同步电动机的变频运行

温瑞洁孙浩和卫江

摘要：同步电动机用变频器来启动，可以使电动机始终在同步状态下从静止到平滑的加速至电动机的同步转速，该方法使电动机能够在高效率、高功率因数下起动，时间短、运行可靠，本文是以信阳钢铁有限公司炼铁厂4000KW同步电动机的变频起动为分析依据。

关键词：高压同步电动机；高压变频器；励磁柜

一、同步电动机启动方法

同步电动机在转子静止条件下起动时，定子与转子两磁场间不能形成有效的电磁转矩，导致同步电机不能自行起动，必须采取相应的起动措施。它的起动方法主要有以下三种：

1、同步起动法。用一台动力机（可以是直流电动机.内燃机等）把同步电动机拖到同步速后，经过整步与电网并联来完成起动过程。这种方法需要设备多，操作复杂，已基本不采用。

2、变频启动法。使用晶闸管元件组成的高电压、大容量变频装置，通过调节整流器输出的直流电压大小，采用逆变方式改变同步电动机的输出功率，使电动机始终在同步状态下从静止起动加速，平滑的加速到电动机的同步转速后，再将电动机并入电网运行。该方法使电动机能够在高效率，高功率因数下起动、时间短、运行可靠。电动机在同步速度下并入电网，对电网系统不存在冲击，是一种比较理想的起动装置。

3、异步起动法。异步电动机是可以自起动的，虽然异步电动机转子的转速达不到同步速度，但离同步速度很近了（亚同步速度）。当同步电动机用异步起动，它的转速达到亚同步速度时，立即给它的励磁绕组里通入励磁电流，把它牵入同步，这就是同步电动机异步起动的方法。为此，同步电动机在结构上就采取了一些措施，把异步电动机那样的鼠笼绕组，装到了自己的极靴上。鼠笼绕组的导条用电阻率很高的黄铜或铝青铜。在导条的两端用端环联成一体，有了笼形绕组后，当定子绕组接上电源，便能产生异步转矩，使同步电动机转起来。起动结束达到同步转速后，转子导体与旋转磁场没有相对速度，笼形绕组中没有电流，也就失去作用了。

二、同步电动机变频运行特点

同步电机变频运行的主要特点是：同步电动机运行时，电枢电压矢量与转子磁极位置之间的夹角δ（功率角）必须在0～90°范围内变动，否则将导致失步。因此，同步电动机变频调速时必须时刻控制δ在允许的范围内变动。

同步电动机运行时，对应于端压U的气隙合成总磁场拖着转子励磁磁场，两者空间相距δ角、同步旋转。

三、同步电动机变频器启动

变频器驱动同步电动机起动整步过程主要分为以下几个步骤：

1、励磁装置投励。WKLF-112励磁柜调整到变频运行模式，接到开关柜的合闸信号后向同步电机励磁绕组通以一定励磁电流，同步电机转子上建立一定磁场。

2、0HZ运行，定位过程。启动变频器运行后，在0HZ运行一段时间。在这个时间内，变频器向同步电机电枢绕组输出适当电压，起动电机，变频器将同步电机的转子、定子进行定位，同步电机上产生一定的定子电流，并在定子上建立较强磁场。转子定、转子间电磁力作用下开始转动，使转子磁极逐渐向定子磁极异性端靠近。此时转子转动方向可能与电机正常运行时转向相同，也可能相反。但对于我厂的两台凸极式转子的同步电动机来说，转子转动方向不会超过90度。

3、0-6HZ运行，整步、强励过程。变频器定位成功后，在运行到0-6HZ期间时，变频器为恒电流方式运行。此时，电机转子磁极被较强定子磁极可靠吸引此期间，电机被变频器强行、并稳定的拖进同步运行状态，整步过程完成。

4、6HZ以上运行，电机同步运行。变频器在6HZ段会有恒电流运行方式与V/F运行方式的切换。6HZ以后变频器会按照预先设定加速度和V/F曲线，调节输出电压，逐渐加速到给定频率，然后电机转子磁极在定子磁场吸引下逐渐加速至期望转速，同步电机起动过程完成。在这过程中需要注意的是切换过程一定要缓慢（根据负载的实际情况合理选择加速度的时间，不宜过快）否则会使电机过压、过流跳闸，导致启动失败。

四、变频运行过程中励磁方式与励磁电流的调节

1、励磁柜运行方式。变频器对同步电机的励磁调节需借助现场的WKLF-112励磁柜来进行。关于励磁柜，需要注意以下两点：

WKLF-112励磁柜的运行方式一般为两种：一种为恒励磁电流方式，一种为恒功率因数方式运行。我厂励磁柜的运行方式为恒励磁电流调节方式。

功率因数设定为滞后，范围为0.85≤cosΦ＜1，不可设置为超前。

2、励磁电流的给定。在变频运行时，将调整励磁控制方式为“自动”，励磁电流输出大小严格跟踪由变频器输出的励磁电流控制4-20mA电流值，其对应的比率关系由励磁柜配置参数“励磁电流控制比率”整定值来确定，该参数定义了励磁电流控制输入的满度值20mA对应的励磁电流输出与额定励磁电流的比率；当“励磁电流控制比率”整定为1.00时，励磁电流控制输入20mA对应励磁电流输出值为额定电流。“励磁电流控制比率”可以在0.5-1.4之间范围整定。

整定要求：1、当变频器在50Hz运行时，输出励磁电流控制4-20mA电流值时，电机实际运行的励磁电流不能超过其额定励磁电流；2、电动机的功率因数也必须介于0.85≤cosΦ＜1。

注：1：本文是以信阳钢铁有限公司炼铁厂4000KW同步电动机的变频起动为分析依据的。

2：本文部分资料数据来自朱东起教授《电机学》，中央广播电视大学出版社。秦晓平教授《电动机原理》，科学出版社；和李成良教授《电工》，中国劳动出版社。利德华福变频器说明书。北京前锋励磁柜说明书。

3：信阳钢铁有限公司炼铁厂4000KW同步电动机型号：T4000—4/1430额定功率因数：0.9（超前）效率：96.2%接线：Y额定电压：6000V额定电流：431A额定励磁电流：408A额定转速：1500r/min外壳防护等级：IP44绝缘等级：F