1、引言 　　由于交流同步電機（簡稱同步電機）在可靠性與維護量、功率因數、電機尺寸與轉動慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優勢，對于大容量電機，世界各國已基本趨向于使用同步電機。比如工業應用上大功率空氣壓縮機、水泵、煤炭與有色金屬行業中的大功率提升機和鋼廠大容量軋鋼機等均采用同步電機驅動。 　　交流同步電機的調速是電氣驅動領域的一大難題，我國從20世紀70年代開始進行交流同步電機調速技術的研究，80年代初已研制成功交—交變頻同步電機的實驗樣機，但大功率交流變頻調速裝置直到90年代后期才得到發展。 　　目前國產大功率變頻裝置成功應用于同步電機的實例很少，都是國外品牌一統天下。目前我國大型同步電機應用變頻調速雖然剛剛起步，但國外已經廣泛使用。通過他們長期的運行實踐表明：應用高壓大功率變頻調速系統的經濟效益良好、其可靠性也可以得到保證。因此我國高壓同步電機變頻調速裝置將來的市場前景巨大。 　　上海發電設備成套設計研究院電氣所自1999年開始通過對國內外高壓變頻裝置進行廣泛的調研，同時收集資料進行比較，確立了總的技術方案，采取單元串聯多電平方式。經過幾年不懈努力，2002年底1250kw/6kv高壓變頻裝置樣機研制成功，2003年7月通過由上海市經委主持的產品技術鑒定。2003年9月正式投入運行，產品一經推出，獲得諸多榮譽。2005年底，我公司成功研制生產了國產最大容量高壓變頻裝置，容量5000kw，在寧夏多維藥業有限公司成功投運。2006年，我公司開始著手研制容量9600kw/10kv的高壓變頻裝置，2007年初已成功申請獲得國家高技術研究發展計劃（863計劃）專題課題。目前公司已成功研制出maxf同步電機高壓變頻調速裝置，于2007年10月在河南心連心化肥有限公司空壓機同步電機上成功投運。 2、同步電機變頻調速技術的難點分析 　　同步電機與普通異步電機運行上主要的區別是同步電機在運行時，電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角必須在某一范圍之內，否則將導致系統失步。因此同步電機變頻調速時必須時刻控制這一夾角在允許的范圍內變動，這一點就是同步電機變頻和異步電機變頻的主要區別。以下將簡要介紹同步電機變頻調速過程遇到的難點及maxf變頻裝置相應解決措施： 　　（1）同步電機的啟動投勵過程 　　通常同步電機啟動有兩種方式：一種先投勵，同步啟動；一種異步啟動，后順極性投勵。對于同步電機變頻啟動均采用先投勵，同步啟動，但常會出現轉子位置判斷不正確導致電機啟動失敗。針對同步電機變頻調速改造，很容易采用異步啟動，順極性投勵方式，所以maxf變頻裝置對同步電機進行異步軟啟動，實現額定啟動力矩，將同步電機啟動到8hz左右進行順極性投勵，具體所投勵磁大小及投勵時頻率可以根據不同應用場合調試確定。至此，電動機轉子磁場和定子磁場間夾角經過小量有阻尼震蕩后，電機轉子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進入同步運行狀態。變頻器按照預先設定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機轉子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動過程完成。 　　針對要求重載啟動的工況，為了啟動力矩更大，可以適當提高變頻裝置輸出電壓和同步電機的勵磁電流。 　　（2）同步電機穩態調速和勵磁調節過程 　　變頻器驅動同步電機調速時，為了解決變頻裝置和同步電機間的配合，電機速度改變同時變頻裝置也會協同調節當前勵磁電流大小和改變輸出電壓對應值（不是簡單的恒v/f控制）。在某一設定頻率點以上范圍運行，變頻器采集同步電機功率因素，通過內置pid控制器實時控制同步電動機的勵磁電流，實現恒功率因數調節，功率因數0.90（超前），變頻器通過發4～20ma指令給同步電機的勵磁調節器調節勵磁電流；在此頻率以下范圍運行時，勵磁電流由變頻器根據當前運行工況，輸出4～20ma信號給勵磁調節器去調節，采用變頻變勵磁電流調節。調節方式切換由變頻器自動完成，而且調節方式的切換點頻率可以通過參數設置。加裝變頻器后，同步電動機的無功電流僅在同步電機和變頻器間流動，不進入電網，因而變頻調速時勵磁電流的調節無需關心同步電機的無功電流。 　?。?）同步電機正常停機和故障滅磁過程 　　在正常停機時，變頻器驅動同步電動機轉速至停機，然后停止變頻器輸出即可。減速過程中，在恒功率因素頻率點以上運行，勵磁電流根據恒功率因素來調節，在頻率點以下范圍運行，采用變頻變勵磁電流方式運行。此過程不需要進行滅磁。 　　在運行期間出現故障，若變頻器外系統出問題，需要緊急停機，可以直接跳開高壓側輸入開關qf和變頻器輸出開關km2，同時跳同步電機勵磁裝置。若變頻器系統出問題要緊急停機時，變頻器立刻停止輸出，通知同步電機勵磁裝置進行可控硅逆變滅磁，再通過故障信號跳開高壓側輸入開關和變頻器輸出開關km2。 　　（4）同步電機調速時阻尼繞組 　　由于在同步電機的升、降速過程中，瞬間會出現電源同步轉速和電機轉子實際轉速不一致的情況，這樣就會在同步電機的阻尼繞組內產生感應電壓，形成電流，所以在變頻改造前，要檢查阻尼繞組內螺釘連接是否牢固，最好將其焊接好，減少繞組內阻。