商 勇，王丽娟，杨 鑫

(1.中国石油兰州石化公司，甘肃 兰州 730060； 2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

基于Matlab的大型同步电动机起动方式优化*

商 勇1，王丽娟2，杨 鑫1

(1.中国石油兰州石化公司，甘肃 兰州 730060； 2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

针对同步电动机的起动问题，分析了C1202二次压缩机的自耦变压器降压起动原理，根据同步电动机的工作原理对同步电动机的起动特性进行了分析，并对全压异步起动方法进行了仿真研究，得出了起动过程中电动机相电流、电磁转矩等参数的变化曲线。利用Matlab/Simulink构建了转速开环恒压频比控制同步电动机软起动的数学模型，对同步电动机的起动过程进行仿真试验，并且分别对空载起动和负载起动过程进行了分析。仿真结果验证了转速开环控制同步电动机软起动的可行性。

同步电动机；软起动；变频器

1 前 言

兰州石化公司是大型石油化工企业，公司内拥有众多的装置，电动机的应用也非常广泛。在大乙烯装置中，高压聚乙烯装置的C1202二次压缩机是装置中的最为重要的一部分，也是大型同步电机的代表。C1202二次压缩机采用的是ABB公司的AMZ 2500SS30 LTE型号同步电机，其具体参数如下：质量130 t、功率为18 000 kW、额定电压为10 kV、额定电流为1 082 A、额定频率为50 Hz、转速为200 r/min、按照星形方式连接。冷空气入口温度最大40 ℃，冷却温度28 ℃。

C1202二次机的转速只有200 r/min,低速的大型设备采用同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。

同步电机虽然有很多优点，但它的最大缺点[1]是起动困难，不能直接起动。简单的说，同步电动机不能自行起动，转动惯量较大。在这一瞬间，由于定转子磁极的相互作用倾向于使转子逆时针旋转，但由于转子比较重转动惯量大，转子虽然受到磁极之间的相互磁力的作用而马上转动，转子还来不及转动，此时定转子磁极之间的相互作用又倾向于使转子顺时针方向转动。因此，转子上的平均转矩为零，转子根本不能转动，即同步电动机不能自行起动。

笔者以高压聚乙烯C1202二次压缩机为引入点，针对同步电动机进行变频软起动控制进行研究，提出改变变频器输出频率的恒压频比控制同步电动机的软起动方法及其控制策略。应用Matlab Simlink建立开环恒压频比控制同步电动软起动的控制模型，对控制策略进行仿真验证。

2 同步电动机常用起动方法

同步电动机因其自身工作特性不能自行起动，如表1所列，目前同步电动机常用的起动方法有：异步起动、半同步起动、同轴小电机起动、静止变频器SFC起动等。其中异步起动[2]包括全压直接异步起动、电抗器降压起动、变压器降压起动等起动方式。

表1 同步电动机常用起动方式优劣性对比

3 高压聚乙烯C1202二次压缩机起动方式

高压聚乙烯C1202二次压缩机的起动方式为自耦变压器降压异步起动。具体起动方式如图1所示。

图1 C1202装置自耦变压器降压起动方式电路原理简化图

对于C1202的自耦变压器降压起动方式，主变压器的抽头通常是从其低压侧三角形连接的绕组引出，起动电压只有二次电压的一半，通常称为“半压启动”。它与全压起动相比，起动电流减半，起动视在功率和起动力矩仅为全压起动的l/4，所需加速时间为全压起动的4倍。其缺点是：起动时间较长，切换过程冲击电流较大；主变压器结构和继电保护整定也比较复杂。

4 C1202在生产中遇到的问题

在C1202投入使用后，正常起动运行之后，问题不是很多，主要问题还是集中在起动的时候。

C1202的保护使用最多的是起动过电流保护， C1202二次压缩机试车的时候，出现了因堵转发生跳闸的情况，当时定子电流上升到额定电流的2.1倍时，持续了4.5 s后跳闸保护。另一次是在C1202起动时，起动电流达到额定电流的1.63倍，持续10.2 s后跳闸。

实际上，C1202二次机由于过电流跳闸保护的情况常有发生，2012年大检修期间，C1202大约每隔4天停车1次，而每停车3、4次就会由于起动电流问题导致过流保护而动作一次。对于这种情况发生后，工作人员只能将其复位重新起动，而C1202的起动次数也是有限制的，通常的冷态下连续起动3次，热态下连续起动2次。所以起动电流大是C1202起动时候问题比较严重的一点。

下面将通过模拟结果分析静止变频器SFC的恒压频比起动方式是否可以对C1202的起动过程进行优化。

5 静止变频器SFC起动方式

在起动时，静止变频器 (SFC)系统[3]从高压电力系统或从厂用电母线上取电。SFC将恒定的电压和频率电源变换成电压和频率可变的电源。可变的电源施加于发电机的定子线圈，使发电机在起动期间作为同步电动机。静止变频器SFC起动方式的结构原理图如图2所示，虚线框内就是SFC系统。

图2 静止变频器SFC起动方式原理图

由图2可知，SFC系统由变压器、DC电抗器、整流器、逆变器组成。SFC变压器(SFC transformer)提供整流器的输入电压，一旦出现整流器的桥臂短路时，它的漏抗起限制短路电流的作用；整流器(converter)采用三相六脉波全控可控硅整流桥，将恒定的三相AC电压变成可变的DC电压。DC电抗器对直流电流进行平波。逆变器也是采用三相六脉波全控可控硅整流桥，将整流器输出的DC电压转变成变幅值和变频率的AC电压。这个可变的交流电源施加于发电机使发电机加速到指定的转速。

