一种同步电动机高压同步变频软起动装置及其起动方法与流程

1.本发明涉及同步电动机控制技术领域，尤其涉及一种同步电动机高压同步变频软起动装置及其起动方法。

背景技术：

2.同步电动机是属于交流电机，它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。由于同步电动机可以通过调节励磁电流使它在超前功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。
3.而目前的高压同步变频软起动装置是经过降压变压器，整流桥，直流平波电抗器，逆变桥，升压变压器，高-低-高结构的拓扑结构，如中国专利cn114268249a公开了一种高压同步变频软起动设备及其起动方法，包括谐波滤波器、降压变压器、升压变压器、整流桥、逆变桥、控制盘、同步电动机和燃气轮机，降压变压器将降压后的高压电网电压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，逆变桥将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，作为同步电动机的起动信号，这种高-低-高结构比较复杂。因此，如何设计一种结构更加简单的高压同步变频调相机控制系统，是迫切需要解决的技术问题。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了一种同步电动机高压同步变频软起动装置及其起动方法，以解决现有的高压同步变频调相机控制系统高-低-高结构比较复杂的问题。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种同步电动机高压同步变频软起动装置，其中，所述装置包括：
6.降压变压器模块、整流桥模块、逆变桥模块和同步电动机模块；
7.所述降压变压器模块，高压侧与高压电网电性连接，低压侧与所述整流桥模块的输入端电性连接，用于将高压电网电压降压后作为所述整流桥模块的输入电压；
8.所述整流桥模块，输出端与所述逆变桥模块的输入端电性连接，用于对降压后的输入电压进行整流，输出直流电压至所述逆变桥模块；
9.所述逆变桥模块，输出端与同步电动机模块电性连接，用于将输入的直流电压逆变成交流信号，并送入所述同步电动机模块，作为同步电动机的起动信号；
10.所述同步电动机模块，用于在接收到起动信号后，控制同步电动机同轴带动被驱动装置起动。
11.在以上技术方案的基础上，优选的，还包括两台励磁柜，分别与电机励磁机电性连接；
12.其中一台为起动励磁柜，通过断路器qf2与电机励磁机电性连接；
13.另一台为运行励磁柜，通过断路器qf1与电机励磁机电性连接。
14.在以上技术方案的基础上，优选的，所述同步电动机包括励磁机定子、励磁机转子、励磁旋转整流器、主电机转子和主电机定子；
15.所述励磁机定子，与励磁柜电性连接；
16.所述励磁机转子，与所述励磁旋转整流器电性连接；
17.所述励磁旋转整流器，与所述主电机转子电性连接；
18.所述主电机定子，与所述被驱动装置电性连接。
19.在以上技术方案的基础上，优选的，所述降压变压器采用三绕组变压器，降压变压器的高压侧和低压侧均采用dy11接法。
20.在以上技术方案的基础上，优选的，所述整流桥与所述降压变压器的每路低压侧连接的部分均包括由12个带续流二极管的晶闸管构成的三路桥臂，每路桥臂的上桥臂和下桥臂分别设置有2个晶闸管；
21.所述逆变桥包括由24个带续流二极管的晶闸管构成的三路桥臂，每路桥臂的上桥臂和下桥臂分别设置有4个晶闸管；
22.所述整流桥其中一个三路桥臂的每个上桥臂均与所述逆变桥的每个上桥臂电性连接，所述整流桥其中一个三路桥臂的每个下桥臂均与所述整流桥另一个三路桥臂的每个上桥臂电性连接，所述整流桥另一个三路桥臂的每个下桥臂均与所述逆变桥的每个下桥臂电性连接。
23.在以上技术方案的基础上，优选的，还包括平波电抗器；
24.所述平波电抗器串联设置于整流桥和逆变桥之间，用于对母线电流进行平波。
