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(shù)高，運行在過勵狀態(tài)時，可使功率因數(shù)超前，向電網(wǎng)輸送無功功率，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)；對電網(wǎng)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(wǎng)所發(fā)的無功功率，減小了高壓電力網(wǎng)的工作電流，因此使高壓電網(wǎng)的電能損耗較少，提高了附近電網(wǎng)的電壓水平，使發(fā)電廠、電網(wǎng)及用戶都能在經(jīng)濟合理的工況下運行。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)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(wǎng)崩潰之類故障的危害。對用戶而言當(dāng)電網(wǎng)電壓波動較大時同步電動機運行穩(wěn)定性好，對安全供電有利，因而大型同步電機在工礦企業(yè)有著廣泛的應(yīng)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(dāng)電動機定子接通三相交流電源時，定子三相交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子將按照磁場的方向起動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子阻尼籠猶如鼠籠轉(zhuǎn)子，依靠感生電流產(chǎn)生的異步力矩拖動負(fù)載旋轉(zhuǎn)。起動初期，為避免直流電勵磁產(chǎn)生制動力矩，勵磁電源應(yīng)與轉(zhuǎn)子線圈斷開。但是為避免旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子線圈中感應(yīng)出高電壓（轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)很多）而導(dǎo)致絕緣擊穿，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速處爬行，轉(zhuǎn)子線圈又不宜短路。轉(zhuǎn)子通過滅磁開關(guān)將轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)過滅磁電阻而短路，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速達(dá)到95%以上時，滅磁開關(guān)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(chǎn)生極大的沖擊電流，可能導(dǎo)致對電機本身嚴(yán)重?fù)p害及電網(wǎng)電壓的嚴(yán)重下降。同步電機運行工況復(fù)雜,如果在起動過程中勵磁系統(tǒng)配合不當(dāng)，則會產(chǎn)生“機組爬行，機組振蕩”等嚴(yán)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(wǎng)的巨大沖擊，并避免以上風(fēng)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(yīng)用，其起動問題逐漸成為大型工業(yè)企業(yè)單位內(nèi)部電力網(wǎng)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(wǎng)和設(shè)備的安全穩(wěn)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(diào)壓軟起動

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

調(diào)壓軟起動的缺點是不能對輸出頻率進行調(diào)節(jié)，起動電流沖擊大（可電機達(dá)額定電流的3倍以上），功率因數(shù)低，輸入諧波大，對電網(wǎng)污染嚴(yán)重；輸出諧波大，造成負(fù)載損耗增加、轉(zhuǎn)矩脈動大。不能用于電磁兼容要求嚴(yán)格的場合。調(diào)壓軟起動的優(yōu)點是系統(tǒng)構(gòu)成簡單，同步并網(wǎng)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(diào)速的。其工作原理是通過功率器件的有序開、關(guān)，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(shù)。當(dāng)電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后將電機切換到工頻電網(wǎng)恒速運行。

這種軟起動方式的優(yōu)點是，系統(tǒng)較簡單，維護方便，控制性能好，起動轉(zhuǎn)矩大，沖擊電流小（不超過電機額定電流），輸出波形質(zhì)量高，對電網(wǎng)污染小。起動和并網(wǎng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，主要又分為負(fù)載換相（電流型）和串聯(lián)單元串聯(lián)（電壓型）兩種類型。圖1和圖2是以西門子公司產(chǎn)品為代表的兩種結(jié)構(gòu)的原理框圖和比較。

LCI與單元串聯(lián)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(yōu)越性,該款變頻器內(nèi)置同步切換功能，可以方便地實現(xiàn)電機在電網(wǎng)-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(lián)型高壓變頻器作為同步電機軟起動器，該項目經(jīng)過調(diào)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(tǒng)配置

某鋼廠動力廠3#高爐風(fēng)機控制系統(tǒng)，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(fēng)機（如表4所示）及勵磁控制柜、DCS系統(tǒng)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(shù)，單元直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)。功率單元與主控系統(tǒng)采用光纖連接，具有高可靠性及快速性。

