一种高压同步电机软起动设备及其起动方法与流程

本发明涉及同步电机起动设备技术领域，尤其涉及一种高压同步电机软起动设备及其起动方法。

背景技术：

同步电机和异步电机一样，是一种常用的交流电机，同步电机是电力系统的核心，其定子通入三相交变电流时，会在气隙中产生旋转磁场，在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场，转子磁场因受到定子磁场的磁拉力作用二跟随定子旋转磁场同步旋转，且转子的速度等同于旋转磁场的速度和方向旋转，同步转速与负载的大小无关；异步电机的转子比定子的旋转磁场慢，存在转速差，所以不同步。同步电机的功率因数可以调节，可提高运行效率，还可以作为功率补偿用途。在电网电压6kv以上、功率2500kw以上的应用场合，通常都选用同步电机。

高压同步电动机在变频软起动过程中，传统方式是设置机械式位置传感器得到电机转子位置后再控制逆变桥臂的开通状态，逆变桥的换相控制决定了同步电机的输出转矩，安装机械式转子位置传感器不仅需要一定的空间位置，会增加系统成本和复杂性，降低系统的可靠性和抗干扰能力。因此采用无位置传感器位置判断并实现同步电机软起动成为主流。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种无需采用位置传感器进行转子位置检测、在电源端实现同步电机的控制的高压同步电机软起动设备及其起动方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种高压同步电机软起动设备，包括降压变压器、升压变压器、若干整流桥、若干逆变桥、模拟信号采集单元、过零检测单元、fpga和mcu；降压变压器的高压侧与高压电网并联，降压变压器的低压侧与整流桥的输入端电性连接，整流桥的输出端与逆变桥的输入端电性连接，逆变桥的输出端与升压变压器的低压侧电性连接，升压变压器的高压侧与高压电网并联；模拟信号采集单元的输入端分别与降压变压器的低压侧、整流桥的输出端和逆变桥的输出端电性连接，模拟信号采集单元的输出端与mcu的通用输入输出端电性连接；过零检测单元的输入端与降压变压器的低压侧电性连接，过零检测单元的输出端与fpga的输入端电性连接；fpga的输入端还与整流桥和逆变桥的反馈端电性连接，fpga的输出端与整流桥和逆变桥的触发端电性连接；fpga还与mcu通信连接；

所述降压变压器将高压电网电压降压后作为整流桥的输入电压；

整流桥对输入的电压进行整流，输出直流电压；

逆变桥对输入的直流电压逆变成交流信号，并送入升压变压器的低压端；

升压变压器将逆变桥输入的电压升压后选择性的输出至高压电网，作为同步电机的起动信号；

模拟信号采集单元分别采集降压变压器的低压侧的电压信号、整流桥的输出电流信号和逆变器的输出电压信号，并将采集到的信号发送至mcu中；

mcu根据fpga输入的整流桥和逆变器的反馈端信号，以及模拟信号采集单元采集的信号，计算同步电机转子的位置和转速，生成控制信号并发送至fpga中，fpga的输出端选择性的向整流桥的触发端和逆变器的触发端发出mcu的控制信号，并带动同步电机由断续换相向自动换相切换。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述降压变压器和升压变压器均为三绕组变压器，降压变压器和升压变压器的高压侧均为三角形接法，降压变压器和升压变压器的低压侧分别为星型和三角形接法；降压变压器的低压侧和升压变压器的低压侧之间并联有两组串联设置的整流桥和逆变桥；模拟信号采集单元分别对降压变压器的低压侧的线电压、整流桥输出端的母线电流、逆变桥输出的线电压和相电流进行采样，并将采样的电压或者电流信号输入mcu的ad端口中。

进一步优选的，所述整流桥和逆变桥均由六个带续流二极管的光控可控硅构成三路桥臂形成，每路桥臂的上桥臂和下桥臂分别设置有一个光控可控硅；光控可控硅上的续流二极管的电压信号作为整流反馈信号或者逆变反馈信号隔离输出至fpga的输入端；光控可控硅的栅极均与fpga的输出端信号连接。