25.另一方面，本发明提供一种同步电动机高压同步变频软起动装置的起动方法，其采用了如上所述的同步电动机高压同步变频软起动装置，其中，包括如下步骤：
26.s1.起动前控制柜上电后，sfc装置进行初始化，与励磁柜建立起通信，等待dcs发出起动指令，dcs发出起动指令后，sfc装置进行起动过程；
27.s2.选择断路器qf2合闸，首先给起动励磁柜发出投励指令，并检测起动励磁柜的反馈信号及电压信号检测正常后，开始进入低速断续控制过程；当电机转速达到额定转速的10％后，进行电流环pid调节，电机端电压模拟量的计算，sfc装置判断电机端电压信号是否达到3kv；若端电压达到3kv，则按设定步长减小励磁，保证电机端电压不超过3kv，sfc装置将电机带到51hz，完成起动过程；
28.s3.sfc装置将电机带到51hz后，sfc装置退出，选择断路器qf2分闸，起动励磁柜退出，电机自然降速，进入同期过程；
29.s4.选择断路器qf1合闸，运行励磁柜投励磁，同期装置检测电机端电压与网侧电压信号幅值、相位、频率一致，则发出运行柜合闸信号，电机并网成功，运行励磁柜进入运行控制模式；
30.s5.若电机降速低于49hz，同期装置退出，选择断路器qf1分闸，运行励磁柜停止输出；同期装置发出起动信号到sfc装置，sfc装置重新进入起动过程；选择断路器qf2合闸，起动励磁柜先投励，sfc装置检测当前转速条件是否大于10％额定转速；判断满足条件后，sfc装置飞车起动，进入负载换相过程，重新将电机带到51hz的频率，sfc装置退出，选择断路器
qf2分闸，起动励磁柜退出，重新进入到同期过程。
31.本发明的同步电动机高压同步变频软起动装置及其起动方法相对于现有技术具有以下有益效果：
32.(1)通过取消了升压变压器，可节省一个变压器的成本，结构更加简单，但保留了降压变压器，降压变压器可以消除整流桥对网侧的谐波影响；
33.(2)通过起动励磁柜受sfc装置在电机起动中控制，运行励磁柜受同期装置控制，以及在电机并网后选择恒电流、恒无功功率、恒功率因数其中一种运行控制模式；
34.(3)当一次并网不成功的时候，电机转速低于额定转速的时候，励磁输出停止，sfc装置接收到飞车起动信号，合上出线高压柜，并且与励磁柜进行通讯，给定励磁输出，迅速跟踪上电机转子位置，重新进入负载换相的起动过程，将电机带入到105％的额定转速，sfc装置退出。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本发明的同步电动机高压同步变频软起动装置结构图；
37.图2为本发明的励磁柜连接示意图；
38.图3为本发明的同步电动机内部结构图；
39.图4为本发明的同步电动机高压同步变频软起动方法流程图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
41.实施例一
42.如图1所示，本发明的一种同步电动机高压同步变频软起动装置，其中，所述装置包括：
43.降压变压器模块、整流桥模块、逆变桥模块和同步电动机模块；
44.所述降压变压器模块，高压侧与高压电网电性连接，低压侧与所述整流桥模块的输入端电性连接，用于将高压电网电压降压后作为所述整流桥模块的输入电压；
45.所述整流桥模块，输出端与所述逆变桥模块的输入端电性连接，用于对降压后的输入电压进行整流，输出直流电压至所述逆变桥模块；
46.所述逆变桥模块，输出端与同步电动机模块电性连接，用于将输入的直流电压逆变成交流信号，并送入所述同步电动机模块，作为同步电动机的起动信号；
47.所述同步电动机模块，用于在接收到起动信号后，控制同步电动机同轴带动被驱动装置起动。
48.本装置取消了升压变压器，可节省一个变压器的成本，结构更加简单，但保留了降压变压器，将10kv降压到5000v，降低系统电压，降压变压器可以消除整流桥对网侧的谐波影响。
49.其中，如图2所示，还包括两台励磁柜，分别与电机励磁机电性连接；
50.其中一台为起动励磁柜，通过断路器qf2与电机励磁机电性连接；
51.另一台为运行励磁柜，通过断路器qf1与电机励磁机电性连接。
