CN105680741A - 一种抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法 - Google Patents

Abstract

一种抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法，目的在于在抽水蓄能电机水泵工况通过静止变频器起动前，准确地确定转子主极位置与电机定子A相绕组轴线间的相对位置，从而确定对静止变频器逆变桥的哪两支桥臂的晶闸管进行触发，其技术要点包括：一、向抽水蓄能电机的转子励磁绕组中注入励磁绕组电压，检测定子绕组三相感应线电压和相电压；二、利用检测到的线电压，通过转子位置与定子线电压的关系式计算位置角θ；三、通过定子绕组感应电压幅值的相对大小关系确定转子位置的对应区间；四、确定转子主极停留区域区间对应的角度系数k。本发明提高了起动系统对电机初始位置检测的准确度，可使电机转子获得最大的驱动转矩。

Description

一种抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法

技术领域：

本发明涉及电机转子位置检测的方法，具体涉及一种抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法。

背景技术：

抽水储能作为一种经济、灵活、并可大规模储存电能的方式在平抑电网峰谷电能、维护电网稳定与可靠运行方面具有重要作用，特别是随着核电站的建设及具有随机性的风电在电网中比例的增加，抽水储能已成为现代电网调节的重要手段。抽水储能电站用的抽水蓄能电机通常是几万到几十万千瓦级的大型同步电机，其电动水泵起动技术一直是此类机组运行的关键技术之一。在综合考虑经济性及运行性能要求的前提下，抽水蓄能电机通过静止变频器(SFC)起动已成为最受欢迎的起动方式。

抽水蓄能电机在由停机状态转入电动水泵抽水工况时，电机处于静止状态，且定子绕组无感应电势，静止变频器的逆变侧阀桥因无换相电压的支持而不能进行正常换相，因此，抽水蓄能电机静止变频器起动过程通常分为“脉冲运行”和“自然运行”两个运行过程。在脉冲运行开始前，为了能使电机在起动初期产生最大的加速转矩，需要确定首先通电的二个绕组及转子初始位置，以确保通电绕组产生的电磁转矩方向与抽水状态转速方向一致。目前，大部分抽水蓄能机组均通过在励磁绕组中通入一上升变化的电流，从而在定子绕组中产生感应电压，根据感应线电压幅值的不同，确定首先在幅值较大的二绕组中通电。但这种方式通入的励磁电流上升变化率不易控制，过快容量对励磁绕组绝缘造成影响，上升过慢则不易测得定子绕组感应电压，因此对测量设备要求较高，还需要建立数学模型来推算转子位置，精度和可靠性均不高。

发明内容：

本发明旨在于提供一种抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法，其目的是为了在抽水蓄能电机水泵工况通过静止变频器起动前，准确地确定转子主极位置与电机定子A相绕组轴线间的相对位置，即主极轴线与电机A相绕组间的夹角。

本发明的抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于其包括以下步骤：

一、向抽水蓄能电机的转子励磁绕组中注入励磁绕组电压，然后检测定子绕组三相感应线电压和相电压；

二、利用检测得到的定子绕组三相感应线电压，通过转子位置与定子线电压的关系式(1)计算位置角θ，

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{\sqrt{3}{U}_{bc}}{2U_{ab}+U_{bc}}+k\×180---\left(1\right)$

式(1)中位置角θ是转子主极轴线超前定子A相绕组轴线的电角度，k为大于等于0的整数，可取值0、1或2，视转子所停位置对应的角度区间确定，

三、通过定子绕组感应相电压幅值的相对大小关系，确定转子位置的对应区间；

四、确定转子主极停留区域区间对应的角度系数k，当计算出的θ角为负数时，再根据感应电压符号关系确定k取1或2，当A相感应电压为负时，k＝2，否则k＝1；当计算出的θ角为正数时，再根据感应电压符号确定k取0或1，当A相感应电压为负时取0，否则取1。

作为本发明的进一步改进，所述励磁绕组电压为低压工频或低于工频的正弦交流电，低压工频或低于工频的正弦交流电压都是为了保证励磁绕组里感应电压不致过高，否则破坏励磁绕组绝缘，其电压等级频率是在考虑实际抽水蓄能电机转子励磁绕组绝缘承受电压等级的基础上确定的注入励磁绕组正弦交流电的电压等级。

本发明的有益效果为：本发明在抽水蓄能电机静止状态下，向其转子励磁绕组中注入工频电流，然后通过检测电机定子绕组感应线电压U_ab、U_bc、U_ca来比较定子绕组三相感应线电压的相对大小，确定转子主极与定子A相绕组轴线夹角所在区域，并通过三相感应线电压计算出转子位置角，综合以上两个因素，最终确定转子主极轴线相对定子A相绕组轴线的位置，并由此确定静止变频器逆变桥晶闸管桥臂的导通触发顺序，以使电机转子获得最大的驱动转矩。本发明提高了起动系统对电机初始位置检测的准确度，同时也提高了抽水蓄能电机静止变频器起动的成功率，本发明不需要对上升的励磁电流进行严格地控制，也不需要对所测的感应电压进行复杂算法地计算，其检测信号容易获取，整个检测电路简单易行，保证了系统运行的可靠性。