更进一步优选的，所述过零检测单元检测降压变压器的低压侧的线电压，并将线电压信号转换为过零检测信号输出至fpga的输入端。

再进一步优选的，所述计算同步电机转子的位置和电机转速，生成控制信号的具体计算过程：

以星型接法的三相同步电机为例，其包括a、b和c三相，令电枢位于ab两相之间时，ab相的反电动势与线电压的关系为：电枢在0角度时，电枢绕组输出的反电动势εab等于ab相间线电压uab，且电枢与a相的夹角为x；建立三相交流同步电机电压方程，

a为线电压幅值；εab、εbc和εca是每两相之间的反电动势；x也是转子实时的位置角；

软起动过程的电机转速是分阶段变化的，电机转速取决于逆变桥的导通信号的频率。

另一方面，本发明还提供了一种高压同步电机软起动设备的起动方法，包括如下步骤：

s1：给定频率控制：在电机静止的情况下，将高压同步电机软起动设备初始化，并接在高压电网上，高压同步电机软起动设备为同步电机提供励磁，逆变桥按电压频率给定值输出电机正向旋转磁场，使得同步电机开始转动；模拟信号采集单元和过零检测单元开始进行采样，给定整流延时角α，并判断同步电机转子的初始位置；根据公式n’＝60f/p，n’是同步电机转速，f为频率，p是同步电机极对数，n为额定转速，起动时的电压给定频率不超过5hz；给定频率决定了同步电机的转速上限；

s2：断续换相运行：将逆变桥电压频率给定值调整为5hz，在电机转速n’<10％n时，采用强制换相，将逆变桥输出端的电流降为零，关断所有导通的逆变桥光控可控硅，改由mcu和fpga向逆变桥的光控可控硅的栅极提供触发信号实现强制的断续换相，使逆变桥的光控可控硅导通，整流桥的光控可控硅导通重新恢复整流电压输出，保证同步电机低速运行时的可靠换相；断续换相运行时，逆变桥的光控可控硅的空载换相超前角γ0＝0；

s3：自然换相切换：在电机转速n’＝10％n时，停止逆变桥的光控可控硅的强制换相，利用同步电机定子侧的反电动势实现逆变桥光可控硅的自然换相；

负载时的逆变桥的光控可控硅换相超前角为γ，换相重叠角μ与同步电机的负载有关，且母线电流断续时μ＝0；空载情况下利用反电动收自然换相时，在空载换相超前角γ0的一段时间内逆变器的光控可控硅承受反向电压，使光控可控硅关断；电动机带负载时，受换相重叠角μ的影响，光控可控硅的通电时间延长，表征光控可控硅承受反向电压时间的角度δ＝γ-μ＝γ0-θ-μ；δ为换相剩余角，θ为同步电机的功角；换相剩余角δ为15°；自然换相运行时，逆变桥的光控可控硅的空载换相超前角γ0＝60°；

s4：自然换相运行：停止给定频率控制，将逆变桥电压频率逐渐调整为工频50hz；引入电流闭环控制，通过模拟信号采集单元分别采集整流桥输出端的母线电流yidcc和oidcc以及逆变桥输出的电流yiaa、yicc、oiaa和oicc；整流桥输出端的母线电流作为电流闭环的输入，逆变桥输出的电流作为反馈输入，通过改变整流桥的光控可控硅的整流延时角α，调节整流桥输出端的母线电流，进而实现同步电机的调速运行：

其中ud为逆变桥输入电压的平均值，改变整流桥的光控可控硅的整流延时角α可以调节ud的大小和整流桥输出端的母线电流大小；ce为电动势常数；φ为磁通；

调速过程中，持续保持对同步电机转子位置的计算；引入转速闭环进行转速调节，转速环的速度给定值预先设定；同步电动机端电压频率有波动，根据升压变压器输出电压频率得到同步电机端电压频率；再根据电网电压和同步电动机端电压频率的差值和同步电机的实际转速，来产生一个附加的转速微调信号，该转速微调信号经pid运算后加在电流环的输入端，调节电流环的输入；此状态的同步电机进行加速运行，直至同步电机转速达到额定转速的95％；

s5：同期并网：同步电机转速达到额定转速的95％时，开始进行同期，调节励磁，当同时满足同步电机反电动势幅值与电网电压幅值相差不超过300v、同步电机反电动势相位与电网电压相位相差4°以内和同步电机转速偏差在10转/分以内时，同步电机进行并网，接入高压电网；

s6：工频运行：电机进入工频运行状态。

本发明提供的一种高压同步电机软起动设备及其起动方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明采用无位置传感检测的方法，利用同步电机电枢绕组的反电动势间接检测转子的实际位置，三相绕组对应的磁链位置与转子位置有关，反电动势的过零点可以判断360°空间内转子的六个空间位置，从而对应逆变桥的触发状态，由mcu来检测反电动势的过零点，并输出逆变桥各光控可控硅的导通或者关断信号，实现对转子位置的跟踪；