52.励磁柜是一种为发电机建立电压并稳定发电的设备，是整个电气成套系统的cpu，由励磁调节器、功率模块、灭磁柜等结果组成，有着稳压、恒电流、恒功率因素等功能。它的工作原理如下：调节器用发电机量测pt电压来输入电气信号，直流信号用输出电流和反映装置电源电压来调节信号。各路信号经各自的信号处理及变换电路对信号滤波、隔离放大，变换成适用a/d采样的信号，并将这些信号送入a/d变换器，再由程序控制依次进行模数转换，存放在存贮器中供调节器使用。其中，起动励磁柜受sfc(static frequency converter，静止变频器)装置在电机起动中控制，运行励磁柜受同期装置控制，以及在电机并网后选择恒电流、恒无功功率、恒功率因数其中一种运行控制模式。
53.sfc静止变频装置组成介绍：
54.(1)控制柜：控制柜内主要安装控制箱、信号箱、人机界面、plc控制器及二次控制器件等，控制柜是sfc装置的大脑中枢系统，外部输入、输出信号、通讯及本装置内部指令信号均通过控制柜来实现。
55.(2)功率柜：功率柜柜内主要安装整流及逆变回路的功率单元、功率电阻、过电压保护、电压霍尔、电流霍尔、触发系统等。柜后为进风口，柜顶为散热风机抽风，空气沿着柜内设计好的散热风道由下至上、由内至外进行循环。功率柜内功率单元详细结构形式，详见下文具体内容叙述。
56.(3)电抗柜：电抗柜柜内主要安装直流回路的平波电抗器，限制电流突变，保持直流电流连续；防止电流的瞬变所导致的功率单元损坏。
57.(4)pt柜：pt柜主要采集降压变压器低压侧电压的三相电压信号。
58.其中，如图3所示，从左往右，所述同步电动机包括励磁机定子、励磁机转子、励磁旋转整流器、主电机转子和主电机定子；
59.所述励磁机定子，与励磁柜电性连接；
60.所述励磁机转子，与所述励磁旋转整流器电性连接；
61.所述励磁旋转整流器，与所述主电机转子电性连接；
62.所述主电机定子，与所述被驱动装置电性连接。
63.同步电动机是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动机，它是转子转向与定子旋转磁场的转向相同的交流电机；其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n＝60f/p，其中，转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关；其具有运行稳定性高和过载能力大等特点，常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。
64.其中，所述降压变压器采用三绕组变压器，降压变压器的高压侧和低压侧均采用dy11接法。
65.如图1所示，降压变压器的高压侧采用三角形接法，降压变压器的低压侧采用三角
形接法和星形接法，dy11接法属于现有技术，在此不多加赘述。
66.其中，所述整流桥与所述降压变压器的每路低压侧连接的部分均包括由12个带续流二极管的晶闸管构成的三路桥臂，每路桥臂的上桥臂和下桥臂分别设置有2个晶闸管；
67.所述逆变桥包括由24个带续流二极管的晶闸管构成的三路桥臂，每路桥臂的上桥臂和下桥臂分别设置有4个晶闸管；
68.所述整流桥其中一个三路桥臂的每个上桥臂均与所述逆变桥的每个上桥臂电性连接，所述整流桥其中一个三路桥臂的每个下桥臂均与所述整流桥另一个三路桥臂的每个上桥臂电性连接，所述整流桥另一个三路桥臂的每个下桥臂均与所述逆变桥的每个下桥臂电性连接。
69.晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
70.其中，还包括平波电抗器；
71.所述平波电抗器串联设置于整流桥和逆变桥之间，用于对母线电流进行平波。
