高压同步电机的变频控制

摘 要：通过介绍高压同步电动机的变频控制，并比较它与异步电机变频控制的区别，为今后同步电机的变频改造提供了参考依据。

关键词：同步电机；变频控制；励磁；转子

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工厂现状

如何采取技术上可行、经济上合理、环境和社会可接受的一切措施来提高能源和资源的利用效率，是每个企业面临的实际问题，因为只有提高能源的利用效率，才能在市场竞争中处于有利地位。

变频作为一种常用的、高效的节能手段已被大家所熟知，但在企业的原有建设中，变频并不能在所有的项目中得到运用，因此，我们还需要对多种设备进行改造，让它们在工业生产中发挥作用的同时有效地节约能源。在本设计项目中，有2台烧结主抽风机为旧有的风机，主抽风机电机为同步电动机，计划对其进行变频改造。

2 同步电机原理

同步电机是交流旋转电机的一种，因转速恒等于同步转速而得名，它与异步电动机的不同之处在于其转速与频率之间有着严格的对应关系。同步电机是由其极数与交流电频率决定的按一定转速运转的电机，称此转速为同步转速。

同步电动机还有一个很大的优点，就是可以通过控制励磁来调节它的功率因素，可使功率因素高达1.0，甚至更高。但同步电机启动费事，且重载时有振荡以致失步的危险。自变频技术得到很大的发展后，同步电机运行的问题得到了根本解决。

现有同步电动机的启动基本上为异步启动方式，分为异步启动和牵入同步两个阶段，启动的步骤是：①先接入定子电源。为了限制启动电流，可采取固态或液态软启动。②开始启动，同时在转子电路中加入放电电阻。③当励磁柜中的检测设备检测到电机的转速达到同步转速的90%时，发出投全压信号，并切除软启动装置。定子绕组星点端接，电机继续升速。④当电机达到亚同步转速时，切除放电电阻，投入直流励磁。异步启动完成后，牵入同步。

3 变频控制

同步电机与普通异步电机的主要区别是：同步电机在运行时，定子电压矢量与转子磁极位置之间的功角必须保持在某一范围内，否则将会导致系统失步。在电机启动之初，功角是任意的，但必须经过适当的“整步”过程将功角控制在一定范围内，然后电机才能进入稳定的同步运行状态。因此，启动整步问题是变频器驱动同步电动机运行的关键。

变频器驱动同步电机时采用的是带励启动方式，即在启动前，先由励磁装置向同步电机的励磁绕组通以一定的励磁电流。励磁电势的转子磁势在开始运行时为一定值，然后变频器内部通过矢量控制方式向同步电机的定子绕组输出适当频率的电压，使电机的频率从0缓慢上升，那么旋转磁场的频率也会逐渐上升。由同步电动机的转速公式，即公式（1）可知，f发生变化时，n也在变，即旋转磁场牵引转子缓慢地同步加速，直到设定转速。

4 解决方案

烧结主抽系统目前设置了2台风机，风机的电机功率为7 800 kW。目前运行的两台风机采用的是一套软启动器，启动一台成功后先并网运行，然后软启动器退出运行；而后软启动器再启动另一台风机，启动成功后并网运行，然后软启动器退出运行，风机正常运行。由于风机电机不能调速运行，只能靠调节风机挡板的开度来调节风量，因此浪费大量电能。本次将对2台风机进行变频改造，来调节电机的速度，进而满足生产的需要和节约电能。

对2台风机进行改造后，整个系统由高、低压配电系统，高压变频器，自控系统，励磁系统，电机，主抽风机及其辅助控制系统（包括油泵系统（OS）、冷却系统（CS）等）等组成。改造后的系统图如图1所示。

从图1中可以看出，该系统可以实现任意一台电机能由任意一台变频器启动并调速，这样，即使一台变频器出现故障，也还有一台电机在工频运行，一台变频器也在运行中。在切换变频器时，通过开关切换变频器电源即可控制电机调速运行，但一段母线不允许同时带动两台电机运行。本次改造工程的高压配电系统开关比较多（QF11～QF19、QF21～QF29），为了保证系统运行的安全，必须有可靠的联锁逻辑和切换逻辑。联锁逻辑能够保证一段母线不同时带动两台电机运行、两段母线不同时为一台变频器供电、一台变频器不同时控制两台电机；切换逻辑能够保证同一台电机可以在工频运行和变频运行之间进行可靠的切换，避免切换过程中出现跳闸等故障。

