CN103795302B - 一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法及装置和一种变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法及装置和一种变频器，其中，所述同步电动机专用变频器智能校极控制方法包括：获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；启动智能校极功能；定时进行智能校极，将转子调整到预设位置。采用本发明提供的同步电动机专用变频器智能校极控制方法、装置和一种变频器不但可以降低硬件设计成本，简化现场安装难度，还可以降低故障发生概率，易于维护。

Description

一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法及装置和一种变频器

技术领域

本发明涉及同步电动机专用变频器智能校极控制技术领域，尤其涉及一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法及装置和一种变频器。

背景技术

在现有的交流电动机领域，交流电动机可分类为异步电动机和同步电动机。由于电机转速的高度可控性、更高的抗负载扰动性等原因，同步电动机应用占总电机量的比重不断加大，尤其由于工艺原因，超大功率、大功率电机大部分都是同步电动机，它们是高压变频器一大重要负载。

然而，为同步电动机定子三相对称绕组提供电能的电源，将产生以同步速旋转的定子磁势和磁场，而转子直流励磁磁势所产生的磁场则为静止磁场，定、转子磁势之间存在相对运动，不能产生有效的平均电磁转矩，所以变频器不能驱使同步电动机自行起动，因而同步电动机的起动必须采取专门措施。

同步电动机启动并不像异步电机那样容易，同步电机的控制中起动是一大难题。变频技术应用前，同步电机的起动主要设备是发电机机组。变频器广泛应用后，于是出现了异步启动和同步启动，将调速装置和启动装置整合一起。变频同步启动方式是目前最先进、起动性能最优良且经济可靠的起动方式。

异步启动时同步机短暂时间当作异步机使用，随后转子侧投励，并牵入同步后，完成启动过程。而同步启动时转子侧先投励，定子磁场直接吸合转子同步旋转起来。如果输出力矩不够或方向不对，启动过程中会出现振荡或失步现象。

同步启动对于变频器控制技术出现后兴起的。这种启动方式相对于异步启动来说，启动电流很小，启动平衡，所需的变频器容量可以变得很小，就单成本和电网影响来说有很大的优势，当然启动控制也更复杂。

在电机定子侧通三相交流电后，定子侧将形成旋转磁场。由于转子侧先励磁，在定子磁场形成前已经存在一确定磁场，转子位置可代表转子磁场方向。若定子旋转磁的初始位置与旋转方向不当，由于磁场作用力的变化，导致电流波动，甚至电机失速，最终同步电机启动失败。

现有技术方案中，常见的需要在电机上装备检测电机转子位置装置，一般采用绝对式编码器，常以格雷码形式输出位置信号供控制系统分析。励磁柜投励后，变频器根据采样而来的位置信号，控制生成波形相位，直接交流启动同步电机。此启动过程平衡、电流冲击小，成功率高。但是，绝对编码器应用带来如下问题：

1）成本较高。硬件检测电机转子位置所需部件主要有：绝对式编码器及其支撑结构、编码器接口模块或硬件电路、编码器供电电源、长屏蔽信号电缆线。

2）工程现场安装不便，甚至不能满足安装条件，限制了设备应用场合。其一，绝对式编码器安装需要在电机转轴中转孔，增加了安装难度；其二，绝对式编码器供电问题；其三，编码器信号电缆走线需要考虑抗干扰问题；其四，编码器信号传输的距离受限，影响了变频器的是应用范围，或需要增加信号中继器，增加系统复杂度和故障率。

3）故障率高，难于维护。绝对式编码器寿命很大程度取决于安装质量和供电电源质量，实际使用中容易损坏，而且维护较麻烦。

发明内容

本发明的实施例提供一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法及装置和一种变频器。为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法，包括：

获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；

启动智能校极功能；

定时进行智能校极，将转子调整到预设位置。

一种同步电动机专用变频器智能校极控制装置，包括：

信息获取单元，用于获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；

功能启动单元，用于启动智能校极功能；

校极单元，用于定时进行智能校极，将转子调整到预设位置。

一种变频器，包括：如上所述同步电动机专用变频器智能校极控制装置。

本发明实施例提供的一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法及装置和一种变频器，通过获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；启动智能校极功能；定时进行智能校极，将转子调整到预设位置。本发明通过定子输入直流电流对转子位置进行调整，使得转子调整到预设位置，从而节省了现有技术中用于确定转子位置的检测装置，这样采用本发明提供的同步电动机专用变频器智能校极控制方法、装置和一种变频器不但可以降低硬件设计成本，简化现场安装难度，还可以降低故障的发生概率，易于维护。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法流程图;

