CN101098122A - 一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，包括同步电机启动整步的控制方法、持续运行时的控制方法、正常停机与紧急停机的控制方法、与同步电机励磁装置协同控制的方法、以及同步电机运行时的故障保护方法等。本发明的特点是能够使用电压源型变频器驱动同步电机，平稳地启动、停机、以较高的效率变频运行；在出现紧急情况时，可靠地保护同步电机、变频器和励磁装置。

Description

一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法

技术领域

本发明涉及一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，具体地说，本发明涉及一种使用电压源型变频器驱动同步电机启动、停机、运行调节和故障保护的方法。

背景技术

高压(中压)同步电机由于具有功率因数高，运行转速稳定，低转速设计容易等优点，在冶金、化工等领域得到了广泛的应用。由于设计余量过大等原因，有大量的同步电机在实际工作过程中运行效率较低，浪费了大量的能源。

高压(中压)变频器的应用使得同步电机节能调速运行成为可能。由于同步电机物理模型复杂，控制难度高，现有的驱动高压(中压)同步电机运行的变频器一般为带有速度/位置传感器的交-交变频器和负载换流式(LCI)电流型变频器。其中前者仅适用于工作转速小于二分之一工频转速的场合(在绝大多数节能改造的场合都不适用)，且转矩脉动较大，对电网的有较大的谐波污染；后者由于在结构上属于电流型逆变器，施加在电机上的尖峰电压较高，电机轴电流较大，容易损坏电机轴瓦，维护费用较高，此外由于使用了可靠性较差的速度/位置传感器，使系统工作稳定性较差，故障率较高。

电压源型变频器是指使用电容器作为直流储能/平波环节的交直交型变频器。由多个功率单元串联构成的多电平型变频器(如图1所示)是一种新型的高压(中压)电压源型变频器。这种结构的电压源型变频器由于具有对电网的谐波污染小，机端电压畸变率低，转矩脉动小，成本低等特点，已被广泛应用于异步电动机变频调速领域，并得到了用户和市场的高度认可，但将这种类型的变频器应用于同步电机变频调速领域的却很少。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是解决同步电机变频启动、停机、运行调节和故障保护等关键性技术问题，提供一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，使得电压源型变频器驱动同步电机变频调速运行成为可能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，该方法启动同步电机的过程包括以下步骤：

1)励磁装置向同步电机励磁绕组通以励磁电流，在同步电机的转子磁极上，建立较强的磁场；

2)然后，启动变频器向同步电机的电枢绕组施加一个交流电压，该交流电压的电压幅值与频率之比高于同步电机正常运行时的V/F取值；在同步电机的定子上，建立了一个与正常运行时相比较强的缓慢旋转的磁场；

在定、转子间电磁力的作用下，同步电机进入同步运行状态；

3)变频器逐渐升高加在同步电机电枢绕组上电压的频率和幅值，并逐渐降低变频器输出的V/F值，驱动同步电机逐渐加速至设定转速，同步电机启动过程完成。

所述变频器输出的V/F值根据下式计算：

$\mathrm{VF}\left(f\right)=(1+\frac{M}{f/f_N})\×{\mathrm{VF}}_N---\left(1\right)$

式中，VF(f)为频率为f时的V/F取值；VF_N为电机的额定V/F值，等于电机额定电压与额定频率之比；f_N为同步电机的额定频率；M为调整系数，典型值为0.01。

同步电机启动完成后，变频器采用V/F控制方式，根据预先设定的V/F曲线向同步电机的电枢绕组施加电压。

在同步电机稳定运行时，变频器根据检测到的同步电机的功率因数或无功功率调整励磁装置向同步电机励磁绕组施加的励磁电流。

变频器调整励磁装置向同步电机励磁绕组施加励磁电流的原则为变频器输出的无功功率最小或为给定值。

变频器调整励磁装置向同步电机励磁绕组施加励磁电流的原则为变频器输出的功率因数最高或为给定值。

在同步电机稳定运行时，适当降低变频器施加在同步电机电枢绕组上的电压的幅值与频率之比的取值，以减小同步电机有功功率的波动范围。

该方法控制同步电机停机的过程包括以下步骤：

1)电压源型变频器先逐渐降低输出频率，并按照V/F曲线调整输出电压，驱动同步电机减速；

2)当频率降到负载工况需要的调速区间的下限之后，变频器停止向同步电机的电枢绕组输出电压，并通知励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，同步电机依惯性自由滑行停车。

