同步電機LCI變頻啟動研究與應用

彭彤勇，周艷，孫鑫

（1.中航長沙設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306）

在國內某大型航空發動機制造企業的試驗臺氣源系統中，選用了2臺大型空壓機，其拖動電機為14680kW的同步電動機。該型電機運行過程不需要調速，啟動方式的選擇成了電氣技術焦點。目前國內常用的大型電機啟動方式為變頻器軟啟動和固態降壓軟啟動，變頻器軟啟動又分為VSI電壓疊加型變頻器和LCI晶閘管負載換流型變頻器2種主要形式。經過前期方案分析比選，考慮到電網容量、電機勵磁方式等因素，最后為這2臺大型同步電機選擇了LCI晶閘管負載換流型變頻器一拖二的變頻啟動方式。電機生產廠商為ABB公司，變頻器的供應商也選擇了ABB公司。

1 系統介紹

1.1 電源電網情況

該企業的園區建有一處主變電站，共2臺220kV/10kV、63MW的主變壓器，出線電壓等級為10kV。220kV接線采用一線帶兩變接線形式，1回電纜進線。10kV接線采用單母線4分段，220/10kV主變每臺主變帶2段母線，共4段母線。

1.2 電機的參數

電機類型：同步電動機。

工作制：S1；定子方式：星形；相數：3相。

額定功率：14680kW；額定電壓：10000±5%V。

定子電流：861A；定子極數：4極；額定頻率：50Hz；額定轉速：1500rpm；額定效率：98.46%。

2 變頻啟動系統設計

2.1 系統設計

在前期設備論證階段，首先考察了10kV固態軟啟動裝置。考慮到受到220/10kV主變容量限制，固態軟啟動3.5倍左右的啟動電流對10kV母線的沖擊較大；國產固態軟啟動裝置超過10MW的應用案例較少，可靠性無法驗證；國外的固態軟啟動也無法獲得有效技術支持和成熟案例；經過和業主的多次協商，決定采用10kV變頻啟動裝置；世界上的10kV變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的一致性的主電路拓撲結構，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內外各變頻器生產廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路結構，以適應各種拖動設備的要求，因而在各項性能指標和適用范圍上也各有差異。

根據有無直流環節而將高壓變頻器分為兩大類：（1）無直流環節的變頻器，即交—交變頻器；（2）有直流環節的變頻器稱為交—直—交變頻器。

其中直流環節采用大電感以平抑電流脈動的變頻器稱為電流源型變頻器，直流環節采用大電容以抑制電壓波動的變頻器則稱為電壓源型變頻器。同步機變頻啟動裝置工況特殊，目前國內相關行業已投入運行的變頻系統主要有負載換向型變頻器(LCI)和單元串聯多電平電壓源型變頻器（VSI）兩種類型。

負載換向型變頻器(LCI)的特點：LCI采用技術可靠的低壓可控硅元器件和升降壓變壓器組成的軟啟動系統，可控硅元器件質量可靠，耐壓性好，電流裕量充足，保證了系統的高可靠性。簡單的電路拓撲結構，減少了元器件使用數量，從而降低了故障概率；LCI適用于大功率同步電機的高速高頻場合，可實現近似于直流電機的調速特性（無換向器電機），可省去維護困難的機械式換向器和電刷。功率范圍可達100MW以上，轉速可以大于7000r/m，電壓范圍可達1～23kV。負載換向型變頻器的頻率控制與負載的運轉有關，不會出現變頻器輸出失敗的情況。西門子、ABB公司都有LCI產品解決方案。

單元串聯多電平電壓源型變頻器（VSI）的特點：功率器件IGBT串聯型變頻器，此種變頻器采用多個功率單元串聯來實現中壓變頻，采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式直接實現高壓輸出，無需輸出變壓器。輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪聲。多單元串聯有良好廣泛的適用性，多單元串聯元器件均為模塊化設計，維護時直接更換。其功率范圍一般為1～20MW，電壓范圍可達10kV。此原理的一些變頻器輸出的健康狀態依賴于對電機工況的檢測,電機側一般會安裝測速編碼器。目前西門子、ABB、施耐德、艾默生等公司均有VSI型變頻器，可在國內生產組裝。通過對LCI和VSI兩種主要的10kV變頻器進行技術調研和設備論證，考慮到已訂購的同步電機勵磁系統與LCI變頻系統有完善的控制聯鎖體系和類似應用案例，如果采用VSI變頻系統需要對同步電機的勵磁系統做局部調整，最終建議業主選用了LCI變頻器。LCI變頻啟動系統的一次接線圖如圖1。

圖1 一次接線圖

2.2 設備選型

本系統為一套軟啟動裝置，啟動2臺同步電機，同步電機由變頻器啟動，達到同步轉速后，變頻器退出，切換至工頻運行。全套設備包括輸入變壓器、輸入變壓器、變頻器、變頻輸入開關柜ICB、變頻輸出開關柜SCB1和SCB2、工頻輸入開關柜RCB1和RCB2，以及電機配套提供的勵磁柜MCP1和MCP2。變頻器設備本身帶PLC控制器，負責整套變頻啟動設備的控制和調節。按設備廠提供的數據，變頻器容量約為電機容量的35%即可滿足啟動要求，本工程選擇了一套5600kVA的變頻器，變頻器輸入電壓和輸出電壓均為3.46kV。輸入變壓器為雙繞組干式變壓器，電壓10/3.46kV，容量8100kVA，接線組別為YnD。輸出變壓器為雙繞組干式變壓器，電壓3.46/10kV，容量7830kVA，接線組別為Dy5。ICB、SCB和RCB開關柜均為標準KYN28-12型開關柜，采用VD4真空斷路器。RCB1、RCB2配置帶電動機差動的繼電綜合保護器，ICB配置變壓器保護繼電綜合保護器。

