高壓變頻器驅動帶變轉矩負載同步電機運行情況總結
2006年4月18日，北京利德華福電氣技術有限公司制造的同步機高壓變頻器在我廠驅動CO2壓縮機同步電機開車成功并投入生產系統試運行。我廠的CO2壓縮機為變轉矩負載，高壓變頻器用于變轉矩負載的高壓同步電機調速填補了我國在高壓同步電機調速方面的空白。由于眾所周知的原因，行業中習慣的認為變轉矩負載的高壓同步電機難以進行軟啟動和調速。但是另一方面，生產過程中又要求對這類負載進行調速，便于進行生產負荷的調整和節能。因此，變轉矩負載的高壓同步電機調速就成了行業中一直以來想要解決的問題。在此，就該現場試運行的有關情況作簡要介紹：
一、基本數據
1、高壓變頻器參數
型號：HARSVERT—S06/130 1250KVA 6kV 50Hz
生產標準：Q/CPBLH003-2004
2、高壓同步電動機參數
型號：TDK1000—48 1000kW/125轉/分/116.5A，COSΦ=0.9(超前)，ULC=116.5V， ILC=205A
3、CO2活塞式壓縮機參數
型號：N—50/200 二氧化碳壓縮機，排氣量：50米3/分 軸功率880kW，轉速：125轉/分
吸入絕對壓力：1Kg/cm2，排出絕對壓力：201Kg/cm2，外形：13145×4646×3750
汽缸直徑：920/720/380/210/110（mm），凈重：5000Kg，活塞行程：800mm
1964年，上海大隆機器廠制造
二、試運行試車過程
首先，根據高壓同步電機的特點，確定采取帶勵零速變頻啟動的方式，啟動時勵磁電流的選取對于順利啟動非常重要。
活塞壓縮機負載在運行時轉矩脈動大，而且設計轉速較低。由于負載的設計轉速越低，電機級數就越多，同步電機定子與轉子的圓周幾何空間角等效的電角度越大，例如48極電機其定子與轉子的圓周一周相當于24×360=8640º電角度。也就是圓周的1度相當于24º電角度，因而同樣的轉矩脈動將造成同步電機的轉子電角度更大的擺動，從而導致變頻器輸出電流和輸出功率的更大的波動。
另外，由于活塞式壓縮機裝有輔助工頻啟動的平衡塊，當平衡塊下落時，壓縮機處于能量回饋狀態，極容易造成變頻器直流母線過壓。
因此，可以說活塞式壓縮機的變頻啟動過程是一個較為復雜的動態過程，啟動時各參數的選取將直接影響到啟動的成功與否。
如果采用過大的勵磁電流，在空載輕轉矩條件下，平衡塊下落會造成電機轉子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，此瞬間同步電機相當于同步發電機，那么轉子的轉矩變化將使同步電機相當于同步發電機運行，由于勵磁電流較大，電機的氣隙磁場較強，電機將發出較大的功率，并通過泵升效應使高壓變頻器發生過電壓故障而跳車。在此我們通過探索和分析，找到了相應的途徑并予以解決，使試開車得以進一步繼續。
其次，一旦將高壓變頻器帶電機啟動到35Hz以上時，壓縮機將加負荷，此時隨著電機定子電流的加大，顯然相應的必須調大轉子勵磁電流，這里存在一個勵磁電流過大會造成過電壓，而太小不能及時跟上必須的過轉矩又有可能導致同步電機失步，引起持續振蕩而過電流跳車。通過摸索我們找到了解決的辦法。根據以上的分析和前幾次試驗的教訓制定下面的步驟進行開車取得成功。
1.化肥車間#1CO2高壓同步電機變頻帶工藝負荷運行步驟
1.1根據從4月12日至17日的包括空載、模擬帶載試驗，現化肥車間工藝上同意將#1CO2高壓同步電機變頻調速裝置帶工藝負荷運行。并已落實到位萬一故障跳車的處理措施預案，確認不會引起生產及設備的事故。
1.2動力車間已具備好操作票，并將變頻器室安裝好通風機已可以運行。高壓同步電機變頻器生產廠已將變頻器調試至遠控遠調狀態。