针对以上高压电气主接线图，电气联锁逻辑如下：①同一段母线不同时带动两台电机运行（QF13、QF14、QF24互锁；QF23、QF24、QF14互锁）；②两段母线不同时为一台变频器供电（QF13、QF24互锁；QF23、QF14互锁）；③同一台变频器不同时控制两台电机（QF18、QF19互锁；QF28、QF29互锁）；④同一台电机不同时受两台变频控制（QF18、QF28互锁；QF19、QF29互锁）；⑤同一台电机不同时在工频和变频模式之间运行（QF12和QF18、QF28联锁；QF22和QF22、QF29联锁）。

自控系统由主抽风机监控柜（AC01、AC02）、高压开关监控柜（AC03）和PLC等组成。PLC程序监控系统具有多参量（温度、液位、流量、压力等）、多任务（油泵启停、阀门开启、联锁保护等）、多设备（电机、开关、阀门等）的特点。系统软件由数据采集子系统（DAS）、过程逻辑处理子系统（SCS）、信息处理子系统和软件功能块四大部分组成。

5 同步电动机变频装置的优点

使用同步电动机变频装置有以下一些优点：①先投励磁，然后变频器输出电压。电机软启动无冲击，启动转矩大，启动过程简单。②变频器会自动跟踪转子的位置和转速，使转子的转速和变频器的输出频率同步，而不会引起过流跳闸，这延长了电机的使用寿命。③谐波小于3%，变频器整流桥脉冲数不低于48脉冲。对电流和电压进行矢量控制，可精确地控制转速和输出电压。④变频器会在电网掉电时停止输出，并在电网恢复后自动跟踪电机转速重新启动，而不会引起过流跳闸，这减少了用户的停机次数，进而提高了生产效率。⑤变频器输出的电压波形和转矩脉动小于0.1%，有效降低了电机的磨损和温升，提高了系统的使用寿命，节省了维护费用。⑥变频器在整个调速范围内的整机效率达到了96%以上。⑦转子的励磁电流为定值，变频器自动调整输出定子转矩电流达到指令值，以适应负载波动，而不会过励磁。

6 结束语

综上所述，无论是异步电机还是同步电机，都可以进行变频改造，尤其是同步电机，对其进行改造后既能够节省能源，又能提高功率因素，进而给企业带来很大的经济效益和社会效益。

作者简介：张文斌（1971—），男，山西太原人，毕业于北京机械工业学院自动化系，大学本科，工程师，目前主要从事冶金电气设计方面的工作。

〔编辑：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor

摘 要：通过介绍高压同步电动机的变频控制，并比较它与异步电机变频控制的区别，为今后同步电机的变频改造提供了参考依据。

关键词：同步电机；变频控制；励磁；转子

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工厂现状

如何采取技术上可行、经济上合理、环境和社会可接受的一切措施来提高能源和资源的利用效率，是每个企业面临的实际问题，因为只有提高能源的利用效率，才能在市场竞争中处于有利地位。

变频作为一种常用的、高效的节能手段已被大家所熟知，但在企业的原有建设中，变频并不能在所有的项目中得到运用，因此，我们还需要对多种设备进行改造，让它们在工业生产中发挥作用的同时有效地节约能源。在本设计项目中，有2台烧结主抽风机为旧有的风机，主抽风机电机为同步电动机，计划对其进行变频改造。

2 同步电机原理

同步电机是交流旋转电机的一种，因转速恒等于同步转速而得名，它与异步电动机的不同之处在于其转速与频率之间有着严格的对应关系。同步电机是由其极数与交流电频率决定的按一定转速运转的电机，称此转速为同步转速。

同步电动机还有一个很大的优点，就是可以通过控制励磁来调节它的功率因素，可使功率因素高达1.0，甚至更高。但同步电机启动费事，且重载时有振荡以致失步的危险。自变频技术得到很大的发展后，同步电机运行的问题得到了根本解决。

