一、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。經過我公司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2013年11月底成功地將單元串聯多電平型高壓變頻器應用于河北某鋼鐵集團4#燒結同步主抽風機8000kW/10kV電動機上。

二、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。

三、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。

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。

四、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。

五、情況簡介

整個切換方案用戶原有變頻軟起、KA1、KA2、QF、原有勵磁柜和新上變頻器、手動刀閘QS1、QS2組成。在變頻運行時QS1合閘QS2斷開。當變頻器出現故障時用戶原有軟啟動部分啟動后進行工頻運行，此時QS2合閘QS1斷開。QS1和QS2電氣連鎖能夠保證五聯防要求。

變頻運行時，QS2斷開，QS1閉合，變頻器上電時，用戶開關閉合，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。最后在現場分斷用戶開關，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。

六、小結

單元串聯多電平型變頻器在大功率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。