1.3對超速運行時，電機和壓縮機的機械強度和工藝的安全性進行了詳細的研究，確定在頻率60Hz時電機和壓縮機可以穩定安全運行。根據工藝需要，調速范圍基本定在40Hz—60Hz，但允許在需要的情況下降至35Hz，因此，變頻器的輸出頻率最低設在35Hz。
1.4開停車的主要步驟如下（未提及部分按原操作程序進行）：
第一步：加勵磁電流，啟動變頻器，頻率調至50Hz。
第二步：邊加負荷邊升勵磁電流（一旦變頻器輸出電流超過130A時，適當升10—20A）， 直至加到100%左右的工藝負荷。（由生產負荷決定），勵磁電流一般控制在120A。
第三步：按需要進行適當調速，勵磁電流按下表給出：
注：輸出電流與勵磁電流應配合調節，上表為參考，以不大幅度超過為準。
第四步：關回流閥，由調變頻器的頻率來滿足生產負荷的變化。
第五步：萬一在運行過程中發生跳車，按原操作方法處理。
第六步：正常停車時，將變頻器輸出頻率調至50Hz，打開5回1閥，待負荷降至50%，勵磁電流調到適當值，停變頻器。接下去按原步驟停車，最后斷開主開關。
1.5在試開車時先用#2 CO2機正常帶負荷運行，啟動#1 CO2高壓同步電機變頻調速機組開到50Hz并穩定運行，然后將負荷慢慢倒到#1 CO2壓縮機。這之前，#1 CO2壓縮機的負荷是一假負荷，既通過打開1段回1段入口，2段回1段入口，5段回1段入口的方法，相當于加滿負荷運行。最后，將1段回1段、2段回1段、5段回1段全關死。
1.6 正常時工藝參數如下：
一段入口壓：4KPa，一段出口壓：0.22MPa，、二段出口壓：0.84MPa；
三段出口壓：2.8MPa，四段出口壓：6.6MPa，五段出口壓：20MPa。
2.電氣主回路圖
3.存在問題及分析
3.1開車時要靠人工控制勵磁電流調節,同時配合負荷的增加，不當時易造成過電壓跳車使開車失敗。
3.2負荷較輕時，如不及時調節勵磁電流，輸入功率擺動太大也會導致過電壓跳車。對此采取了將頻率電壓曲線拉平的辦法盡量予以彌補。
三、運行記錄
1、半年以來，我廠根據生產需要,同時本著盡量多開該套高壓變頻機組的思路，總計開車時間近三個月，連續開車最長達20天。所有記錄均可從高壓變頻器的電腦中調出。
2、數據分析
從該套高壓變頻機組運行記錄并綜合生產工藝的實際報表看：
（1）采用變頻方式調節生產負荷在頻率為47Hz以下時是可以產生節能效果的，且節能的數值與頻率的降低成正比關系。
（2）受到前級造氣車間的產能限制，CO2最大供氣量大于1臺壓縮機組的滿載出氣量，小于2臺壓縮機的滿載出氣量。因此在變頻改造前，當尿素產量較大時，一般采用同時開2臺壓縮機組的運行方式，能源消耗較大。變頻改造后，由于可以運行至60Hz，使用1臺電機在不需其它投入的情況時，完全滿足生產，不需再開1臺機組。盡管高壓變頻器本身有3%左右的損耗，但與增加開1臺機組比，仍有較好的節能效果。而且相比于2臺機組運行時需要調節2臺機組的旁路閥門的開度，只需調節1臺電機的運行頻率更加方便。
（3）由于可以進行用小小的電位器調節生產負荷，而不再需要開關旁路閥，對生產操作人員來講，調節更加精確又方便輕松。
四、結論
1、北京利德華福電氣技術有限公司的同步機高壓變頻器帶高壓同步電機在我廠驅動變轉矩負載CO2壓縮機，經我廠有關技術人員及生產一線員工的大力配合與努力，開車成功并順利投入生產系統試運行，運行穩定、可靠。
2、高壓同步電機進行變頻調速在工藝變動的情況下是可以節能的，其幅度取決于負荷，負荷比較低時更為顯著；負載較重時，與原先的2臺機組同時運行的方式相比，也有較好的節能效果。
3、高壓同步電機進行變頻調速和軟啟動有助于避免啟動電流對電網的沖擊，因而在某些電網限制其啟動電流的工廠，大電機定子就可以不串液體變阻器直接進行啟動，而直接防止串液體變阻器造成啟動轉矩小而不能啟動的事件。