這樣即使調速過程中出現較大感應電流也不會發熱很大，以致損壞電機阻尼繞組。 　　maxf系列同步機變頻裝置運行時將全權接管同步機的勵磁調節，包括投勵、改變勵磁大小和退勵。原有的勵磁裝置只是作為一個執行器，具體勵磁大小由maxf變頻裝置通過4-20ma信號進行控制。 3、maxf系列同步電機高壓變頻裝置改造方案 　　3.1同步電機對高壓變頻裝置的要求 　　由于同步電機與異步電機的不同，同步電機進行變頻調速改造時對高壓變頻裝置的要求也有些差別，具體要求如下： 　　（1）能夠解決同步電機啟動整步問題； 　?。?）能夠解決同步電機調速過程中輸出電壓和勵磁電流的協調控制； 　 　　（3）變頻裝置輸出電壓、電流諧波應盡可能小。 　　3.2實施方案 　　同步電機變頻調速系統改造用的變頻調速裝置應具有工頻旁路回路設計。 　　改造后，不能影響原來工頻方式的所有操作、保護。設計時采用一個轉換開關，具有工頻方式和變頻方式兩個位置。將轉換開關轉至“變頻”位置，則變頻裝置旁路柜開關qf3分閘，延時2秒qf1、qf2合閘，而且勵磁系統的控制線路切至變頻方式；將開關轉至“工頻”位置，則變頻裝置旁路開關qf1、qf2分閘，延時2秒qf3自動合閘，而且勵磁系統控制線路也恢復成工頻方式。 4、國產高壓變頻器在同步電機上應用簡介 　　河南心連心化肥有限公司合成氨生產車間共有5臺800kw/10kv合成循環空壓機并列運行，3臺運行2臺備用，隨著生產任務的多少，人工調節運行的臺數。平時由于生產工藝要求，經常出現運行空壓機的回流閥打開，造成大量電能浪費。而且操作人員勞動強度大，時常出現調節閥故障。鑒于此原因，該公司決定對2#合成循環空壓機同步電機進行變頻調速改造，該公司通過多方的考察、調研，最終選用上海發電設備成套設計研究院（以下簡稱上海成套院）和上?？七_機電控制有限公司共同研制生產的同步電機高壓變頻調速裝置，產品型號：maxf1250-10000/1250。主要理由是：該公司已經采用過上海成套院生產的異步電機高壓變頻調速裝置，裝置運行可靠、具有功率單元在線更換、采用長壽命無極性電力電容和完善的電壓自動平衡技術。 　　4.1變頻改造的經濟效益 　　該公司2#合成循環機同步電機變頻器于2007年10月27日投運以來，運行正常，變頻器各部分均正常，同步電機變頻調速電柜外貌。 　?。?）運行參數 　　·變頻器負荷540kw左右，勵磁電流135a左右，功率因數為超前0.90左右； 　　·頻率一般運行在41hz左右，輸入電流32a左右，輸出電流45a左右； 　　·勵磁電流及功率因數比較穩定。 　?。?）工藝操作 　　變頻裝置投運后，幾臺循環機的旁路已經全部關閉，總路旁路調節閥也關閉，生產操作人員根據生產系統及合成塔溫度情況需要對循環量進行調節時，只需在dcs上通過鼠標對變頻器頻率進行調整即可，調節方便，精度高，無需再調節旁路調節閥，可大大減少旁路調節閥的維護。 　?。?）節能情況統計 　　對變頻器投運前后的電耗情況統計如下： 　　●變頻器投運前，9月15日～10月26日，平均日耗電：52529.7度。 　　系統具體參數： 　　補氣流量：76487m3/h；系統壓力：20mpa； 　　系統壓差：1.90mpa；循環氫：57.9%。 　　●變頻器投運后，10月28日～11月28日，平均日耗電：49444.4度。 來源:輸配電設備網 　　系統具體參數： 　　補氣流量：77046m3/h；系統壓力：20.7mpa； 　　系統壓差：1.95mpa；循環氫：57.6%。 　　由于該公司4臺循環壓縮機為并聯運行，4臺機共同承擔氣體壓縮任務負荷，因此節電計算只能以4臺機總體耗電量進行對比。根據以上變頻器投運前后一段時間運行數據對比，平均日節電：3085.3度。年節電1079855度（一年按運行350天計算）；年節約電費358511.86元（電價按0.332元/度計算）；大約兩年半收回成本。 　　4.2變頻改造的綜合效益 　　此次變頻調速改造不僅為該公司節約大量的電能，而且大大改善了多臺空壓機并列運行系統的調節性能。實踐驗證，空壓機多機并列系統變頻調速控制的作用如下： 　?。?）可實現軟啟動，啟動電流（小于額定電流的10%）大大減少，避免了因大啟動電流造成的絕緣老化及由于大電動力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，減少電機的維護工作量，節約檢修維護費用； 　?。?）采用變頻調速，避免設備的頻繁加載、卸載，延長空壓機的壽命； 　　（3）采用變頻調速后，降低空壓機運行轉速； 　?。?）保證供氣壓力平穩，提高供氣質量； 　?。?）大量節約電能,為用戶節約高額的電費開支； 　?。?）自動控制，簡便高效，可靠和自保護,無需專人看護。 5、結束語 　　同步電機的調速是電氣驅動行業的一大難題，應用高壓變頻調速是近年來我國內變頻廠家研究課題。通過此次變頻改造，發現空壓機同步電動機的變頻調速既滿足同步電機正常變頻調速運行，又使得活塞式空壓機系統恒壓力運行，獲得較大節電效果。而且maxf系列同步機高壓變頻裝置調節同步電動機平穩，其獨到的是它的啟動方式和它的勵磁調節方式，它是異步啟動后順極性投勵，這個啟動非?？煽?，不存在啟動不成功的情況。而且它對同步機的勵磁調節平穩，實現恒功率因素調節。