1.引言
　　大功率低速負(fù)載，如磨機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)等，使用多極同步電動(dòng)機(jī)可以提高系統(tǒng)功率因數(shù)，更可以省去變速機(jī)構(gòu)，如齒輪變速箱，降低系統(tǒng)故障率，簡化系統(tǒng)維護(hù)。
　　同步電機(jī)物理過程復(fù)雜、控制難度高，高壓同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統(tǒng)可靠性較低。
　　單元串聯(lián)多電平型變頻器具有成本低，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，網(wǎng)側(cè)電流諧波小，輸出電壓波形正弦、基本無畸變，可靠性高等特點(diǎn)，高壓大容量異步電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域取了非常廣泛應(yīng)用。將單元串聯(lián)多電平型變頻器應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)將有效提高同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可靠性，降低同步電機(jī)變頻改造成本，提高節(jié)能改造帶來效益，同時(shí)也為單元串聯(lián)多電平型變頻器打開一個(gè)廣闊新市場。利德華福技術(shù)人員大量理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，解決了同步電機(jī)起動(dòng)整步等關(guān)鍵問題，已于2006年4月底成功將單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器應(yīng)用于巨化股份公司合成氨廠1000kW/6kV同步電動(dòng)機(jī)上。以下將簡要介紹實(shí)際應(yīng)用中主要技術(shù)問題。
　　2.同步電動(dòng)機(jī)工頻起動(dòng)投勵(lì)過程
　　更好說明同步電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，先對同步電機(jī)工頻起動(dòng)投勵(lì)過程進(jìn)行簡要介紹。
　　電網(wǎng)電壓直接驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)投勵(lì)是一個(gè)比較復(fù)雜過程。當(dāng)同步電機(jī)電樞繞組高壓合閘時(shí)，高壓斷路器輔助觸點(diǎn)告知同步電機(jī)勵(lì)磁裝置準(zhǔn)備投勵(lì)。此時(shí)，勵(lì)磁裝置自動(dòng)同步電機(jī)勵(lì)磁繞組上接入一個(gè)滅磁電阻，止勵(lì)磁繞組上感應(yīng)出高壓，同時(shí)起動(dòng)時(shí)提供一部分起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同步電機(jī)電樞繞組上電后，起動(dòng)繞組和連有滅磁電阻勵(lì)磁繞組共同作用下，電機(jī)開始加速。當(dāng)速度到達(dá)95%同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁裝置勵(lì)磁繞組上感應(yīng)電壓選擇合適時(shí)機(jī)投入勵(lì)磁，電機(jī)被牽入同步速運(yùn)行。同步電機(jī)凸極效應(yīng)較強(qiáng)、起動(dòng)負(fù)載較低，則勵(lì)磁裝置找到合適投勵(lì)時(shí)機(jī)之前，同步電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。這種情況下，勵(lì)磁裝置將延時(shí)投勵(lì)準(zhǔn)則進(jìn)行投勵(lì)，即高壓合閘后15秒強(qiáng)行投勵(lì)。
　　3.變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)起動(dòng)整步過程
　　用變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，使用與上述方式不同起動(dòng)方式：帶勵(lì)起動(dòng)。
　　變頻器向同步電機(jī)定子輸出電壓之前，即啟動(dòng)前，先由勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)勵(lì)磁繞組通以一定勵(lì)磁電流，然后變頻器再向同步電機(jī)電樞繞組輸出適當(dāng)電壓，起動(dòng)電機(jī)。
　　同步電機(jī)與普通異步電機(jī)運(yùn)行上主要區(qū)別是同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間夾角必須某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。電機(jī)起動(dòng)之初，這二者夾角是任意，必須適當(dāng)整步過程將這一夾角控制到一定范圍之內(nèi)，然后電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定同步運(yùn)行狀態(tài)。，起動(dòng)整步問題是變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵問題。
　　變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)整步過程主要分為以下幾個(gè)步驟：
　　*步，勵(lì)磁裝置投勵(lì)。勵(lì)磁系統(tǒng)向同步電機(jī)勵(lì)磁繞組通以一定勵(lì)磁電流，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立一定磁場。
　　第二步，變頻器向同步電機(jī)電樞繞組施加一定直流電壓，產(chǎn)生一定定子電流。此時(shí)，同步電機(jī)上產(chǎn)生一定定子電流，并定子上建立較強(qiáng)磁場。轉(zhuǎn)子定、轉(zhuǎn)子間電磁力作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子磁極逐漸向定子磁極異性端靠近。此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向可能與電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向相同，也可能相反。
　　第三步，變頻器電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，緩慢旋轉(zhuǎn)其施加電樞繞組上電壓矢量。同步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)和定子磁場旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將某一時(shí)刻掠過定子異性磁極，轉(zhuǎn)子磁極加速追上旋轉(zhuǎn)定子磁極。此時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極被較強(qiáng)定子磁極可靠吸引，二者間角度少量有阻尼震蕩后，逐漸趨于一個(gè)較小常量。至此，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，整步過程完成。