在发现励磁装置报告的故障、电机故障、电机失去同步速、与变频器相关的电网故障，或变频器内部重故障时，变频器立即停止向同步电机电枢绕组输出电压，同时命令励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，快速衰减同步电机的励磁电流。

在变频器正常停机或紧急停机时，变频器通知励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，快速衰减同步电机的励磁电流。

本发明的特点是：能够使用电压源型变频器驱动同步电机平稳地启动、停机、以较高的效率变频运行；在出现紧急情况时，可靠地保护同步电机、变频器和励磁装置。拓展了电压源型变频器的应用范围，增加了同步电机变频调速系统的选择范围，也降低了同步电机变频改造的成本。由于本发明使用V/F开环控制方式，无需速度/位置传感器，因而提高了电机运行的可靠性和稳定性，降低了系统的故障率。

附图说明：

图1为现有的多个功率单元模块串联构成的多电平型高压(中压)变频器结构示意图；

图2为同步电机带励启动过程示意图；

图3为电压源型变频器内预先设定的V/F曲线；

图4为同步电机运行时，电压源型变频器调节同步电机励磁电流的程序流程图。

具体实施方式

本发明使用的变频器为电压源型变频器，它由多绕组变压器、交直交变频器、控制系统和可选的辅助机构(如旁路柜等)组成。被控制的同步电机为有励磁绕组的普通同步电机，它可以是电动机，也可以是发电机；在结构上可以是凸极式同步电机，也可以是隐极式同步电机。变频器控制系统与同步电机励磁装置之间通过时序配合和/或通讯的方式，实现对同步电机的协同控制。

一、原理说明

经过理论分析、仿真验证和物理系统的运行验证，本发明采用如下控制方法对同步电机的启动、停机、运行过程和故障进行控制：

1、使用带励启动方式启动同步电机：

同步电机启动前，先向同步电机的励磁绕组通以一定的励磁电流，电流的大小一般略大于同步电机在单位功率因数条件下正常运行时的励磁电流；然后启动变频器，变频器开始向同步电机的电枢绕组输出交流电压；带励启动过程如图2所示。

在启动时，变频器向同步电机施加的交流电压的初始相位为预先设定的固定相位(这个相位可以任意选择，一般选用A相的相电压初始相位为零，另外两相各差120度)，与启动时同步电机的转子磁极位置无关。在带励启动方式下，变频器启动后，同步电机将经过约1秒的短暂整步过程进入同步运行状态。

在启动时，为了增强定子磁场，加大整步转矩，缩短整步过程，减小整步时的电流冲击，变频器向同步电机施加的交流电压的电压幅值与频率之比(即压频比V/F)比同步电机正常运行时大。由于变频器在很低频率时输出的电压仅用于启动过程，所以，在变频器内预设的V/F曲线中，在低频段选用较大的V/F值，随着频率的升高，V/F值逐渐减小到电机额定的V/F值。变频器实际使用的V/F曲线如图3所示。

2、同步电机停机控制

在同步电机停机时，变频器首先降低输出电压的频率，到达预先设定的停机频率后，变频器停止向同步电机的电枢绕组输出电压，同时通知励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，同步电机靠惯性自由滑行逐渐停稳。