該變頻器可實現(xiàn)無沖擊同步切換。對于旋轉(zhuǎn)負(fù)載，變頻器起動時能自動跟蹤電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平穩(wěn)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(xiàn)同頻、同壓、同相位切換，切換過程平穩(wěn)；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(yōu)越性。

4.3軟起動系統(tǒng)控制過程及調(diào)試說明

圖3軟起動系統(tǒng)圖

4.3.1軟起動M1過程

首先確保負(fù)載空載啟動，如圖3所示，通過PLC合上開關(guān)V1，再合上KG1(確保L1為斷開狀態(tài))，勵磁柜在變頻器起動過程中由變頻器VF1控制。當(dāng)變頻器備妥后，變頻器啟動勵磁控制柜，只有當(dāng)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(fā)出“Exciterready”報警信號，同時對來自DCS的啟動命令不予響應(yīng)。若勵磁控制柜出現(xiàn)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(yīng)。若在起動過程中變頻器出現(xiàn)故障，則變頻器停機，同時發(fā)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(yōu)化控制（功率因數(shù)為1）。變頻器的輸出電壓對應(yīng)的從0V升到6kV，M1電機已經(jīng)開始在額定轉(zhuǎn)速下運行。

在變頻器輸出到50Hz，DCS發(fā)出同步切換命令，變頻器開始自動跟蹤電網(wǎng)的頻率和電壓，當(dāng)鎖定電網(wǎng)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(nèi)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(fā)出上切允許命令，同時自動閉合高壓旁路開關(guān)L1，此時KG1、L1和V1全部閉合，這時電機由變頻器和電網(wǎng)共同供電，然后逐步將電機的負(fù)載由變頻器轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)輸入，此時變頻器發(fā)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(fù)載由電網(wǎng)承擔(dān),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(fā)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(jù)所給定的勵磁電流，將同步電機在低轉(zhuǎn)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(tài)，達(dá)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(fā)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(xù)流滅磁，將勵磁繞組中的能量以發(fā)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(wǎng)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(fā)來的干結(jié)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(shù)等。

（3）電機工頻運行加載階段

此階段勵磁裝置按設(shè)定的運行方式(同步電動或者調(diào)相運行)及設(shè)定值運行，裝置的功能如失步保護、滅磁誤導(dǎo)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(wǎng)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(wǎng)電壓調(diào)整為6.3kV；在變頻器中將電機額定電壓設(shè)定為6.3kV，并將輸入整流變壓器的抽頭從+5%調(diào)整到0%，并調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置，此問題解決。

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

解決方法：經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)裝置在同步上切換過程中快速滅磁功能被打開，經(jīng)過調(diào)整后該問題解決。

（3）同步上切換動態(tài)響應(yīng)問題

在同步電機空載切換試驗中波形反復(fù)振蕩，無法鎖定電壓及相位。

解決辦法：經(jīng)過調(diào)整系統(tǒng)的P=2，I=0后，問題解決。

當(dāng)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(jié)束，變頻器退出工作。

5結(jié)束語

變頻軟起動的整個控制過程由變頻器自動實現(xiàn)，變頻器監(jiān)視外圍工作環(huán)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(fù)后，方可重新合閘并運行。

DCS只需發(fā)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(wěn)，與電機的工頻熱切換不同（沖擊電流相對較大），電網(wǎng)幾乎感覺不到任何波動（經(jīng)過調(diào)整切換參數(shù)，本項目監(jiān)測切換電流從400A下降至約為153A），實現(xiàn)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(wǎng)的上切換功能，也能夠?qū)崿F(xiàn)從電網(wǎng)向變頻器的下切換，完善的雙向切換功能降低了運行的風(fēng)險，減少了高壓電器繁瑣的操作，給客戶的生產(chǎn)帶來了極大方便。