變頻同步啟動的交流勵磁同步電動機在石油化工企業的應用

陳廣書

（山東濟煉石化工程有限公司，山東濟南 250101）

1 概述

隨著煉油企業精制、改質、催化、裂化等項目的增加，越來越多的防爆無刷勵磁同步電動機被廣泛使用。由于應用的同步電動機的功率越來越大，為了降低同步電機在啟動過程中對電網的沖擊，減少同步電機啟動過程中對電網中其他用電設備的干擾，對防爆無刷勵磁同步電機啟動過程要求也越來越高。

目前大電機的啟動方式大致可分為以下幾種，全壓直接啟動，電抗器降壓啟動，自耦變壓器啟動，變壓器-電動機組啟動，降壓軟啟動（主要是固態軟啟動），變頻軟啟動。各種啟動方式都有其優缺點及適用范圍。電動機啟動順序的選擇也是優先按照全壓直接啟動，電抗器降壓啟動，自耦變壓器啟動，變壓器-電動機組啟動，降壓軟啟動（主要是固態軟啟動），變頻軟啟動順序進行。

目前同步電動機啟動方式主要有異步啟動和變頻啟動。異步啟動是同步電動機常用的啟動方式，視供電系統容量采用全壓啟動或降壓啟動，待轉速到亞同步速時投入勵磁。變頻啟動需要一套專用變頻電源，同時對控制系統及通信系統要求較高，但是隨著同步電動機功率越來越大，以及受用戶電網的限制，目前對采用變頻方式進行啟動的無刷勵磁同步電動機需求也越來越多。

但是變頻電源的輸出電流能力通常只有電機額定電流的1.5倍，這種啟動方式若采用異步啟動時間過長且不好控制，導致勵磁系統中的滅磁電阻因長時間通電而導致表面溫度超出防爆標準，甚至過熱燒毀，并且異步啟動過程中滑差的大小存在不確定性，啟動電流可能超過變頻電源的許用能力，損壞變頻電源。所以對于無刷勵磁同步電動機采用變頻異步啟也有其局限性。

關于勵磁方式，常規的直流勵磁方式（勵磁機的定子勵磁方式為直流勵磁）在電機初始啟動時由于轉速為零（勵磁機的電樞電壓無法建立）而不能為主電機提供勵磁。通行的做法為將勵磁方式改為交流，勵磁機定轉子均為交流繞組，勵磁裝置輸出電壓可調的三相交流電至勵磁機定子，在電機初始啟動時利用變壓器效應將電能傳輸至勵磁機轉子側經三相可控硅整流后，為主電機提供有效勵磁電源。

2 同步電動機啟動方案的選擇與配置

2.1 啟動方案選擇

某海外項目全廠電源無外接電網，孤網運行，電廠配置4臺60MW 機組。常減壓裝置同步電機7 350kW，10kV，額定電流486A，功率因數0.9（超前），效率0.97，Ks=4.369，變壓器一次側短路容量203MVA。電機驅動負載類型為往復式壓縮機。經過計算在最大運行方式下采用直接啟動時母線和機端電壓降均小于規范要求。當采用固態軟啟，該啟動方式的啟動電流倍數為3倍額定電流，無法滿足啟動要求。所以最終選擇變頻啟動，啟動電流倍數為1.5倍額定電流。當采用變頻異步啟動時，和異步電動機變頻啟動特性一樣，其啟動容量也無法滿足要求。最終選擇啟動方式采用變頻同步軟起交流勵磁。

同步軟啟動性能曲線如圖1所示，粗實線為啟動轉矩曲線，細實線為負載阻力矩曲線，圖中在起始階段啟動轉矩滿足啟動要求，具有良好的啟動性能。

圖1 同步電動機軟起性能曲線

同步軟啟動系統配置主要包括：10kV 變頻器（4 000kVA），同步電動機，交流勵磁機，交流勵磁柜。該方案的一次接線圖如圖2所示：L1，L2為電機旁路斷路器，KD1，KD2，V1，V2為變頻器回路斷路器，K11，K12為變頻回路交流接觸器。