3、同步电机运行过程控制

在同步电机稳定运行时，为了提高电机效率，变频器根据检测到的电机功率因数或无功功率自动调节励磁电流。调节同步电机励磁电流的程序流程图如图4所示。

对于周期性大幅波动的负载，为了提高系统鲁棒性，削弱功率波动，根据变频器输出的有功功率的波动范围，降低加在电机电枢绕组上电压的V/F值和电机的励磁电流。

4、同步电机运行过程中故障保护

在遇到系统故障等原因需要紧急停机时，变频器立即停止向同步电机的电枢绕组输出电压，同时通知励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，同步电机靠惯性自由滑行逐渐停稳。

变频器检测到励磁装置异常，或者同步电机失步时，立即停止向同步电机的电枢绕组输出电压，同时通知励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，同步电机靠惯性自由滑行逐渐停稳。

下面详细描述使用电压源型变频器控制同步电机启动、停机、运行和故障保护的方法。

1、同步电机的带励、变频启动方法

与负载换流逆变器(LCI)型变频器等其他类型的变频器不同，电压源型变频器在V/F控制方式下等效为一个交流电压源，在同步电机启动的整步过程中，如果控制不当，极易发生过流故障导致整步失败。以往工频电网驱动同步电机启动时，也存在同样的问题，只是电网抗过电流冲击的能力较强，可以承受5～7倍的短时(7～15秒)过电流冲击，而变频器一般只能承受最大1.5倍的短时过电流。因此，选择适当的控制方式，使同步电机启动的整步过程产生较小的电流冲击是电压源型变频器驱动同步电机的关键问题。

本发明使用电压源型变频器驱动同步电机带励、变频启动及整步方法如下：

1)首先，励磁装置向同步电机励磁绕组通以一定的励磁电流，其大小一般选略大于同步电机正常运行时的励磁电流。此时，在同步电机的转子磁极上，建立了较强的磁场。

2)然后，启动变频器向同步电机的电枢绕组施加一个频率为0.5Hz，初始相位为零的交流电压，电压的幅值按照高于同步电机正常运行时的V/F取值，其典型取值为同步电机正常运行时的V/F取值的2倍。此时，在电枢绕组上较高的低频交流电压的作用下，在同步电机的定子上，建立了一个与正常运行时相比较强的缓慢旋转的磁场。

在变频器向同步电机电枢绕组施加电压之初，不对同步电机转子磁极的位置进行测量，施加在同步电机电枢绕组上的电压初始相位与同步电机转子磁极的位置无关。实际上，在变频器向同步电机电枢绕组施加电压时，定子磁场和转子磁场的方向是不对准的。在定、转子磁场间的电磁力的作用下，转子开始向着定子磁场的方向发生转动。随着转子的转动和定子磁场的旋转，在较短的时间(约1秒)内，定、转子的磁场方向对准并相互吸牢。然后，在定、转子间电磁力的作用下，转子磁极与定子磁场间的夹角(称为转子角)进行少量的衰减的摆动后，到达平衡状态，即同步电机进入同步运行状态，整步完成。

3)最后，变频器逐渐升高加在同步电机电枢绕组上电压的频率和幅值，并逐渐降低V/F值，驱动同步电机逐渐加速至设定转速，同步电机启动过程完成。

这种方法的关键是选择合适的变频器V/F取值。

如果整步前V/F取值过小，则会造成同步电机整步时电磁力矩不足，定子磁场无法在定、转子磁场方向第一次重合时可靠吸牢转子磁极，随着电枢电压频率的升高，定、转子磁场方向再次重合时，相对速度更大，更难以相互吸牢，最终导致整步失败，变频器过流。

如果整步前V/F取值过大，则会造成同步电机定子铁心饱和，进而导致整步前变频器发生过电流故障。

整步成功后，为了提供较大的初始加速转矩，抑制整步成功初期的转子角摆动，仍需维持较大的定子磁通；而在启动完成后同步电机以较高转速运行时，定子磁通应近似等于电机的额定磁通，因而V/F取值应随着频率的升高逐步降至额定V/F值。

为了简化控制逻辑，降低故障率，本发明采用固定V/F曲线，启动过程自适应的方法。即选择合适的V/F曲线，使得在很低转速时，V/F值与启动过程的需求相匹配，在转速较高时，V/F值近似等于电机的额定值。本发明采用的V/F曲线由下式确定：

