高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用
梁安江， 張海燕，柳毅， 李建功
(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海200240)
摘要：著重闡述了高壓同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速工程應(yīng)片技術(shù)上的難點(diǎn)及解決措施，如同步電機(jī)起動(dòng)、與勵(lì)磁裝置協(xié)調(diào)控制等。介紹了國(guó)產(chǎn)MAxF同步電機(jī)高壓變頻裝置在滔塞式空壓機(jī)上的應(yīng)用情況和取得的良好效果。
關(guān)鍵詞：同步電機(jī)；高壓變頻裝置；變頻調(diào)速
中圖分類號(hào)：TM 921 51：TM 34l 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673 6540(2010)05-0042 4
0 引 言
同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一大難題，從20世紀(jì)30年代后期，人們就開始研究同步電機(jī)的調(diào)速問題。20世紀(jì)70年代，隨著交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制理論的產(chǎn)生及其技術(shù)的推廣應(yīng)用，世界各大電氣公司都投人大量人力、物力對(duì)交流同步電機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)進(jìn)行研究，期望將這一技術(shù)應(yīng)用于高性能要求的軋機(jī)主傳動(dòng)及礦井提升機(jī)傳動(dòng)中。 迄今為止，世界上已有上下套交流變頻裝置應(yīng)用于大功率同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)：除了礦井提升機(jī)和軋機(jī)外，高壓大功率的交一直一交變頻器也廣泛應(yīng)用于高爐鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)及抽水蓄能電站的大型同步電機(jī)。
同步電機(jī)相對(duì)于異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，****的劣勢(shì)就是存在失步現(xiàn)象，這也是制約同步電機(jī)應(yīng)用變頻裝置的主要原因。若要使用變頻調(diào)速，則要求變頻裝置必須解決以下問題：(1)同步電機(jī)的起動(dòng)問題；(2)同步電機(jī)調(diào)速期間和勵(lì)磁裝置的協(xié)調(diào)問題，防止正常調(diào)速期問同步電機(jī)失步；(3)同步電機(jī)正常停機(jī)和故障滅磁問題。
由于交流同步電動(dòng)機(jī)在可靠性與維護(hù)量、功率因數(shù)、電機(jī)尺寸與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大容量電機(jī)，例如工業(yè)應(yīng)用上大功率的空氣壓縮機(jī)、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機(jī)和鋼廠大容量軋鋼機(jī)等均采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的高壓同步電機(jī)大部分運(yùn)行在低負(fù)荷區(qū)，能耗大、效率低，會(huì)造成電力的大量浪費(fèi)，是變頻改造效益最著的用戶。實(shí)踐表明：同步電機(jī)應(yīng)用高壓大功率變頻凋速系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益良好，其可靠性也可得到保證。因此，我國(guó)高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速裝置將來(lái)的市場(chǎng)前景良好。
我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始交流同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，20世紀(jì)80年代初已研制成功交交變頻同步電機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)，但高壓大功率交流變頻調(diào)速裝置直到20世紀(jì)90年代后期才得到發(fā)展。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院自1999年開始通過對(duì)國(guó)內(nèi)、外高壓變頻裝置進(jìn)行調(diào)研，確立總的技術(shù)方案，采取智能功率單元串聯(lián)多電平方式，于2002年底，研制1 250 kW／6 kV高壓變頻裝置樣機(jī)，2003年7月通過由上海市經(jīng)濟(jì)委員會(huì)主持的產(chǎn)品技術(shù)鑒定，2003年9月正式投入運(yùn)行，2005年底又成功研制生產(chǎn)了國(guó)產(chǎn)最火容量高壓變頻裝置，容量5 000 kw，已在寧夏某藥、有限公司成功投運(yùn)。2006年，該公司開始著手研制容量9 600 k／lO kV的高壓變頻裝置，2007年初申請(qǐng)獲得國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)專題課題。
1 同步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)分析
同步電機(jī)與普通異步電機(jī)運(yùn)行上主要的區(qū)別是：同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角δ(功率角)必須在O～90。范圍內(nèi)變動(dòng)，否則將導(dǎo)致失步。因此，同步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)必須時(shí)刻控制δ在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)，而且在同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)采取和異步電機(jī)不同的方式。以F將簡(jiǎn)要介紹同步電機(jī)變頻調(diào)速過程遇到的難點(diǎn)及MAXF變頻裝置相應(yīng)的解決措施。
1．1同步電機(jī)的起動(dòng)
同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)于端壓u的氣隙合成總磁場(chǎng)拖著轉(zhuǎn)于勵(lì)磁磁場(chǎng)，兩者空間相距δ角、步旋轉(zhuǎn)。1=f=l在轉(zhuǎn)子靜止條件下起動(dòng)時(shí)，兩磁場(chǎng)問不能形成有效的電磁轉(zhuǎn)矩，所以同步電機(jī)不能自行起動(dòng)，必須采取起動(dòng)措施。通常同步電機(jī)起動(dòng)方法有：輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、異步起動(dòng)和變頻起動(dòng)等。
針對(duì)變頻起動(dòng)方法，又有很多種方式，有些同步電機(jī)變頻起動(dòng)均采用先投勵(lì)，此時(shí)檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置，后根據(jù)此位置加入相應(yīng)相位交流電起動(dòng)。該方式常會(huì)由于轉(zhuǎn)子位囂判斷不正確導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)失敗。MAxF變頻裝置采用先異步軟起動(dòng)后順極性投勵(lì)的方法，該方法可實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)可靠起動(dòng)。
對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行異步軟起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)額定起動(dòng)力矩，將同步電機(jī)起動(dòng)到約8 Hz時(shí)進(jìn)行順極性投勵(lì)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)間夾角經(jīng)過小量有阻尼振蕩后，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。具體所投勵(lì)磁大小及投勵(lì)時(shí)頻率可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)試確定。
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