10000kw同步电动机变频起动系统

1 概述
太钢15000m3制氧机，是引进乌克兰成套设备，其中10000kw同步电动机，作为空压机的原动机，在起动时，利用变频起动装置，改变了传统的降低异步起动方式。通过变频起动装置输出的可变三相交流电压，同时加一定的励磁电流，即异步起动，同步加速，将同步电动机从静止状态，起动加速到同步转速，理想的解决了起动问题。变频起动具有以下特点：
（1） 同步电动机变频起动的过程，是近于线性的同步加速过程，其定子电流小于0.5Ie，到同步状态切换并网，因而对电网不存在电流冲击。
（2） 设备安装简便，不需要特殊的机械基础。
（3） 在有多台同步电动机的场合，可以用一台起动装置，依次起动几台同步电动机。
（4） 属于静止起动装置，维护、检修方便，可以不受时间与电网负荷的限制，便于调试，检修试车，故障处理。
2 系统的基本构成框图与功能控制
2.1构成框图
整流器（B）和逆变器(N)是由普通SCR可控硅组成的三相桥式线路。在整流器和逆变器之间串有平波电抗器L。由图表明，变频起动装置的主电路是典型的交—直—交电流型变频线路。工作时，10kv的三相交流电源，通过交流输入电抗器，加到整流器B，其输出的直流电压送给逆变器N，而逆变器N的输出是一频率，幅值可变的三相交流电，供给同步电动机定子。
控制系统紧紧围绕整流与逆变的工作，分别组成各自的控制环节。在变频起动的全过程中，分为两个状态。当电动机从n=0起动，f2≤5Hz低速运转时，由于同步机定子绕组受转子磁场作用而产生的感应电势很小，不足以使逆变器SCR元件关断，因此采用人工换流方式（即：断续换流）。因不投入励磁，是异步起动，称为P状态。
当逆变桥的输出频率达到5Hz，这时投入同步电动机励磁。逆变器SCR元件换流靠同步机定子的反电势来关断，即采用自控式调频控制的方式，称为D状态。这种状态一直持续到0.9ne，同步加速逐渐减小，系统转入自动整步微调控制，最后完成同步并网。变频起动的全过程结束。
2.2变频起动装置调压调速的基本原理
u1是恒压恒频10kv交流，u2是电压频率可变的交流电压，Ud为整流器B的输出直流电压，其值为Ud=1.35u1cosα。而同步电动机转速的公式为n=60f/p,感应电势为E0=KnΦ0（近似等于U2, Φ0为主磁通）。逆变角为β，令UR为逆变器输入直流电压，则UR=1.35Ecosβ,将E0=KnΦ0代入，则UR=1.35KnΦ0cosβ，若忽略平波电抗器上的压降，那么 Ud=UR，所以 1.35u 1cosα=1.35KnΦ0cosβ,故n=U1cosα/KΦ0cosβ，实际工作中，逆变角β=0-600，事实上β角整定为β=400，且固定不变,即cosβ=C(常数)而u1也是定值,则n正比于cosα,即n正比于Ud ,因此,改变整流电压可达到调速的目的.

2.3逆变器的换流控制
2.3.1人工换流(断续换流)
P状态下,由于反电势小,换流将不可靠,所以采用人工换流。每当换流时刻，把整流桥推入逆变状态，使α=1400。瞬时整流电压极性变反，使逆变器输入电流迅速下降到零。逆变器中的6个可控硅全部断流以致关断，在出现零电流信号，确认可控硅确已关断了，立即解除整流桥的推逆变信号，恢复整流状态；同时触发逆变器对应可控硅元件导通，使之安照A、B、C三相N1、N2、N3、N4、N5、N6的规律动作。完成逆变器可控硅桥臂的换相，每次换相必定要有回路电流下降到零的过程。这种不依赖于反电势，而断续换流的方式，称为人工换流，电流波形。
600 600 600