4、建議北京利德華福電氣技術有限公司在同步機高壓變頻器上作進一步的改進，一是從根本上解決啟動時過電壓跳車問題，二是設法對波動的功率角或功率因數及電機定子電流進行反饋取樣來控制勵磁電流跟隨變化，確保開車成功，而在正常運行時生產操作人員只需調一個參量即可。
一、基本數據
1、高壓變頻器參數
型號：HARSVERT—S06/130 1250KVA 6kV 50Hz
生產標準：Q/CPBLH003-2004
2、高壓同步電動機參數
型號：TDK1000—48 1000kW/125轉/分/116.5A，COSΦ=0.9(超前)，ULC=116.5V， ILC=205A
3、CO2活塞式壓縮機參數
型號：N—50/200 二氧化碳壓縮機，排氣量：50米3/分 軸功率880kW，轉速：125轉/分
吸入絕對壓力：1Kg/cm2，排出絕對壓力：201Kg/cm2，外形：13145×4646×3750
汽缸直徑：920/720/380/210/110（mm），凈重：5000Kg，活塞行程：800mm
1964年，上海大隆機器廠制造
二、試運行試車過程
首先，根據高壓同步電機的特點，確定采取帶勵零速變頻啟動的方式，啟動時勵磁電流的選取對于順利啟動非常重要。
活塞壓縮機負載在運行時轉矩脈動大，而且設計轉速較低。由于負載的設計轉速越低，電機級數就越多，同步電機定子與轉子的圓周幾何空間角等效的電角度越大，例如48極電機其定子與轉子的圓周一周相當于24×360=8640º電角度。也就是圓周的1度相當于24º電角度，因而同樣的轉矩脈動將造成同步電機的轉子電角度更大的擺動，從而導致變頻器輸出電流和輸出功率的更大的波動。
另外，由于活塞式壓縮機裝有輔助工頻啟動的平衡塊，當平衡塊下落時，壓縮機處于能量回饋狀態，極容易造成變頻器直流母線過壓。
因此，可以說活塞式壓縮機的變頻啟動過程是一個較為復雜的動態過程，啟動時各參數的選取將直接影響到啟動的成功與否。
如果采用過大的勵磁電流，在空載輕轉矩條件下，平衡塊下落會造成電機轉子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，此瞬間同步電機相當于同步發電機，那么轉子的轉矩變化將使同步電機相當于同步發電機運行，由于勵磁電流較大，電機的氣隙磁場較強，電機將發出較大的功率，并通過泵升效應使高壓變頻器發生過電壓故障而跳車。在此我們通過探索和分析，找到了相應的途徑并予以解決，使試開車得以進一步繼續。
其次，一旦將高壓變頻器帶電機啟動到35Hz以上時，壓縮機將加負荷，此時隨著電機定子電流的加大，顯然相應的必須調大轉子勵磁電流，這里存在一個勵磁電流過大會造成過電壓，而太小不能及時跟上必須的過轉矩又有可能導致同步電機失步，引起持續振蕩而過電流跳車。通過摸索我們找到了解決的辦法。根據以上的分析和前幾次試驗的教訓制定下面的步驟進行開車取得成功。
1.化肥車間#1CO2高壓同步電機變頻帶工藝負荷運行步驟
1.1根據從4月12日至17日的包括空載、模擬帶載試驗，現化肥車間工藝上同意將#1CO2高壓同步電機變頻調速裝置帶工藝負荷運行。并已落實到位萬一故障跳車的處理措施預案，確認不會引起生產及設備的事故。
1.2動力車間已具備好操作票，并將變頻器室安裝好通風機已可以運行。高壓同步電機變頻器生產廠已將變頻器調試至遠控遠調狀態。
1.3對超速運行時，電機和壓縮機的機械強度和工藝的安全性進行了詳細的研究，確定在頻率60Hz時電機和壓縮機可以穩定安全運行。根據工藝需要，調速范圍基本定在40Hz—60Hz，但允許在需要的情況下降至35Hz，因此，變頻器的輸出頻率最低設在35Hz。
1.4開停車的主要步驟如下（未提及部分按原操作程序進行）：
第一步：加勵磁電流，啟動變頻器，頻率調至50Hz。