72.平波电抗器是一种用于整流后直流回路中的电子装置，整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的，这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。直流输电的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流；直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的。在整流桥的输出端和逆变桥的输入端之间串联一个平波电抗器，使得整流桥的输出电流信号更加平稳。
73.本实施例中的同步电动机高压同步变频软起动装置，取消了升压变压器，可节省一个变压器的成本，结构更加简单，但保留了降压变压器，降压变压器可以消除整流桥对网侧的谐波影响。
74.实施例二
75.提供一种同步电动机高压同步变频软起动装置的起动方法，其采用了如实施例一所述的同步电动机高压同步变频软起动装置，其中，包括如下步骤：
76.s1.起动前控制柜上电后，sfc装置进行初始化，与励磁柜建立起通信，等待dcs发出起动指令，dcs发出起动指令后，sfc装置进行起动过程；
77.s2.选择断路器qf2合闸，首先给起动励磁柜发出投励指令，并检测起动励磁柜的反馈信号及电压信号检测正常后，开始进入低速断续控制过程；当电机转速达到额定转速的10％后，进行电流环pid调节，电机端电压模拟量的计算，sfc装置判断电机端电压信号是否达到3kv；若端电压达到3kv，则按设定步长减小励磁，保证电机端电压不超过3kv，sfc装置将电机带到51hz，完成起动过程；
78.s3.sfc装置将电机带到51hz后，sfc装置退出，选择断路器qf2分闸，起动励磁柜退出，电机自然降速，进入同期过程；
79.s4.选择断路器qf1合闸，运行励磁柜投励磁，同期装置检测电机端电压与网侧电压信号幅值、相位、频率一致，则发出运行柜合闸信号，电机并网成功，运行励磁柜进入运行控制模式；
80.s5.若电机降速低于49hz，同期装置退出，选择断路器qf1分闸，运行励磁柜停止输出；同期装置发出起动信号到sfc装置，sfc装置重新进入起动过程；选择断路器qf2合闸，起动励磁柜先投励，sfc装置检测当前转速条件是否大于10％额定转速；判断满足条件后，sfc
装置飞车起动，进入负载换相过程，重新将电机带到51hz的频率，sfc装置退出，选择断路器qf2分闸，起动励磁柜退出，重新进入到同期过程。
81.起动过程其中的几个关键点作如下解释说明：
82.励磁控制：由于电机端电压从0～2.9kv变化，电机一直处于弱磁起动，励磁给定大约在150a左右，对励磁柜的输出要求较高。即励磁必须满足从150～1244a全过程的精确的输出。如果精度达不到要求，在弱磁起动时很有可能由于励磁问题，使得电机端电压出现偏差导致在接近50hz的时候电机端电压可能会超2.9kv很多，进而导致输出逆变晶闸管的耐压裕量不足，可能导致器件击穿。
83.并网要求：采取惰性并网，并网过程仅仅由励磁控制输出端电机电压幅值，无法控制电网频率和相位。如果电压幅值跟踪不及时，或者在出现相位一致，频率一致而幅值不能满足要求时，并网机会就已经错过了，很容易出现需要二次并网的情况。如果参数调节不好，相位同步时电机端电压偏大或者偏小都有可能，进而可能会出现反复加速和惰转的情况。该过程对励磁闭环调节pi参数要求很高，对电网也较为敏感，一旦电网有些许波动，也很有可能需要反复。
84.飞车起动：当一次并网不成功的时候，电机转速低于额定转速的时候，励磁输出停止，sfc装置接收到飞车起动信号，合上出线高压柜，并且与励磁柜进行通讯，给定励磁输出，迅速跟踪上电机转子位置，重新进入负载换相的起动过程，将电机带入到105％的额定转速，sfc装置退出。
85.其中dcs(distributed control system)是中控室控制系统，监控电机、风机负载、电机冷却油路水路运行状态等外部工艺条件，按照如上步骤，经过系统初始化、起运过程、起运过程切换至同期过程、同期过程、同期过程切换至飞车启动过程，使得同步电动机进入工频运行状态。
86.本实施例中的同步电动机高压同步变频软起动装置的起动方法，经过系统初始化、起运过程、起运过程切换至同期过程、同期过程、同期过程切换至飞车启动过程五个步骤，使得同步电动机进入工频运行状态。
