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摘 要：大中型同步电动机的起动是个较复杂的问题。文章针对不同容量的同步电动机介绍变频、降压起动的原理度应用进行了分析。
关键词：同步电动机；变频起动；液态软起动
中图分类号：TM341
文献标识码：A
文章编号：1006-8937(2010)08-0111-02
1 概述
同步电动机由于结构复杂，同时需要直流电源，启动和控制设备也较贵，它的一次性投资要比异步电动机高得多。然而，同步电动机具有运行速度恒定、功率因数可调、运行效率高等独特的特点，在现代钢铁企业中大功率电气传动领域独占螯头，是驱动大型风机、轧机、压缩机的首选机型。
2 同步电动机启动方式
同步电动机启动形式一般有三种：一是辅助电动机起动法。辅助电动机起动法是选用和同步电动机具有相同级数的小型异步电动机，拖动同步电动机接近同步转速，再将同步电动机接人电网，并通以励磁电流，把同步电动机拉人同步运转。缺点是只能用于空载起动的同步电动机。一般用于电动机一发电机变流机组或大型同步补偿机的起动。在大容量同步电动机带负载起动时不经济。二是调频起动法。调频起动法是改变定子旋转磁场的转速，利用气隙磁场和转子磁极间的同步转矩来起动。在转子上加直流励磁，定子电流的频率从零开始逐步向上增加，直至额定频率为止。这样，转子的转速就将随着气隙中旋转磁场转速的逐步上升而同步地上升，直到额定转速为止。大型同步电动机采用变频起动，能消除对电网的冲击，并能减轻施加在电机和驱动装置上的机械压力。三是异步起动法。在大、中型同步电动机的凸极转子装笼形起动绕组，可采用异步起动法来起动。即启动时在定子上加入三相对称电压以产生旋转磁场，使转子转动，待转速到准同步速(n＝0.95no)时，再在励磁绕组通以直流励磁电流，使转子建立磁场，在定子旋转磁场与转子励磁磁场的相互作用下，将转子拉人同步。
3 同步电动机在企业中的应用
在钢钬企业中同步电动机一般容量较大，全压起动由于启动电流过大，会使电网电压短时间内迅速下降，对其它用电设备的正常运行造成巨大影响，同时也会使电动机本身产生电气及机械冲击并对所带动的机械设备造成冲击，使电动机的绝缘材料老化加速，所以同步电机启动时都要采用一些辅助措施。
40000Nm3／h制氧机工程空压机电机采用德国西门子同步电动机，额定功率20200kW；额定电压ACIOkv；额定电流1320A；轴转矩128.6kNm。考虑到电机容量大且电网容量偏小采用变频起动。变频起动主要设备有SFC变频软启动器、MMCP励磁柜、SUT升压变压器、SDT降压变压器。控制原理图如下。电机起动时，MMCPl为主电机提供励磁并命令MBMl、MBCl开关合闸，将10.5kv的系统电压经SDT降压变压器从10.5kv变为2.6kv，进入SFC进行变频，再经SUT升压变压器升压到10.5kv，经MBMl开关带动主电机启动；随着变频器输出频率及电机转速逐渐上升，当达到50Hz工频时，系统参数符合切换条件后，MMCP发出指令将MBLl开关闭合，MBMl和MBCl开关断开，系统切人工频，主电机经MBLl开关带电运行。变频器可最大限度地限制电机的起动电流，减少电网压降，可实现恒转矩及变转矩起动。应该说，在各种起动方式中，变频器的起动性能是最优秀的。但是进口变频起动装置价格昂贵。
对于中型同步电动机还可采用自耦变压器降压起动，电抗器降压起动，高压液态软起动。电抗器降压起动机械特性较硬，起动电流大，工况适应性差，成功率低。电抗器一般根据电机及负载参数制作，一次成形，参数不可调节。自耦变压器降压起动机械特性也比较硬，起动电流较小，平均起动电磁转矩小，不允许连续起动及频繁起动，最大的缺点是电源系统和电机设备确定后起动特性无法改变，难以适应现场的多变情况。高压液态软起动具有良好的可调性和对环境的适应性等许多优点，且具有较高的性价比。但是无论采用哪种降压起动方式，都要对起动容量，起动时母线电压和电动机端子电压等进行校验，以控制起动过程中母线压降并保证生产机械要求的起动转矩。
