燃氣輪機組靜止變頻起動時轉子初始位置檢測

邵燕秋 邵宜祥 武 強 簡優宗

（國網電力科學研究院，南京　211000）

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燃氣輪機組靜止變頻起動時轉子初始位置檢測

邵燕秋 邵宜祥 武 強 簡優宗

（國網電力科學研究院，南京211000）

隨著發電機機組向大容量方向發展，為避免機組起動過程中對電網和機組本身造成沖擊，靜止變頻起動系統目前已開始應用于大型同步電機的變頻起動領域。本文基于燃氣輪機組靜止變頻起動系統，分析了電機轉子在不安裝位置傳感器的情況下，如何通過電氣檢測方法計算轉子初始位置。該方法操作簡單且方便可靠，已經在動模實驗平臺上得到驗證。

靜止變頻起動；電氣檢測方法；轉子初始位置

靜止變頻起動裝置只有檢測出轉子實際空間位置后，起動器的控制系統才能決定變頻器的通電方式和控制模式，從而保證變頻器的工作頻率和機組轉子運行頻率始終同步，所以轉子位置檢測是靜止變頻起動運行的必要條件之一［1］。一般獲得轉子位置信號的常用方法是在電機轉子上安裝位置傳感器，如光電碼盤等。但是安裝位置傳感器會增加系統的復雜程度和安裝、調試及維護的工作量，降低系統的可靠性，在工作條件惡劣時更為嚴重，所以取消位置傳感器，采用無位置傳感器的起動控制方法，是實際系統的首選方案。

1 靜止變頻起動系統主電路拓撲結構

變頻起動系統本體由控制柜、整流柜、逆變柜、平波電抗器、輸入變壓器、輸出變壓器等組成。起動過程和機組監控、勵磁、保護相配合，在機組變頻起動的過程中，變頻起動主要分為幾個階段：起動準備階段、轉子初始位置檢測階段、強迫換相階段、自然換相階段、退出運行等過程［2］。圖1為燃氣輪機組靜止變頻起動系統示意圖。

在起動階段，斷路器CB1和CB2閉合，斷路器CB3斷開，控制系統根據電機轉子或機端電壓信號，給逆變橋晶閘管施加觸發脈沖，使電機定子獲得從零到額定頻率變化的電壓信號，拖動機組旋轉，當機組達到額定轉速時，斷路器 CB3閉合，斷路器CB1和CB2斷開，變頻起動器退出運行，機組并網，進入發電狀態［3］。

2 初始位置檢測的目的

機組起動時，變頻起動器的控制系統根據轉子的初始位置確定為使轉子獲得最大電磁轉矩而應該通電的定子繞組相別［4］。而同步電機的三相定子繞組分別與逆變橋的三個橋臂相連，因此應該通電的定子繞組相別與逆變橋應該導通的晶閘管相對應。

圖1　燃氣輪機組的靜止變頻起動系統示意圖

將同步電機轉子縱軸與定子A相軸線之間的夾角定義為轉子位置角，用θ表示。電機轉子位置從0° 到 360°皆有可能，而逆變橋晶閘管的導通組合只有6種，因而必須把轉子的初始位置劃分為6個區間，使得在任何情況下，轉子位置都位于這6個區間之一。轉子位置角與區間劃分示意圖如圖2所示。

圖2　轉子位置角和扇區劃分示意圖

根據電機電磁轉矩公式：

圖3　根據初始位置判斷應該導通的晶閘管

采用上述分析方法，可以得到轉子位于不同位置時，應該通電的定子繞組相別和應該導通的晶閘管的對應關系，結果見表1。

從上面的分析可以看出，為使轉子獲得最大起動力矩，應該導通的逆變橋晶閘管由轉子的初始位置決定。因此，在起動之初，必須對轉子的初始位置進行檢測。

表1　根據轉子初始位置判斷定子繞組通流相別和應該導通的晶閘管

3 初始位置檢測方法

轉子初始位置為電機在靜止狀態下，轉子縱軸與定子A相軸線之間的夾角。轉子初始位置檢測時，對轉子施加勵磁電流，利用定子三相繞組中感應電動勢的幅值和相位信息推算轉子的初始位置?？紤]到實際采樣電路中存在直流偏移和一些隨機干擾分量，因此在計算同步電機轉子初始位置時，必須采取有效的措施消除直流偏移和采樣通道中竄入的隨機干擾分量。轉子初始位置檢測算法框圖如圖4所示。

