【科技应用】变频软起动装置在大型同步电机中的应用

背景

同步电动机与异步电动机相比具有功率因数高、效率高等特点，运行在过励状态时，可使功率因数超前，向电网输送无功功率，从而提高电网的功率因数。大功率同步电机直接起动电流很大，在配备电力变压器时要求充分的储备容量，给电网带来了极大的电能浪费。过大的起动电流还会对电网造成冲击，影响同一电网上其他设备的正常运行，可能使欠压保护动作，造成跳闸事故。

因此，大部分高压大功率电机都配套了软起动装置，以限制起动电流，降低对电网冲击，相比传统装置，采用软起动装置能够降低大功率电机起动过程中电网的压降和谐波，减小电机起动过程对电网的干扰，能够减小电机起动时对电机及其负载设备的机械冲击力，通过减少起动电流能够保护电机，延长电机的使用寿命。

介绍

随着高压大功率同步电机的普遍应用，其起动问题逐渐成为大型工业企业内部电力网的一个主要矛盾。起动方式的选择不仅影响工程的一次性投资大小，而且也影响到今后电力网和设备的安全稳定运行。

变频软起动是采用变频器作为软起动器来控制电机起动，其工作原理是通过功率器件的有序开关，形成各种频率和电压的PWM电压波形施加于电机端。起动过程中，频率改变的同时保证电机磁通近似不变，即电压频率之比为常数。当电机达到额定转速后将电机切换到工频电网恒速运行。

变频软起动的优点是起动电流小，一般不超过电机额定电流，起动转矩大，系统较简单，维护方便，控制性能好，输出波形质量高，对电网污染小；起动和并网时间短，易于自动控制。

案例

某公司高炉鼓风机系统为一拖二变频软起动控制系统，包括两台27,000 KW同步电机和两台AV71轴流风机，该高压变频软起动装置为高级联型，采用变压器移相技术，功率单元直接串联结构；功率单元与主控系统采用光纤连接，具有高可靠性及快速性，可实现无冲击同步切换。当电机达到工频后切过程中变频器能自动跟踪电网的频率、电压和相位，实现同频、同压、同相位切换，切换过程平稳，电流波动小；另外，变频器可进行PLC编程。因此该变频器用于同步电机软起动具有很大的优越性。

变频器起动时，其输出频率一般从0 Hz或一极小频率开始运行，此时变频器发出投励运行信号、通过4~20 mA模拟量信号端子发送励磁电流给定信号至励磁装置。励磁装置立即投励，并根据所给定的励磁电流输出励磁电流。随着变频器输出频率增加，电机的速度逐渐升高，变频器自动计算励磁给定值并发送励磁电流给定信号，励磁装置跟随变频器的励磁电流给定值并工作在恒流励磁状态，达到同步起动过程中定子电流最小的起动要求。在起动过程中如果变频器发生故障，励磁装置立即封锁励磁输出并通过灭磁回路进行续流灭磁，将励磁绕组中的能量以发热形式消耗掉。

目的

变频软起动的整个控制过程由变频器自动实现，变频器监视外围工作环境，若不满足工作条件，变频器将禁止启动。若遇到紧急情况，变频器自动跳高压，直到启动条件恢复后，方可重新合闸并运行。DCS只需发变频器预充电和起动2个指令，操作简单明了。工频切换过程中变频器自动跟踪输出频率、电压和相位角并将其锁定，切换过程非常平稳；冲击电流较小，电网几乎感觉不到任何波动，实现了完全无冲击的软起动。