360m2烧结机主抽风机原动机采用凸极同步电动机，额定功率6700kW；定子额定电压ACl0 kv；定子额定电流442A；额定转速1000rpm；轴转矩8134Nm；励磁电流356A；励磁电压113v，如图1所示。采用液态软起动方式起动。控制原理图如下。电机起动时，在电动机定子回路串入液体电阻，该电阻在电机起动初始时刻自动投入，阻值在预定起动时间内均匀减小，并在阻值达到设定时刻时切除，实现限制主电机电流及电机转速无级匀滑上升的目的。启动时先不加入直流磁场，只在定子上加上三相对称电压以产生旋转磁场，通过改变液体电阻值的大小，均匀地提高电机端电压，从而降低电机的起动电流。当电机的转速达到电机额定转速的85％时，发出投全压信号，液态软起动设备中的星点柜合闸，电机星点短接，电阻被切除，电机继续升速，等转速接近同步转速(电机亚同步转速)时，在励磁绕组中通入直流励磁电流，即励磁柜投励，拉人同步运行。校验电机采用液态软起动，起动电流限制在3倍额定电流以内，起动时10kv系统母线电压水平相对值为0.95，起动时间约为20s。与现场实测数据基本是一致：电机空载起动：1～8s投全压，再过10s投励磁，最大电流约960A。
对于2MW及以上高压同步电动机设纵联差动保护、单相接地保护、低电压、过负荷、失步及防止非同步冲击保护等继电保护。失步保护带时限动作，动作于同步控制回路。由于同步电动机失磁可引起母线电压严重降低，还须装设失磁保护，动作于跳闸。同时通过对电机轴承驱动端和非驱动端的振动、温度、油压，电机定子线圈温度的监测，并作用于控制回路实现对电机的保护。
4 结语
实践证明，同步电机使用变频启动能消除对电网的冲击，并能减轻施加在电机和驱动装置上的机械压力，对大型同步电动机进行变频起动，是比较理想的方法，但投资大。高压液态软起动装置具有良好的可调性，通过调整各项相关参数，能很好地适应现场不可预测的变化，满足不同电机特性对起动的要求，适合中大型同步电动机起动。在实际应用中应考虑电网容量，设备投资及利用率等因素，采用适宜的起动方式和设备满足生产实际情况。
参考文献：
[1]牛秀岩.电机学[M].北京：冶金工业出版社.2003.
[2]陈延镖.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1999
关键词：同步电动机；变频起动；液态软起动
中图分类号：TM341
文献标识码：A
文章编号：1006-8937(2010)08-0111-02
1 概述
同步电动机由于结构复杂，同时需要直流电源，启动和控制设备也较贵，它的一次性投资要比异步电动机高得多。然而，同步电动机具有运行速度恒定、功率因数可调、运行效率高等独特的特点，在现代钢铁企业中大功率电气传动领域独占螯头，是驱动大型风机、轧机、压缩机的首选机型。
2 同步电动机启动方式
同步电动机启动形式一般有三种：一是辅助电动机起动法。辅助电动机起动法是选用和同步电动机具有相同级数的小型异步电动机，拖动同步电动机接近同步转速，再将同步电动机接人电网，并通以励磁电流，把同步电动机拉人同步运转。缺点是只能用于空载起动的同步电动机。一般用于电动机一发电机变流机组或大型同步补偿机的起动。在大容量同步电动机带负载起动时不经济。二是调频起动法。调频起动法是改变定子旋转磁场的转速，利用气隙磁场和转子磁极间的同步转矩来起动。在转子上加直流励磁，定子电流的频率从零开始逐步向上增加，直至额定频率为止。这样，转子的转速就将随着气隙中旋转磁场转速的逐步上升而同步地上升，直到额定转速为止。大型同步电动机采用变频起动，能消除对电网的冲击，并能减轻施加在电机和驱动装置上的机械压力。三是异步起动法。在大、中型同步电动机的凸极转子装笼形起动绕组，可采用异步起动法来起动。即启动时在定子上加入三相对称电压以产生旋转磁场，使转子转动，待转速到准同步速(n＝0.95no)时，再在励磁绕组通以直流励磁电流，使转子建立磁场，在定子旋转磁场与转子励磁磁场的相互作用下，将转子拉人同步。
3 同步电动机在企业中的应用
在钢钬企业中同步电动机一般容量较大，全压起动由于启动电流过大，会使电网电压短时间内迅速下降，对其它用电设备的正常运行造成巨大影响，同时也会使电动机本身产生电气及机械冲击并对所带动的机械设备造成冲击，使电动机的绝缘材料老化加速，所以同步电机启动时都要采用一些辅助措施。