(2)本发明采用两路并行的星型支路和三角形支路分别进行交—直—交变换，每个交流电源周期中脉动十二次，形成十二脉波，可消除整流桥的5次、7次谐波，提高整流效果；

(3)整流桥和逆变器的光控可控硅的触发和反馈均采用光控方式，自带隔离功能，不易受干扰；

(4)采用电流环和转速环双闭环控制，调节整流桥输出的直流电流和转速，使其起动过程更加稳定和可靠；

(5)采用同步电动机的反电动势进行换向结构简单，但是在低转速下反电动势幅值低，不能可靠关断逆变桥的光控可控硅，故采用断续换向方式介入同步电机的低速软起动；

(6)同时满足反电动势幅值、反电动势相位和转速差都在极小范围内才进行同期并网，可使并网时设备几乎不承受冲击电流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法的主回路接线图；

图2为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法的降压变压器、升压变压器、若干整流桥和逆变桥的接线图；

图3为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法的模拟信号采集单元对降压变压器的低压侧的线电压的接线图，以及过零检测单元检测过零检测信号的接线图；

图4为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法的模拟信号采集单元对逆变桥输出的线电压进行采样的接线图；

图5为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法是模拟信号采集单元对逆变桥输出的相电流进行采样的接线图；

图6为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法的fpga与星型接法的支路的整流桥和逆变器的光控可控硅的反馈端接线图；

图7为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法的fpga与星型接法的支路的整流桥和逆变器的光控可控硅的触发端接线图；

图8为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法的电流环与转速环的控制系统框图；

图9为本发明一种高压同步电机软起动设备及其起动方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1结合图2所示，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种高压同步电机软起动设备，包括：

降压变压器，将高压电网电压降压后作为整流桥的输入电压；

升压变压器，将逆变桥输入的电压升压后选择性的输出至高压电网，作为同步电机的起动信号；

整流桥，对输入的电压进行整流，输出直流电压；

逆变桥，对输入的直流电压逆变成交流信号，并送入升压变压器的低压端；

模拟信号采集单元，分别采集降压变压器的低压侧的电压信号、整流桥的输出电流信号和逆变器的输出电压信号，并将采集到的信号发送至mcu中；

过零检测单元，检测降压变压器的低压侧的线电压，并将线电压信号转换为过零检测信号输出至fpga的输入端；

过零检测单元的输出端与fpga的输入端电性连接；fpga的输入端还与整流桥和逆变桥的反馈端电性连接，fpga的输出端与整流桥和逆变桥的触发端电性连接；fpga还与mcu通信连接；

mcu根据fpga输入的整流桥和逆变器的反馈端信号，以及模拟信号采集单元采集的信号，计算同步电机转子的位置和转速，生成控制信号并发送至fpga中，fpga的输出端选择性的向整流桥的触发端和逆变器的触发端发出mcu的控制信号，并带动同步电机由断续换相向自动换相切换；

降压变压器的高压侧与高压电网并联，降压变压器的低压侧与整流桥的输入端电性连接，整流桥的输出端与逆变桥的输入端电性连接，逆变桥的输出端与升压变压器的低压侧电性连接，升压变压器的高压侧与高压电网并联；模拟信号采集单元的输入端分别与降压变压器的低压侧、整流桥的输出端和逆变桥的输出端电性连接，模拟信号采集单元的输出端与mcu的通用输入输出端电性连接；过零检测单元的输入端与降压变压器的低压侧电性连接。mcu还可与上位机进行通信。如图1所示，本发明的软启动设备接入电网的接触器的反馈信号也输入fpga中。

采用同步电动机的反电动势进行换向结构简单，但是在低转速下反电动势幅值低，不能可靠关断逆变桥的光控可控硅，故采用断续换向方式介入同步电机的低速软起动。

如图2所示，本发明的降压变压器和升压变压器均为三绕组变压器，降压变压器和升压变压器的高压侧均为三角形接法，降压变压器和升压变压器的低压侧分别为星型和三角形接法；降压变压器的低压侧和升压变压器的低压侧之间并联有两组串联设置的整流桥和逆变桥；模拟信号采集单元分别对降压变压器的低压侧的线电压、整流桥输出端的母线电流、逆变桥输出的线电压和相电流进行采样，并将采样的电压或者电流信号输入mcu的ad端口中。如图2所示，可认为图中上半部分形成了星型支路，下半部分形成三角形支路，星型支路和三角形支路的元件完全相同，星型支路和三角形支路分别用y和o来表示。为保证整流桥输出端的母线电流平稳，支路中均加入了平波电抗器ld，流经平波电抗器ld的母线电流为yidcc和oidcc。

