高压变频器在增安型无刷励磁同步电动机上的应用

1 引言

　　山东海化煤业化工有限公司占地90多万平方米，现有职工2100余人，建有大型现代化焦炉6座以及与之相配套的化工系统和90万吨原煤入洗能力的洗煤厂，13mw/年发电能力的热电联产发电厂。公司拥有年产120万吨冶金焦炭的生产能力，主要产品有冶金焦炭、铸造焦炭、粗苯、焦油、煤气、碳酸铵等10余种，产品远销日本、印度及东南亚等国家和地区。

　　公司地处煤炭储量14.5亿吨的枣滕煤田腹地，煤炭资源十分丰富。同时拥有6万吨的储煤场，拥有与京沪铁路枣庄西站相连的总长2500m的4股铁路专用线，三座1000m机械化装卸平台，可容纳89个货位。公司自备有15个总容量可达1400吨的化产品储油罐，焦油、粗苯自备车20辆。与生产配套的日供水20000m3的独立供水设施，有35kv双回路5600kva变配电设施，机械加工、污水处理及运输设施齐全。

　　此次山东海化煤业化工有限公司改造的是2台2400kw/10kv增安型无刷励磁同步电动机，负载是煤气压缩机。这么大功率的无刷励磁同步电机变频改造在国内是第一次，在世界范围内也少见。我公司接到定单后，没有畏惧，抱着“国外能搞，咱们也能搞”的决心，克服了没有资料等困难，作了充分的准备，功夫不负有心人，最终上电投运一次成功。下面和大家探讨一下我们在增安型无刷励磁同步电动机的高压变频改造中的几个问题。

　　2 无刷同步电动机的结构与工频运行过程

　　2.1 无刷同步电动机的结构

　　无刷同步电动机的结构如图1所示。

　　图1中：1为滑动轴承，2为无刷同步电动机绕组，3为冷却器，4为旋转整流器，5为励磁发电机。

　　2.2 无刷励磁同步电动机励磁系统结构

　　无刷励磁同步电动机励磁系统结构如图2所示，其中励磁发电机与同步电动机同轴转动。

　　其中，旋转整流器负责电机起动过程灭磁与投励逻辑，其内部结构如图3所示。电机起动时，旋转整流器控制灭磁晶闸管t4将灭磁电阻rf连接至无刷同步电动机的转子励磁绕组上，以提供较大的起动转矩，降低励磁绕组端电压，此时整流晶闸管t1～t3截止；当电机到达亚同步速且满足准角条件时，控制器触发整流晶闸管t1～t3，将励磁发电机的电枢电压整流后加在同步电动机的励磁绕组上，为同步电动机提供持续的励磁电流，同时关断灭磁晶闸管t4。此时，旋转整流器等效于三相二极管不控整流器。

　　2.3 无刷同步电动机的工频稳态运行

　　无刷同步电动机在工频稳态运行时，励磁器向励磁发电机的定子励磁绕组通以适当的励磁电流，在励磁发电机的转子电枢绕组端部感应出三相交流电压，由旋转整流器（等效于二极管整流器）整流成直流电压，施加在无刷同步电动机的转子励磁绕组上，为其提供持续的励磁电流。

　　根据励磁发电机的物理特性，其输出的电枢电压近似成正比于电机转速和励磁发电机励磁电流的乘积，因此励磁器可以通过调节晶闸管的触发角，调节励磁发电机的定子励磁电流，达到调节无刷同步电动机的转子励磁电流的目的。

　　2.4 无刷同步电动机的工频起动投励过程

　　无刷同步电动机的工频起动投励过程如图4所示。

　　工频起动时，首先高压断路器合闸，旋转整流器的灭磁部分电路根据同步电动机励磁绕组上的感应电压将灭磁电阻连接至同步电动机的励磁绕组上，同步电动机逐渐加速。

　　高压断路器合闸后，励磁器触发晶闸管，向励磁发电机的定子励磁绕组通以一定的励磁电流。随着电机转速的升高，励磁发电机的转子电枢绕组电压逐渐升高，当其高于旋转整流器的最低工作电压后，由其供电的旋转整流器控制器上电，旋转整流器监测同步电动机励磁绕组上的感应电压，当其周期大于预设值（表示同步电动机已到达亚同步速）且到达反向过零点时，触发整流晶闸管，关断灭磁晶闸管，将励磁发电机的转子电枢电压整流后加在同步电动机的励磁绕组上，完成投励。同步电机经过短暂的整步过程后进入稳定的同步运行状态，电机起动过程完成。

　　2.5 无刷同步电动机的工频停机过程

　　工频停机时，断开高压断路器，同时励磁器调节晶闸管的触发角至有源逆变区，将励磁发电机的定子励磁电流迅速降至零，励磁发电机的转子电枢绕组电压迅速下降，当其小于旋转整流器的最低工作电压时，旋转整流器控制电掉电，其整流晶闸管截止，续流二极管将灭磁电阻连接至同步电动机的励磁绕组上，同步电动机的励磁电流迅速下降至零。同步电动机在负载和阻力转矩等的作用下逐渐停稳。

　　3 无刷同步电机的变频运行

　　3.1 调速运行时的励磁发电机特性

与有刷同步电动机的滑环直接励磁不同，无刷同步电动机的励磁电流由旋转的励磁发电机发出。由于励磁发电机发出的电压与电机转速和励磁发电机定子励磁电流的乘积成正比，当电机转速低于