40000Nm3／h制氧机工程空压机电机采用德国西门子同步电动机，额定功率20200kW；额定电压ACIOkv；额定电流1320A；轴转矩128.6kNm。考虑到电机容量大且电网容量偏小采用变频起动。变频起动主要设备有SFC变频软启动器、MMCP励磁柜、SUT升压变压器、SDT降压变压器。控制原理图如下。电机起动时，MMCPl为主电机提供励磁并命令MBMl、MBCl开关合闸，将10.5kv的系统电压经SDT降压变压器从10.5kv变为2.6kv，进入SFC进行变频，再经SUT升压变压器升压到10.5kv，经MBMl开关带动主电机启动；随着变频器输出频率及电机转速逐渐上升，当达到50Hz工频时，系统参数符合切换条件后，MMCP发出指令将MBLl开关闭合，MBMl和MBCl开关断开，系统切人工频，主电机经MBLl开关带电运行。变频器可最大限度地限制电机的起动电流，减少电网压降，可实现恒转矩及变转矩起动。应该说，在各种起动方式中，变频器的起动性能是最优秀的。但是进口变频起动装置价格昂贵。
对于中型同步电动机还可采用自耦变压器降压起动，电抗器降压起动，高压液态软起动。电抗器降压起动机械特性较硬，起动电流大，工况适应性差，成功率低。电抗器一般根据电机及负载参数制作，一次成形，参数不可调节。自耦变压器降压起动机械特性也比较硬，起动电流较小，平均起动电磁转矩小，不允许连续起动及频繁起动，最大的缺点是电源系统和电机设备确定后起动特性无法改变，难以适应现场的多变情况。高压液态软起动具有良好的可调性和对环境的适应性等许多优点，且具有较高的性价比。但是无论采用哪种降压起动方式，都要对起动容量，起动时母线电压和电动机端子电压等进行校验，以控制起动过程中母线压降并保证生产机械要求的起动转矩。
360m2烧结机主抽风机原动机采用凸极同步电动机，额定功率6700kW；定子额定电压ACl0 kv；定子额定电流442A；额定转速1000rpm；轴转矩8134Nm；励磁电流356A；励磁电压113v，如图1所示。采用液态软起动方式起动。控制原理图如下。电机起动时，在电动机定子回路串入液体电阻，该电阻在电机起动初始时刻自动投入，阻值在预定起动时间内均匀减小，并在阻值达到设定时刻时切除，实现限制主电机电流及电机转速无级匀滑上升的目的。启动时先不加入直流磁场，只在定子上加上三相对称电压以产生旋转磁场，通过改变液体电阻值的大小，均匀地提高电机端电压，从而降低电机的起动电流。当电机的转速达到电机额定转速的85％时，发出投全压信号，液态软起动设备中的星点柜合闸，电机星点短接，电阻被切除，电机继续升速，等转速接近同步转速(电机亚同步转速)时，在励磁绕组中通入直流励磁电流，即励磁柜投励，拉人同步运行。校验电机采用液态软起动，起动电流限制在3倍额定电流以内，起动时10kv系统母线电压水平相对值为0.95，起动时间约为20s。与现场实测数据基本是一致：电机空载起动：1～8s投全压，再过10s投励磁，最大电流约960A。
对于2MW及以上高压同步电动机设纵联差动保护、单相接地保护、低电压、过负荷、失步及防止非同步冲击保护等继电保护。失步保护带时限动作，动作于同步控制回路。由于同步电动机失磁可引起母线电压严重降低，还须装设失磁保护，动作于跳闸。同时通过对电机轴承驱动端和非驱动端的振动、温度、油压，电机定子线圈温度的监测，并作用于控制回路实现对电机的保护。
4 结语
实践证明，同步电机使用变频启动能消除对电网的冲击，并能减轻施加在电机和驱动装置上的机械压力，对大型同步电动机进行变频起动，是比较理想的方法，但投资大。高压液态软起动装置具有良好的可调性，通过调整各项相关参数，能很好地适应现场不可预测的变化，满足不同电机特性对起动的要求，适合中大型同步电动机起动。在实际应用中应考虑电网容量，设备投资及利用率等因素，采用适宜的起动方式和设备满足生产实际情况。
参考文献：
[1]牛秀岩.电机学[M].北京：冶金工业出版社.2003.
[2]陈延镖.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1999