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摘要：长久以来，同步电动机在大功率传动领域有着广泛的应用，同步电动机具有很高的功率因数且大容量电机甚至可以用来调节电网无功功率。本文探讨了利用无位置传感器来检测电机初始位置并使用间步脉冲输出来实现电机低频起动的方法。其中使用无位置传感器的方法是通过给电机突加、突减励磁的方法检测感应电动势极性和幅值的,再通过计算得出转子位置信息,在低速运行状态采用断续换相检测输出间步脉冲，在中高速运行状态检测反电动势过零点的方法输出触发信号，实现了电机从静止低速到中高速起动的切换。
关键词：大功率同步电机；无位置传感器；间步脉冲起动；并网技术
引言
本文针对大功率同步电动机的起动问题作出了一系列详细的研究，包括起动前的准备阶段，进行同步电动机的转子位置的初步检测定位，避免起动时出现反转影响电机的起动效果；在正常起动阶段，分为低速和中高速阶段，在各个阶段中的控制方式和特点各不相同；锁相阶段和变频切工频并网切换阶段是在同步电动机达到工频50Hz时进行“频率、电压、相位”的一致性判断和动作指令的下发。
1、自控同步变频软起的起动方法
1.1 同步变频反电势换相法
在晶闸管两端加上正电压，当给晶闸管的门极（触发极）上也加上正电压时，晶闸管立即处于导通状态，晶闸管开通后，触发极也就失去了控制作用，如果此时想关断晶闸管，撤销触发极上的电压不会影响晶闸管的导通，只有让晶闸管承受反电压让流过晶闸管的电流降到维持电流以下才能实现，在晶闸管组成的整流桥为逆变桥提供直流电压的回路中，如何保证晶闸管可靠地开通关断，是同步变频软起动可靠运行的重要环节。
1.2 同步变频断续换相法
断续换相法主要适用在初始转速比较低的状态下用来起动电机的，根据变频器输出的频率判断出转子位置，根据逆变桥触发序列当逆变桥需要换相时，控制驱动器控制整流部分的触发角大于90°，让整流桥工作在有源逆变状态，此时整流桥和逆变桥都工作在有源逆变状态会促使晶闸管自然关断，等晶闸管关断完毕再将晶闸管的触发角恢复到原来的状态，使整流桥的直流母线电压再次建立，同时按照触发序列给逆变桥触发脉冲，支持逆变桥的下一步触发动作，实现从一相到另外一相的换流。
1.3 同步电动机的初始位置检测
为了避免电机在起动瞬间出现反转，必须进行电机初始位置的识别和判断，再调整变频装置输出相应的相位和频率，使变频器输出最大电磁转矩。下面列举出机械位置编码器检测同步电机转子位置的方法和步骤，并作出实际检测试验和结果，与无位置传感器检测转子的位置作出的试验结果相比较，用来检验无位置传感器检测的可行性。
1.3.1低频转子位置检测的优化。变频装置在检测到电机的初始位置，并确定了变频器的初始相位和触发脉冲的角度都就可以拖动电机开始转动，在变频器输出的电磁力矩大于初始的负载转矩时，会产生一个角加速度拖动电机缓慢旋转，同时随着变频频率上升，电机转速也开始爬升，只要变频输出频率的增速和电磁力矩产生的角加速度相匹配，就不会造成同步电机的失步。
1.3.2中高速转子的位置检测。超过5赫兹在变频驱动电动机的速度进入高速增长阶段频率,电机的电势是足够大,可以直接通过检测反电势为零来计算转子的位置，这种方法也可以应用在切换到负载换相过程后，通过前面所说的通过无位置传感器检测反电势的过零点来判断变频装置逆变桥的触发分区，中高速阶段的触发分区的判断上与低速断续换相的分区判断有所不同，两者相差一个分区。
2、同步变频同期并网的策略研究
同步电动机的起动到50Hz工频阶段需要向电网投切，同步软起的变频切工频是大功率同步软起动装置在启动过程中的一个非常重要的步骤，同步变频软起动装置不仅要完成同步电动机的起动过程，而且要完成启动到工频后的同期和变频切工频并网切换过程，从而完成整个软起动过程。
2.1相位差对并网冲击的影响
当电机侧的电压与变频装置的输入电压一致时，则上式变为：
由上式可知，如果在变频切工频时电机侧的电压与变频装置的输入电压差在过零点瞬间闭合时，理论上没有冲击。
2.2电压差对并网冲击的影响
通过对滑差包络的研究，我们发现只有在变频装置输入电压和输出电压的电压差为零时，包络才有过零点，而在相位差为零时，这个包络刚好在过零点位置。而频率差的大小反映在包络上就是包络周期的长短，所以综合考虑切换瞬间降低冲击的第一要素为变频装置输入电压和输出电压之间的差值尽量减小。
2.3同期并网的控制策略
从上节分析可以得知，在变频切工频的切换时刻，只要保证变频装置的输出电压与输入电压的电压差为零，就能使滑差包络出现过零点，要找到这个过零点，必须在切换瞬间，保证频率和相位也一致，因此在软件控制算法中，对相时对变频装置输入电压的相位要做一个前导处理，来抵消电机脱网这段时间相位产生的变化，所以并网切换时冲击降低到最小关键点在于软件计算这个前导相位角的精确程度，前导相位角的计算和切换时刻电机机端频率和速度有关，电机的转速不稳定，就会导致上述提到的滑差包络不稳定，就会使最后前导相位角计算的偏差增大。
3、同步自控变频软起动装置的控制系统的设计
3.1 控制系统主电路
3.2 控制系统硬件设计
3.2.1 电源供电设计。同步变频软起动装置的系统电源和控制电源是分开独立设计的，系统电源主要为10kV，控制电源为三相四线AC380V，10kV高压电源经过隔离开关和变频装置进线高压接触器输入到变频装置的整流部分，控制电源接入380V隔离变压器转换为220V再进行直流电压转换。直流电压主要为正负12V和正5V，正负12V主要给霍尔互感器等检测回路供电，正5V转换为3.3V给DSPTMS2812芯片供电。
3.2.2 逆变软件控制算法。开始执行逻辑，仍然先执行初始化数据，再执行故障自诊断和通讯握手，收到起动命令后电机从静止进入低速阶段采用间步脉冲给定的起动方式，当机端频率小于5Hz 时，采用间步脉冲给定的方式起动，整流桥的触发方式切换为断续换流，当机端频率大于 5Hz的额定转速后（临界值周围保留一定的死区），从间步脉冲给定的方式切换到反电动势转子位置检测，采用负载换流方式，直接根据反电势的过零点触发输出脉冲即可。
3.2.3 励磁控制算法。在电机静止和低频阶段，为了保证起动初期的电磁转矩足够大，可以采取投入强励的方式。在正常情况下采用闭环PI算法控制励磁的投入量，在电机起动到一定转速后，检测电机的机端电压达到一定阀值时，逐步减小励磁电流的给定值，避免出现过压的情况，当电机频率达到工频频率时，继续采用PI算法调节励磁稳定机端电压，为装置变频切入工频创造有利条件。
4、结论
综合比较大功率同步电动机所有的软起动方式，同步电机的自控型变频软起动是未来发展的趋势，自控式变频软起动不仅可以将电机电流限定在额定范围以内，（在电网容量比较小的场合这一点尤其重要），还可以根据需要自动的调整起动状态，起动转矩大，自动化程度高，操作简单方便，容易维护。从目前的情况来看，大力推广应用的条件已经成熟，如果在新建和改扩建生产线工程中推广此技术，不仅可以减小对电网容量的一次性投资，还可以采用其连续起动的特点提高设备的利用率。
参考文献
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论文作者:董睿1,赵珊2,杨培新3
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/9/21
标签：电压论文; 电机论文; 晶闸管论文; 位置论文; 同步电动机论文; 装置论文; 转子论文; 《基层建设》2017年第15期论文;