圖2 同步軟起啟動方案一次接線圖

其中，變頻器與勵磁柜之間的主要二次接線見圖3，具體接口信號包括：

（1）勵磁就緒。勵磁裝置在檢測到變頻器發出的投勵命令后，勵磁繼電器吸合。

（2）勵磁故障輸出。當勵磁裝置檢測到裝置內部或外部輸入信號異常時接點吸合，該接點信號僅用于報警。

（3）勵磁事故輸出。勵磁裝置檢測到裝置內部或外部輸入信號異常而導致必須停機的致命故障時接點吸合。該接點信號用于事故停機，變頻器在檢測到接點吸合時應立即停機。

（4）勵磁運行輸出。當勵磁投入且檢測到勵磁電流上升至設定值（可整定）后時接點吸合，勵磁滅磁結束后接點斷開。

（5）變頻器故障輸入。從變頻器來的無源干接點信號，在變頻器故障禁止勵磁投入時由變頻器控制接點吸合。在勵磁未投勵時該接點吸合將導致勵磁就緒輸出接點釋放，在勵磁投勵時該接點吸合則導致緊急滅磁。

（6）勵磁起停控制輸入。從變頻器來的無源干接點信號，與勵磁控制4～20mA 信號輸入的電流值共同決定勵磁是否投入。

（7）勵磁控制4～20mA 輸入。變頻器對勵磁裝置的投勵/滅磁控制及對勵磁電流大小的調節都通過勵磁控制 4～20mA信號。

（8）機組轉速4～20mA 輸入。機組轉速信號用于勵磁裝置測量并顯示機組轉速，并用于計算勵磁機定子過電壓限制器的動態定值；在勵磁調節器的配置清單中設有可整定的“轉速輸入滿度（20mA）轉速值” 定值，該參數定義了機組轉速4～20mA 信號的滿度值 20mA 與機組轉速的對應關系。

2.2 啟動過程分析

該同步電機的啟動邏輯為：接到電機啟動信號后，變頻控制器自檢無故障后向勵磁機發出指令，使勵磁機就緒，交流勵磁機轉子產生感應電流，并通過整流盤整流后給主機轉子勵磁，主機轉子在接到直流勵磁電流后產生恒定的轉子磁場；變頻器產生低頻交流，并在主機定子內形成低頻旋轉磁場。由于轉子此時已經建立磁場，在電磁力的影響下，轉子開始轉動，轉速逐漸上升。

由于轉子轉速的上升，交流勵磁機的轉差率提高，感應電流變大，對應的主機轉子勵磁電流也會增加。為了防止主機轉子勵磁電流過大，此時變頻控制器根據轉速的提高，降低勵磁機定子電壓。隨著轉子轉速提高，定子電壓達到額定電壓，啟動完成。對照圖1，具體過程如下：勵磁就緒后且主電機旁路斷路器L1處于斷開，變頻器回路接觸器K11閉合，斷路器KD1閉合，變頻器確認斷路器KD1已閉合，交流接觸器K12閉合，在工藝允許情況下閉合斷路器V1，將斷路器V1狀態反饋變頻器，之后變頻器發出指令啟動勵磁，勵磁已啟動信號反饋給變頻器，變頻器通過4～20mA 信號反饋給勵磁柜調節勵磁電流大小，啟動完成后變頻器發出信號閉合L1，斷開V1，勵磁不再跟蹤4～20mA 信號，復位勵磁啟動信號，勵磁轉入工頻運行，整個啟動過程完成。當需要停機時，旁路斷路器L1分閘，工頻定子電流小于額定電流5%時正常停機滅磁，當大于5%額定電流時，自動調節勵磁電流小于5%額定電流，正常滅磁。

本項目用電機驅動負載類型為往復式壓縮機，電機采用變頻同步啟動，對于異步電動機而言，采用變頻啟動在額定頻率以下為恒轉矩啟動，而相對同步電動機而言，在額定頻率以下其啟動轉矩與勵磁電流呈線性關系，其啟動轉矩可根據初始施加的勵磁電流大小進行調整。

圖3 變頻器與勵磁柜接口信號

3 結論

隨著煉化企業向大型化發展，越來越多的同步電動機投入運行通過以上分析，對于大型同步電動機采用同步軟起交流勵磁方式，相比其他啟動方式有很好的啟動性能，對電網的沖擊最小，采用交流勵磁在電機初始啟動時能為主電機提供有效勵磁電源，無須換向器，尤其是處于孤網運行或容量不大的煉化企業，該啟動方式是較好的選擇。