1 引言
山東海化煤業化工有限公司佔地90多萬平方米，現有職工2100餘人，建有大型現代化焦爐6座以及與之相配套的化工系統和90萬噸原煤入洗能力的洗煤廠，13mw/年發電能力的熱電聯產發電廠。公司擁有年產120萬噸冶金焦炭的生產能力，主要產品有冶金焦炭、鑄造焦炭、粗苯、焦油、煤氣、碳酸銨等10餘種，產品遠銷日本、印度及東南亞等國家和地區。
公司地處煤炭儲量14.5億噸的棗滕煤田腹地，煤炭資源十分豐富。同時擁有6萬噸的儲煤場，擁有與京滬鐵路棗莊西站相連的總長2500m的4股鐵路專用線，三座1000m機械化裝卸平臺，可容納89個貨位。公司自備有15個總容量可達1400噸的化產品儲油罐，焦油、粗苯自備車20輛。與生產配套的日供水20000m3的獨立供水設施，有35kv雙迴路5600kva變配電設施，機械加工、汙水處理及運輸設施齊全。
此次山東海化煤業化工有限公司改造的是2臺2400kw/10kv增安型無刷勵磁同步電動機，負載是煤氣壓縮機。這麼大功率的無刷勵磁同步電機變頻改造在國內是第一次，在世界範圍內也少見。我公司接到定單後，沒有畏懼，抱著「國外能搞，咱們也能搞」的決心，克服了沒有資料等困難，作了充分的準備，功夫不負有心人，最終上電投運一次成功。下面和大家探討一下我們在增安型無刷勵磁同步電動機的高壓變頻改造中的幾個問題。
2 無刷同步電動機的結構與工頻運行過程
2.1 無刷同步電動機的結構
無刷同步電動機的結構如圖1所示。
圖1中：1為滑動軸承，2為無刷同步電動機繞組，3為冷卻器，4為旋轉整流器，5為勵磁發電機。
2.2 無刷勵磁同步電動機勵磁系統結構
無刷勵磁同步電動機勵磁系統結構如圖2所示，其中勵磁發電機與同步電動機同軸轉動。
其中，旋轉整流器負責電機起動過程滅磁與投勵邏輯，其內部結構如圖3所示。電機起動時，旋轉整流器控制滅磁晶閘管t4將滅磁電阻rf連接至無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，以提供較大的起動轉矩，降低勵磁繞組端電壓，此時整流晶閘管t1～t3截止；當電機到達亞同步速且滿足準角條件時，控制器觸發整流晶閘管t1～t3，將勵磁發電機的電樞電壓整流後加在同步電動機的勵磁繞組上，為同步電動機提供持續的勵磁電流，同時關斷滅磁晶閘管t4。此時，旋轉整流器等效於三相二極體不控整流器。
2.3 無刷同步電動機的工頻穩態運行
無刷同步電動機在工頻穩態運行時，勵磁器向勵磁發電機的定子勵磁繞組通以適當的勵磁電流，在勵磁發電機的轉子電樞繞組端部感應出三相交流電壓，由旋轉整流器（等效於二極體整流器）整流成直流電壓，施加在無刷同步電動機的轉子勵磁繞組上，為其提供持續的勵磁電流。
根據勵磁發電機的物理特性，其輸出的電樞電壓近似成正比於電機轉速和勵磁發電機勵磁電流的乘積，因此勵磁器可以通過調節晶閘管的觸發角，調節勵磁發電機的定子勵磁電流，達到調節無刷同步電動機的轉子勵磁電流的目的。
2.4 無刷同步電動機的工頻起動投勵過程
無刷同步電動機的工頻起動投勵過程如圖4所示。
工頻起動時，首先高壓斷路器合閘，旋轉整流器的滅磁部分電路根據同步電動機勵磁繞組上的感應電壓將滅磁電阻連接至同步電動機的勵磁繞組上，同步電動機逐漸加速。
高壓斷路器合閘後，勵磁器觸發晶閘管，向勵磁發電機的定子勵磁繞組通以一定的勵磁電流。隨著電機轉速的升高，勵磁發電機的轉子電樞繞組電壓逐漸升高，當其高於旋轉整流器的最低工作電壓後，由其供電的旋轉整流器控制器上電，旋轉整流器監測同步電動機勵磁繞組上的感應電壓，當其周期大於預設值（表示同步電動機已到達亞同步速）且到達反向過零點時，觸發整流晶閘管，關斷滅磁晶閘管，將勵磁發電機的轉子電樞電壓整流後加在同步電動機的勵磁繞組上，完成投勵。同步電機經過短暫的整步過程後進入穩定的同步運行狀態，電機起動過程完成。