$\mathrm{VF}\left(f\right)=(1+\frac{M}{f/f_N})\×{\mathrm{VF}}_N---\left(1\right)$

式中，VF(f)为频率为f时的V/F取值；VF_N为电机的额定V/F值，等于电机额定电压与额定频率之比；f_N为同步电机的额定频率；M为调整系数，典型值为0.01。

M＝0.01，f_N＝50Hz时V/F对频率的曲线如图3所示，图中纵坐标为V/F取值与额定V/F之比。图中可以看出，在频率较低时，变频器输出较高的V/F值；当频率升高到一定值(如5Hz)之后，变频器输出的V/F值迅速降低的电机的额定值附近。

2、同步电机的停机控制

由于采用了上述V/F曲线，在停机过程中，当转速降到一定程度以下时，变频器将输出过大的电压，对电机不利，应避免这种情况的发生。

本发明采用的停机控制方法为：电压源型变频器先逐渐降低输出频率，并按照V/F曲线调整输出电压，驱动同步电机减速；当频率降到一定值(一般为负载工况需要的调速区间的下限，典型值为10Hz)之后，变频器停止向同步电机的电枢绕组输出电压，并通知励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，同步电机依惯性自由滑行停车。

3、同步电机的变频运行过程控制

本发明采用V/F控制方式，根据预先设定的V/F曲线向同步电机的电枢绕组施加电压，其特性可以等效于稳定的交流电压源，其稳定性最接近于工频电网，因而与其它控制方式和其它类型的变频器相比，具有更高的工作稳定性和可靠性。

由于同步电机的无功电流仅在同步电机的电枢绕组和变频器之间流动，不进入工频电网，为了降低变频器的输出电流，减少损耗，提高效率，在实际的应用中，往往需要通过自动控制，使变频器输出的无功电流/无功功率最小，功率因数最高。

在同步电机稳定运行时，为了提高电机效率，变频器根据检测到的电机功率因数或无功功率自动调节励磁电流，使电机在期望的功率因数或无功功率下运行。调节同步电机励磁电流的程序流程图如图4所示。其中，变频器与励磁装置之间的励磁电流给定值的通讯是通过4～20mA模拟电流通道实现的。

4、负载波动引起的同步电机功率波动及其抑制方法

在同步电机拖动转矩周期性大幅波动的负载(如往复式压缩机)时，负载转矩的波动会导致同步电机转子角的摆动，进而引起变频器输出的电流和有功功率的大幅波动。

对于非能量回馈的电压源型变频器，当输出有功功率波动的下限小于零(电机瞬时向变频器反送功率)时，将会发生变频器内部直流母线过电压故障。因此，需要采取一定的措施避免这种情况的发生。

本发明对此采用的是适当降低电机磁通的方法，即适当降低电机的V/F取值，也就是式(1)中的VF_N的取值，而后根据变频器输出无功电流最小或使同步电机的功率因数或无功功率为期望值的原则调整电机的励磁电流。

当电机的磁通降低(即定、转子磁场减弱)之后，一方面，相同的负载转矩波动导致的转子角摆动范围增大了；另一方面，相同的转子角摆动范围对定子的影响减弱了，即转子角摆动导致的电机功率(变频器输出有功功率)的波动减小了。实验表明后者的作用更强，降低电机的磁通可以有效降低变频器输出有功功率的波动范围。

但是，降低电机的磁通会导致同步电机输出的最大转矩(即失步转矩)减小，过多的降低电机的磁通会导致同步电机在负载转矩波动至较大值时失去同步速，进而导致变频器发生过流故障，设备停运。

因此，调整后电机的磁通需要根据现场的实际情况具体判断，降低后的电机V/F值的典型值为降低前取值的85％。

5、同步电机故障保护方法

与异步电机不同，同步电机在带载运行时，电枢绕组突然断电，如果励磁电流保持不变，同步电机将在其电枢绕组上感应出较高的电压，且该电压不会快速衰减。这个高压将对同步电机的电枢绕组造成破坏，也会造成变频器损坏。

因此有必要在同步电机电枢绕组断电时，快速衰减其励磁电流，使电枢绕组上感应的电压在最短的时间内衰减到安全值或额定值以下，保护电机和变频器。

本发明采用电磁继电器与励磁装置进行通讯，在变频器停止向同步电机电枢绕组输出电压的同时，命令励磁装置进入灭磁状态，快速衰减同步电机的励磁电流。

在发现励磁装置报告的故障、电机故障、电机失去同步速、与变频器相关的电网故障，或变频器内部重故障时，变频器将立即停止向同步电机电枢绕组输出电压，同时命令励磁装置进入灭磁状态，快速衰减同步电机的励磁电流。

本发明的特点是：能够使用电压源型变频器驱动同步电机，平稳地启动、停机、以较高的效率变频运行；在出现紧急情况时，可靠地保护同步电机、变频器和励磁装置。

以上所述是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1、一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，该方法启动同步电机的过程包括以下步骤：

1)励磁装置向同步电机励磁绕组通以励磁电流，在同步电机的转子磁极上，建立较强的磁场；

2)然后，启动变频器向同步电机的电枢绕组施加一个交流电压，该交流电压的电压幅值与频率之比高于同步电机正常运行时的V/F取值；在同步电机的定子上，建立了一个与正常运行时相比较强的缓慢旋转的磁场；

在定、转子间电磁力的作用下，同步电机进入同步运行状态；

3)变频器逐渐升高加在同步电机电枢绕组上电压的频率和幅值，并逐渐降低变频器输出的V/F值，驱动同步电机逐渐加速至设定转速，同步电机启动过程完成。

2、根据权利要求1所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：所述变频器输出的V/F值根据下式计算：

$\mathrm{VF}\left(f\right)=(1+\frac{M}{f/f_N})\×{\mathrm{VF}}_N---\left(1\right)$

式中，VF(f)为频率为f时的V/F取值；VF_N为电机的额定V/F值，等于电机额定电压与额定频率之比；f_N为同步电机的额定频率；M为调整系数，典型值为0.01。

3、根据权利要求1或2所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：同步电机启动完成后，变频器采用V/F控制方式，根据预先设定的V/F曲线向同步电机的电枢绕组施加电压。

4、根据权利要求3所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：在同步电机稳定运行时，变频器根据检测到的同步电机的功率因数或无功功率调整励磁装置向同步电机励磁绕组施加的励磁电流。

5、根据权利要求4所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：变频器调整励磁装置向同步电机励磁绕组施加励磁电流的原则为变频器输出的无功功率最小或为给定值。

6、根据权利要求4所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：变频器调整励磁装置向同步电机励磁绕组施加励磁电流的原则为变频器输出的功率因数最高或为给定值。

7、根据权利要求3所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：在同步电机稳定运行时，适当降低变频器施加在同步电机电枢绕组上的电压的幅值与频率之比的取值，以减小同步电机有功功率的波动范围。

8、根据权利要求1或2或4或5或6或7所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：该方法控制同步电机停机的过程包括以下步骤：

1)电压源型变频器先逐渐降低输出频率，并按照V/F曲线调整输出电压，驱动同步电机减速；

2)当频率降到负载工况需要的调速区间的下限之后，变频器停止向同步电机的电枢绕组输出电压，并通知励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，同步电机依惯性自由滑行停车。

9、根据权利要求8所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：在发现励磁装置报告的故障、电机故障、电机失去同步速、与变频器相关的电网故障，或变频器内部重故障时，变频器立即停止向同步电机电枢绕组输出电压，同时命令励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，快速衰减同步电机的励磁电流。

10、根据权利要求8所述的一种使用电压源型变频器驱动同步电机运行的方法，其特征在于：在变频器正常停机或紧急停机时，变频器通知励磁装置停止励磁，进入灭磁状态，快速衰减同步电机的励磁电流。

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