CN107612437A - 一种大功率同步电机的启动方法及大功率同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，具体是一种大功率同步电机的启动方法及大功率同步电机。为了解决大功率同步电机启动困难的问题，此专利提出的启动方法解决在传统启动方法中，容易出现失步、过流、电网冲击过大等问题。本发明的技术方案：首先，电励磁同步电机给转子通以励磁电流；直流制动给定两个量，一个量是角度Theta，给定0度，另外一个量是电压幅值M；然后，给定频率保持电励磁同步电机转子达到同步频率，电流的控制方式为闭环控制；最后，频率加速，电励磁同步电机频率加速5HZ以后，进入正常恒压频比控制或者矢量控制。本发明的优点是较传统的启动方式加入了电流闭环控制，并省去了异步启动环节，可更加方便有效的控制电流和整个启动过程。

Description

一种大功率同步电机的启动方法及大功率同步电机

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种大功率同步电机的启动方法及大功率同步电机。

背景技术

目前变频器市场中，多数同步电机采用异步启动方式进行启动。电动机的励磁绕组经限流电阻短接，电机在静止状态下投入电网，转子阻尼绕组产生较强的感应电流与定子旋转磁场相互作用产生异步电磁转矩，使电机如同感应电动机一样起动待接近同步转速时投入励磁，机组进入同步状态。这样启动的缺点是电动发电机的起动电流较大，约为额定电流的2～4倍。在起动瞬间使电网受到较大的冲击，还会引起较大的热应力。

发明内容

为达到上述发明目的，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种大功率同步电机的启动方法，包括以下步骤：

步骤1，电励磁同步电机给转子通以励磁电流；

步骤2，转子位置定位，具体为：

S11，转子通以所述励磁电流保持2秒，转子电角度为0；

S12，定子绕组通入60％～80％额定直流电，直流制动给定两个量，一个量是角度Theta，给定0度，另外一个量是电压幅值M；

步骤3，给定频率保持阶段，电励磁同步电机以1～2HZ低频运行5秒，确保电励磁同步电机转子达到同步频率，电流的控制方式为闭环控制；

步骤4，频率加速阶段，保持电励磁同步电机实际电流有效值为额定电流，频率从1～2HZ以逐渐加速至5HZ，执行同步骤3的电流闭环控制；

步骤5，频率加速完成，电励磁同步电机频率加速5HZ以后，进入正常恒压频比控制或者矢量控制。

优选的，所述步骤3中，所述闭环控制为额定电流给定量为标幺值1，反馈量为电励磁同步电机实际电流有效值与电励磁同步电机额定电流的比值，两者的差经过PI环节，输出为电压幅值的增量M_ACC；

优选的，所述电压幅值的增量M_ACC与VF曲线的电压幅值M相加，得到M_SUM，将所述M_SUM和Theta发送到SVPWM模块，生成马安波，马安波发送到FPGA，在所述FPGA中进行调制，产生驱动信号，通过光纤版送至功率单元，进而驱动IGBT。

优选的，所述S12中，所述直流制动实现过程为当实际电流大于给定额定励磁电流时，所述电压幅值M减小；当实际电流小于给定额定励磁电流时，所述电压幅值M增大。

优选的，所述步骤1中，所述励磁电流为40％的额定励磁电流。

一种大功率同步电机，其特征在于，包括：同步电机、转子、SVPWM模块、FPGA模块和级联式逆变器；所述同步电机给所述转子通以合适的励磁电流；所述转子给定电压幅值和转子相角，所述电压幅值和所述转子相角的信息发送到所述SVPWM模块；所述SVPWM模块算出比较值发送到所述FPGA模块；所述FPGA模块产生驱动信号，所述驱动信号发送到所述级联式逆变器，所述级联式逆变器驱动功率单元，所述功率单元启动所述同步电机。