SFC恒压频比起动方式是否比同步电动机异步起动方式更加优化，下面将通过模拟结果进行说明。

6 同步电机不同起动方式下的模拟分析[4]

通过在MATLAB中对同步电机的模拟分析可得到以下变化曲线，同步电动机转速变化及牵入同步过程如图3所示。与此同时，同步电动机加上负载，电动机在负载状态下稳定运行。起动时同步电机定子电流的变化如图4所示。

图3 同步电动机异步起动转速变化曲线

图3中，由曲线可见在f=0.1 s时电动机依靠异步转矩起动，转速随时间逐渐增加。当t=0.9 s时，加上励磁电压，电动机牵入同步，达到同步转速稳定运行。

图4 同步电动机异步起动定子相电流变化曲线

图4中,电动机的额定电流IN为146.8 A，由图可见采用全压直接异步起动时，起动电流很大，约为额定电流的5～6倍，且起动电流波动较大。当电动机转速达到稳定时即t=1.2 s时，同步电机的定子端的相电流才接近额定值电流值，显然在电动机刚起动时过大的起动电流会在电机的绕组中产生很高的热量，在大功率电动机中是不允许的。

下面将对静止变频器SFC软起动方法进行模拟分析。通过在Matlab环境下对相同的模拟电机模型进行空载起动和负载起动的仿真分析可以得到如下结果。

6.1 空载起动时仿真结果分析

通过模拟计算，可以得到如图5所示曲线图。

图5 同步电机起动瞬间以及过程中相电流变化曲线

如图5所示，同步电动机在起动瞬间电流变化曲线，与异步直接起动相比较，同步电机相电流基本稳定在额定值附近变化，达到了限制电流的效果。因为在6～9 s时间里由负电磁转矩的作用，导致转速下降引起了电流大小的脉动，从图中可以观察出在f=6.3 s时电流的幅值明显增大，但在7.5 s时就恢复了额定值。

以上是在电动机空载的情况下分析起动过程中转速、电磁转矩、相电流的变化曲线。从以上仿真试验可以看出，同步电动机能够成功起动，证明了频率它控起动同步电动机的可行性。

6.2 负载起动时仿真结果分析

图6 同步电机带负载起动瞬间以及过程中相电流变化曲线图

电动机在负载起动时，在刚起动0.5 s的时间里电动机的同步电磁转矩没有立即使转子旋转，只是引起转子的振荡。但当功角达到2π后就相当于在功角等于0的条件下开始牵入过程,如图6所示。

由图6可以看出，定子相电流值是在额定值的范围内，满足软起动的要求。电动机相电流值的变化比较平稳，软起动的效果比较理想。

通过以上空载起动和负载起动两种情况的仿真研究得出起动过程中电机转速、电机相电压、电机相电流、电磁转矩的变化曲线，并与上面分析的异步起动同步电动机的方法进行对比，证明恒压频比的起动方式基本上达到了软起动的效果，而且与自控式变化起动相比这种起动方法有着硬件结构简单，控制方式灵活等优点。

7 结 语

笔者以高压聚乙烯装置中C1202二次压缩机为引入点，针对大功率同步电动机起动困难的问题提出了一种转速开环恒压频比控制的起动方式。利用电压型高压变频器作为变频的电源，通过控制频率的起动方法对同步电动机的起动过程做了仿真研究，试验结果表明达到了良好的软起动效果。

简要介绍大功率同步电动机常见的几种起动方法以及这几种方法的不同特点，说明了静止变频器软起动相对于其他起动方式而言的优越性。并利用Matlab对同步电机的异步直接起动进行了仿真研究，观察了全压异步起动时相电流波形，给变频软起动方式提供了对比的依据，说明同步电机软起动的优越性。

[1] 张俊武，王 新，金宏彬，等．同步电动机变频起动控制系统[J]．控制工程，2002，9(5)：92-94．

[2] 李志民，张遇杰．同步电动机的调速系统[M]．北京：机械工业出版社，1996．

[3] 佟纯厚．现代交流调速．[M]．北京：冶金工业出版社，1985．

[4] 徐立娟，杨利军．大型同步电动机的静止变频起动装置[J]．电气开关，2004，(2)：30-32．

Starting Mode Optimization of Large Synchronous Motor Based on Matlab

SHANG Yong1, WANG Li-juan2, YANG Xin1

(1.CNPCLanzhouPetrochemicalCompany,LanzhouGansu730060,China；2.GansuProvinceTransportationPlanningSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,LanzhouGansu730030,China)

Although synchronous motors have many advantages，its biggest drawback is difficult to start. According to the startup problem of synchronous motor, the starting characteristics of synchronous motor is given in accordance with its work principle．The curve of motor phase current and electromagnetic torque during the start-up is obtained stemming from the simulation research on asynchronous motor starting methods．The synchronous motor starting simulation is processed based on the Matlab/Simulink after building the mathematic model of open-loop constant voltage frequency ratio soft-start control，which analyzes both no load start-up and load on start-up process．The simulation results show the feasibility of constant voltage frequency ratio soft-start control method.

synchronous motor；soft-start；frequency converter

2013-12-02

商 勇(1986-)，男，辽宁海城人，助理工程师，硕士，主要从事机械电气方面的工作。

TH862

A

1007-4414(2014)01-0047-04