1引言

同步電動機與異步電動機相比具有顯著特點，主要是功率因數高，運行在過勵狀態時，可使功率因數超前，向電網輸送無功功率，從而提高電網的功率因數；對電網來說，同步電動機是一個供給無功功率的電源。在平時，它減少了電網所發的無功功率，減小了高壓電力網的工作電流，因此使高壓電網的電能損耗較少，提高了附近電網的電壓水平，使發電廠、電網及用戶都能在經濟合理的工況下運行。當電網發生短路時，同步電動機能通過快速強行勵磁使附近保持較高的電壓，減輕或避免了電網崩潰之類故障的危害。對用戶而言當電網電壓波動較大時同步電動機運行穩定性好，對安全供電有利，因而大型同步電機在工礦企業有著廣泛的應用。

2大型同步電動機直接異步起動方案

同步電動機直接異步起動方法：同步電動機起動力矩較小，大型同步電動機一般都裝有起動繞組，當電動機定子接通三相交流電源時，定子三相交流電流產生旋轉磁場，轉子將按照磁場的方向起動旋轉，轉子阻尼籠猶如鼠籠轉子，依靠感生電流產生的異步力矩拖動負載旋轉。起動初期，為避免直流電勵磁產生制動力矩，勵磁電源應與轉子線圈斷開。但是為避免旋轉磁場在轉子線圈中感應出高電壓（轉子線圈匝數很多）而導致絕緣擊穿，轉子線圈不可開路；同時為避免單軸連接力矩而使電機在一半轉速處爬行，轉子線圈又不宜短路。轉子通過滅磁開關將轉子線圈經過滅磁電阻而短路，當電動機轉速達到95%以上時，滅磁開關動作，斷開滅磁電阻投入勵磁，電動機由于同步力矩拖入同步。

大容量的同步電動機在異步起動過程中會產生極大的沖擊電流，可能導致對電機本身嚴重損害及電網電壓的嚴重下降。同步電機運行工況復雜,如果在起動過程中勵磁系統配合不當，則會產生“機組爬行，機組振蕩”等嚴重的電氣傷害。采取軟起動方式可以避免過大的電流對電機及電網的巨大沖擊，并避免以上風險。

3幾種常見的高壓同步電動機軟起動方案比較

隨著高壓大功率同步電機的普遍應用，其起動問題逐漸成為大型工業企業單位內部電力網的一個主要矛盾。起動方式的選擇不僅影響工程的一次性投資大小，而且也影響到今后電力網和設備的安全穩定運行。以下針對幾種常見的軟起動方式，加以說明和比較。

3.1調壓軟起動

調壓軟起動是通過改變調速裝置的輸出電壓來對電機進行調速的，屬于交-交控制類型。調速裝置采用高壓SCR串聯器件，通過改變晶閘管（SCR）的控制角實現輸出電壓的調節。在電壓調節過程中其輸出頻率不變。起動完畢其并網條件自然就滿足了。

調壓軟起動的缺點是不能對輸出頻率進行調節，起動電流沖擊大（可電機達額定電流的3倍以上），功率因數低，輸入諧波大，對電網污染嚴重；輸出諧波大，造成負載損耗增加、轉矩脈動大。不能用于電磁兼容要求嚴格的場合。調壓軟起動的優點是系統構成簡單，同步并網方便。

3.2靜止變頻軟起動

這種軟起動方式是采用變頻器作為軟啟動器來進行調速的。其工作原理是通過功率器件的有序開、關，形成各種頻率和電壓的PWM電壓波形施加于電機端。起動過程中，頻率改變的同時保證電機磁通近似不變，即電壓頻率之比為常數。當電機達到額定轉速后將電機切換到工頻電網恒速運行。

這種軟起動方式的優點是，系統較簡單，維護方便，控制性能好，起動轉矩大，沖擊電流小（不超過電機額定電流），輸出波形質量高，對電網污染小。起動和并網時間短，易于自動控制。靜止變頻軟起動方式是性價比最高的。

按照高壓變頻器拓撲結構的不同，主要又分為負載換相（電流型）和串聯單元串聯（電壓型）兩種類型。圖1和圖2是以西門子公司產品為代表的兩種結構的原理框圖和比較。

LCI與單元串聯多電平高壓變頻器軟起動性能比較如表1所示。

綜上所述，單元串連型高壓變頻器軟起動與其他軟起動方式相比具有極大的優越性,該款變頻器內置同步切換功能，可以方便地實現電機在電網-變頻器之間平滑切換。我們在某鋼鐵廠12000kW同步電機軟啟動項目中采用了該型號的變頻器，使用一臺4500kW單元串聯型高壓變頻器作為同步電機軟起動器，該項目經過調試成功開車，獲得了良好的使用效果。

4某鋼廠12MW同步電動機軟起動方案

4.1軟起動系統配置

某鋼廠動力廠3#高爐風機控制系統，主要配置有：12000kW電機（如表2所示）、羅賓康第三代完美無諧波4500kW高壓變頻器（如表3所示）、軸流風機（如表4所示）及勵磁控制柜、DCS系統等。

4.2變頻器切換原理介紹

完美無諧波變頻器采用變壓器移相技術，單元直接串聯結構。功率單元與主控系統采用光纖連接，具有高可靠性及快速性。

該變頻器可實現無沖擊同步切換。對于旋轉負載，變頻器起動時能自動跟蹤電機的轉速，實現平穩起動；電機上切過程中變頻器能自動跟蹤電機的頻率、電壓和相位，實現同頻、同壓、同相位切換，切換過程平穩；另外，變頻器可進行PLC編程。因此該變頻器用于同步電機軟起動具有很大的優越性。