优选的，所述励磁电流为额定励磁电流。

优选的，所述同步电机为电励磁同步电机。

优选的，所述励磁电流为40％的额定励磁电流。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

该专利的目的是为了实现大功率同步电机的启动，防止失步和电流过大的现象产生，减小对电网的冲击。

该启动方法的优点是较传统的启动方式加入了电流闭环控制，并省去了异步启动环节，可更加方便有效的控制电流和整个启动过程。

附图说明

图1为本发明实施例一所提供的一种大功率同步电机的流程图。

图2为本发明实施例二所提供的一种大功率同步电机的流程图。

图3为本发明中电流闭环原理框图。

图4为本发明中改进的带闭环的VF控制原理框图。

图5为本发明中电励磁同步电机的工作原理图。

图6为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

电励磁同步电机的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。

励磁电流(Exciting Current)就是同步电机转子中流过的电流，这个电流，使转子相当于一个电磁铁，有N极和S极，在正常运行时，这个电流是由外部加在转子上的直流电压产生的。当发电机单机运行时，励磁调节器通过调整发电机的励磁电流来调整发电机的端电压，当电力***中有多台发电机并联运行时，励磁调节器通过调整励磁电流来合理分配并联运行发电机组间的无功功率，从而提高电力***的静态和动态稳定性。

直流制动，一般指当变频器输出频率接近为零，电机转速降低到一定数值时，变频器改向异步电动机定子绕组中通入直流，形成静止磁场，此时电动机处于能耗制动状态，转动着转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。

闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。

本发明实施例一提供了一种大功率同步电机的启动方法，如图1所示，包括以下步骤:

步骤1，励磁电流给定，电励磁同步电机给转子通以励磁电流。

步骤2，直流制动，直流制动需要给定两个量，一个量是角度Theta，给定0度；另外一个量是电压幅值M。以80％额定电流为宜。具体实现为当电流大于80％额定电流，M值减小；当电流小于80％，M值增大。

步骤3，给定频率保持阶段，电励磁同步电机以1～2HZ低频运行5秒左右，确保电励磁同步电机转子达到同步频率。期间电流给定值为电励磁同步电机的额定电流，电流的控制方式为闭环控制，额定电流给定量为标幺值1，反馈量为电励磁同步电机实际电流有效值与电励磁同步电机额定电流的比值，两者的差经过PI环节，输出为电压幅值的增量M_ACC。

其中，图3为电流闭环原理框图。其中，I_Ref(1)为标幺值，基值为电励磁同步电机额定电流I_Motor；反馈量为电励磁同步电机电流的有效值I_RMS_Real与电电励磁同步电机额定电流I_Motor；两者之差经过PI环节，PI的输出为电压幅值的增量M_ACC；

其中，图4改进的带闭环的VF控制原理框图。经过PI调整后的电压幅值M_SUM,其中M_ACC为图1中的PI输出值，即电压幅值的增量；Theta为角度，其值为电角速度的积分，经过PI调整后的电压幅值M_SUM和角度Theta发送到SVPWM(空间矢量脉宽调制)模块，生成马安波，马安波发送到FPGA(现场可编程门阵列)，在FPGA(现场可编程门阵列)中进行调制，产生驱动信号，通过光纤版送至功率单元，进而驱动IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。

步骤4，频率加速阶段，保持电励磁同步电机实际电流有效值为额定电流，频率从1～2HZ以逐渐加速至5HZ，电流的控制方式同步骤3。

步骤5，频率加速完成，电励磁同步电机频率加速到5HZ以后，进入正常恒压频比控制或者矢量控制。

在额定频率以下，如果电压一定而只降低频率，那么气隙磁通就要过大，造成磁路饱和，严重时烧毁电动机。因此为了保持气隙磁通不变，就要求在降低供电频率的同时降低输出电压，保持u/f＝常数，即保持电压与频率之比为常数进行控制。这种控制方式为恒压频比控制方式，又称恒磁通控制方式。在额定频率以下，磁通恒定时转矩也恒定，因此，属于恒转矩调速。

矢量控制是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

本发明实施例二提供了一种大功率同步电机的启动方法，如图2所示，包括以下步骤:

步骤1，励磁电流给定，

如果是电励磁同步电机需要给转子通以合适的励磁电流。在整个启动阶段给定40％的额定励磁电流。如果启动阶段带较大负载或有失步现象产生，可加大励磁电流。

步骤2，转子位置定位，

转子通以励磁电流保持2秒，目的是确保转子被吸引到电角度为0的位置。直流制动需要给定两个量，一个是角度Theta，在该阶段其值为0，即在三相自然坐标系中与a轴重合，确定转子电角度为0；另外一个量是电压幅值M。以60％～80％额定电流为宜。具体实现为当实际电流大于给定励磁电流时，电压幅值M减小；当实际电流小于给定励磁电流时，电压幅值M增大；

