基于LCI的大功率同步電機自控變頻軟啟動控制技術(shù)研究

楊旭，榮萬里

（哈爾濱同為電氣股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

基于LCI的大功率同步電機自控變頻軟啟動控制技術(shù)研究

楊旭，榮萬里

（哈爾濱同為電氣股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

在諸多同步電機啟動方式中，自控變頻軟啟動方式是技術(shù)含量最高，性價比最優(yōu)的啟動方式，是同步電機軟啟動技術(shù)的發(fā)展方向。針對無位置傳感器的自控變頻式同步電機啟動系統(tǒng)中的低速轉(zhuǎn)子位置檢測，加載啟動，準同期并網(wǎng)等幾個關(guān)鍵問題進行理論分析和實踐驗證，并在抽水蓄能電站實驗裝置上進行測試，取得了很好的啟動效果。

電勵磁同步電機；自控變頻；無位置傳感器；軟啟動；低速轉(zhuǎn)子位置檢測；加載啟動；準同期

電勵磁同步電機具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高等優(yōu)點，在冶金領(lǐng)域（高爐鼓風機），礦業(yè)領(lǐng)域（球磨機），發(fā)電領(lǐng)域（抽水蓄能）等大功率工業(yè)場合廣泛應(yīng)用。

目前，主流的啟動方式有4種，分別為全壓異步直接啟動、磁控電抗器啟動、液阻啟動和自控變頻啟動。4種啟動的性能比較如表1所示。

由表1可見自控變頻啟動方式有其他啟動方式無法比擬的性能優(yōu)勢。但目前國內(nèi)大功率電勵磁同步電機啟動裝置主要還是依靠進口，尤其是變頻軟啟動器，雖然我國的自控變頻啟動技術(shù)取得了一定的成果，但目前還沒有形成完善的應(yīng)用性產(chǎn)品，因此研究自控變頻方式同步電機軟啟動裝置具有重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義。

表1　同步電動機啟動方式性能比較Tab.1　Comparision among different starting mode performances of synchronous motors

本文給出自控變頻式同步電機啟動系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵問題的理論分析，并給出了實際系統(tǒng)及運行解決方案。

1　同步電機軟啟動器原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1同步電機軟啟動器原理

同步電機軟啟動器的工作主要基于自控式同步電動機原理。自控式同步電動機主要由交-直-交電流型晶閘管變流器、同步電機、轉(zhuǎn)子位置檢測器及控制回路構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　自控變頻式同步電機軟啟動原理圖Fig.1　The illustration of synchronous motor automatic control variable frequency soft starting system

變流器的主回路由整流橋、直流平波電抗器和逆變橋組成。逆變橋的換相點由同步電機的轉(zhuǎn)子位置決定，并通過整流橋的電流閉環(huán)進行調(diào)速控制。

1.2同步電動機的無位置傳感器啟動方法

本文采用分段測量電機反電動勢的方法實現(xiàn)了同步電動機的全程無位置傳感器啟動。通過突加勵磁的方法檢測轉(zhuǎn)子初始位置，通過反電動勢深度濾波的方法獲得低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)子位置，通過測量電機反電動勢獲得中高速時的轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)了全程無位置傳感器的啟動。

1.2.1初始轉(zhuǎn)子位置檢測

轉(zhuǎn)子初始位置檢測本質(zhì)上就是利用檢測突加的勵磁電流在電樞感應(yīng)出的電動勢，通過其與轉(zhuǎn)子位置的對應(yīng)關(guān)系來獲得實際的轉(zhuǎn)子位置。

突加勵磁引起的三相定子感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系表式達式為

利用三角公式將式（1）化簡整理得：

即轉(zhuǎn)子位置與突加勵磁感應(yīng)電動勢的關(guān)系為

由式（3）可知，轉(zhuǎn)子位置可以通過檢測三相感應(yīng)電動勢的幅值來計算，因此只要在突加勵磁后檢測三相反電動勢的幅值關(guān)系，即可得到轉(zhuǎn)子位置信息。