附图说明：

图1是本发明的原理图。

图2是通入励磁绕组电流的波形图；

图3是转子主极轴线超前定子A相绕组轴线45度电角度时的感应线电压；

图4是转子主极轴线超前定子A相绕组轴线45度电角度时的感应相电压。

具体实施方式：

本发明的抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法，在抽水蓄能电机由静止状态转入水泵工况运行时，通过静止变频器起动电机转子初始位置的确定方法,即首先导通定子二相绕组的确定方法，该方法也是利用转子位置与定子绕组感应电压的关系，通过在抽水蓄能电机转子励磁绕组中施加低压工频或低于工频的正弦交流电，检测定子绕组三相感应线电压和相电压，并结合计算比较相应的感应电压相位区间关系，确定抽水蓄能电机静止变频器起动初始导通的两相定子绕组和转子的初始位置。

下面以6脉波静止变频器为例对本发明的具体实施方式进行说明。

本具体实施方式确定的抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置的步骤为：

一、向抽水蓄能电机的转子励磁绕组中注入励磁绕组电压，然后检测定子绕组三相感应线电压和相电压，具体是：定义静止变频器逆变桥晶闸管阀桥的开关函数为Tx，Tx＝(a，-c)、(b，-c)、(b，-a)、(-a，c)、(c，-b)、(-b，a)共6种可选状态，在抽水蓄能电机静止变频器起动低频运行时，每一时刻仅有两相绕组导通，即6种工作状态的开关函数，最终形成图1所示的定子磁动势分布图，其中，(a，-c)导通方案形成的合成定子磁动势超前A相绕组轴线30度电角度，(b，-c)导通方案形成的合成定子磁动势超前A相绕组轴线90度电角度，(b，-a)导通方案形成的合成定子磁动势超前A相绕组轴线150度电角度，(-a，c)导通方案形成的合成定子磁动势超前A相绕组轴线210电角度，(c，-b)导通方案形成的合成定子磁动势超前A相绕组轴线270电角度，(-b，a)导通方案形成的合成定子磁动势超前A相绕组轴线300电角度，通过在励磁绕组中注入如图2所示的低压工频或低频正弦交流电流来检测定子绕组感应线电压和相电压，如图3为抽水蓄能电机某停机位置的感应线电压，图4为此时检测到的感应相电压；

二、通过检测得到的定子绕组三相感应线电压，按转子位置与定子线电压的关系式(1)计算转子位置角θ，

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{\sqrt{3}{U}_{bc}}{2U_{ab}+U_{bc}}+k\×180---\left(1\right)$

式(1)中位置角θ是转子主极轴线超前定子A相绕组轴线的电角度，k为大于等于0的整数，可取值0、1或2，视转子所停位置对应的角度区间确定，

由图3计算得到此时电机转子位置角为45度电角度，即θ＝45°；

其中，式(1)的具体推导过程如下：

假设电机感应相电压与位置角θ间的比例系数为M，根据电机绕组空间对称分布关系，可以得到电机感应相电压的表达式为：

$U_{ab}=-\sqrt{3}Msin(\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3}),U_{bc}=-\sqrt{3}Msin\mathrm{\θ}$

由以上两式即可推导得到

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{\sqrt{3}{U}_{bc}}{2U_{ab}+U_{bc}}+k\×180;$

三、通过定子绕组感应电压幅值的相对大小关系，确定转子位置的对应区间，

所述定子绕组感应电压幅值相对大小及其相位关系与转子位置区间对应关系为：

四、确定转子主极停留区域区间对应的角度系数k，当计算出的θ角为负数时，再根据感应电压符号关系确定k取1或2，当A相感应电压为负时，k＝2，否则k＝1；当计算出的θ角为正数时，再根据感应电压符号确定k取0或1，当A相感应电压为负时取0，否则取1，由图4电机感应相电压可以发现，在励磁绕组给定转子主极位置为N极的情况下，三相定子绕组感应相电压的相位关系分别为：A相绕组和B相绕组的感应相电压相位为负，而C相绕组的感应相电压为正，可确定电机转子位置角计算对应的系数k应取0，即可确定抽水蓄能电机转子此时主极位置超前定子A相绕组的角度是45°度，在确定转子位置的基础上，结合图1所示定子绕组两相绕组通电形成的定子合成磁动势原理图可以确定，采用超前120度导通规则，此时定子绕组电流应从B相绕组流入，且从A相绕组流出，与此对应的静止变频器逆变桥臂对应的晶闸管应被触发。

Claims (2)

1.一种抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法，其特征在于包括以下步骤：

一、向抽水蓄能电机的转子励磁绕组中注入励磁绕组电压，然后检测定子绕组三相感应线电压和相电压；

二、利用检测得到的定子绕组三相感应线电压，通过转子位置与定子线电压的关系式(1)计算位置角θ，

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\sqrt{3}{U}_{bc}}{2U_{ab}+U_{bc}}+k\×180---\left(1\right)$

式(1)中位置角θ是转子主极轴线超前定子A相绕组轴线的电角度，k为大于等于0的整数，可取值0、1或2，视转子所停位置对应的角度区间确定；

三、通过定子绕组感应相电压幅值的相对大小关系，确定转子位置的对应区间；

四、确定转子主极停留区域区间对应的角度系数k，当计算出的θ角为负数时，再根据感应电压符号关系确定k取1或2，当A相感应电压为负时，k＝2，否则k＝1；当计算出的θ角为正数时，再根据感应电压符号确定k取0或1，当A相感应电压为负k取0，否则k取1。

2.如权利要求1所述的一种抽水蓄能电机静止变频器起动转子初始位置确定方法，其特征在于：所述励磁绕组电压为低压工频或低于工频的正弦交流电。