步骤3，给定频率保持阶段，

当完成步骤2以后，电励磁同步电机以1～2HZ的低频运行5秒左右，确定电励磁同步电机转子达到同步频率。期间电励磁同步电机以额定电流运行。电励磁同步电机电流的控制方式为闭环控制，(原理框图见图3)给定量为标幺值1，反馈量为电励磁同步电机实际电流有效值I_RMS_Real与电励磁同步电机额定电流I_Motor的比值，给定量与反馈量的差经过PI环节，PI输出为电压幅值的增量M_ACC。电压幅值的增量M_ACC与VF曲线的电压幅值M相加，得到M_SUM，将M_SUM和相角Theta发送到SVPWM模块，生成马鞍波，马鞍波发送到FPGA，在FPGA中进行调制，产生驱动信号，通过光纤版送至功率单元，进而驱动IGBT。以实现恒压频比的电流闭环控制(原理框图见图4)。电励磁同步电机实际上是以增磁状态运行，故可以保证其稳定性，如电励磁同步电机发生失步，或带大负载启动可以增大励磁电流。

步骤4，频率加速阶段，

按图3和图4所示的原理框图，保持电励磁同步电机实际电流有效值为额定电流，频率逐渐从1～2HZ增加至5HZ，电流的控制方式同步骤3；电励磁同步电机实际上是以增磁状态运行，故可以保证其稳定性，如电励磁同步电机发生失步，或带大负载启动可以增大励磁电流。

步骤5，频率加速完成，

电励磁同步电机的频率加速到5HZ～10HZ以后，进入正常恒压频比控制或者矢量控制。

如图6所示，本发明还提供了还提供了一种大功率同步电机，其特征在于，包括：同步电机、转子、SVPWM模块、FPGA模块和级联式逆变器；所述同步电机给所述转子通以合适的励磁电流；所述转子给定电压幅值和转子相角，所述电压幅值和所述转子相角的信息发送到所述SVPWM模块；所述SVPWM模块算出比较值发送到所述FPGA模块；所述FPGA模块产生驱动信号，所述驱动信号发送到所述级联式逆变器，所述级联式逆变器驱动功率单元，所述功率单元对所述同步电机以励磁电流进行启动。

转子通以励磁电流保持2秒，目的是确保转子被吸引到电角度为0的位置。直流制动需要给定两个量，一个是角度Theta，在该阶段其值为0，即在三相自然坐标系中与a轴重合，确定转子电角度为0；另外一个量是电压幅值M。以60％～80％额定电流为宜。具体实现为当实际电流大于给定励磁电流时，电压幅值M减小；当实际电流小于给定励磁电流时，电压幅值M增大。

电励磁同步电机以1～2HZ的低频运行5秒左右，确定电励磁同步电机转子达到同步频率。期间电励磁同步电机以额定电流运行。所述同步电机的电流的控制方式为闭环控制，(原理框图见图3)给定量为标幺值1，反馈量为电励磁同步电机实际电流有效值I_RMS_Real与电励磁同步电机额定电流I_Motor的比值，给定量与反馈量的差经过PI环节，PI输出为电压幅值的增量M_ACC。电压幅值的增量M_ACC与VF曲线的电压幅值M相加，得到M_SUM，将M_SUM和相角Theta发送到SVPWM模块，生成马鞍波，马鞍波发送到FPGA，在FPGA中进行调制，产生驱动信号，通过光纤版送至功率单元，进而驱动IGBT。以实现恒压频比的电流闭环控制(原理框图见图4)。电励磁同步电机实际上是以增磁状态运行，故可以保证其稳定性，如电励磁同步电机发生失步，或带大负载启动可以增大励磁电流。

按图3和图4所示的原理框图，保持电励磁同步电机实际电流有效值为额定电流，频率逐渐从1～2HZ增加至5HZ，电流的控制方式同上述步骤；电励磁同步电机实际上是以增磁状态运行，故可以保证其稳定性，如电励磁同步电机发生失步，或带大负载启动可以增大励磁电流。

