提高同步电动机抗电网电压波动能力的成功实践

同步电动机被广泛应用于大功率风机、压缩机等恒速驱动的系统，其最大的优点是通过调节同步电动机转子的励磁电流便可以调节同步电动机的功率因素，从而调节其向电网吸收或发出无功的大小；同步电动机还具有转子转速始终保持同步转速的特点，与负载的大小无关；另外，同步电动机的运行效率一般高于异步电动机，大功率、低转速同步电动机尤为显著，其过载能力强，恒速运行的稳定性好。具有相同功率的生产机械，采用同步电动机拖动时，可以调节励磁使系统功率因素提高，供电系统的线路压降较低，线路损耗小，生产经济效益要比异步电动机高。

由于同步电动机在运行性能和生产效率方面的优势，因此在恒速大功率驱动系统中尽量采用同步电动机，但其起动、投励、励磁调节等都比较复杂。

该制氧机于2007年12月建成投产，氧气生产能力为60000Nm3/h，由国外某空分制造公司成套引进，其空压机由ABB公司生产的AMS 1120LE型同步电动机拖动，同步电动机额定功率为27000KW，额定电压10KV，无刷励磁，由宝能变110KV经54MVA变压器降压到10KV向其供电。

该励磁调节器有两路电源，其一是常用励磁电源（单相交流380V），来自于低压380V配电开关，为市电；其二是备用励磁电源（DC110V），也是励磁盘的强励方式，来自于DC110V直流电源装置。正常情况下励磁调节器由常用励磁电源供电。励磁调节、控制和保护均由PLC来实现，其信号主要源于PT、CT信号，同时盘内用于检测常用励磁电源电压是否异常的电压继电器U42的检测信号也送PLC。只有在PLC判断出电机需强励或已检测到常用励磁电源电压异常或需要强励的情况下，PLC才发指令切换到备用励磁电源供电。

1 问题描述

该制氧机自2007年12月建成投运后不久，连续遭受三次电网电压波动，直接影响氧氮氩产品的安全生产和稳定供应，突出暴露了7号空压机同步电动机抗电网电压波动能力差的问题，必须设法尽快解决。具体情况如下表1所示：

表1  投产不久7号空压机连续三次遭受电网电压波动情况

    与该空分制造商技术交流后，于2008年10月21日，实施了将该空压机同步电动机励磁盘内U42继电器的设定值由125V调整到140V外方专家方案。同时还进行了备用励磁自动投入功能试验项目，即在该空压机卸载后，拉开励磁盘内常用励磁电源F10开关，励磁调节器自动切换到备用励磁（DC110V）供电，之后合上常用励磁电源F10开关，将励磁盘内报警信号进行复位后，按照操作提示，手动切换到正常励磁供电，切换过程中该空压机均运行正常；试验表明备用励磁自动投入功能正常。

然以上改进的效果不理想，之后两次遭受电网电压波动，该空压机均跳车，具体如下表2所示，由此可见该空压机同步电动机抗电网电压波动能力差的问题未能解决。

表2 电压检测继电器定值调整后7号空压机连续两次遭受电网电压波动情况

2 技术分析研究
        同步电动机运行于cosφ=1最经济、最节能，最为理想。但为了对电网作无功补偿贡献，并适度提高同步电动机稳定性，为此，同步电动机一般运行在功率因数超前，向电网发送无功。从同步电动机U型曲线(参见图1所示)不难看出，功率因数超前越大，距离不稳定区域越远、越稳定，但越接近过励磁区域，励磁电流会增大，如长期运行于过励磁区域易损坏同步电动机转子，为此，励磁系统上一般设置过励磁保护。

当电网电压下降时，常用励磁电源电压也同时下降，会使励磁控制单元停止发火控制，

造成励磁电流衰减，向电网发送无功也减少，随着励磁电流的逐渐减少，同步电动机也将逐渐进入功率因数滞后区域，逐步接近不稳定区域而发生低励磁报警和失步保护动作跳车，为此，励磁系统上一般设置低(欠)励磁保护和失步保护。

当电网电压恢复后，励磁控制单元需要一定的时间来恢复励磁电流，在励磁电流恢复前，PLC首先检测到低励磁并发出低励磁报警信号，其次，如励磁电流不能很快恢复，PLC检测到无功将最终使失步保护动作而跳机。

 综上所述，在电网电压下跌时，励磁常用电源电压随之同步下跌，易发生低励磁报警和失步保护动作跳车，然从实际情况来看，原设计中靠U42电压继电器检测电网电压波动明显不能快速响应切至备用强励电压的需求，电网电压出现波动时，该电机失步跳车几率自然会很高。

当然，从U型曲线还可直观看到，同步电动机负载越大，定子电流也就越大，稳定区域也越小，抗电网电压波动能力也越差。所以，每次电网电压波动时，跳机情况不完全相同，这除了与电网电压跌幅和持续时间不同有关外，还与负载大小有直接的关系。

3 问题解决

围绕如何提高该空压机抗电网电压波动能力，我们成立了攻关小组，经查阅了相关资料，并多次与ABB制造厂技术人员交流后，决定将该空压机同步电动机励磁盘工作电源由市电改为UPS稳压电源供电。于2009年6月9日停机实施了该方案，具体是在现有该制氧机UPS装置备用220V回路中增加一台220V/380V 5kVA升压变压器，并通过电缆与该空压机同步电动机励磁电源相连接，即充分利用现有该空分UPS现有富裕容量，为该空压机同步电动机励磁盘供给交流380V稳压电压。

4 实施后效果

将励磁盘常用电源有市电改为UPS供电后，至2012年底，我们电网电压曾发生不下20次的波动，可喜的是，均未使该空压机跳车，表3 列举了其中的7次波动情况，由此可见，一方面，此举改造前后效果非常明显，已真正解决了困扰安全生产的难题。另一方面，经计算，该方案实施后的经济效益为150万元。

之后，采用相同的方案，将其它空压机、增压机同步电动机励磁常用电源改成了UPS电源，改造后，该制氧机抗电网电压波动的能力也大为改善。

表3 励磁常用电源改为UPS后连续多次电网电压波动5号空压机无影响情况(部分)