圖2為突加勵磁后在電機端感應(yīng)出來的真實反電動勢，只要對照圖3中突加勵磁對應(yīng)反電勢關(guān)系，即可判斷轉(zhuǎn)子位置扇區(qū)。

圖2　突加勵磁三相感應(yīng)電動勢的實際波形Fig.2　Three-phase inductive emf waveform with sudden applied excitation

圖3　突加勵磁對應(yīng)反電勢關(guān)系Fig.3　The relation between sudden applied excitation and back emf

1.2.2反電動勢深度濾波的低速轉(zhuǎn)子位置檢測

由于電機在低速旋轉(zhuǎn)時，其真實反電動勢淹沒在勵磁電流脈動（300 Hz）所感應(yīng)出的電壓噪聲中，無法直接測量。如圖4所示。

圖4　低速時的真實反電動勢Fig.4　The back emf with low speed

因此本文采用硬件的深度低通濾波器和軟件的窗口均值濾波結(jié)合的方式來獲取真實的反電動勢，并通過軟件補償進行換相，解決了低速轉(zhuǎn)子位置脈動的問題。

由于此時低通濾波器的導(dǎo)通頻率和截止頻率較低。不可避免地在濾波器當中會出現(xiàn)較大容值的電容，而較大容值的電容則會導(dǎo)致信號的相移過大，影響換相點的判斷。

為了解決這一矛盾，并保證可靠換相。本文設(shè)計的濾波器在0～20 Hz之間的相移均在60°～90°之間。并通過軟件對實際換相點進行補償。低通濾波器的相頻特性如圖5所示。

圖5　濾波器的相頻曲線Fig.5 The phase-frequency characteristics of filter

在實際系統(tǒng)當中，由于勵磁電流脈動（300 Hz）所感應(yīng)出的電壓噪聲幅值很大，在經(jīng)過硬件濾波之后，信號的信噪比依然不高。為了保證過零點的準確檢測，因此在軟件中又添加一個時間長度為3.333 ms的窗口進行窗口均值濾波。此時啟動效果良好。圖6為10 kV，1 MW，1 500 r/min電機啟動時反電動勢的濾波波形，三相正弦波為濾波后的反電動勢，方波為軟件檢測到的零點，階梯狀波形為勵磁電流。可以看出，電機升速平穩(wěn)，啟動效果很好。

圖6　10 kV，1 MW，1 500 r/min電機啟動時反電動勢的濾波波形Fig.6　The back emf with filter while the motor （10 kV，1 MW，1 500 r/min）starting

1.2.3中高速轉(zhuǎn)子位置檢測

在啟動過程中，隨著轉(zhuǎn)速的提高，系統(tǒng)諧波對反電動勢的影響越來越小。當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的3%時，就可以通過檢測反電動勢過零點來獲得轉(zhuǎn)子位置信息。當電機工作在負載換相工作狀態(tài)且換相超前角為θ=60°時，換相點即為反電動勢過零點，因此只要正確檢測反電動勢的過零點，就可以知道轉(zhuǎn)子位置及相應(yīng)的觸發(fā)分區(qū)。觸發(fā)分區(qū)與端電壓過零點的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2　γ0=60°時過零點檢測與逆變橋觸發(fā)脈沖序列對應(yīng)關(guān)系Tab.2　The relation between zero-crossing detection and triggerpulses sequence of inverter bridge whileγ0=60°

1.3并網(wǎng)過程及條件分析

當電機并網(wǎng)時，如果產(chǎn)生較大沖擊電流，輕則傷及電機本體，重則會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。因此同步電機在并網(wǎng)時必須保證機端電壓相序、幅值、頻率和相位與電網(wǎng)電壓保持一致。

假設(shè)電網(wǎng)相電壓瞬時值為

電機端電壓瞬時值為

則電機端與電網(wǎng)的瞬時電壓差由下式描述：

此瞬時電壓差u即為滑差，該值決定了并網(wǎng)沖擊電流的大小。

1.3.1相位差對滑差的影響

假定電機端電壓與電網(wǎng)電壓幅值相同，即Ug=Us=U，則式（6）變?yōu)?/p>

由式（7）可知，滑差中存在角頻率為（ωs+ωg）/2的高頻分量和角頻率為（ωs-ωg）/2的低頻分量，滑差包絡(luò)線與低頻分量相吻合。令θL=θs-θg，當θL=π時，滑差包絡(luò)線達到最大值；當θL=0時，滑差包絡(luò)線等于零。顯然，如果在包絡(luò)線等于零的點并網(wǎng)合閘，將不會產(chǎn)生沖擊電流。因此應(yīng)盡可能使并網(wǎng)合閘時刻接近滑差包絡(luò)線的過零點。

