1.引言
高壓同步電動機以其功率因數高、運行轉速穩定、低轉速設計簡單等優點在高壓大功率電氣驅動領域有著大量的應用，如大功率風機、水泵、油泵等。對于大功率低速負載，如磨機、往復式壓縮機等，使用多極同步電動機不僅可以提高系統功率因數，更可以省去變速機構，如齒輪變速箱，降低系統故障率，簡化系統維護。
由于同步電機物理過程復雜、控制難度高，以往的高壓同步電機調速系統必須安裝速度/位置傳感器，增加了故障率，系統的可靠性較低。
單元串聯多電平型變頻器由于具有成本低，網側功率因數高，網側電流諧波小，輸出電壓波形正弦、基本無畸變，可靠性高等特點，在高壓大容量異步電機變頻調速領域取得了非常廣泛的應用。將單元串聯多電平型變頻器應用于同步電動機將有效地提高同步電機變頻調速系統的可靠性，降低同步電機變頻改造的成本，提高節能改造帶來的效益，同時也為單元串聯多電平型變頻器打開一個廣闊的新市場。利德華福的技術人員經過大量的理論分析、計算機仿真和物理系統實驗，解決了同步電機起動整步等關鍵問題，已于2006年4月底成功地將單元串聯多電平型高壓變頻器應用于巨化股份公司合成氨廠的1000kW/6kV同步電動機上。以下將簡要介紹實際應用中的主要技術問題。
2.同步電動機的工頻起動投勵過程
為了更好的說明同步電機的運行特點，先對同步電機的工頻起動投勵過程進行簡要的介紹。
在電網電壓直接驅動同步電機工頻運行時，同步電動機的起動投勵是一個比較復雜的過程。當同步電機電樞繞組高壓合閘時，通過高壓斷路器的輔助觸點告知同步電機的勵磁裝置準備投勵。此時，勵磁裝置自動在同步電機的勵磁繞組上接入一個滅磁電阻，以防止勵磁繞組上感應出高壓，同時在起動時提供一部分起動轉矩。同步電機電樞繞組上電后，在起動繞組和連有滅磁電阻的勵磁繞組的共同作用下，電機開始加速。當速度到達95%的同步轉速時，勵磁裝置根據勵磁繞組上的感應電壓選擇合適的時機投入勵磁，電機被牽入同步速運行。如果同步電機的凸極效應較強、起動負載較低，則在勵磁裝置找到合適的投勵時機之前，同步電機已經進入同步運行狀態。在這種情況下，勵磁裝置將按照延時投勵的準則進行投勵，即高壓合閘后15秒強行投勵。
3.變頻器驅動同步電動機時的起動整步過程
用變頻器驅動同步電機運行時，使用與上述方式不同的起動方式：帶勵起動。
在變頻器向同步電機定子輸出電壓之前，即啟動前，先由勵磁裝置向同步電機的勵磁繞組通以一定的勵磁電流，然后變頻器再向同步電機的電樞繞組輸出適當的電壓，起動電機。
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。在電機起動之初，這二者的夾角是任意的，必須經過適當的整步過程將這一夾角控制到一定的范圍之內，然后電機進入穩定的同步運行狀態。因此，起動整步問題是變頻器驅動同步電動機運行的關鍵問題。
變頻器驅動同步電動機的起動整步過程主要分為以下幾個步驟：
第一步，勵磁裝置投勵。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一定的磁場。
第二步，變頻器向同步電機的電樞繞組施加一定的直流電壓，產生一定的定子電流。此時，在同步電機上產生一定的定子電流，并在定子上建立較強的磁場。轉子在定、轉子間電磁力的作用下開始轉動，使轉子磁極逐漸向定子磁極的異性端靠近。此時轉子的轉動方向可能與電機正常運行時的轉向相同，也可能相反。
第三步，變頻器按照電機正常運行時的轉動方向，緩慢旋轉其施加在電樞繞組上的電壓矢量。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，同步電機進入同步運行狀態，整步過程完成。
第四步，變頻器按照預先設定的加速度和V/F曲線（即磁通給定），調節輸出電壓，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機的轉子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至期望轉速，同步電機起動過程完成。
在同步電機的起動整步過程中，定、轉子磁勢大小的選擇和各步驟間的切換是控制的關鍵問題。如果選擇過低的定子磁場，則定子磁極無法在第一次經過轉子的異性磁極時，將其可靠吸牢，此后轉子經過同性磁極間斥力的反向加速作用，在下一次經過定子磁極時，二者將具有更大的相對速度，定子磁場更加無法有效牽引轉子磁極，最終將導致起動整步失敗。選擇過大的定子磁場可能導致同步電機的定子鐵心飽和，進一步導致變頻器輸出過電流，電機起動失敗。
較為典型的同步電機起動過程如下圖所示。


