一种高压同步电机软起动设备及其起动方法技术

本发明专利技术提供了一种高压同步电机软起动设备及其起动方法，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；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生成控制信号带动同步电机由断续换相向自动换相切换。

【技术实现步骤摘要】
一种高压同步电机软起动设备及其起动方法
本专利技术涉及同步电机起动设备
，尤其涉及一种高压同步电机软起动设备及其起动方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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。本专利技术的技术方案是这样实现的：一方面，本专利技术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，本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高压同步电机软起动设备，其特征在于：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；/n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；/n整流桥对输入的电压进行整流，输出直流电压；/n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；/n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；/n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；/nMCU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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高压同步电机软起动设备，其特征在于：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。


2.如权利要求1所述的一种高压同步电机软起动设备，其特征在于：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。


3.如权利要求2所述的一种高压同步电机软起动设备，其特征在于：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。


4.如权利要求3所述的一种高压同步电机软起动设备，其特征在于：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。


5.如权利要求4所述的一种高压同步电机软起动设备，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁业庭，肖钧，傅守滨，逯斌，史红燕，陈竹光，于磊，
申请(专利权)人：大力电工襄阳股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42