圖4 轉子初始位置檢測算法

圖4中，EAB、EBC、ECA為定子三相繞組的感應電動勢；θ0為轉子初始位置角；Eα1、Eβ1和ψα1、ψβ1分別為濾波之前的兩相靜止坐標系下的感應電動勢和磁鏈；Eα、Eβ和ψα、分別為濾波之后的兩相靜止坐標系下的感應電動勢和磁鏈。其中，積分環節的作用是減少采樣通道中竄入的隨機干擾，其前后的兩個一階高通濾波器分別用來對兩相靜止坐標系下的感應電動勢和磁鏈進行濾波，以消除直流偏移的影響。

關于轉子初始位置檢測的具體算法如下。

定子三相繞組因轉子通入勵磁電流而產生磁鏈，磁鏈表達式為式中，ψA、ψB、ψC為定子三相繞組因轉子通入勵磁電流而產生的磁鏈；M為互感系數；if為勵磁電流；θ為轉子位置角。

轉子勵磁電流計算表達式如下：

式中，uf為施加到轉子繞組上的電壓；Rf、Lf為轉子繞組的電阻和電感。

由式（2）和（3）可以推導出定子三相感應電動勢，如式（4）所示：

由三相感應電動勢可以計算出感應電動勢的線值EAB、EBC、ECA：

對式（5）的感應電動勢進行PARK變換：

對式（6）積分可求出轉子磁鏈表達式：

由此可得

θ0即為轉子零時刻的位置，即轉子初始位置。

4 實驗結果及分析

對同步電機轉子初始位置檢測進行了動模實驗。圖5為變頻起動器本體部分實物圖，圖6為實驗電機。

圖5　變頻起動本體實物圖

圖6　隱極電機和凸極電機實物圖

實驗之前，斷開網側整流回路，使直流回路電流為零。人為轉動電機轉子到任意初始位置，并通過安裝在轉子上的位置傳感器記錄此時的轉子實際初始位置。然后給電機轉子施加勵磁電流，并通過上文介紹的電氣檢測方法計算轉子的初始位置。將轉子實際初始位置與計算得到的初始位置進行比較，通過兩者差值的大小來驗證前述的無位置傳感器電氣檢測方法在實際系統中的可行性。

每次起動電機之前，使轉子初始位置比上一次增大10°左右，在360°電角度范圍內進行轉子初始位置實驗。就轉子初始位置檢測共做了 37組實驗。將這37組實驗數據的實際值、測量值與誤差繪制成曲線，如圖7所示。

圖7　初始位置的實際值、測量值及誤差曲線

在37組實驗數據中，最大誤差為0.86°，滿足工程上對該差值不超過 5°的要求。因此上文研究的基于坐標變換和積分濾波的電氣檢測方法在檢測轉子初始位置時具有很高的精度，符合工程設計的要求，并且在實際系統中是可行。

5 結論

介紹了基于坐標變換和積分濾波的轉子初始位置電氣檢測方法，該方法較以往文獻中直接通過機端電壓進行轉子初始位置檢測具有更強的實踐意義。該方法測量精度高，測量過程簡單，在動模實驗平臺得到了較好的驗證。

［1］ 劉明行，趙玉，項立錚. 燃氣輪機發電機組靜止變頻啟動裝置研究［J］. 能源研究與信息，2006，22（2）︰98-102.

［2］ 汪衛平，吳培枝，畢揚，等. 瑯琊山抽水蓄能電站機組變頻啟動中轉子位置計算的運行分析［J］. 水電自動化與大壩監測，2014，38（2）︰76-79.

［3］ 陶以彬，鄢盛馳，李官軍，等. 基于雙 CPU控制的靜止啟動變頻器系統設計［J］. 電力電子技術，2013，47（5）︰62-64.

［4］ 戈寶軍，李玉玲. 勵磁控制下抽水蓄能電機靜止變頻器起動研究［J］. 電機與控制學報，2003，7（3）︰187-190.

Initial Position Detection of Gas Turbine’s Rotor when Starting by Static Frequency Converter

Shao YanqiuShao YixiangWu QiangJian Youzong
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211000）

As the large-capacity generator develops，in order to avoid impact on the grid as well as the unit itself during startup，static frequency conversion system has been used in the field of frequency conversion start of large synchronous motor. Based on the static frequency conversion start system of gas turbine，this paper analyzed how to use electrical detection method to calculate the initial position of the rotor without installing the position sensor. The method is simple，convenient and reliable，which has passed validation on the dynamic simulation experiment platform.

static frequency conversion； electrical detection method； initial position of the rotor