第二步：邊加負荷邊升勵磁電流（一旦變頻器輸出電流超過130A時，適當升10—20A）， 直至加到100%左右的工藝負荷。（由生產負荷決定），勵磁電流一般控制在120A。
第三步：按需要進行適當調速，勵磁電流按下表給出：
注：輸出電流與勵磁電流應配合調節，上表為參考，以不大幅度超過為準。
第四步：關回流閥，由調變頻器的頻率來滿足生產負荷的變化。
第五步：萬一在運行過程中發生跳車，按原操作方法處理。
第六步：正常停車時，將變頻器輸出頻率調至50Hz，打開5回1閥，待負荷降至50%，勵磁電流調到適當值，停變頻器。接下去按原步驟停車，最后斷開主開關。
1.5在試開車時先用#2 CO2機正常帶負荷運行，啟動#1 CO2高壓同步電機變頻調速機組開到50Hz并穩定運行，然后將負荷慢慢倒到#1 CO2壓縮機。這之前，#1 CO2壓縮機的負荷是一假負荷，既通過打開1段回1段入口，2段回1段入口，5段回1段入口的方法，相當于加滿負荷運行。最后，將1段回1段、2段回1段、5段回1段全關死。
1.6 正常時工藝參數如下：
一段入口壓：4KPa，一段出口壓：0.22MPa，、二段出口壓：0.84MPa；
三段出口壓：2.8MPa，四段出口壓：6.6MPa，五段出口壓：20MPa。
2.電氣主回路圖
3.存在問題及分析
3.1開車時要靠人工控制勵磁電流調節,同時配合負荷的增加，不當時易造成過電壓跳車使開車失敗。
3.2負荷較輕時，如不及時調節勵磁電流，輸入功率擺動太大也會導致過電壓跳車。對此采取了將頻率電壓曲線拉平的辦法盡量予以彌補。
三、運行記錄
1、半年以來，我廠根據生產需要,同時本著盡量多開該套高壓變頻機組的思路，總計開車時間近三個月，連續開車最長達20天。所有記錄均可從高壓變頻器的電腦中調出。
2、數據分析
從該套高壓變頻機組運行記錄并綜合生產工藝的實際報表看：
（1）采用變頻方式調節生產負荷在頻率為47Hz以下時是可以產生節能效果的，且節能的數值與頻率的降低成正比關系。
（2）受到前級造氣車間的產能限制，CO2最大供氣量大于1臺壓縮機組的滿載出氣量，小于2臺壓縮機的滿載出氣量。因此在變頻改造前，當尿素產量較大時，一般采用同時開2臺壓縮機組的運行方式，能源消耗較大。變頻改造后，由于可以運行至60Hz，使用1臺電機在不需其它投入的情況時，完全滿足生產，不需再開1臺機組。盡管高壓變頻器本身有3%左右的損耗，但與增加開1臺機組比，仍有較好的節能效果。而且相比于2臺機組運行時需要調節2臺機組的旁路閥門的開度，只需調節1臺電機的運行頻率更加方便。
（3）由于可以進行用小小的電位器調節生產負荷，而不再需要開關旁路閥，對生產操作人員來講，調節更加精確又方便輕松。
四、結論
1、北京利德華福電氣技術有限公司的同步機高壓變頻器帶高壓同步電機在我廠驅動變轉矩負載CO2壓縮機，經我廠有關技術人員及生產一線員工的大力配合與努力，開車成功并順利投入生產系統試運行，運行穩定、可靠。
2、高壓同步電機進行變頻調速在工藝變動的情況下是可以節能的，其幅度取決于負荷，負荷比較低時更為顯著；負載較重時，與原先的2臺機組同時運行的方式相比，也有較好的節能效果。
3、高壓同步電機進行變頻調速和軟啟動有助于避免啟動電流對電網的沖擊，因而在某些電網限制其啟動電流的工廠，大電機定子就可以不串液體變阻器直接進行啟動，而直接防止串液體變阻器造成啟動轉矩小而不能啟動的事件。
4、建議北京利德華福電氣技術有限公司在同步機高壓變頻器上作進一步的改進，一是從根本上解決啟動時過電壓跳車問題，二是設法對波動的功率角或功率因數及電機定子電流進行反饋取樣來控制勵磁電流跟隨變化，確保開車成功，而在正常運行時生產操作人員只需調一個參量即可。
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