負(fù)載波動(dòng)，而不會(huì)過勵(lì)磁。

6 結(jié)束語

綜上所述，無論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，都可以進(jìn)行變頻改造，尤其是同步電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行改造后既能夠節(jié)省能源，又能提高功率因素，進(jìn)而給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

作者簡介：張文斌（1971—），男，山西太原人，畢業(yè)于北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院自動(dòng)化系，大學(xué)本科，工程師，目前主要從事冶金電氣設(shè)計(jì)方面的工作。

〔編輯：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor