高東升, 王德順, 楊 瑞, 關(guān)曉明, 尹 梅, 李 慶

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都 610031; 2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院,南京 210061; 3.中國(guó)石油管道秦京輸油氣分公司, 河北 秦皇島 066001）

1 引言

同步電動(dòng)機(jī)以其可調(diào)的功率因數(shù)和輸出轉(zhuǎn)矩以及對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較不敏感等良好的運(yùn)行性能在大功率電氣傳動(dòng)領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。是驅(qū)動(dòng)大型風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、高爐鼓風(fēng)機(jī)、短路實(shí)驗(yàn)機(jī)組的優(yōu)選機(jī)型，更是抽水蓄能電站必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。同步電機(jī)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的最大缺點(diǎn)是起動(dòng)困難。現(xiàn)在對(duì)于大型同步電機(jī)的起動(dòng)大都采用靜止變頻起動(dòng)裝置（SFC）[1,2]。早期由于技術(shù)和條件的限制，全控型的功率器件如：可關(guān)斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等容量還不夠大，靜止變頻起動(dòng)裝置（SFC）多數(shù)采用半控型電力電子器件——普通晶閘管[1,2]。由于這種器件的開(kāi)通可控而關(guān)斷不可控，在逆變器中需要采用特殊的關(guān)斷措施才能達(dá)到變頻的目的。因此，針對(duì)靜止變頻器的同步電機(jī)起動(dòng)大多采用自控式的控制方式（利用負(fù)載同步電機(jī)的交流反電勢(shì)關(guān)斷逆變器中的晶閘管）。變頻裝置需要在電機(jī)軸上安裝轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，使得整個(gè)變頻裝置不便于安裝，而控制系統(tǒng)也相對(duì)復(fù)雜[3,4]。近來(lái)由于大功率器件的迅猛發(fā)展，像GTO、IGBT等全控型電力電子器件得以更廣泛的使用[5-8]。由晶閘管構(gòu)成的原靜止變頻起動(dòng)裝置（SFC）可由IGBT等功率器件代替[9,10]。利用這種變頻器對(duì)同步電機(jī)起動(dòng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制，就大大簡(jiǎn)化了原來(lái)的SFC系統(tǒng)，同時(shí)這種開(kāi)環(huán)變頻起動(dòng)能夠應(yīng)用在不同的同步電機(jī)上，使其更具有普遍性和廣泛性[11]。本文針對(duì)開(kāi)環(huán)變頻起動(dòng)控制方式進(jìn)行了理論分析，并對(duì)同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，為開(kāi)環(huán)調(diào)頻起動(dòng)控制方式提供了理論依據(jù)。

2 起動(dòng)過(guò)程的理論分析

2.1 調(diào)頻同步起動(dòng)的原理

調(diào)頻起動(dòng)方法的實(shí)質(zhì)是設(shè)法改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，以利用定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間的同步轉(zhuǎn)矩來(lái)起動(dòng)。為此，開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，需把調(diào)頻電源的頻率調(diào)得很低，使定子三相電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)得極慢，定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間能產(chǎn)生一定的平均同步轉(zhuǎn)矩而不致滑極。調(diào)頻起動(dòng)的步驟為：向轉(zhuǎn)子加上直流勵(lì)磁，定子電流的頻率從零開(kāi)始逐步向上增加，直至額定頻率為止。這樣，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就將隨著定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度的逐步上升而同增加，直到額定轉(zhuǎn)速。在同步電機(jī)空載起動(dòng)的一瞬間，有

2.2 牽入同步計(jì)算

低頻同步起動(dòng)過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是個(gè)連續(xù)拉入同步的過(guò)程。在電動(dòng)機(jī)牽入同步之前，定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度差要保證在一定范圍內(nèi)才能使電動(dòng)機(jī)順利地牽入同步。如同步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為p，則有如下關(guān)系：θ=p?α，ω = p?Ω。其中α為實(shí)際的機(jī)械角；Ω為角速度；θ為電角度；ω為轉(zhuǎn)子角頻率。

以電氣量表示的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸線位置如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子軸線位置電氣量示圖

則：

式中Nω為電網(wǎng)的角頻率，近似為額定角頻率；σ為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子軸線的夾角。

由電機(jī)學(xué)原理分析可得：

3 仿真模型的建立

同步電動(dòng)機(jī)采用dq0坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，其電壓方程為：

式中：r為定子繞組電阻；xd，xq為直軸、交軸同步電抗；rf，rld，rlq，xf，xld，xlq分別為勵(lì)磁繞組、直軸和交軸阻尼繞組的電阻和電抗；xad，xaq分別為直軸和交軸電樞反應(yīng)電抗。

轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程：

式中：H為機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)；0θ為轉(zhuǎn)子初始角，電磁轉(zhuǎn)矩為：

仿真采用一臺(tái)111.9kW的4級(jí)同步電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。此表數(shù)據(jù)全部為標(biāo)幺值。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

4 仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 仿真計(jì)算與分析

用MATLAB軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，變頻器的類(lèi)型選用的是電壓源型逆變器，采用大功率的 IGBT為逆變器的功率器件。同步電機(jī)的額定電壓是762V，勵(lì)磁電壓給定常數(shù)17.88V，起動(dòng)相電壓給定69.28V。因?yàn)槭呛銐侯l比的開(kāi)環(huán)控式，所以電壓也隨著頻率的增加而增加，直到額定值。初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零即空載起動(dòng)，起動(dòng)頻率給定5Hz。圖 2為電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線，從圖中可以看出，頻率為5Hz時(shí)，電機(jī)能夠起動(dòng)并且能順利地使電機(jī)牽入同步運(yùn)行，初期雖然有反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，但最終還是能夠牽入同步，與理論分析相吻合。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖3為輸出有有功功率的變化曲線，從圖中可以看出同步電機(jī)最終以電動(dòng)機(jī)的工作方式穩(wěn)定運(yùn)行。圖4為電動(dòng)機(jī)相電流變化的曲線，也可看出在t=5s前電流的變化較大，為穩(wěn)態(tài)電流的2～3倍。圖5為電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線，可以看出，由于給定的頻率大小是由速度決定的，所以電磁轉(zhuǎn)矩的變化表現(xiàn)為初期有劇烈振蕩。

圖3 有功功率變化曲線

圖4 相電流變化曲線

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上分析，對(duì)一臺(tái)額定功率為2.5kW的4級(jí)同步電機(jī)進(jìn)行開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制方式起動(dòng)實(shí)驗(yàn)，給出頻率隨著時(shí)間的遞增關(guān)系，見(jiàn)表2。

表2 頻率和時(shí)間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中采用瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)矩儀器測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)，并用OR300記錄儀記錄下轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線如圖6、圖7所示。實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)矩測(cè)試曲線與仿真轉(zhuǎn)矩曲線變化趨勢(shì)基本一致。

同樣，將實(shí)驗(yàn)所得的轉(zhuǎn)速曲線同仿真的轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行比較可以看出，兩條曲線轉(zhuǎn)速上升階段的趨勢(shì)基本一致，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中由于是個(gè)連續(xù)拉入同步的過(guò)程，轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)幾次轉(zhuǎn)速振蕩才能逐漸穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速，符合理論分析的結(jié)論。

圖6 同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速測(cè)試曲線

圖7 同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)矩測(cè)試曲線

5 結(jié)論

本文針對(duì)同步電動(dòng)機(jī)恒壓頻比的開(kāi)環(huán)控制起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了研究：首先，對(duì)同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了理論分析，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中所需要的初始頻率等參量，推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，利用四階龍格－庫(kù)塔法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程求解，得出了初始頻率為5Hz起動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的仿真曲線，證明了同步電動(dòng)機(jī)恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制起動(dòng)的可行性。通過(guò)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩儀和記錄儀對(duì)一臺(tái)功率為2.5kW 的同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并得出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化曲線，并與仿真曲線相對(duì)比，與仿真結(jié)果基本吻合，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了同步電機(jī)開(kāi)環(huán)控制起動(dòng)的可行性。

[1]Tian-hua Liu, Chih-Ying Lin, Jin-Shyr Yang,Wen-yao Chang. Modeling and harmonics elimination for a static frequency converter driving a 300MVA synchronous machine[J]. IEEE Trans. on Maginetics, 1996, 17(20): 602-607.

[2]Tore Petersson, Kjell Frank. Starting of large synchronous motor using static frequency converter[J]. IEEE Trans. on Power systems, 1971, 18(23):172-179.

[3]戈寶軍, 李波, 李發(fā)海, 趙洪. 同步電機(jī)異步－同步起動(dòng)過(guò)程分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005,25(5): 93-97.

[4]Ho-Seon Ryu, Bong-Suck Kim, Joo-Hyun Lee,Ik-Hun Lim. A study of synchronous motor drive using static frequency converter [J]. IEEE Tran. on Industry Applications, 2006, 17(5): 1496-1499.

[5]李波, 戈寶軍. 同步電機(jī)半同步起動(dòng)條件的仿真分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2001, (5): 7-11.

[6]Renyan W. Fei. Analysis of starting performance and frequency characteristics of synchronous reluctance motor[J]. IEEE Tran. on Industry Applications, 2006, 16(19): 761-768.

[7]許實(shí)章. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[8]曹立宇, 李發(fā)海, 楊秉壽, 高景德. 自控式同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 1991, 15(3): 1-5.

[9]李崇堅(jiān). 交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[10]Leonard P. GRIPP. Application considerations for varichron drive system-adjustable frequency synchronous motor drives. [J]. IEEE Tran. on industry application, 1983, 19(6): 1036-1045.

[11]戈寶軍, 王自濤, 黃曉瑞, 付剛, 曲鳳波, 陸永平.同步電機(jī)全頻起動(dòng)過(guò)程分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1999, 19(4): 63-70.