燃?xì)廨啓C(jī)組靜止變頻起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)

邵燕秋 邵宜祥 武 強(qiáng) 簡(jiǎn)優(yōu)宗

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京　211000）

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燃?xì)廨啓C(jī)組靜止變頻起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)

邵燕秋 邵宜祥 武 強(qiáng) 簡(jiǎn)優(yōu)宗

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京211000）

隨著發(fā)電機(jī)機(jī)組向大容量方向發(fā)展，為避免機(jī)組起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)和機(jī)組本身造成沖擊，靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)目前已開(kāi)始應(yīng)用于大型同步電機(jī)的變頻起動(dòng)領(lǐng)域。本文基于燃?xì)廨啓C(jī)組靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)，分析了電機(jī)轉(zhuǎn)子在不安裝位置傳感器的情況下，如何通過(guò)電氣檢測(cè)方法計(jì)算轉(zhuǎn)子初始位置。該方法操作簡(jiǎn)單且方便可靠，已經(jīng)在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上得到驗(yàn)證。

靜止變頻起動(dòng)；電氣檢測(cè)方法；轉(zhuǎn)子初始位置

靜止變頻起動(dòng)裝置只有檢測(cè)出轉(zhuǎn)子實(shí)際空間位置后，起動(dòng)器的控制系統(tǒng)才能決定變頻器的通電方式和控制模式，從而保證變頻器的工作頻率和機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)行頻率始終同步，所以轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是靜止變頻起動(dòng)運(yùn)行的必要條件之一［1］。一般獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的常用方法是在電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝位置傳感器，如光電碼盤(pán)等。但是安裝位置傳感器會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和安裝、調(diào)試及維護(hù)的工作量，降低系統(tǒng)的可靠性，在工作條件惡劣時(shí)更為嚴(yán)重，所以取消位置傳感器，采用無(wú)位置傳感器的起動(dòng)控制方法，是實(shí)際系統(tǒng)的首選方案。

1 靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變頻起動(dòng)系統(tǒng)本體由控制柜、整流柜、逆變柜、平波電抗器、輸入變壓器、輸出變壓器等組成。起動(dòng)過(guò)程和機(jī)組監(jiān)控、勵(lì)磁、保護(hù)相配合，在機(jī)組變頻起動(dòng)的過(guò)程中，變頻起動(dòng)主要分為幾個(gè)階段：起動(dòng)準(zhǔn)備階段、轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)階段、強(qiáng)迫換相階段、自然換相階段、退出運(yùn)行等過(guò)程［2］。圖1為燃?xì)廨啓C(jī)組靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)示意圖。

在起動(dòng)階段，斷路器CB1和CB2閉合，斷路器CB3斷開(kāi)，控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子或機(jī)端電壓信號(hào)，給逆變橋晶閘管施加觸發(fā)脈沖，使電機(jī)定子獲得從零到額定頻率變化的電壓信號(hào)，拖動(dòng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，斷路器 CB3閉合，斷路器CB1和CB2斷開(kāi)，變頻起動(dòng)器退出運(yùn)行，機(jī)組并網(wǎng)，進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)［3］。

2 初始位置檢測(cè)的目的

機(jī)組起動(dòng)時(shí)，變頻起動(dòng)器的控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子的初始位置確定為使轉(zhuǎn)子獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩而應(yīng)該通電的定子繞組相別［4］。而同步電機(jī)的三相定子繞組分別與逆變橋的三個(gè)橋臂相連，因此應(yīng)該通電的定子繞組相別與逆變橋應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管相對(duì)應(yīng)。

圖1　燃?xì)廨啓C(jī)組的靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)示意圖

將同步電機(jī)轉(zhuǎn)子縱軸與定子A相軸線之間的夾角定義為轉(zhuǎn)子位置角，用θ表示。電機(jī)轉(zhuǎn)子位置從0° 到 360°皆有可能，而逆變橋晶閘管的導(dǎo)通組合只有6種，因而必須把轉(zhuǎn)子的初始位置劃分為6個(gè)區(qū)間，使得在任何情況下，轉(zhuǎn)子位置都位于這6個(gè)區(qū)間之一。轉(zhuǎn)子位置角與區(qū)間劃分示意圖如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)子位置角和扇區(qū)劃分示意圖

根據(jù)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式：

圖3　根據(jù)初始位置判斷應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管

采用上述分析方法，可以得到轉(zhuǎn)子位于不同位置時(shí)，應(yīng)該通電的定子繞組相別和應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表1。

從上面的分析可以看出，為使轉(zhuǎn)子獲得最大起動(dòng)力矩，應(yīng)該導(dǎo)通的逆變橋晶閘管由轉(zhuǎn)子的初始位置決定。因此，在起動(dòng)之初，必須對(duì)轉(zhuǎn)子的初始位置進(jìn)行檢測(cè)。

表1　根據(jù)轉(zhuǎn)子初始位置判斷定子繞組通流相別和應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管

3 初始位置檢測(cè)方法

轉(zhuǎn)子初始位置為電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)子縱軸與定子A相軸線之間的夾角。轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子施加勵(lì)磁電流，利用定子三相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值和相位信息推算轉(zhuǎn)子的初始位置?？紤]到實(shí)際采樣電路中存在直流偏移和一些隨機(jī)干擾分量，因此在計(jì)算同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置時(shí)，必須采取有效的措施消除直流偏移和采樣通道中竄入的隨機(jī)干擾分量。轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)算法框圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)算法