现有同步电动机的启动基本上为异步启动方式，分为异步启动和牵入同步两个阶段，启动的步骤是：①先接入定子电源。为了限制启动电流，可采取固态或液态软启动。②开始启动，同时在转子电路中加入放电电阻。③当励磁柜中的检测设备检测到电机的转速达到同步转速的90%时，发出投全压信号，并切除软启动装置。定子绕组星点端接，电机继续升速。④当电机达到亚同步转速时，切除放电电阻，投入直流励磁。异步启动完成后，牵入同步。

3 变频控制

同步电机与普通异步电机的主要区别是：同步电机在运行时，定子电压矢量与转子磁极位置之间的功角必须保持在某一范围内，否则将会导致系统失步。在电机启动之初，功角是任意的，但必须经过适当的“整步”过程将功角控制在一定范围内，然后电机才能进入稳定的同步运行状态。因此，启动整步问题是变频器驱动同步电动机运行的关键。

变频器驱动同步电机时采用的是带励启动方式，即在启动前，先由励磁装置向同步电机的励磁绕组通以一定的励磁电流。励磁电势的转子磁势在开始运行时为一定值，然后变频器内部通过矢量控制方式向同步电机的定子绕组输出适当频率的电压，使电机的频率从0缓慢上升，那么旋转磁场的频率也会逐渐上升。由同步电动机的转速公式，即公式（1）可知，f发生变化时，n也在变，即旋转磁场牵引转子缓慢地同步加速，直到设定转速。

4 解决方案

烧结主抽系统目前设置了2台风机，风机的电机功率为7 800 kW。目前运行的两台风机采用的是一套软启动器，启动一台成功后先并网运行，然后软启动器退出运行；而后软启动器再启动另一台风机，启动成功后并网运行，然后软启动器退出运行，风机正常运行。由于风机电机不能调速运行，只能靠调节风机挡板的开度来调节风量，因此浪费大量电能。本次将对2台风机进行变频改造，来调节电机的速度，进而满足生产的需要和节约电能。

对2台风机进行改造后，整个系统由高、低压配电系统，高压变频器，自控系统，励磁系统，电机，主抽风机及其辅助控制系统（包括油泵系统（OS）、冷却系统（CS）等）等组成。改造后的系统图如图1所示。

从图1中可以看出，该系统可以实现任意一台电机能由任意一台变频器启动并调速，这样，即使一台变频器出现故障，也还有一台电机在工频运行，一台变频器也在运行中。在切换变频器时，通过开关切换变频器电源即可控制电机调速运行，但一段母线不允许同时带动两台电机运行。本次改造工程的高压配电系统开关比较多（QF11～QF19、QF21～QF29），为了保证系统运行的安全，必须有可靠的联锁逻辑和切换逻辑。联锁逻辑能够保证一段母线不同时带动两台电机运行、两段母线不同时为一台变频器供电、一台变频器不同时控制两台电机；切换逻辑能够保证同一台电机可以在工频运行和变频运行之间进行可靠的切换，避免切换过程中出现跳闸等故障。

针对以上高压电气主接线图，电气联锁逻辑如下：①同一段母线不同时带动两台电机运行（QF13、QF14、QF24互锁；QF23、QF24、QF14互锁）；②两段母线不同时为一台变频器供电（QF13、QF24互锁；QF23、QF14互锁）；③同一台变频器不同时控制两台电机（QF18、QF19互锁；QF28、QF29互锁）；④同一台电机不同时受两台变频控制（QF18、QF28互锁；QF19、QF29互锁）；⑤同一台电机不同时在工频和变频模式之间运行（QF12和QF18、QF28联锁；QF22和QF22、QF29联锁）。

自控系统由主抽风机监控柜（AC01、AC02）、高压开关监控柜（AC03）和PLC等组成。PLC程序监控系统具有多参量（温度、液位、流量、压力等）、多任务（油泵启停、阀门开启、联锁保护等）、多设备（电机、开关、阀门等）的特点。系统软件由数据采集子系统（DAS）、过程逻辑处理子系统（SCS）、信息处理子系统和软件功能块四大部分组成。