图2为本发明实施例提供的一种同步电动机专用变频器智能校极控制装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种变频器结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种同步电动机控制系统结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电动机磁极抽象示意图；

图6为本发明实施例提供的一种Ia=Ib+Ic时合成磁势Fabc的定子磁势矢量合成示意图；

图7为本发明实施例提供的一种Ia=0时合成磁势Fabc的定子磁势矢量合成示意图；

图8为本发明实施例提供的一种智能校极软件控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例提供的一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法及装置和一种变频器进行详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法；该方法包括：

S101:获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；

S102:启动智能校极功能；

S103:定时进行智能校极，将转子调整到预设位置。

需要说明的是，该方法还可以包括：

获取控制电流指令；

预设智能校极的定时器；

根据所述智能校极的定时器与所述控制电流指令，进行智能校极。

还需要说明的是，所述定时进行智能校极，将转子调整到预设位置的步骤，具体可以包括：

按照所述定时器，定时到达；

获取定子直流输入电流的采样信号；

判断所述定子直流输入电流的采样信号是否大于故障阈值电流；

如果大于所述故障阈值电流，则判断为过流故障，发送停止变频器运行指令；

判断所述定子直流输入电流的采样信号达到期望工作电流；

如果所述定子直流输入电流的采样信号达到所述期望工作电流，则发送三相旁路运行指令，稳定校极工作电流，使电机转子调整到预设位置。

还需要说明的是，当所述转子未调整到预设位置时，还包括：

变频器向同步电动机定子发送三相输出电流信号；所述三相输出电流信号与上次智能校极阶段所发送的三相输出电流信号不同。

基于以上实施例，如图2所示，为本发明实施例提供的一种同步电动机专用变频器智能校极控制装置的结构示意图，该装置包括：

信息获取单元201，用于获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；

功能启动单元202，用于启动智能校极功能；

校极单元203，用于定时进行智能校极，将转子调整到预设位置。

需要说明的是，所述同步电动机专用变频器智能校极控制装置，还可以包括：所述信息获取单元，用于获取控制电流指令；

定时单元，用于预设智能校极的定时器；

所述校极单元，用于根据所述智能校极的定时器与所述控制电流指令，进行智能校极。此处所述控制电流指令用于三相电流的控制。

还需要说明的是，所述校极单元，具体可以包括：

采样信号获取子单元，用于按照所述定时器定时到达，获取定子直流输入电流的采样信号；

判断子单元，用于判断所述定子直流输入电流的采样信号是否大于故障阈值电流，或者，判断所述定子直流输入电流的采样信号达到期望工作电流；

指令发送子单元，用于如果大于所述故障阈值电流，则判断为过流故障，发送停止变频器运行指令；或者，如果所述定子直流输入电流的采样信号达到所述期望工作电流，则发送三相旁路运行指令，稳定校极工作电流，使电机转子调整到预设位置。

还需要说明的是，当所述转子未调整到预设位置时，所述同步电动机专用变频器智能校极控制装置还可以包括：

信号发送单元，用于变频器向同步电动机定子发送三相输出电流信号；所述三相输出电流信号与上次智能校极阶段所发送的三相输出电流信号不同。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种变频器的结构示意图，该变频器包括：如上任意一种所述的同步电动机专用变频器智能校极控制装置。

本发明实施例提供的一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法及装置和一种变频器，通过获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；启动智能校极功能；定时进行智能校极，将转子调整到预设位置。本发明通过定子输入直流电流对转子位置进行调整，使得转子调整到预设位置，从而节省了现有技术中确定转子位置的检测装置，这样采用本发明提供的同步电动机专用变频器智能校极控制方法、装置和一种变频器不但可以硬件设计降低成本，简化现场安装难度，还可以降低故障的发生概率，易于维护。

以下通过实例对本发明技术方案进行详细的说明，具体说明如下：

传统的变频器控制同步电机起动，若采用同步启动逻辑时，所应用的绝对式旋转编码器需要通过传感器检测装置对转子进行定位。本发明将可以无需传感器检测装置，可靠地起动同步电动机。本发明技术方案不仅降低了硬件电路的设计成本，而且更加的可靠、有更宽广的应用场合。