圖4中，EAB、EBC、ECA為定子三相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；θ0為轉(zhuǎn)子初始位置角；Eα1、Eβ1和ψα1、ψβ1分別為濾波之前的兩相靜止坐標(biāo)系下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁鏈；Eα、Eβ和ψα、分別為濾波之后的兩相靜止坐標(biāo)系下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁鏈。其中，積分環(huán)節(jié)的作用是減少采樣通道中竄入的隨機(jī)干擾，其前后的兩個(gè)一階高通濾波器分別用來(lái)對(duì)兩相靜止坐標(biāo)系下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁鏈進(jìn)行濾波，以消除直流偏移的影響。

關(guān)于轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的具體算法如下。

定子三相繞組因轉(zhuǎn)子通入勵(lì)磁電流而產(chǎn)生磁鏈，磁鏈表達(dá)式為式中，ψA、ψB、ψC為定子三相繞組因轉(zhuǎn)子通入勵(lì)磁電流而產(chǎn)生的磁鏈；M為互感系數(shù)；if為勵(lì)磁電流；θ為轉(zhuǎn)子位置角。

轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流計(jì)算表達(dá)式如下：

式中，uf為施加到轉(zhuǎn)子繞組上的電壓；Rf、Lf為轉(zhuǎn)子繞組的電阻和電感。

由式（2）和（3）可以推導(dǎo)出定子三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如式（4）所示：

由三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以計(jì)算出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的線值EAB、EBC、ECA：

對(duì)式（5）的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行PARK變換：

對(duì)式（6）積分可求出轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式：

由此可得

θ0即為轉(zhuǎn)子零時(shí)刻的位置，即轉(zhuǎn)子初始位置。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)進(jìn)行了動(dòng)模實(shí)驗(yàn)。圖5為變頻起動(dòng)器本體部分實(shí)物圖，圖6為實(shí)驗(yàn)電機(jī)。

圖5　變頻起動(dòng)本體實(shí)物圖

圖6　隱極電機(jī)和凸極電機(jī)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)之前，斷開(kāi)網(wǎng)側(cè)整流回路，使直流回路電流為零。人為轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子到任意初始位置，并通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)子上的位置傳感器記錄此時(shí)的轉(zhuǎn)子實(shí)際初始位置。然后給電機(jī)轉(zhuǎn)子施加勵(lì)磁電流，并通過(guò)上文介紹的電氣檢測(cè)方法計(jì)算轉(zhuǎn)子的初始位置。將轉(zhuǎn)子實(shí)際初始位置與計(jì)算得到的初始位置進(jìn)行比較，通過(guò)兩者差值的大小來(lái)驗(yàn)證前述的無(wú)位置傳感器電氣檢測(cè)方法在實(shí)際系統(tǒng)中的可行性。

每次起動(dòng)電機(jī)之前，使轉(zhuǎn)子初始位置比上一次增大10°左右，在360°電角度范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置實(shí)驗(yàn)。就轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)共做了 37組實(shí)驗(yàn)。將這37組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)際值、測(cè)量值與誤差繪制成曲線，如圖7所示。

圖7　初始位置的實(shí)際值、測(cè)量值及誤差曲線

在37組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，最大誤差為0.86°，滿足工程上對(duì)該差值不超過(guò) 5°的要求。因此上文研究的基于坐標(biāo)變換和積分濾波的電氣檢測(cè)方法在檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置時(shí)具有很高的精度，符合工程設(shè)計(jì)的要求，并且在實(shí)際系統(tǒng)中是可行。

5 結(jié)論

介紹了基于坐標(biāo)變換和積分濾波的轉(zhuǎn)子初始位置電氣檢測(cè)方法，該方法較以往文獻(xiàn)中直接通過(guò)機(jī)端電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)具有更強(qiáng)的實(shí)踐意義。該方法測(cè)量精度高，測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到了較好的驗(yàn)證。

［1］ 劉明行，趙玉，項(xiàng)立錚. 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組靜止變頻啟動(dòng)裝置研究［J］. 能源研究與信息，2006，22（2）︰98-102.

［2］ 汪衛(wèi)平，吳培枝，畢揚(yáng)，等. 瑯琊山抽水蓄能電站機(jī)組變頻啟動(dòng)中轉(zhuǎn)子位置計(jì)算的運(yùn)行分析［J］. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2014，38（2）︰76-79.

［3］ 陶以彬，鄢盛馳，李官軍，等. 基于雙 CPU控制的靜止啟動(dòng)變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 電力電子技術(shù)，2013，47（5）︰62-64.

［4］ 戈寶軍，李玉玲. 勵(lì)磁控制下抽水蓄能電機(jī)靜止變頻器起動(dòng)研究［J］. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2003，7（3）︰187-190.

Initial Position Detection of Gas Turbine’s Rotor when Starting by Static Frequency Converter

Shao YanqiuShao YixiangWu QiangJian Youzong
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211000）

As the large-capacity generator develops，in order to avoid impact on the grid as well as the unit itself during startup，static frequency conversion system has been used in the field of frequency conversion start of large synchronous motor. Based on the static frequency conversion start system of gas turbine，this paper analyzed how to use electrical detection method to calculate the initial position of the rotor without installing the position sensor. The method is simple，convenient and reliable，which has passed validation on the dynamic simulation experiment platform.

static frequency conversion； electrical detection method； initial position of the rotor