高压软起及励磁系统在大容量同步机启动过程中的应用

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摘 要

司家营研山铁矿选矿厂一、二段球磨机采用的同步机启动模式为：启动过程中通过高压软起输出1/4fe、1/2fe、fe三种频率，实现电机三级变频软起动，从而实现小起动电流、大起动转矩的起动特性。在启动过程中，高压旁路接触器闭合后，待转速上升到亚同步转速时，再给同步机励磁绕组通以直流励磁电流，使转子建立磁场，依靠定子、转子磁场相互作用所产生的电磁转矩，将转子牵入同步。

【关键词】有级变频 无级调压 滑差检测 无刷励磁

1 同步电动机启动系统的结构

一套完整的有级变频无级调压软起动装置配置如下：控制机、功率阀组、传感器、高压真空旁路接触器，控制部分以微处理机作为其控制单元，用以控制功率部分。功率部分由三组或五组晶闸管阀组构成，晶闸管阀组串接于电动机和三相电源之间。电压和电流传感器则负责采集电网电压信号和电机电流信号为控制机计算晶闸管的触发角度提供数据。控制机通过控制晶闸管触发角的大小、时间和相位来改变电机定子端的输入电压和频率，从而控制电机的起动特性，实现电机的软起动。在完成电机软起动过程，电机达到全速运行后，内置在软起动装置中的电机全速运行状态输出继电器动作，使旁路真空接触器闭合，这样电机电流流经旁路接触器，将阀组从供电线路上断开，使电机直接投网运行。

三相交流励磁电源输入至整流模块-V1，将输入的交流电源整流为直流，并通过电容器-C1滤波。IGBT模块-V2工作于斩波状态，按固定频率导通和截止，调整输出电压的大小。IGBT模块-V3为灭磁IGBT，投励时-V3持续导通，灭磁时-V3截止；励磁电流通过灭磁电阻-R1形成回路，励磁绕组储能由-R1消耗以缩短灭磁时间。励磁系统采用双闭环励磁调节模式：定子电压和电流信号通过互感器送入调节器内，调节器计算出同步机的P、Q及 ，霍尔电压传感器（-AP2）及霍尔电流传感器（-AP1）将功率单元内的励磁电压与电流信号送入调节器内。同步机启动系统电气原理框图如图1所示。

2 有级变频无级调压高压软起工作原理

有级变频无级调压软起动装置基于“跳波”原理，通过控制系统产生的六个周期性触发信号，按照一定的顺序使五组反并联晶闸管阀组依次导通来给电机施加一定频率电压，可实现电机由“0转速到1/4全转速”，“1/4全转速到1/2全转速”，“1/2全转速到全转速”的3级软起动。在电机电流降低至接近正常全速运行时的电流值时，使旁路真空接触器闭合，电机电流流经旁路接触器，将阀组短接，从而防止了晶闸管导通所产生的压降引起的热损耗。这样，起动转矩将是传统电机软起动的十余倍，起动电流却可以控制在2倍额定电流以内。其主电路原理如图2所示。

第一阶段，控制机将1/4f的触发信号作用于晶闸管阀组上。在每个波形的八个半波，控制机跳除掉其中的六个，使加在电动机上的电流电压基波频率为工频的1/4，即为12.5Hz。这样不仅有效地降低了电动机的起动电流，减少了对电网的冲击，而且通过延迟晶闸管阀组的开关，尽可能的保持了电动机转矩最大化。

第二阶段，当电动机的转速基本达到1/4全速时，控制系统产生1/2f的触发信号，在每个波形的四个半波中，变频起动装置跳除掉其中的二个，使加在电动机上的电流电压基波频率为工频的1/2，即为25Hz，此时的起动电流也比较低，对电网的冲击不大。电动机转速从1/4全速开始增加，这样实现了电动机从12.5HzC25Hz起动。

第三阶段，当电动机的转速基本达到1/2全速时，控制系统产生全频即工频触发信号，这时，不跳除波形中的任何一个半波，所有的半波都加在电动机上。电动机的转速从1/2全速开始增加，这样实现了电动机从25HzC50Hz的起动。

3 旋转整流系统工作原理

该矿使用的同步机容量为4500KW，采用无刷旋转励磁系统，结构如图6所示，在同步机的启动过程中各模块的工作原理如图3所示。

3.1 三相半控桥式整流电路

整流电路由三只ZL（V1-V6）型旋转整流功率模块组成，它有三种工作状况：在电机起动及再整步异步驱动时为截止工况，在投励后转为整流工况，相当于三相桥式整流电路，在起动回路误开通时短时工作于失控工况以关断起动回路。三种工况在主控制模块的控制下自动切换。

3.2 起动回路

由一只QD（V7-V8）型旋转功率模块和八只QM（R1-R8，阻值为同步机转子电阻的10倍）型旋转起动灭磁电阻组成，受控于主控制模块，在电机起动过程中，QD模块导通，使QM起动电阻完全接入电动机转子回路，以保护旋转整流器免受过电压。

3.3 控制模块A1

是旋转励磁系统的控制核心，同步电动机启动时，在转子回路中感应出一交变的感应电流，该感应电流通过灭磁电阻转化为电压信号送入主控模块，计算出感应电流的频率，即为滑差。当电动机的转速达到额定转速的95%以上时，即滑差频率在2.5Hz以下时，主控模块向整流桥发出触发脉冲，整流桥输出励磁电流，对转子绕组进行励磁，使同步电动机顺极性牵入同步运行，实现准角投励。进入同步后，主控模块对V7进行截止，QM灭磁电阻退出运行。

参考文献

[1]王进野.同步电动机自动投励的比较研究[A].煤矿机械，2003（08）.

[2]邰丽娟，连继中.增安型无刷励磁同步电动机的设计[J].防爆电机，2002（01）.

[3]骆宝俊.异步电机软起动器研究[M].江苏：南京理工大学，2007.

作者单位

河北钢铁集团矿业有限公司 河北省唐山市 063000