4.3軟起動系統控制過程及調試說明

圖3軟起動系統圖

4.3.1軟起動M1過程

首先確保負載空載啟動，如圖3所示，通過PLC合上開關V1，再合上KG1(確保L1為斷開狀態)，勵磁柜在變頻器起動過程中由變頻器VF1控制。當變頻器備妥后，變頻器啟動勵磁控制柜，只有當變頻器備妥并且收到勵磁柜備妥信號后，才能接受來自DCS的啟動信號，若勵磁控制柜未備妥，變頻器發出“Exciterready”報警信號，同時對來自DCS的啟動命令不予響應。若勵磁控制柜出現故障，變頻器顯示“Exciterfault”故障信息，同時對外部起動命令不予響應。若在起動過程中變頻器出現故障，則變頻器停機，同時發出變頻器故障給勵磁控制柜，勵磁控制柜對同步電動機滅磁。軟起動條件成立，起動變頻器，變頻器帶M1電機開始工作，其輸出頻率從0Hz逐步增加，同時由變頻器控制勵磁柜進行優化控制（功率因數為1）。變頻器的輸出電壓對應的從0V升到6kV，M1電機已經開始在額定轉速下運行。

在變頻器輸出到50Hz，DCS發出同步切換命令，變頻器開始自動跟蹤電網的頻率和電壓，當鎖定電網頻率和電壓后，再自動跟蹤相位角，變頻器可以在很短時間內搜索到相位，并鎖定。在電壓、頻率和相位角完全鎖定后，變頻器發出上切允許命令，同時自動閉合高壓旁路開關L1，此時KG1、L1和V1全部閉合，這時電機由變頻器和電網共同供電，然后逐步將電機的負載由變頻器轉移到電網輸入，此時變頻器發出上切換完成命令。4s后，KG1、V1自動跳閘,變頻器退出工作，整個M1電機負載由電網承擔,軟起動過程全部完成.此時可把變頻勵磁控制平滑過渡到工頻勵磁控制。

4.3.2勵磁柜與高壓變頻器的配合

（1）變頻空載軟起動階段

變頻器起動時，其輸出頻率一般從0Hz或一極小頻率開始運行，此時變頻器發出運行信號、4~20mA勵磁電流給定信號至勵磁裝置。

勵磁裝置立即投勵，并根據所給定的勵磁電流，將同步電機在低轉速下牽入同步。隨著變頻器輸出頻率增加，電機的速度逐漸升高，勵磁裝置跟隨變頻器的勵磁電流給定值并工作在恒流勵磁狀態，達到同步起動過程中定子電流最小的起動要求。

在起動過程中如果變頻器發生故障，勵磁裝置立即封鎖勵磁輸出并通過滅磁回路進行續流滅磁，將勵磁繞組中的能量以發熱形式消耗掉。

（2）變頻軟起動完成同步切換階段

起動完成后電機定子將切換到電網運行，切換后，勵磁裝置平滑過渡到切換前的勵磁電流值運行，在收到變頻器發來的干結點信號后（“勵磁柜提供勵磁”），勵磁裝置方可改為其他方式運行，如恒電流、恒功率因數等。

（3）電機工頻運行加載階段

此階段勵磁裝置按設定的運行方式(同步電動或者調相運行)及設定值運行，裝置的功能如失步保護、滅磁誤導通保護、缺相保護等全部投入。勵磁裝置按通常的控制方法進行。

4.3.3同步上切換過程與解決的問題

（1）初次起動后由于電網電壓大于電機的額定電壓，所以變頻器無法進入同步上切換過程，變頻器顯示輸出電壓不足而報警(InsufficientoutputVoltage_I=1)。

解決方法：客戶將電網電壓調整為6.3kV；在變頻器中將電機額定電壓設定為6.3kV，并將輸入整流變壓器的抽頭從+5%調整到0%，并調整相關參數設置，此問題解決。

（2）在同步電機空載切換試驗中，當變頻器同步上切換允許信號發出后，在工頻旁路高壓斷路器L1閉合時切換電流高達1500A；引起斷路器L1過電流保護功能動作跳閘。

解決方法：經過檢查發現勵磁調節裝置在同步上切換過程中快速滅磁功能被打開，經過調整后該問題解決。

（3）同步上切換動態響應問題

在同步電機空載切換試驗中波形反復振蕩，無法鎖定電壓及相位。

解決辦法：經過調整系統的P=2，I=0后，問題解決。

當以上問題解決后，同步切換順利完成,上切換完成，軟啟動過程即告結束，變頻器退出工作。

5結束語

變頻軟起動的整個控制過程由變頻器自動實現，變頻器監視外圍工作環境，若不滿足工作條件，變頻器將禁止啟動。若遇到緊急情況，變頻器自動跳高壓，直到啟動條件恢復后，方可重新合閘并運行。

DCS只需發變頻器起動和上切換開始2個指令，操作簡單明了。同步切換過程中變頻器自動跟蹤輸出頻率、電壓和相位角并將其鎖定，本項目中變頻器空載時同步上切換時間從90s到最終整定約為40s。切換過程非常平穩，與電機的工頻熱切換不同（沖擊電流相對較大），電網幾乎感覺不到任何波動（經過調整切換參數，本項目監測切換電流從400A下降至約為153A），實現了完全無沖擊的軟起動。

完美無諧波變頻器的同步切換功能對同步和異步電動機都適用；它不僅能夠完成向電網的上切換功能，也能夠實現從電網向變頻器的下切換，完善的雙向切換功能降低了運行的風險，減少了高壓電器繁瑣的操作，給客戶的生產帶來了極大方便。