本发明所公开的同步电动机控制系统与传统结构基本一致，仅取消了原转子位置检测装置，如图4所示，为同步电动机控制系统；该系统包括：高压变频器、同步电动机SM和励磁柜；所述同步电动机控制系统的输入侧需两路电源，一路380V电压输入励磁柜；另一路高压电网电源供高压变频器使用；高压变频器控制定子绕组，励磁柜控制转子绕组，高压变频器与励磁柜间有控制和状态信号交互，共同控制同步电动机拖动负载。高压变频器为系统主控制部分，除了直接控制电机定子绕组，也接收励磁柜上传的励磁电压、励磁电流和励磁故障报警状态信息，同时控制励磁柜的投励与灭磁动作。

所述高压变频器控制的同步电动机同步启动逻辑可分为四个阶段：1、励磁柜接收变频器投励指令，并实时反馈励磁状态；2、高压变频器接收励磁柜反馈信息，确认投励完成，系统正常；3、高压变频器控制智能校极过程，或称这直流校极；4、高压变频器生成三相交流电源，直接起动同步电动机。本发明主要介绍智能校极过程。

所述智能校极原理来源于电磁概念，通过控制电流来制造特定磁场，通过磁场相互作用力，使空间物理磁极达到平衡的、可预测的位置。最终的效果是确定了转子的位置，免去了位置检测装置。智能校极是高压变频器控制定子磁场方向与大小，主动定位转子位置的过程。见图5的电动机磁极抽象示意图。图5中外围代表转子磁极分布，内层代表定子磁极分布。由于异性磁极相吸，同步磁极相斥，若转子和定子异性磁极相差较远，磁场作用力矩将使转子和定子磁场异性吸合。示图磁极将是电动机磁场的最佳稳定状态，可能由于摩擦等阻力，磁极间绝对位置有偏差，但此结果不会影响同步电动机的启动效果。

高压变频器控制智能校极过程是通过控制三相定子绕组电流达到的。由于定子有三相空间相位相差120度的绕组，三相绕组电流的大小，不仅能控制磁场磁势大小，还能控制磁场方向，所以变频器控制定子磁场的灵活性很大，本发明仅以两个方案说明，其他可类似分析。具体参见定子磁势合成矢量示意图图6和图7，A、B、C代表三相定子电流磁势F=NI，I为电流，N为绕组匝数。Ia=2*Ib=2*Ic情况下，合成磁势矢量如图6示；Ia=0,Ib=Ic情况下合成磁势矢量如图7所示。

此算法从理论极限上讲存在校极死区位置。若定子与转子磁极初始位置正好同极性重合时，通过磁场作力用分析，可见此时转子并没有轴向转动力矩，即转子并不能转动，校极失败。故采用了组合校极方式（即二次校极方式），每次校极要求磁场方向不一样（通过控制同步电动机三相输入电流大小与幅值，形成多种确定的定子磁场）。例如采用图示6和7例的组合进行多次校极。采用多次校极可以规避并减小此概率发生。通常，两次校极即可满足要求，因为电机极数太多时，不通过直流校极也可以顺利起动的。由于采用单元级联型高压变频器，相比于低压变频器，它可以较更平稳地控制直流电流波形。本系统智能校极过程中仅一个功率单元工作，一般为了平衡性，每个功率单元是分时轮流工作，剩余其他功率单元处理旁通工作状态。

如图8为本发明所公开的智能校极软件控制程序流程图。设所述智能校极过程每隔10ms执行一次，如果需要更精细的电流控制，可以缩小运算时间间隔。对流程图具体说明如下：

步骤S1、完成10ms运算时间间隔定时后，处理智能校极模块函数。

步骤S2、判断智能校极功能是否开启，此处所述智能校极功能标志使用主要考虑用于兼容异步电动机控制软件；如果开启，则执行步骤S3。

步骤S3、获取定子直流输入电流的采样信号，判断所述定子直流输入电流的采样信号是否大于故障阈值电流；如果大于故障阈值电流，则判断为过流故障，发送停止变频器运行指令，延时0.1s中止变频器运行；