　　第四步，變頻器預(yù)先設(shè)定加速度和V/F曲線（即磁通給定），調(diào)節(jié)輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角逐漸拉大到某一常值，然后電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極定子磁場吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過程完成。
　　同步電機(jī)起動(dòng)整步過程中，定、轉(zhuǎn)子磁勢大小選擇和各步驟間切換是控制關(guān)鍵問題。選擇過低定子磁場，則定子磁極無法*次轉(zhuǎn)子異性磁極時(shí)，將其可靠吸牢，此后轉(zhuǎn)子同性磁極間斥力反向加速作用，下一次定子磁極時(shí)，二者將具有更大相對速度，定子磁場更加無法有效牽引轉(zhuǎn)子磁極，zui終將導(dǎo)致起動(dòng)整步失敗。選擇過大定子磁場可能導(dǎo)致同步電機(jī)定子鐵心飽和，進(jìn)一步導(dǎo)致變頻器輸出過電流，電機(jī)起動(dòng)失敗。
　　4.變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)
　　變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)時(shí)使用無需安裝速度/位置傳感器控制方法，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機(jī)時(shí)波形相同，運(yùn)行過程中，變頻器可以*等效于一個(gè)正弦電壓源，無轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，具有較高可靠性。
　　同步電機(jī)無功電流僅電機(jī)和變頻器間流動(dòng)，不進(jìn)入電網(wǎng)，無須對電機(jī)勵(lì)磁電流進(jìn)行控制。一般可電機(jī)運(yùn)行典型工況下，手動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流，使變頻器輸出電流zui小，輸出功率因數(shù)近似為1，然后調(diào)速運(yùn)行過程中維持該電流不變即可。需要運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整勵(lì)磁電流工況，變頻器可以實(shí)測其輸出給同步電機(jī)無功功率，向勵(lì)磁裝置下達(dá)勵(lì)磁給定信號，調(diào)整勵(lì)磁電流。
　　5.同步電動(dòng)機(jī)故障滅磁
　　正常停機(jī)時(shí)，變頻器動(dòng)同步電機(jī)減速至停機(jī)轉(zhuǎn)速，然后停止向電機(jī)電樞繞組輸出電壓。該轉(zhuǎn)速下，zui大勵(lì)磁電流同步電機(jī)定子側(cè)感應(yīng)電壓低于變頻器輸出側(cè)長時(shí)間耐受電壓，電機(jī)之后自由滑行過程中，維持勵(lì)磁電流不會(huì)對設(shè)備造成危害，不需要即時(shí)滅磁。
　　遇到故障時(shí)，僅停止向其電樞繞組供電，而維持其勵(lì)磁電流，則旋轉(zhuǎn)中同步電機(jī)將持續(xù)向其定子側(cè)發(fā)出三相交流電壓，危害設(shè)備安全，并可能造成事故擴(kuò)大。遇到嚴(yán)重故障需要停機(jī)時(shí)，變頻器必須通知?jiǎng)?lì)磁裝置進(jìn)行滅磁。
　　同步電機(jī)滅磁物理過程如下：
　　滅磁之初，勵(lì)磁裝置作用下同步電機(jī)勵(lì)磁電流迅速下降，但同步電機(jī)主磁通無法突變，阻尼繞組（起動(dòng)繞組）上隨即感應(yīng)出較大電流，此時(shí)旋轉(zhuǎn)中同步電機(jī)向其定子機(jī)端（即變頻器輸出端）發(fā)出較高三相交流電壓。隨后，阻尼繞組上電流阻尼繞組內(nèi)阻上逐步衰減為零，同步電機(jī)發(fā)出定子電壓也隨之逐步衰減。這一衰減過程一般為數(shù)秒鐘，變頻器輸出端必須具有停機(jī)狀態(tài)下承受短時(shí)過電壓能力。
　　6.巨化股份公司合成氨廠現(xiàn)場應(yīng)用情況簡介
　　巨化股份公司合成氨廠始建于1959年，是浙江省重要化肥生產(chǎn)基和zui大甲醇、甲醛生產(chǎn)廠。此次進(jìn)行變頻改造是尿素車間1號CO2活塞式壓縮機(jī)　　
　　變頻器選用利德華福 HASVERT-S06/130同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，旁路方案選用一拖一手動(dòng)旁路柜。
　　工頻運(yùn)行時(shí)，QS1、QS2斷開，QS3閉合，同步電機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行、停車過程原有邏輯進(jìn)行。
　　變頻運(yùn)行時(shí)，QS3斷開，QS1、QS2閉合，變頻器上電時(shí)，斷路器QF閉合，約15秒延時(shí)后，勵(lì)磁裝置向同步電機(jī)投入勵(lì)磁電流，然后從現(xiàn)場向變頻器下達(dá)“啟動(dòng)”命令，變頻器預(yù)設(shè)邏輯向同步電機(jī)輸出電壓，同步電機(jī)起動(dòng)。
　　變頻停機(jī)時(shí)，從現(xiàn)場向變頻器下達(dá)“停機(jī)”命令，變頻器驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)減速至停機(jī)頻率，然后停止輸出電壓。zui后現(xiàn)場分?jǐn)?a title="斷路器" target="_blank" >斷路器QF，由其輔助觸點(diǎn)通知?jiǎng)?lì)磁裝置滅磁，滅磁完成后關(guān)閉勵(lì)磁裝置電源。
　　遇到故障時(shí)，變頻器停止電壓輸出同時(shí)，立即分?jǐn)?a title="斷路器" target="_blank" >斷路器QF，由其輔助觸點(diǎn)通知?jiǎng)?lì)磁裝置立即滅磁。
　　7.小結(jié)
　　單元串聯(lián)多電平型變頻器同步電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用成功實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展了高壓變頻器產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，也擴(kuò)大了國家能源節(jié)約政策實(shí)現(xiàn)途徑，為我國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)提供了更多技術(shù)保障。