2.5 無刷同步電動機的工頻停機過程
工頻停機時，斷開高壓斷路器，同時勵磁器調節晶閘管的觸發角至有源逆變區，將勵磁發電機的定子勵磁電流迅速降至零，勵磁發電機的轉子電樞繞組電壓迅速下降，當其小於旋轉整流器的最低工作電壓時，旋轉整流器控制電掉電，其整流晶閘管截止，續流二極體將滅磁電阻連接至同步電動機的勵磁繞組上，同步電動機的勵磁電流迅速下降至零。同步電動機在負載和阻力轉矩等的作用下逐漸停穩。
3 無刷同步電機的變頻運行
3.1 調速運行時的勵磁發電機特性
與有刷同步電動機的滑環直接勵磁不同，無刷同步電動機的勵磁電流由旋轉的勵磁發電機發出。由於勵磁發電機發出的電壓與電機轉速和勵磁發電機定子勵磁電流的乘積成正比，當電機轉速低於其額定轉速較多時，勵磁發電機發出的電壓較低，此時即使勵磁器向勵磁發電機輸出最大的勵磁電流，無刷同步電動機的勵磁電流也將小於其額定值。在起動初期轉速很低時，無刷同步電動機將無法獲得勵磁電流。
同步電動機在無勵磁電流條件下變頻啟動時，其定子電樞繞組將從變頻器吸收較大的感性無功電流（典型值約為電機額定電流的2～3倍），該電流僅在變頻器和同步電動機之間流動，不注入電網，但會造成變頻器和同步電動機定子電樞繞組的短時發熱。因此，在電機轉速較低時，應向勵磁發電機的定子勵磁繞組施加儘可能大的電流，以最大限度降低電機的起動電流。
3.2 變頻起動時的投勵與整步過程
無刷同步電動機的變頻起動過程如圖5所示。
高壓斷路器合閘後，變頻器高壓上電。變頻器收到「啟動」命令後，從0.5hz開始向同步電動機的定子電樞繞組輸出電壓，並按照預設的加速時間和v/f曲線逐漸提升輸出電壓的頻率和幅值，同步電動機空載起動。
變頻器向同步電動機定子電樞繞組輸出電壓的同時，通知勵磁器開始向勵磁發電機的定子勵磁繞組輸出強勵勵磁電流，該電流為大於勵磁發電機的額定勵磁電流，小於勵磁發電機的最大短時勵磁電流，此時，勵磁發電機的轉子電樞繞組電流近似為零。
變頻器起動後，同步電動機依靠其凸極轉矩和轉子剩磁，經過短暫的異步加速和整步過程（約1s～2s）後進入同步運行狀態。由於此時同步電動機無勵磁電流，僅依靠凸極轉矩和轉子剩磁運行，因而其定子側電流較大，約為電機額定電流的2～3倍。
隨著電機的加速，勵磁發電機轉子電樞繞組感應的電壓逐漸升高，當其高於旋轉整流器的最低工作電壓時，旋轉整流器控制電源上電。由於此時同步電動機工作在同步運行狀態下，其轉子角的少量擺動在勵磁繞組上感應出較低頻率的電壓，該電壓的周期滿足滑差頻率判據。旋轉整流器在檢測到該電壓後，立即觸發整流晶閘管，向同步電動機的轉子勵磁繞組投入勵磁電流。由於此時電機的轉速仍然較低，勵磁發電機的電樞電壓較低，因而向同步電動機輸出的勵磁電流也較低。投入勵磁後，同步電動機的定子電樞電流將有所降低，隨著電機的加速，勵磁發電機輸出的電壓逐漸增加，同步電動機獲得的勵磁電流也逐漸增加，同步電動機的定子電樞電流逐漸降低至額定電流之下。
當電機轉速增至最低運行轉速（調速區間下限）後，變頻器通知勵磁器將勵磁發電機的定子勵磁電流調整為勵磁發電機的最大持續工作勵磁電流（或額定勵磁電流），電機起動過程完成，電機可以在該轉速下加載運行，或者根據工藝需要，加速至期望的轉速運行。
由於上述電機起動過程較短（其典型值約為30s），且通常啟動前勵磁發電機和同步電動機