4.變頻器驅動同步電動機的穩態運行與運行時的勵磁調節
由于變頻器驅動同步電機時使用無需安裝速度/位置傳感器的控制方法，而變頻器輸出波形為多電平PWM波形，與控制異步電機時的波形相同，因此在運行過程中，變頻器可以完全等效于一個正弦電壓源，無轉矩脈動，具有較高的可靠性。
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，然后調速運行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，變頻器可以實測其輸出給同步電機的無功功率，向勵磁裝置下達勵磁給定信號，調整勵磁電流。
5.同步電動機的故障滅磁
在正常停機時，變頻器先驅動同步電機減速至停機轉速，然后停止向電機的電樞繞組輸出電壓。在該轉速下，最大的勵磁電流在同步電機定子側感應的電壓低于變頻器輸出側的長時間耐受電壓，因此在電機之后的自由滑行過程中，維持勵磁電流不會對設備造成危害，不需要即時滅磁。
在遇到故障時，如果僅停止向其電樞繞組供電，而維持其勵磁電流，則旋轉中的同步電機將持續地向其定子側發出三相交流電壓，危害設備安全，并可能造成事故的擴大。因此在遇到嚴重故障需要停機時，變頻器必須通知勵磁裝置進行滅磁。
同步電機滅磁的物理過程如下：
在滅磁之初，在勵磁裝置的作用下同步電機的勵磁電流迅速下降，但由于同步電機的主磁通無法突變，在阻尼繞組（起動繞組）上隨即感應出較大的電流，此時旋轉中的同步電機向其定子機端（即變頻器輸出端）發出較高的三相交流電壓。隨后，阻尼繞組上的電流在阻尼繞組的內阻上逐步衰減為零，同步電機發出的定子電壓也隨之逐步衰減。這一衰減過程一般為數秒鐘，因此變頻器的輸出端必須具有停機狀態下承受短時過電壓的能力。
6.巨化股份公司合成氨廠的現場應用情況簡介
巨化股份公司合成氨廠始建于1959年，是浙江省重要的化肥生產基地和最大的甲醇、甲醛生產廠。此次進行變頻改造的是尿素車間的1號CO2活塞式壓縮機，其相關參數如下：


驅動壓縮機的是一臺1000kW/6kV同步電動機，其相關參數如下：


變頻器選用利德華福 HASVERT-S06/130同步電機變頻調速系統，旁路方案選用一拖一手動旁路柜，如下圖所示。


工頻運行時，QS1、QS2斷開，QS3閉合，同步電機的起動、運行、停車過程按照原有邏輯進行。
變頻運行時，QS3斷開，QS1、QS2閉合，變頻器上電時，斷路器QF閉合，經過約15秒延時后，勵磁裝置向同步電機投入勵磁電流，然后從現場向變頻器下達“啟動”命令，變頻器按照預設的邏輯向同步電機輸出電壓，同步電機起動。
變頻停機時，從現場向變頻器下達“停機”命令，變頻器驅動同步電機減速至停機頻率，然后停止輸出電壓。最后在現場分斷斷路器QF，由其輔助觸點通知勵磁裝置滅磁，滅磁完成后關閉勵磁裝置電源。
遇到故障時，變頻器在停止電壓輸出的同時，立即分斷斷路器QF，由其輔助觸點通知勵磁裝置立即滅磁。
7.小結
單元串聯多電平型變頻器在同步電動機上應用的成功實現，擴展了高壓變頻器產業的應用領域，也擴大了國家能源節約政策的實現途徑，為我國建設節約型社會提供了更多的技術保障。