2.3 啟動過程設計

（1）啟動過程描述如下（以啟動1號電機為例）：①將SCB1合閘，選擇1號電機待啟動。②同步電機的啟動和同步由變頻器SFC控制。變頻器的PLC控制器在收到必要的狀態信號后，將變頻器輸入變壓器端的ICB斷路器合閘，開始變頻啟動。③變頻器按設定轉矩曲線將電機加速到99%額定轉速。④同步裝置開始運行，給變頻器SFC發電壓和電流調整信號。⑤變頻器SFC調整轉速，將同步裝置的電壓和頻率調整信號發給MCP1勵磁裝置。⑥達到同步條件后，變頻器SFC將RCB1合閘。⑦變頻器SFC封鎖晶閘管脈沖，將變頻電流降到零。⑧變頻器SFC將ICB分閘，將SCB1分閘。⑨電機工頻運行。

（2）由變頻器廠家提供的啟動特性曲線如圖2。

圖2 啟動特性曲線

圖中方塊記號的曲線為驅動轉矩曲線，星形記號的曲線為負載轉矩曲線，虛線曲線為啟動時間。變頻啟動過程總的啟動時間約為79s，其中包括電機啟動之前約5s的磁場建立時間，圖2所示44s的啟動時間，和同步裝置開始工作后約為30s的同步時間。

（3）啟動過程中，需要變頻器SFC控制器、電機MCP勵磁控制柜、空壓機UCP控制柜和FCS廠房集中控制系統進行協調配合，梳理各設備控制器之間的邏輯關系，分析啟動命令執行時序，形成完整的端子接線表和啟動邏輯控制表。變頻啟動過程中的具體時序控制如下：

1)變頻器關閉。①勵磁母線電壓正常；②UPS母線電壓正常；③空壓機UCP自檢正常。2)啟動準備。①設備初始化正常；②自動復位關閉；③FCS給出外部指令，RCB1差動保護關閉；④斷路器狀態：SCB1/SCB2分閘；ICB分閘；RCB1/RCB2分閘；⑤FCS給出外部指令，SCB1合閘。3)勵磁啟動。①空壓機UCP發啟動信號至SFC；②SFC發指令，ICB合閘；③SFC發啟動命令至MCP1；④MCP1發啟動中狀態信號至FCS。4)電機啟動。①SFC發勵磁電流設定值至MCP1；②MCP1發勵磁電流運行至至SFC；③電機開始加速；④MCP1按設定曲線調節勵磁電流；⑤電機轉速達到額定轉速的99%。5)同步。①SFC調整電壓/頻率；②SFC將同步狀態的電壓/頻率信號至MCP1；③同步狀態完成；④MCP1發指令，RCB1合閘；⑤延時1s；MCP1發指令，SCB1分閘。6)啟動結束。① MCP1發啟動結束信號至FCS；②FCS發指令，ICB分閘；③FCS給出外部指令，RCB1差動保護開啟。

3 系統調試問題及解決方案

本工程變頻啟動設備的調試過程經歷了約2周時間。調試過程中經歷了電流信號異常、差動保護異動、勵磁電流異常等故障情況，經過對二次線路的核查及控制設定值的調整，解決了所有問題。目前該工程已順利投產。經過經驗總結，大型同步電機LCI變頻啟動有以下幾條需要注意的事項：

（1）啟動起始的SCB合閘指令為2臺電機的選擇指令，可由機組UCP給出，也可由FCS給出，經分析，選擇了FCS指令，控制流程更短可靠性較高。

（2）根據變壓器廠給出的變壓器勵磁曲線，輸入降壓變壓器約5倍的勵磁涌流，輸出升壓變壓器約18倍的勵磁涌流。變頻輸入開關柜的ICB斷路器過電流保護整定計算中，我們分析了啟動過程，輸出變壓器前端的晶閘管導通角由零逐步增大，不需要考慮其勵磁涌流。決定按輸入變壓器的勵磁涌流進行ICB的保護整定，運行情況正常。

（3）系統的10kV電源來自總站的2臺220/10kV變壓器。為避免同步過程中出現無法實現電壓/頻率同步的故障，我們將3段10kV進線均調整到同一臺220/10kV主變供電。

（4）RCB工頻開關柜斷路器設置差動保護器。兩組差動保護CT必須與規格型號完全一致。為避免在同步轉換過程中的誤動作，在啟動程序開始之前將RCB的差動保護器閉鎖關閉，啟動完成后再將差動保護投入。

4 結語

通過本工程中對大型同步電機變頻啟動系統的設備選型、系統設計和運行調試，分析比較了10kV同步電機的各種啟動方式的特點，總結了LCI變頻啟動系統的設計要點，分析了啟動流程和啟動控制時序，并對系統調試中遇到的技術問題提出了解決方案。在設計中考慮了系統電網和已有設備的具體要求，保證了啟動過程的順利投產和可靠性。從實踐角度來看，本次同步電機變頻啟動的設計是成功的，自建成調試投產以來，多次啟動運行均效果良好，且對系統電網未造成明顯沖擊和不良影響，保證了企業試驗生產任務的順利進行。