5 同步电动机变频装置的优点

使用同步电动机变频装置有以下一些优点：①先投励磁，然后变频器输出电压。电机软启动无冲击，启动转矩大，启动过程简单。②变频器会自动跟踪转子的位置和转速，使转子的转速和变频器的输出频率同步，而不会引起过流跳闸，这延长了电机的使用寿命。③谐波小于3%，变频器整流桥脉冲数不低于48脉冲。对电流和电压进行矢量控制，可精确地控制转速和输出电压。④变频器会在电网掉电时停止输出，并在电网恢复后自动跟踪电机转速重新启动，而不会引起过流跳闸，这减少了用户的停机次数，进而提高了生产效率。⑤变频器输出的电压波形和转矩脉动小于0.1%，有效降低了电机的磨损和温升，提高了系统的使用寿命，节省了维护费用。⑥变频器在整个调速范围内的整机效率达到了96%以上。⑦转子的励磁电流为定值，变频器自动调整输出定子转矩电流达到指令值，以适应负载波动，而不会过励磁。

6 结束语

综上所述，无论是异步电机还是同步电机，都可以进行变频改造，尤其是同步电机，对其进行改造后既能够节省能源，又能提高功率因素，进而给企业带来很大的经济效益和社会效益。

作者简介：张文斌（1971—），男，山西太原人，毕业于北京机械工业学院自动化系，大学本科，工程师，目前主要从事冶金电气设计方面的工作。

〔编辑：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor

摘 要：通过介绍高压同步电动机的变频控制，并比较它与异步电机变频控制的区别，为今后同步电机的变频改造提供了参考依据。

关键词：同步电机；变频控制；励磁；转子

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）13-0016-02

1 工厂现状

如何采取技术上可行、经济上合理、环境和社会可接受的一切措施来提高能源和资源的利用效率，是每个企业面临的实际问题，因为只有提高能源的利用效率，才能在市场竞争中处于有利地位。

变频作为一种常用的、高效的节能手段已被大家所熟知，但在企业的原有建设中，变频并不能在所有的项目中得到运用，因此，我们还需要对多种设备进行改造，让它们在工业生产中发挥作用的同时有效地节约能源。在本设计项目中，有2台烧结主抽风机为旧有的风机，主抽风机电机为同步电动机，计划对其进行变频改造。

2 同步电机原理

同步电机是交流旋转电机的一种，因转速恒等于同步转速而得名，它与异步电动机的不同之处在于其转速与频率之间有着严格的对应关系。同步电机是由其极数与交流电频率决定的按一定转速运转的电机，称此转速为同步转速。

同步电动机还有一个很大的优点，就是可以通过控制励磁来调节它的功率因素，可使功率因素高达1.0，甚至更高。但同步电机启动费事，且重载时有振荡以致失步的危险。自变频技术得到很大的发展后，同步电机运行的问题得到了根本解决。

现有同步电动机的启动基本上为异步启动方式，分为异步启动和牵入同步两个阶段，启动的步骤是：①先接入定子电源。为了限制启动电流，可采取固态或液态软启动。②开始启动，同时在转子电路中加入放电电阻。③当励磁柜中的检测设备检测到电机的转速达到同步转速的90%时，发出投全压信号，并切除软启动装置。定子绕组星点端接，电机继续升速。④当电机达到亚同步转速时，切除放电电阻，投入直流励磁。异步启动完成后，牵入同步。

3 变频控制

同步电机与普通异步电机的主要区别是：同步电机在运行时，定子电压矢量与转子磁极位置之间的功角必须保持在某一范围内，否则将会导致系统失步。在电机启动之初，功角是任意的，但必须经过适当的“整步”过程将功角控制在一定范围内，然后电机才能进入稳定的同步运行状态。因此，启动整步问题是变频器驱动同步电动机运行的关键。

变频器驱动同步电机时采用的是带励启动方式，即在启动前，先由励磁装置向同步电机的励磁绕组通以一定的励磁电流。励磁电势的转子磁势在开始运行时为一定值，然后变频器内部通过矢量控制方式向同步电机的定子绕组输出适当频率的电压，使电机的频率从0缓慢上升，那么旋转磁场的频率也会逐渐上升。由同步电动机的转速公式，即公式（1）可知，f发生变化时，n也在变，即旋转磁场牵引转子缓慢地同步加速，直到设定转速。