P状态整流电流
1200 600 1200

P状态逆变电流

2.3.2 自然换流控制

同步电动机在变频起动装置的控制下起步低速运转，当逆变器的输出U2≌10%U1，f2=5HZ，这时投入励磁电流ф0。在电机定子绕组就会产生与转速成正比的感应电势E，变频起动进入D状态阶段，逆变器的可控硅就利用这感应的反电势E进行换流，即自然换流。现以图（a）中N1换流到N3为例分析： #p#分页标题#e#
设原来N1N2导通，负载电流经+—N1—a相—c相—N2流通，若在图3（b）中，M点所对应的时刻触发N3，N3导通后在M点N1承受的反电压UAB=0，随时间的推移，将有UAB<0，即N1仍承受正向电压无法关断，因此，将M点触发提前到M′点，则N1承受的反向电压UAB>0，只要这时间大于可控硅的关断时间，Ｎ1可靠关断，这样可控硅的换流在反电势的作用下自然完成。
2.4逆变器输出三相交流电的频率控制
2.4.1 Ｐ状态下f2的控制
U2,f2是逆变器输出三相交流电的电压和频率,是可变化的.U2的大小是通过调节整流电压Ud来控制的,那么f2由什么来控制？调节控制f2就是调节逆变器可控硅工作的时间长短不同，时间长，即周期长，而f2低。缩短可控硅的工作周期，则f2增加。可以达到这个目的，只要按要求产生逆变器可控硅的触发脉冲即可。本装置在P状态采用的方式是：
由一个主控振荡器Ａ5，在积分器Ａ4的控制下，产生周期均匀变化的锯齿波列，再将锯齿波分离出窄脉冲。这些窄脉冲经过变换器，变换为ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ相互差1200的方波，送给逻辑电路形成+Ａ、－Ａ、＋Ｂ、－Ｂ、＋Ｃ、－Ｃ六个逆变器触发脉冲，从而达到控制调节f2的目的。
2.4.2 Ｄ状态f2的控制
变频起动进入D状态，逆变器可控硅依靠反电势E进行自然换流。对逆变器触发脉冲采用自控式调频控制方法：即检测同步电动机端电压和定子电流，再根据E=U-（IR+Ldi/dt）进行运算，得出感应电压的基波值EA，EB，EC。将基波值经过滤波、逻辑电路变换，形成逆变器各桥臂的导通脉冲。此外，EA，EB，EC基波信号还将送入速度传感环节（包括f/V变换）。转换成速度反馈信号。当整流器的Ud增加，EA，EB，EC也相应增加，由于f/V环节的控制作用，逆变器输出三相交流电的频率f2和电压U2成比例提高，当U2为10KV时，f2达到50HZ，这样完成在D状态下的f2的控制。
2.5自动整步微调控制
同步电动机在D状态下，转速n和频率f2都在呈线形上升。当接近于次同步时：
即ｎ＝０.9ne,频率约为45HZ。自动整步的过程开始。这时向速度调节系统送入降低加速率的信号，0.9ne是由同步切换电路中的电位器设定的,将实际转速的信号n和设定值0.9ne进行比较,一旦转速n>0.9ne时,加速开始减慢.虽然加速率减小了,但转速和频率仍在增加,当达到超同步时,即S<0,这时f2约51HZ,Ud为12000伏左右。角度调节器进入调节外部电路的工作，电压失调角δ传感器形成角度调节电路的反馈信号。在转差率较大时转速微调环节接通，该环节阶梯式地降低转速给定信号，当转差率小到一定值时，调节器系统捕获和保持住惰行角的给定值。切换并网的时刻来临。
2.6同步切换并网的条件
① 电网电压U1与电机的电压U2相同U1=U2。
② 电压相位角度值之差δ≤（50∽100）电角度。
③ 电网电压的频率f1与电机电压的频率f2相同，f1= f2。
④ 连锁信号正常。
系统一旦满足上述条件，立即发出切换命令，高压开关Q1吸合，而起动装置的Q和Q2高压开关断开。10KV的高压直接由Q1供给同步电动机定子。变频起动过程结束，装置推出工作。

３ 系统的实际应用与评价
本装置已应用多年，多年来先后起动同步电动机若干次，成功率很高，对高压供电电网没有冲击的影响。从起动开始到同步并网，一般为4-5分钟左右，由于受电网电压波动的影响，每次起动并网时间都不一样。另外，每次起动时，空压机风门大小不同，即负荷不同，对同步并网也由影响，总之，经实际应用，说明这套同步电动机起动系统是稳定的。技术是成熟的。
本装置是用于交流电机变频调速的标准控制系统，可以作为大中容量的同步电动机起动装置，也可以作为大中型交流电机变频调速之用。我国目前还没有定型的成功产品，可以供学习和借鉴。