负载换流变频技术在高压电动机启动中应用研究

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摘要：本文根据实际的工作经验对负载换流变频技术在高压电动机启动中应用做了简要的研究。

关键词：负载换流变频技术；高压电动机；启动；应用研究

Abstract: in this paper, according to the actual work experience in load flow changing frequency conversion technology in high voltage motor launch a brief application.

Keywords:load flow changing frequency conversion technology; High voltage motor; Launched; Application research

中图分类号：F407.61文献标识码：A 文章编号：

随着电力电子技术、微电子学、自动控制理论、计算机技术以及先进制造技术的不断发展，电气传动技术也发生了一场历史性革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术。交流静止变频器开始广泛应用于高压大功率同步电动机启动领域。

1高压电动机的启动方式

同步电动机以其可调的功率因数、转速与电网频率严格保持同步等良好的运行特点，在大功率电气传动领域独占熬头，因此高压大功率同步电动机广泛应用于冶金、钢铁、石化等行业。但是，同步电动机的启动对电网电压波动和电机本身绝缘、机械结构的影响很大，因此同步电动机的启动一直是一个相当复杂的的问题，其启动方式长期以来是人们关注的一个重要课题。

高压大功率同步电机常用的启动方式通常有：直接全压启动、串联电抗器降压启动、变频启动等，其中最佳的启动方式为变频启动。如果采用异步启动方法，依靠阻尼绕组进行启动，启动时间短，但吸收很大的电抗电流，因此造成的电网电压降低对电力系统的扰动将十分严重，一般是不允许的。如果采用降压启动，不但需要很大的电抗器，而且启动绕组发热严重，很难保证安全运行。如用专门的启动电动机，以便使同步电动机转子加速到要求的转速，启动电动机或者是具有启动电阻的感应电动机，或者是直流电动机，但由于需要将启动电动机同轴安装到同步电动机的自由端，使主轴变长，在机械上受到限制。

采用旋转式变频系统实现对高压大容量同步电动机进行变频启动。该系统主要由变流机组（一台同步电动机与两台直流发电机同轴连接）和变频机组（两台直流电动机与一台同步发电机同轴连接）构成，然后串连形成一条直流主回路，通过控制直流发电机的励磁来实现对输出频率和电压的调节控制，属于交-直-交电流型，也是没有谐波产生，此种启动方式还可以使用一套启动装置依次启动多台大容量同步电动机。但旋转式变频系统由于本身的机械惯性，造成电动机的启动时间过长；变流机组本身的一台大功率同步电动机又存在启动问题；另外，由于设备庞大、占地面积大，修建的厂房也大，目前已经逐步淘汰不再采用。

2同步电动机矢量控制系统的基本结构

同步电动机矢量控制系统根据变频器结构的不同而有所区别，大体上都类似与直流调速系统——由各种电量检测反馈单元以及数学模型计算单元构成闭环控制系统，通过控制变频器功率单元电力电子器件的触发角，调节变频器的输出（即改变电机定子电压、电流、磁场），实现对负载电机转矩的控制，最终实现对负载电机转速的控制。

图1是交直交电流型变频调速系统的基本控制框图。交直交电流型变频器中，由晶闸管构成桥式整流单元控制输出电流的幅值；由晶闸管等可关断电力半导体器件构成的逆变单元，控制输出电流的频率和相角。由图可见，定子电流的转矩分量ist和励磁分量ism直接变换为定子电流幅值│is│，然后控制整流单元晶闸管触发角；同时，经过变换出的定子电流相角iθ来控制逆变单元晶闸管的触发角。

其中：φi为定子电流矢量相对于磁场坐标轴线的夹角，φi与磁场坐标旋转角θ相加，得出定子电流矢量相对于静止坐标轴线的夹角θi；磁链/电流的模型Mi单元计算出同步电动机转子励磁电流if、定子电流励磁分量ism。