电励磁同步电机的频率加速到5HZ～10HZ以后，进入正常恒压频比控制或者矢量控制。

进一步的，所述励磁电流为额定励磁电流。

进一步的，所述同步电机为电励磁同步电机。

进一步的，所述励磁电流为40％的额定励磁电流。

如果是电励磁同步电机需要给转子通以合适的励磁电流。在整个启动阶段给定40％的额定励磁电流。如果启动阶段带较大负载或有失步现象产生，可加大励磁电流。

本发明的工作原理如下：

如图5所示，首先给定一个电流有效值的标幺值I_Ref(1)，电机实际电流的标幺值I_RMS_Real/I_Motor作为反馈值，基值均为电机的额定电流I_Motor。给定量与反馈量的差经过PI环节，PI输出为电压幅值的增量M_ACC。VF曲线所计算出的电压幅值M作为电压前馈与PI模块所计算出的电压幅值增量M_ACC相加，得到经PI调整过后电压幅值M_SUM；由变频器所设定的加速时间计算出角度信息Theta；将经PI调整过后电压幅值M_SUM和角度信息Theta发送到SVPWM模块，SVPWM模块计算出比较值Taon、Tbon、Tcon送给FPGA。在FPGA中进行载波移相、死区产生等处理产生功率单元的驱动信号，进而驱动功率单元，对同步电动机以额定电流进行启动。当电机达到切换频率(低频区域，5HZ附近)，可以进行恒压频比控制或者矢量控制，这样该专利方案就完成了大功率同步电机的启动控制。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

该专利的目的是为了实现大功率同步电机的启动，防止失步和电流过大的现象产生，减小对电网的冲击。

本发明的优点是较传统的启动方式加入了电流闭环控制，并省去了异步启动环节，可更加方便有效的控制电流和整个启动过程。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种大功率同步电机的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，电励磁同步电机给转子通以励磁电流；

步骤2，转子位置定位，具体为：

S11，转子通以所述励磁电流保持2秒，转子电角度为0；

S12，定子绕组通入60％～80％额定直流电，直流制动给定两个量，一个量是角度Theta，给定0度，另外一个量是电压幅值M；

步骤3，给定频率保持阶段，电励磁同步电机以1～2HZ低频运行5秒，确保电励磁同步电机转子达到同步频率，电流的控制方式为闭环控制；

步骤4，频率加速阶段，保持电励磁同步电机实际电流有效值为额定电流，频率从1～2HZ以逐渐加速至5HZ，执行同步骤3的电流闭环控制；

步骤5，频率加速完成，电励磁同步电机频率加速5HZ以后，进入正常恒压频比控制或者矢量控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述闭环控制为额定电流给定量为标幺值1，反馈量为电励磁同步电机实际电流有效值与电励磁同步电机额定电流的比值，两者的差经过PI环节，输出为电压幅值的增量M_ACC。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电压幅值的增量M_ACC与VF曲线的电压幅值M相加，得到M_SUM，将所述M_SUM和Theta发送到SVPWM模块，生成马安波，马安波发送到FPGA，在所述FPGA中进行调制，产生驱动信号，通过光纤版送至功率单元，进而驱动IGBT。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S12中，所述直流制动实现过程为当实际电流大于给定额定励磁电流时，所述电压幅值M减小；当实际电流小于给定额定励磁电流时，所述电压幅值M增大。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，所述励磁电流为40％的额定励磁电流。

6.一种大功率同步电机，其特征在于，包括：同步电机、转子、SVPWM模块、FPGA模块和级联式逆变器；所述同步电机给所述转子通以合适的励磁电流；所述转子给定电压幅值和转子相角，所述电压幅值和所述转子相角的信息发送到所述SVPWM模块；所述SVPWM模块算出比较值发送到所述FPGA模块；所述FPGA模块产生驱动信号，所述驱动信号发送到所述级联式逆变器，所述级联式逆变器驱动功率单元，所述功率单元启动所述同步电机。

7.如权利要求6所述的一种大功率同步电机，其特征在于，所述励磁电流为额定励磁电流。

8.如权利要求6所述的一种大功率同步电机，其特征在于，所述同步电机为电励磁同步电机。

9.如权利要求6-7任一所述的一种大功率同步电机，其特征在于，所述励磁电流为40％的额定励磁电流。