87.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种同步电动机高压同步变频软起动装置，其特征在于：所述装置包括：降压变压器模块、整流桥模块、逆变桥模块和同步电动机模块；所述降压变压器模块，高压侧与高压电网电性连接，低压侧与所述整流桥模块的输入端电性连接，用于将高压电网电压降压后作为所述整流桥模块的输入电压；所述整流桥模块，输出端与所述逆变桥模块的输入端电性连接，用于对降压后的输入电压进行整流，输出直流电压至所述逆变桥模块；所述逆变桥模块，输出端与同步电动机模块电性连接，用于将输入的直流电压逆变成交流信号，并送入所述同步电动机模块，作为同步电动机的起动信号；所述同步电动机模块，用于在接收到起动信号后，控制同步电动机同轴带动被驱动装置起动。2.如权利要求1所述的同步电动机高压同步变频软起动装置，其特征在于：还包括两台励磁柜，分别与电机励磁机电性连接；其中一台为起动励磁柜，通过断路器qf2与电机励磁机电性连接；另一台为运行励磁柜，通过断路器qf1与电机励磁机电性连接。3.如权利要求2所述的同步电动机高压同步变频软起动装置，其特征在于：所述同步电动机包括励磁机定子、励磁机转子、励磁旋转整流器、主电机转子和主电机定子；所述励磁机定子，与励磁柜电性连接；所述励磁机转子，与所述励磁旋转整流器电性连接；所述励磁旋转整流器，与所述主电机转子电性连接；所述主电机定子，与所述被驱动装置电性连接。4.如权利要求1所述的同步电动机高压同步变频软起动装置，其特征在于：所述降压变压器模块采用三绕组变压器，降压变压器的高压侧和低压侧均采用dy11接法。5.如权利要求4所述的同步电动机高压同步变频软起动装置，其特征在于：所述整流桥模块与所述降压变压器模块的每路低压侧连接的部分均包括由12个带续流二极管的晶闸管构成的三路桥臂，每路桥臂的上桥臂和下桥臂分别设置有2个晶闸管；所述逆变桥模块包括由24个带续流二极管的晶闸管构成的三路桥臂，每路桥臂的上桥臂和下桥臂分别设置有4个晶闸管；所述整流桥模块其中一个三路桥臂的每个上桥臂均与所述逆变桥模块的每个上桥臂电性连接，所述整流桥模块其中一个三路桥臂的每个下桥臂均与所述整流桥模块另一个三路桥臂的每个上桥臂电性连接，所述整流桥模块另一个三路桥臂的每个下桥臂均与所述逆变桥模块的每个下桥臂电性连接。6.如权利要求1所述的同步电动机高压同步变频软起动装置，其特征在于：还包括平波电抗器；所述平波电抗器串联设置于整流桥模块和逆变桥模块之间，用于对母线电流进行平波。7.一种如权利要求1-6任一项所述的同步电动机高压同步变频软起动装置的起动方法，其特征在于：包括如下步骤：s1.起动前控制柜上电后，sfc装置进行初始化，与励磁柜建立起通信，等待dcs发出起动指令，dcs发出起动指令后，sfc装置进行起动过程；
s2.选择断路器qf2合闸，首先给起动励磁柜发出投励指令，并检测起动励磁柜的反馈信号及电压信号检测正常后，开始进入低速断续控制过程；当电机转速达到额定转速的10％后，进行电流环pid调节，电机端电压模拟量的计算，sfc装置判断电机端电压信号是否达到3kv；若端电压达到3kv，则按设定步长减小励磁，保证电机端电压不超过3kv，sfc装置将电机带到51hz，完成起动过程；s3.sfc装置将电机带到51hz后，sfc装置退出，选择断路器qf2分闸，起动励磁柜退出，电机自然降速，进入同期过程；s4.选择断路器qf1合闸，运行励磁柜投励磁，同期装置检测电机端电压与网侧电压信号幅值、相位、频率一致，则发出运行柜合闸信号，电机并网成功，运行励磁柜进入运行控制模式；s5.若电机降速低于49hz，同期装置退出，选择断路器qf1分闸，运行励磁柜停止输出；同期装置发出起动信号到sfc装置，sfc装置重新进入起动过程；选择断路器qf2合闸，起动励磁柜先投励，sfc装置检测当前转速条件是否大于10％额定转速；判断满足条件后，sfc装置飞车起动，进入负载换相过程，重新将电机带到51hz的频率，sfc装置退出，选择断路器qf2分闸，起动励磁柜退出，重新进入到同期过程。