图1 交直交电流型变频调速系统的基本控制框图

3负载换流同步电动机软起动应用

3.1负载换流变频软起动系统主接线电气设计

在气源扩容厂房102e高压电气系统中，变频器电源、3台高压同步电动机电源来自2#电站站3#主变10kV侧。变频软启动系统原理图见图5-8，高压系统配电图见图2。

主要技术说明：

高压系统采用10kV金属封闭中置式高压开关柜KYN28-12型，断路器柜（如电机启动柜、运行柜、降压变压器运行柜）采用1250A电流等级。

高压电缆选型。高压电缆选用8.7/15kV规格；降压变压器进线电缆、降压变压器运行柜出线以及升压变压器出线电缆为YJV22-2（3*120）；电机进线以及运行柜出线电缆为YJV22-3（3*240）；变频器直流回路（降压变压器至整流单元、逆变器至升压变压器）电缆考虑到敷设难度以及电缆终端的连接，选择不带铠装的高压电缆，型号规格为YJV-2（3*300）。电缆选型根据变频系统相关设备电压及电流参数进行热稳定和动稳定校验。

在该项目中，综合考虑设备安装布局的安全以及技术合理性，将变频器功率柜、SFC控制柜、灭磁柜布置在高压室；三台励磁柜并列布置于控制室。

图2 变频软启动系统原理图

3.2电机的起动和保护

3.2.1起动控制

起动的全过程是由励磁器控制的。励磁器是通过快速令牌环状母线联接到变频器上的，当励磁器的电源接通后，然后起动内部的辅助装置，并且向变频器发出指令，由开环控制系统起动变频器的辅助装置（功率单元的冷却风扇），冷却风扇正常工作后，变频器将“辅助装置已工作“的信号反馈给励磁器。然后励磁器起动内部6RA70整流装置，向同步电动机转子输出直流电源（向电机的转子磁场馈送能量），并命令闭合同步电动机起动柜（变频器与电机电路之间的断路器MBM），同时给变频器下发一条：命令开环控制系统启动；MBM已经闭合的信息反馈后，变频器的开环控制系统发出指令：进线侧降压变压器的运行柜（MBC）闭合，此时将工频电网高压电源接入降压变压器一次侧；开环控制系统同时要求闭环控制系统准备好，励磁器中的励磁电流闭环控制系统也要就绪；当变频器功率单元触发脉冲就绪时，变频器的闭环控制系统会得到命令，然后开始对转子的位置进行检测。15000千瓦同步电动机起动电流约为额定值的30%，大约在295A左右。在初始阶段采用直流环脉冲技术，变频器开始起动电机，并按照已经设置好的起动特性曲线，将电机加速到95%的同步转速上以后，就采用电压检测信号的LCI负载换流方式将转速升到电动机额定转速，升速至同步转速时间设定为75s。

3.2.2系统的保护和监视

励磁电流极限值监视：用于监视励磁装置是否电流过励磁或者欠励磁。同步电动机失步保护：无功功率持续超过极限设定值，并达到设定的时间周期，或者在一个设定的时间周期内两次超过极限设定值，失步保护将动作。三相交流功率控制器：用于监视同步电压是否正常，负载过重是否引起过电流，熔断器是否熔掉。在同步电动机的起动过程中，电动机转子堵转保护、定子线圈接地故障监视等都是由变频器执行监视的。

如果在电动机的起动过程中，变频器与励磁器的通讯出现故障，将自动关闭励磁器和变频器的开环控制系统。如果在电机起动完成后的正常稳定运行期间，励磁器与变频器的通讯系统出现故障，励磁器会给出报警信号，同时励磁器会通过与变频器联接的通讯接口联系，反复试图重新建立起正常通讯。此时并不会影响电机的正常运行以及励磁器对电机的保护与监控。

总结

负载换流变频技术在高压电动机启动中的应用还需要做好监视与控制处理等工作，对于出现的问题及时解决，保证电机能够正常的运行。

参考文献

[1]张选正，顾红兵.中高压变频器应用技术[M].北京:电子工业出版社，2007年

[2] 李超.同步电动机固态软起动技术[J];电气时代;2010年02期

[3] 李宁;李丰顺.同步电动机的失磁保护[J];煤矿机电;2010年03期

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。