1、引言

同步電機具有過載能力強，功率因數高，轉速恒定及轉矩受電源電壓影響較小等優點，在各行業均有廣泛應用。合康變頻的單元串聯多電平型高壓變頻器在同步電機調速領域已經取得了豐碩成果，在同步電機啟動及調速方面，積累了豐富的經驗。本案例應用的一拖二同步電機同步投切系統開拓了高壓變頻器應用的新領域，具有良好的推廣應用價值。

2、現場應用情況

以大慶中瑞無刷勵磁同步電動機同步投切系統改造項目為例。

LNG液化裝置主要由原料氣凈化處理、凈化天然氣的液化和液化天然氣儲存3個單元組成。冷劑壓縮機是天然氣液化單元冷劑循環部分最重要的設備，為天然氣液化提供冷量，是液化工廠關鍵的大型設備。

在大慶中瑞日產15萬m3天然氣項目中，現有冷劑壓縮機2臺，配置拖動電機為無刷勵磁同步電機（1250kW/6.6kV），工藝無調速要求。為降低電機啟動電流對電網的沖擊、減少啟動轉矩對電機及機械部件的損傷，該項目采用了合康公司定制的一拖二同步投切系統——2臺電機通過1臺變頻器無擾切換成工頻運行。自2015年12月變頻器調試完成至今，現場進行多次啟停，未發生一次投切失敗情況。

圖1現場應用的冷劑壓縮機及變頻器室

大慶中瑞日產15萬m3天然氣項目中的變頻器相關數據如表1所示。

表1變頻器及電機參數

3、工藝介紹

3.1同步投切

同步投切是變頻器與工頻電網之間相互切換的紐帶，它利用鎖相環技術，使變頻器輸出電壓的頻率、相位、幅值跟蹤電網電壓并保持一致，以進行平穩切換；為多臺水泵的順序自動軟啟動和需要在工頻和變頻電源之間頻繁切換的系統等，提供了可靠、便利的解決方案。

圖2為同步變卻系統一次回路圖：

圖2同步變卻系統一次回路圖

由上圖可知，同步投切系統由高壓開關柜（QF、1QF、2QF）、切換柜（QS1、QS2、KM1、KM2）、變頻器、電抗柜及投切控制柜組成。接觸器KM1與KM2間有電氣聯鎖，兩臺電機同時只能有一臺處于變頻運行狀態。

3.1.1同步投切可分為頻/工投切和工/頻投切

頻/工投切：電機變頻運行，變頻器接收到投切請求后，運行到電網頻率，鎖定電網電壓參數，鎖相成功后工頻斷路器閉合，并網運行一定時間，變頻器停機并斷開變頻供電支路，電機由工頻電網驅動。

工/頻投切：電機工頻運行，變頻器接收到投切指令后啟動，運行到電網頻率，鎖定電網參數，鎖相成功后將變頻器側接觸器閉合與工頻電網并聯向負載供電。隨后斷開工頻供電支路，負載由變頻器驅動。

3.1.2操作過程

采用一鍵式操作：用戶只需按“啟動”按鈕，PLC收到啟動命令后檢查變頻器狀態自動合高壓；系統待機后發出運行信號，變頻器啟動10s后PLC發出投切激活命令，變頻器自動加速至電網頻率進行鎖相；鎖相成功后，PLC控制工頻斷路器合閘；斷路器合閘成功保持并網運行一定時間，變頻器停機并對KM2/KM1進行分閘控制，將負載電機投切至工頻狀態；直到KM1/KM2成功分閘后，頻/工投切功能完成。

3.1.3鎖相前、后的變頻和工頻電壓波形如圖3/圖4所示

將二者進行對比可知，變頻器鎖相成功后，工頻電網電壓與變頻器電壓的頻率、幅值、相位基本保持一致，極大減小了投切時產生的“短路電流”，保證了投切的可靠性。

3.1.4采用HIVERT系列高壓變頻同步投切系統具有以下特點

實現電機軟啟動，避免電機啟動時大電流給供電系統和拖動系統帶來的不利影響，便于系統維修及維護，降低維護費用，延長設備使用壽命；

系統可靠性高、安全性好，滿足嚴格的電氣設計標準;

實現工/頻、頻/工之間的無擾動切換，無須停機。

圖4為無刷勵磁同步電機勵磁系統結構圖,圖5為旋轉整流器結構。

圖5無刷勵磁同步電機勵磁系統結構圖

圖6旋轉整流器結構

圖7無刷勵磁同步電機及電機名牌

從上圖可以看出，交流勵磁機與同步電機是同軸轉動。旋轉整流器負責電機起動過程的滅磁與投勵，內部結構如下：電機起動時，滅磁電阻RF連接至電機勵磁繞組上，以提供較大的起動轉矩，降低勵磁繞組端電壓。當接收到投勵信號時，控制器關斷滅磁晶閘管T4，觸發整流晶閘管T1～T3，為同步電機提供持續的勵磁電流。

在控制方面采用針對同步電機特殊設計的主控板，依靠參數設置可控制0-6Hz內定子側電流值，極大地降低了同步電機無勵磁電流運行時的感性無功電流，提高了啟動轉矩，可適用于各類型同步電機。

對于無刷勵磁同步電機，由于交流勵磁機發出的電壓與電機轉速和勵磁機定子勵磁電流的乘積成正比，低速時勵磁機發出電壓較低，電機獲得的勵磁電流偏小，最大輸出轉矩（失步轉矩）也較小。針對該特性，本方案采用異步投勵方式，電機啟動到一定頻率后，再進行投勵。投勵時勵磁系統向同步電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，在同步電機轉子上建立磁場。隨著同步電機轉子的轉動和定子磁場的旋轉，轉子磁極將在某一時刻掠過定子的異性磁極，或者轉子磁極加速追上旋轉的定子磁極。此時，電機的轉子磁極被較強的定子磁極可靠吸引，二者間的角度經過少量有阻尼的震蕩后，逐漸趨于一個較小的常量。至此，同步電機整步過程完成，進入同步運行狀態。

變頻器按照預先設定的加速度和v/f曲線(即磁通給定)調節輸出。此時同步電機的功率角逐漸拉大到某一常值，然后電機轉子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速，在主控系統的調節下進行下一步投切動作。

由于同步電機的無功電流僅在電機和變頻器間流動，不進入電網，因而無須對電機的勵磁電流進行精確的控制。一般可在電機運行的典型工況下，手動調節其勵磁電流，使變頻器的輸出電流最小，輸出功率因數近似為1，在加速過程中維持該電流不變即可。

對于需要在運行時實時調整勵磁電流的工況，可外加測量模塊實時檢測變頻輸出測功率因數，按恒定功率因數方式進行閉環調節。

4、結束語

無刷勵磁同步電機由于沒有滑環、碳刷等可能產生火花的環節，簡化了操作及維護程序，在化工、石油、煤礦等具有爆炸性環境的場所有著較為廣泛的應用。具備同步投切功能的合康高壓變頻器在無刷勵磁同步機上的成功應用，滿足了生產工藝的特殊要求，為高壓變頻器在新的應用領域又邁進了堅實的一步。

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