步骤S4、若所述定子直流输入电流的采样信号不大于故障阀值电流，判断是否完成第一次校极，若未完成一次校级，则执行步骤S5；若完成了一次校极，则执行步骤S7。

步骤S5、一次/二次校极运算控制，确定变频器三相输出电压值，并执行步骤S6;

步骤S6、如果所述定子直流输入电流的采样信号未达到所述故障阈值电流，但达到了期望工作电流，则发送三相旁路运行指令，维持电流在期望工作电流附近，使定子侧形成固定磁场。由定时器单元确定期望工作电流持续时间。同步电动机定子侧与转子侧磁场相互作用，电机转子将被调整到预设位置。这就完成了一次校极功能。

步骤S7、判断若完成了第一次校极，且当所述转子未调整到预设位置时，变频器重新运算变频器三相输出电流信号；再次执行“步骤S5”，完成第二次校极功能；

步骤S8、完成智能校极功能，退出该模块。

本发明技术方案所描述的同步电动机同步启动系统增加智能校极环节后，免去了电机转子位置检测装置的安装，能够主动定位转子位置，起动成功率高。本技术充分利用电机定转子电磁原理，简化系统硬件结构，增强了系统灵活性，相比传统方式上在成本、可靠性、灵活性有很大优越性；与此同时，本技术通过组合智能校极方式，进行多次校极，避免磁极定位死区，扩大此算法的应用场合。

需要说明的是，以上所述二次校级不仅仅可以在转子未调整到预设位置的情况下进行二次校级；此处所述的二次校级还可以在一次校级完成后（即调整到预设位置后）也可以进行二次校级，只是二次校级调整后的转子位置在二次校级预设的转子位置处（不同于一次校级预设位置）。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：（方法的步骤），所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种同步电动机专用变频器智能校极控制方法，其特征在于，包括：

获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；

启动智能校极功能；

定时进行智能校极，将转子调整到预设位置；

其中，所述定时进行智能校极，将转子调整到预设位置的步骤具体包括：

获取控制电流指令；

预设智能校极的定时器；

根据所述智能校极的定时器与所述控制电流指令，进行智能校极；

按照所述定时器定时到达时，获取定子直流输入电流的采样信号；

判断所述定子直流输入电流的采样信号是否大于故障阈值电流；

如果大于所述故障阈值电流，则判断为过流故障，发送停止变频器运行指令；

判断所述定子直流输入电流的采样信号是否达到期望工作电流；

如果所述定子直流输入电流的采样信号达到期望工作电流，则发送三相旁路运行指令，稳定校极工作电流，使电机转子调整到预设位置。

2.根据权利要求1所述的同步电动机专用变频器智能校极控制方法，其特征在于，当所述转子未调整到预设位置时，还包括：

变频器向同步电动机定子发送三相输出电流信号；所述三相输出电流信号与上次智能校极阶段所发送的三相输出电流信号不同。

3.一种同步电动机专用变频器智能校极控制装置，其特征在于，包括：

信息获取单元，用于获取励磁柜反馈信息，确认投励完成；

功能启动单元，用于启动智能校极功能；

校极单元，用于定时进行智能校极，将转子调整到预设位置；

其中，所述信息获取单元，还用于获取控制电流指令；

所述装置还包括定时单元，用于预设智能校极的定时器；

所述校极单元，还用于根据所述智能校极的定时器与所述控制电流指令，进行智能校极；具体包括：

采样信号获取子单元，用于按照所述定时器定时到达时，获取定子直流输入电流的采样信号；

判断子单元，用于判断所述定子直流输入电流的采样信号是否大于故障阈值电流或者，判断所述定子直流输入电流的采样信号是否达到期望工作电流；

指令发送子单元，用于如果大于所述故障阈值电流，则判断为过流故障，发送停止变频器运行指令；或者，如果所述定子直流输入电流的采样信号达到所述期望工作电流，则发送三相旁路运行指令，稳定校极工作电流，使电机转子调整到预设位置。

4.根据权利要求3所述的同步电动机专用变频器智能校极控制装置，其特征在于，当所述转子未调整到预设位置时，还包括：

信号发送单元，用于变频器向同步电动机定子发送三相输出电流信号；所述三相输出电流信号与上次智能校极阶段所发送的三相输出电流信号不同。

5.一种变频器，其特征在于，包括如上权利要求3或4所述同步电动机专用变频器智能校极控制装置。