1.3.2頻差對滑差的影響

同樣由式（6）可知，令ωL=ωs-ωg，當ωL=0時，滑差的包絡(luò)線是恒值，這不利于并網(wǎng)點的選取。隨著ωL增大，滑差包絡(luò)線的周期也將變短?；畎j(luò)線的周期越長，意味著滑差包絡(luò)過零點處變化越慢，并網(wǎng)安全范圍也越大。

1.3.3電壓差對滑差的影響

由式（6）可知，令U1=（Us+Ug）/2，U2= （Us-Ug）/2。則式（6）可寫成：

由式（8）可知，當電壓差存在時，滑差曲線沒有完全等于零的點，在相位差等于零時，滑差包絡(luò)達到最小。電壓差越大，包絡(luò)的最小值越大，并網(wǎng)沖擊越大。

通過上面的分析可知，為了創(chuàng)造好的并網(wǎng)條件，電壓差盡可能小，頻差要保持在較小的范圍內(nèi)，并網(wǎng)時刻盡可能抓準滑差包絡(luò)達到最小值時并網(wǎng)。

1.4基于準同期原理的并網(wǎng)控制策略

1.4.1傳統(tǒng)PI算法在準同期應(yīng)用中存在的問題

從上面的分析可知，要想得到最好的并網(wǎng)結(jié)果，必須準確找到并網(wǎng)時刻的滑差曲線的過零點，即相位差要一致。難點在于控制板發(fā)出并網(wǎng)合閘指令到接觸器主觸頭閉合需要一定的時間，因此要在控制算法中，預(yù)估出這段時間內(nèi)相角差的變化量，提前給出并網(wǎng)合閘指令。在給出并網(wǎng)合閘指令之后，最容易出現(xiàn)問題是出現(xiàn)滑差不穩(wěn)定，使得之前計算給出的合閘提前量不準確。因此保證滑差的穩(wěn)定是至關(guān)重要的。在自控變頻軟啟動系統(tǒng)中，大多采用速度外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速PI控制。雖然PI控制可以使頻率的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但也會使頻差不穩(wěn)定，從而使滑差的一致性變差。當速度環(huán)只有比例環(huán)節(jié)的情況下，雖然頻率的穩(wěn)態(tài)誤差無法消除，但卻能使頻差相對穩(wěn)定，得到較為理想的滑差曲線。根據(jù)上述特點，本文提出了基于自適應(yīng)復(fù)合控制的自動準同期算法。

1.4.2基于自適應(yīng)復(fù)合控制的自動準同期算法

自控變頻軟啟動并網(wǎng)過程可分為升速過程、準同期過程和并網(wǎng)判決過程。

1.4.2.1升速過程

當速度環(huán)只采用比例環(huán)節(jié)時，系統(tǒng)將存在穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差與比例系數(shù)的倒數(shù)成正比，比例系數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但是比例系數(shù)過大將使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此需要一套自適應(yīng)算法來消除穩(wěn)態(tài)誤差。

穩(wěn)態(tài)時，假設(shè)電流環(huán)控制周期遠高于速度環(huán)的控制周期，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為

式中：ω*為轉(zhuǎn)速給定；ω為輸出實際轉(zhuǎn)速；id為電流。

因為電磁轉(zhuǎn)矩：Te=Cmid-Crid2，當忽略反應(yīng)轉(zhuǎn)矩時Cr=0。由式（9），轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時有：

式中：TL為包括空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的總負載轉(zhuǎn)矩。

假設(shè)n時刻轉(zhuǎn)速給定為ω*n，對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為ωn；n-1時刻轉(zhuǎn)速給定為ω*n-1，對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為ωn-1，由于系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，則有：

