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博士学位论文大功率同步电动机自控变频式软起动技术研究RESEARCHONTECHNOLOGYOFSELF-CONTROLLEDSOFTSTARTWITHVARIABLEFREQUENCYFORHIGH-POWERSYNCHRONOUSMOTOR金光哲哈尔滨工业大学2014年6月国内图书分类号：TM341学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文大功率同步电动机自控变频式软起动技术研究博士研究生：金光哲导师：徐殿国申请学位：工学博士学科：电力电子与电力传动所在单位：电气工程学院答辩日期：2014年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM341U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTECHNOLOGYOFSELF-CONTROLLEDSOFTSTARTWITHVARIABLEFREQUENCYFORHIGH-POWERSYNCHRONOUSMOTORCandidate：JinGuangzheSupervisor：Prof.XuDianguoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：PowerElectronicsandElectricalDrivesAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：June,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要电励磁同步电机具有功率因数可调、效率高等优点，在工业大功率场合获得了广泛应用。在诸多同步电机起动方式中，自控变频软起动方式是技术含量最高，性能最优的起动方式，是同步电机软起动技术的发展方向。它具有起动电流较小，起动转矩可控，对电网几乎没有附加要求等优点。目前，国内大功率电动机软起动装置主要还是依靠进口，尤其是变频软起动器，国内目前还没有形成完善的应用性产品，因此研究自控变频方式同步电机软起动装置具有重要的经济意义和战略意义。大功率同步电动机的起动及并网困难成为其应用的重大阻碍，是限制产业发展的重大技术难题，本文针对自控变频式同步电动机起动系统中存在的问题进行了理论分析和实践研究，主要研究内容如下：针对同步电动机无位置传感器起动方法，本文采用自给脉冲起动与电气转子位置检测相结合的方法实现了同步电动机无位置传感器起动。通过突加、突减励磁的方法检测静止转子位置，转速在中高速时用电气式的方法实现转子位置检测，通过电机惯量辨识计算出自给脉冲的加速频率，并用自给脉冲的方式实现了电机从静止到中高速起动的过渡，实现了全程无位置传感器的起动。针对自给脉冲方法在低速起动过程中存在转子脉动等问题，研究了基于高频注入的转子位置检测方法。根据电励磁同步电机的特点，向励磁注入高频电压信号，产生高频励磁电流，之后采集耦合在定子上具有转子位置信息的高频电压信号，经过滤波及坐标变换提取有效转子位置信息，最后采用锁相环算法锁定转子位置。在晶闸管传动系统中，当电流换相时，电机反电动势的畸变比较严重，检测端电压将含有大量的高次谐波，准确提取有效的高频信号非常困难。因此本文提出了基于高频注入电压预估的同步电机转子位置检测方法。在换相时刻采用预估电压作为锁相环的给定信号，防止换向畸变的高频谐波进入到锁相环。实验结果证明，加入电压预估后，有效地避免了换相电压畸变对转子位置检测产生的不利影响，提高了高频注入转子位置检测的精度和可靠性。并网是自控变频式同步电机软起动系统中非常关键的技术性问题。本文针对大功率以及大惯量系统，研究了准同期并网策略。分析了双闭环调速系统中，在电流环动态特性非理想条件下，采用速度PI控制器引起的相角滑差不稳定问题，进而，本文提出了一种自适应复合速度控制方法。在升速阶段采用单比例自适应速度控制算法，克服了传统比例控制器无法消除静差的困难；在准同期阶段，采用了基于相角滑差的准同期控制算法，解决了滑差不稳定的问题，并哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-给出了可靠的并网判决策略。针对自控变频软起动装置高压系统的设计及实现，本文介绍了控制系统的软、硬件设计方法。首先针对起动过程中，电机端电压检测存在的隔离、相移及谐波等问题，提出了详细的电压检测方案。介绍了对晶闸管阀组、平波电抗器、进线电抗器的设计方法，设计了基于电流源的同步隔离触发装置，解决了高压串联晶闸管同步触发和高低压隔离问题。通过实验结果提出了不同主电路结构的适用场合。关键词：电励磁同步电机；自控变频；无位置传感器；软起动；高频注入；准同期Abstract-III-AbstractElectricalexcitationsynchronousmotorhasbeenwidelyusedinindustrialhigh-poweroccasionwiththeadvantagesofadjustablepowerfactorandhighefficiency.Inmanystartingwaysofsynchronousmotor,automaticcontrolvariablefrequencysoftstartingisthedevelopmentdirectionofsynchronousmotorsoftstartingwiththehighesttechnologyandperformance.Ithassuchadvantagesaslowstartingcurrentandcontrollablestartingtorqueaswellasnoadditionalrequirementsforgrid.Currently,high-powermotorsoftstartingdeviceinthedomesticmainlyreliesonimportsbecausecompleteproductsforapplicationhavenotyetbeenavailable,especiallyforvariablefrequencysoftstarter.Therefore,theresearchofautomaticcontrolvariablefrequencysoftstartingdevicehasimportanteconomicandstrategicsignificance.However,thesignificantobstaclederivingfromhigh-powersynchronousmotor’sstartingandinterconnectionhasbecomemajortechnicalproblemsrestrictingindustrialdevelopment.Inthispaper,theproblemsinvolvedinautomaticcontrolvariablefrequencysoftstartingdeviceisanalyzedandstudiedinpractice.Themainresearchcontentisasfollows:Aimingatsynchronousmotorstartingwithoutpositionsensormethod,weusetheselfpulsecombinedwithelectricalrotorpositiondetectionmethodtorealizesynchronousmotorstartingwithoutpositionsensor.Bysuddentadding,subtractingexcitation,rotorstaticpositioncanbedetected.Inthemediumandhighspeedstages,rotorpositioncanbedetectedbyelectricalmethod.Theaccelerationfrequencyofselfpulsecanbecalculatedbythemotorinertiaidentification.Meanwhiles,thetransitionfromstaticstatetomediumandhighspeedstagescanberealizedwiththemethodofselfpulse.Therefore,entirestartingwithoutpositionsensorcanberealized.Self-providingpulsemethodcaninducetorqueripplesduringlowspeedstartingprocess.Toresolvethisproblem,anovelrotorpositiondetectionstrategyisproposedbaseonhigh-frequencysignalinjectionmethod.Accordingtothecharacteristicsofelectricallyexcitedsynchronousmotor,thisstrategyisimplementedfirstlybyinjectingahigh-frequencyvoltagetotheexcitationsignalandgeneratingahigh-frequencyexcitationcurrentsimultaneously.Subsequentlywecansamplethehigh-frequencyvoltageonstatorwhichcontainstherotorpositioninformationbycouplingrelations.Throughfilteringandcoordinatetransformation,effectiverotorpositioninformationcanbeextracted.Finallyrotorpositioncanbeobtainedunderthefunctionofphase-lockedloop(PLL).Inthyristordrivingsystem,哈尔滨工业大学工学博士学位论文-IV-back-EMFofmotordistortsseriouslyduringthecurrentcommutationprocess.Thesampledvoltagecontainssubstantialhigh-orderharmonic,consequently,itisratherdifficulttoextracttheeffectivehigh-frequencysignalprecisely.Forthesakeofresolvingthisproblem,anovelrotorpositiondetectionstrategyforsynchronousmotorispresentedbasedonhigh-frequencyinjectedvoltagepredictionmethod.ApredictedvoltageisusedforthereferencesignalofPLLintheprocessofcommutation.Asaresult,high-frequencyharmonicsproducedbycommutationarerestrainedfromenteringPLL.Experimentalresultsshowthattheadverseimpactonrotorpositiondetectioncausedbycommutationvoltagedistortionispreventedeffectively,andtheprecisionandreliabilityofhigh-fr