具体的，获取降压变压器的低压侧的线电压是进一步通过降压变压器获取yca、ybc和yab电压信号，经过图3所示的两级运放进行放大后，分别输入过零检测单元生成过零脉冲信号，即yzla、yzlb和yzlc输入fpga中，以及继续放大后获得符合mcu的ad变化的yuab、yubc和yuca信号并输入mcu的ad端口中。三角形支路对应的电压信号为oab、obc和oca，其电路结构完全相同，在此不再赘述。

如图2所示，本发明的光控可控硅为光控晶闸管。整流桥和逆变桥均由六个带续流二极管的光控可控硅构成三路桥臂形成，每路桥臂的上桥臂和下桥臂分别设置有一个光控可控硅；光控可控硅上的续流二极管的电压信号作为整流反馈信号或者逆变反馈信号隔离输出至fpga的输入端；光控可控硅的栅极均与fpga的输出端信号连接。可将整流桥和逆变器视为三个并列的桥路a、b和c，a桥路上半桥记为ah，a桥路的下半桥记为al，依此类推，字母z表示整流桥，字母n表示逆变桥。

如图4所示，图示展示了一种不同比例可调的放大电路，yuv、yvw和ywu是模拟信号采集单元从星型支路逆变桥输出端的线电压采样信号，根据同步电机的反电动势大小可以对采样信号的比例进行选择性的放大；由于在同步电机低转速下反电动势较低，选用图4上方的放大电路，可将采样信号放大约8倍，随着同步电机起动后转速的逐步提高，在mcu的同一i/0端的控制下，继电器动作并同时切换为下方的放大电路，对采样信号进行电压跟随而不放大；星型支路逆变桥输出端的线电压采样信号yuuv、yuvw和yuwu均输入mcu的ad端口中。三角形支路的采样电路结构完全相同，在此不再赘述。线电压采样信号yuuv、yuvw和yuwu与同步电机的线电压有线性的对应关系，为后续的确定同步电机转子位置计算和mcu控制信号的基础。

如图5所示，图示展示了获取星型支路和三角形支路的逆变桥输出的相电流和整流桥输出的母线电流的采样电路；图示h1—h6为电流霍尔传感器，yiaa和yicc是星型支路逆变桥输出的a相和c相的相电流，经霍尔电流传感器采样和两级运放放大后得到采样相电流信号yia和yic输出至mcu中；同理，oiaa和oicc是三角形支路的逆变桥输出的a相和c相的相电流，对应的采用电流信号为oia和oic；整流桥输出的母线电流分别为yidcc和oidcc，同样经采样后得到整流桥输出的母线电流采样信号yidc和oidc。

如图6所示，图示展示了星型支路y的整流桥和逆变器的各桥臂的光控可控硅的反馈端信号输出；yzfkah表示星型支路y的整流桥的a桥臂的上桥臂的反馈信号，yzfkal表示星型支路y的整流桥的a桥臂的下桥臂的反馈信号，ynfkah表示星型支路y的逆变桥的a桥臂的上桥臂的反馈信号，依此类推。该信号表示光控可控硅的运行状态。三角形支路的电路结构完全相同。u19—u30为激光接收器，续流二极管上的电压信号可通过隔离转换为激光信号被u19—u30接收。

如图7所示，同样的，图示展示了星型支路y的整流桥和逆变器的各桥臂的光控可控硅的触发端输入信号，yzcfah和yzcfal表示星型支路y的整流桥的a桥臂的上桥臂和下桥臂的光控可控硅的触发信号，ynzcfah表示星型支路y的逆变桥的a桥臂的上桥臂的光控可控硅的触发信号，依此类推。u31—u42为激光发生器。