整理式（11），可得：

可以認為ωG=ωn，ωG為電網(wǎng)頻率。則式（12）可改寫為

為了減小超調(diào)量，引入調(diào)節(jié)系數(shù)Kv，式（13）可寫為

式中：ω*n為最終的速度給定。

1.4.2.2準同期階段

當轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速后，進入準同期階段。由于此時反電動勢頻率已接近額定值，因此需要對電機頻率進行微調(diào)。將反電動勢與電網(wǎng)電壓的相位差變化率替代電機頻率作為系統(tǒng)的輸入，通過下式來微調(diào)速度給定：

式中：ωsi為滑差角頻率；Ks為調(diào)節(jié)系數(shù)。

通過此方法可以直觀地看出反電動勢與電網(wǎng)電壓的相位變化速率，并可以直接應(yīng)用到并網(wǎng)判決中，減小程序的計算量。

下式為并網(wǎng)判決表達式：

式中：Δω為允許的角頻率誤差。

當滑差滿足式（16）時，將不改變速度給定，進入并網(wǎng)判決階段。

1.4.2.3并網(wǎng)判決階段

并網(wǎng)合閘的判定必須要預(yù)估出這段時間內(nèi)相角差的變化量，提前給出并網(wǎng)合閘指令。這樣才能確保在并網(wǎng)時刻沖擊最小。判決采用下式：

式中：δi為合閘時刻相角；Δδ為合閘允許的相角誤差；TKM為接觸器合閘時間。

圖7為準同期階段程序流程圖。

1.4.3算法驗證

驗證平臺為10 kV，1 MW，1 500 r/min同步電機。圖8為實際的并網(wǎng)電流波形。

圖7　準同期階段程序流程圖Fig.7　Program flow chart of quasi-synchronization stage

圖8　并網(wǎng)三相電流波形Fig.8　Three-phase current while grid connecting

由圖8可以看出，并網(wǎng)最大沖擊電流約為15A，為電機額定電流的40%，并網(wǎng)效果良好。

2　自控變頻軟啟動裝置的實現(xiàn)

自控變頻軟啟動裝置主要由進線電抗器、三相全控晶閘管整流器、平波電抗器、三相全控晶閘管逆變器及控制系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖9所示，三相電壓經(jīng)整流橋和平波電抗器變?yōu)?脈波直流電流，后由逆變橋逆變輸出至電機定子回路。系統(tǒng)核心控制器由整流、逆變、勵磁控制板完成，控制板均采用TI公司的TMS320F2812作為主控芯片，通過高速CAN總線完成板間的數(shù)據(jù)交互。整流部分負責整個啟動過程中的控制邏輯、網(wǎng)側(cè)電壓檢測、網(wǎng)側(cè)電流檢測以及直流母線電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)；逆變部分采集電機端電壓、實時計算電機轉(zhuǎn)子位置及逆變橋的換相控制。勵磁裝置提供同步電機的勵磁電流。

圖9　自控變頻同步電動機軟啟動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.9　The block diagram of synchronous motor automatic control variable frequency soft starting system

3　抽水蓄能電站實驗裝置應(yīng)用

3.1實驗裝置組成

抽水蓄能電站實驗裝置為400 V系統(tǒng)，由以下部分組成：自控變頻軟啟動裝置，同步電動機，與同步電動機連軸的異步電動機（用于模擬加載），低壓變頻器。具體技術(shù)參數(shù)如下：自控變頻軟啟動裝置為哈爾濱同為電氣股份有限公司的產(chǎn)品，額定輸出容量50 kW；同步電動機100 kW，500 r/min；異步電動機200 kW，500 r/min；低壓變頻器為西門子S1204象限變頻器，輸出功率200kW。

3.2深蓄曲線的模擬

圖10給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其中西門子S120 4象限變頻器工作在轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩模式，即根據(jù)光電編碼器返回的轉(zhuǎn)速和預(yù)置的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線控制異步電動機輸出轉(zhuǎn)矩以模擬深蓄加載曲線，自控變頻軟啟動裝置帶動同步電動機實現(xiàn)啟動、并網(wǎng)。圖11給出某抽水蓄能電站的啟動曲線。