4 解决方案

烧结主抽系统目前设置了2台风机，风机的电机功率为7 800 kW。目前运行的两台风机采用的是一套软启动器，启动一台成功后先并网运行，然后软启动器退出运行；而后软启动器再启动另一台风机，启动成功后并网运行，然后软启动器退出运行，风机正常运行。由于风机电机不能调速运行，只能靠调节风机挡板的开度来调节风量，因此浪费大量电能。本次将对2台风机进行变频改造，来调节电机的速度，进而满足生产的需要和节约电能。

对2台风机进行改造后，整个系统由高、低压配电系统，高压变频器，自控系统，励磁系统，电机，主抽风机及其辅助控制系统（包括油泵系统（OS）、冷却系统（CS）等）等组成。改造后的系统图如图1所示。

从图1中可以看出，该系统可以实现任意一台电机能由任意一台变频器启动并调速，这样，即使一台变频器出现故障，也还有一台电机在工频运行，一台变频器也在运行中。在切换变频器时，通过开关切换变频器电源即可控制电机调速运行，但一段母线不允许同时带动两台电机运行。本次改造工程的高压配电系统开关比较多（QF11～QF19、QF21～QF29），为了保证系统运行的安全，必须有可靠的联锁逻辑和切换逻辑。联锁逻辑能够保证一段母线不同时带动两台电机运行、两段母线不同时为一台变频器供电、一台变频器不同时控制两台电机；切换逻辑能够保证同一台电机可以在工频运行和变频运行之间进行可靠的切换，避免切换过程中出现跳闸等故障。

针对以上高压电气主接线图，电气联锁逻辑如下：①同一段母线不同时带动两台电机运行（QF13、QF14、QF24互锁；QF23、QF24、QF14互锁）；②两段母线不同时为一台变频器供电（QF13、QF24互锁；QF23、QF14互锁）；③同一台变频器不同时控制两台电机（QF18、QF19互锁；QF28、QF29互锁）；④同一台电机不同时受两台变频控制（QF18、QF28互锁；QF19、QF29互锁）；⑤同一台电机不同时在工频和变频模式之间运行（QF12和QF18、QF28联锁；QF22和QF22、QF29联锁）。

自控系统由主抽风机监控柜（AC01、AC02）、高压开关监控柜（AC03）和PLC等组成。PLC程序监控系统具有多参量（温度、液位、流量、压力等）、多任务（油泵启停、阀门开启、联锁保护等）、多设备（电机、开关、阀门等）的特点。系统软件由数据采集子系统（DAS）、过程逻辑处理子系统（SCS）、信息处理子系统和软件功能块四大部分组成。

5 同步电动机变频装置的优点

使用同步电动机变频装置有以下一些优点：①先投励磁，然后变频器输出电压。电机软启动无冲击，启动转矩大，启动过程简单。②变频器会自动跟踪转子的位置和转速，使转子的转速和变频器的输出频率同步，而不会引起过流跳闸，这延长了电机的使用寿命。③谐波小于3%，变频器整流桥脉冲数不低于48脉冲。对电流和电压进行矢量控制，可精确地控制转速和输出电压。④变频器会在电网掉电时停止输出，并在电网恢复后自动跟踪电机转速重新启动，而不会引起过流跳闸，这减少了用户的停机次数，进而提高了生产效率。⑤变频器输出的电压波形和转矩脉动小于0.1%，有效降低了电机的磨损和温升，提高了系统的使用寿命，节省了维护费用。⑥变频器在整个调速范围内的整机效率达到了96%以上。⑦转子的励磁电流为定值，变频器自动调整输出定子转矩电流达到指令值，以适应负载波动，而不会过励磁。

6 结束语

综上所述，无论是异步电机还是同步电机，都可以进行变频改造，尤其是同步电机，对其进行改造后既能够节省能源，又能提高功率因素，进而给企业带来很大的经济效益和社会效益。

作者简介：张文斌（1971—），男，山西太原人，毕业于北京机械工业学院自动化系，大学本科，工程师，目前主要从事冶金电气设计方面的工作。

〔编辑：王霞〕

Abstract： This article mainly introduces frequency conversion control of high voltage synchronous motors， and compared with different asynchronous motors frequency conversion control， for the future of the synchronous motor frequency conversion transformation provides the reference basis.

Key words： synchronous motors； frequency conversion control； excitation； rotor