计算同步电机转子的位置和电机转速，生成控制信号的具体计算过程：

以星型接法的三相同步电机为例，其包括a、b和c三相，令电枢位于ab两相之间时，ab相的反电动势与线电压的关系为：电枢在0角度时，电枢绕组输出的反电动势εab等于ab相间线电压uab，且电枢与a相的夹角为x；建立三相交流同步电机电压方程，

a为同步电机线电压幅值；εab、εbc和εca是每两相之间的反电动势；x也是转子实时的位置角；软起动过程的电机转速是分阶段变化的，电机转速取决于逆变桥的导通信号的频率，而逆变器的导通信号频率又与输入到光控可控硅的栅极的触发脉冲的频率相关。

如图8和图9所示，本发明一种高压同步电机软起动设备的起动方法，具体包括如下步骤：

s1：给定频率控制：在电机静止的情况下，将高压同步电机软起动设备初始化，并接在高压电网上，高压同步电机软起动设备为同步电机提供励磁，逆变桥按电压频率给定值输出电机正向旋转磁场，使得同步电机开始转动；模拟信号采集单元和过零检测单元开始进行采样，给定整流延时角α，并判断同步电机转子的初始位置；根据公式n’＝60f/p，n’是同步电机转速，f为频率，p是同步电机极对数，起动时的电压给定频率不超过5hz；给定频率决定了同步电机的转速上限；

s2：断续换相运行：将逆变桥电压频率给定值调整为5hz，在电机转速n’<10％n时，采用强制换相，将逆变桥输出端的电流降为零，关断所有导通的逆变桥光控可控硅，改由mcu和fpga向逆变桥的光控可控硅的栅极提供触发信号实现强制的断续换相，使逆变桥的光控可控硅导通，整流桥的光控可控硅导通重新恢复整流电压输出，保证同步电机低速运行时的可靠换相；断续换相运行时，逆变桥的光控可控硅的空载换相超前角γ0＝0；

s3：自然换相切换：在电机转速n’＝10％n时，停止逆变桥的光控可控硅的强制换相，利用同步电机定子侧的反电动势实现逆变桥光可控硅的自然换相；

负载时的逆变桥的光控可控硅换相超前角为γ，换相重叠角μ与同步电机的负载有关，且母线电流断续时μ＝0；空载情况下利用反电动收自然换相时，在空载换相超前角γ0的一段时间内逆变器的光控可控硅承受反向电压，使光控可控硅关断；电动机带负载时，受换相重叠角μ的影响，光控可控硅的通电时间延长，表征光控可控硅承受反向电压时间的角度δ＝γ-μ＝γ0-θ-μ；δ为换相剩余角，θ为同步电机的功角；换相剩余角δ为15°；自然换相运行时，逆变桥的光控可控硅的空载换相超前角γ0＝60°；

s4：自然换相运行：停止给定频率控制，将逆变桥电压频率逐渐调整为工频50hz；引入电流闭环控制，通过模拟信号采集单元分别采集整流桥输出端的母线电流yidcc和oidcc以及逆变桥输出的电流yiaa、yicc、oiaa和oicc；整流桥输出端的母线电流作为电流闭环的输入，逆变桥输出的电流作为反馈输入，通过改变整流桥的光控可控硅的整流延时角α，调节整流桥输出端的母线电流，进而实现同步电机的调速运行，图8中的n^*为转速给定值，i^*d为母线电流给定值，id电流闭环的反馈输入，asr为速度调节单元，acr为电流调节单元：

其中ud为逆变桥输入电压的平均值，改变整流桥的光控可控硅的整流延时角α可以调节ud的大小和整流桥输出端的母线电流大小；ce为电动势常数；φ为磁通；

调速过程中，持续保持对同步电机转子位置的计算；引入转速闭环进行转速调节，转速环的速度给定值预先设定；同步电动机端电压频率有波动，根据升压变压器输出电压频率得到同步电机端电压频率；再根据电网电压和同步电动机端电压频率的差值和同步电机的实际转速，来产生一个附加的转速微调信号n，该转速微调信号经pid运算后加在电流环的输入端，调节电流环的输入；此状态的同步电机进行加速运行，直至同步电机转速达到额定转速的95％；转速判断的结果也会由mcu输出相应的信号到fpga中；

s5：同期并网：同步电机转速达到额定转速的95％时，开始进行同期，调节励磁，当同时满足同步电机反电动势幅值与电网电压幅值相差不超过300v、同步电机反电动势相位与电网电压相位相差4°以内和同步电机转速偏差在10转/分以内时，同步电机进行并网，接入高压电网；同期并网可采用如abb公司的同期并网设备syn5000系列等设备来实现，并网设备的启用通过mcu发出控制信号来实现；

s6：工频运行：电机进入工频运行状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。