圖10　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.10　The block diagram of system

圖11　某抽水蓄能電站的啟動曲線Fig.11　Starting curves of a pumped storage power station

如圖11所示，裝置容量為22 MW，電機額定轉(zhuǎn)速428 r/min，所以：

根據(jù)圖中比例可得：

啟動轉(zhuǎn)矩和最終的并網(wǎng)轉(zhuǎn)矩比例如下：

實驗裝置為50 kW，電機額定轉(zhuǎn)速500 r/min。為了盡量模擬實際運行情況將上述計算按比例縮小。計算如下：

3.3實際啟動情況

3.3.1低速加載啟動

圖12是加載低速啟動時的反電動勢濾波波形，采用深度濾波的低速轉(zhuǎn)子位置檢測，使得電機的低速啟動換相點有據(jù)可依，克服了自給脈沖啟動方式的啟動時間慢、轉(zhuǎn)子脈動和小范圍反轉(zhuǎn)問題。

圖12　啟動時反電動勢的濾波波形Fig.12　The back emf with filter while starting

3.3.2加載并網(wǎng)

圖13是加載并網(wǎng)的單相電流波形，實際的并網(wǎng)沖擊電流為120A，僅為電機額定電流的40%。

圖13　并網(wǎng)波形Fig.13　The waveform when grid connected

3.3.3加載啟動

圖14　轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線Fig.14　Rotational speed—torque curves

圖14為西門子S120上位機實際測出的按給定加載曲線加載啟動的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線。由曲線可以看出，由于負載轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的加大而加大，故加速曲線并非直線，設(shè)備完全實現(xiàn)了按規(guī)定負載，全程加載啟動。

4　結(jié)論

通過對低速轉(zhuǎn)子位置檢測的研究，系統(tǒng)可以對低速轉(zhuǎn)子位置進行定位，并作為依據(jù)進行換相控制，解決了自給脈沖式啟動方法的轉(zhuǎn)子脈動和相鄰觸發(fā)扇區(qū)存在小范圍反轉(zhuǎn)等問題。適用于如軸流壓縮機（高爐鼓風機）、離心壓縮機（制氧壓縮機）等絕不允許轉(zhuǎn)矩（大范圍）脈動和轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的場合，具有實際意義。

通過對準同期并網(wǎng)策略的研究，提出的新方法解決了傳統(tǒng)PI控制帶來的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)和并網(wǎng)沖擊電流過大等問題。為電機的穩(wěn)速和并網(wǎng)提供了優(yōu)質(zhì)的解決方案。

目前哈爾濱同為電氣股份有限公司研發(fā)的自控變頻軟啟動裝置已完成低壓400 V系統(tǒng)和高壓10 kV系統(tǒng)的空載啟動并網(wǎng)應(yīng)用，并已銷售使用。還在低壓400 V系統(tǒng)環(huán)境下，模擬了抽水蓄能電站的啟動方式，進行全程加載啟動、并網(wǎng)實驗。試驗結(jié)果表明，基于LCI的自控變頻技術(shù)在解決同步電機啟動和調(diào)速過程中具有優(yōu)異的性能。

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Device and Control Technology of Self-controlled Soft Start with Variable Frequency for High-power Synchronous Motor Based on LCI

YANG Xu，RONG WanLi
（Harbin CODO Electric Co.，Ltd.，Harbin 150001，Heilongjiang，China）

In many ways of synchronous motor starting，automatic control variable frequency soft starting is the development direction of synchronous motor soft starting with the highest technology and performance.The problems involved in automatic control variable frequency soft starting device without position sensor，such as rotor position detectionis during low speed，starting with load，quasi-synchronization grid connected control，were analyzed and studied in practice.It worked perfectly on a model of pumped storage power station.

electrical excitation synchronous motor；self-controlled variable frequency；sensor less；soft start；rotor position detection in low speed；start with load；quasi-synchronization

TM341

A

2015-09-13

楊旭（1987-），男，本科，助理工程師，Email：13845049584@163.com