邵燕秋 邵宜祥 武 强 简优宗

（国网电力科学研究院，南京　211000）



燃气轮机组静止变频起动时转子初始位置检测

邵燕秋 邵宜祥 武 强 简优宗

（国网电力科学研究院，南京211000）

随着发电机机组向大容量方向发展，为避免机组起动过程中对电网和机组本身造成冲击，静止变频起动系统目前已开始应用于大型同步电机的变频起动领域。本文基于燃气轮机组静止变频起动系统，分析了电机转子在不安装位置传感器的情况下，如何通过电气检测方法计算转子初始位置。该方法操作简单且方便可靠，已经在动模实验平台上得到验证。

静止变频起动；电气检测方法；转子初始位置

静止变频起动装置只有检测出转子实际空间位置后，起动器的控制系统才能决定变频器的通电方式和控制模式，从而保证变频器的工作频率和机组转子运行频率始终同步，所以转子位置检测是静止变频起动运行的必要条件之一［1］。一般获得转子位置信号的常用方法是在电机转子上安装位置传感器，如光电码盘等。但是安装位置传感器会增加系统的复杂程度和安装、调试及维护的工作量，降低系统的可靠性，在工作条件恶劣时更为严重，所以取消位置传感器，采用无位置传感器的起动控制方法，是实际系统的首选方案。

1 静止变频起动系统主电路拓扑结构

变频起动系统本体由控制柜、整流柜、逆变柜、平波电抗器、输入变压器、输出变压器等组成。起动过程和机组监控、励磁、保护相配合，在机组变频起动的过程中，变频起动主要分为几个阶段：起动准备阶段、转子初始位置检测阶段、强迫换相阶段、自然换相阶段、退出运行等过程［2］。图1为燃气轮机组静止变频起动系统示意图。

在起动阶段，断路器CB1和CB2闭合，断路器CB3断开，控制系统根据电机转子或机端电压信号，给逆变桥晶闸管施加触发脉冲，使电机定子获得从零到额定频率变化的电压信号，拖动机组旋转，当机组达到额定转速时，断路器 CB3闭合，断路器CB1和CB2断开，变频起动器退出运行，机组并网，进入发电状态［3］。

2 初始位置检测的目的

机组起动时，变频起动器的控制系统根据转子的初始位置确定为使转子获得最大电磁转矩而应该通电的定子绕组相别［4］。而同步电机的三相定子绕组分别与逆变桥的三个桥臂相连，因此应该通电的定子绕组相别与逆变桥应该导通的晶闸管相对应。

图1　燃气轮机组的静止变频起动系统示意图

将同步电机转子纵轴与定子A相轴线之间的夹角定义为转子位置角，用θ表示。电机转子位置从0° 到 360°皆有可能，而逆变桥晶闸管的导通组合只有6种，因而必须把转子的初始位置划分为6个区间，使得在任何情况下，转子位置都位于这6个区间之一。转子位置角与区间划分示意图如图2所示。

图2　转子位置角和扇区划分示意图

根据电机电磁转矩公式：

图3　根据初始位置判断应该导通的晶闸管

采用上述分析方法，可以得到转子位于不同位置时，应该通电的定子绕组相别和应该导通的晶闸管的对应关系，结果见表1。

从上面的分析可以看出，为使转子获得最大起动力矩，应该导通的逆变桥晶闸管由转子的初始位置决定。因此，在起动之初，必须对转子的初始位置进行检测。

表1　根据转子初始位置判断定子绕组通流相别和应该导通的晶闸管

3 初始位置检测方法

转子初始位置为电机在静止状态下，转子纵轴与定子A相轴线之间的夹角。转子初始位置检测时，对转子施加励磁电流，利用定子三相绕组中感应电动势的幅值和相位信息推算转子的初始位置。考虑到实际采样电路中存在直流偏移和一些随机干扰分量，因此在计算同步电机转子初始位置时，必须采取有效的措施消除直流偏移和采样通道中窜入的随机干扰分量。转子初始位置检测算法框图如图4所示。

图4 转子初始位置检测算法

图4中，EAB、EBC、ECA为定子三相绕组的感应电动势；θ0为转子初始位置角；Eα1、Eβ1和ψα1、ψβ1分别为滤波之前的两相静止坐标系下的感应电动势和磁链；Eα、Eβ和ψα、分别为滤波之后的两相静止坐标系下的感应电动势和磁链。其中，积分环节的作用是减少采样通道中窜入的随机干扰，其前后的两个一阶高通滤波器分别用来对两相静止坐标系下的感应电动势和磁链进行滤波，以消除直流偏移的影响。

关于转子初始位置检测的具体算法如下。

定子三相绕组因转子通入励磁电流而产生磁链，磁链表达式为式中，ψA、ψB、ψC为定子三相绕组因转子通入励磁电流而产生的磁链；M为互感系数；if为励磁电流；θ为转子位置角。

转子励磁电流计算表达式如下：

式中，uf为施加到转子绕组上的电压；Rf、Lf为转子绕组的电阻和电感。

由式（2）和（3）可以推导出定子三相感应电动势，如式（4）所示：

由三相感应电动势可以计算出感应电动势的线值EAB、EBC、ECA：

对式（5）的感应电动势进行PARK变换：

对式（6）积分可求出转子磁链表达式：

由此可得

θ0即为转子零时刻的位置，即转子初始位置。

4 实验结果及分析

对同步电机转子初始位置检测进行了动模实验。图5为变频起动器本体部分实物图，图6为实验电机。

图5　变频起动本体实物图

图6　隐极电机和凸极电机实物图

实验之前，断开网侧整流回路，使直流回路电流为零。人为转动电机转子到任意初始位置，并通过安装在转子上的位置传感器记录此时的转子实际初始位置。然后给电机转子施加励磁电流，并通过上文介绍的电气检测方法计算转子的初始位置。将转子实际初始位置与计算得到的初始位置进行比较，通过两者差值的大小来验证前述的无位置传感器电气检测方法在实际系统中的可行性。

每次起动电机之前，使转子初始位置比上一次增大10°左右，在360°电角度范围内进行转子初始位置实验。就转子初始位置检测共做了 37组实验。将这37组实验数据的实际值、测量值与误差绘制成曲线，如图7所示。

图7　初始位置的实际值、测量值及误差曲线

在37组实验数据中，最大误差为0.86°，满足工程上对该差值不超过 5°的要求。因此上文研究的基于坐标变换和积分滤波的电气检测方法在检测转子初始位置时具有很高的精度，符合工程设计的要求，并且在实际系统中是可行。

5 结论

介绍了基于坐标变换和积分滤波的转子初始位置电气检测方法，该方法较以往文献中直接通过机端电压进行转子初始位置检测具有更强的实践意义。该方法测量精度高，测量过程简单，在动模实验平台得到了较好的验证。

［1］ 刘明行，赵玉，项立铮. 燃气轮机发电机组静止变频启动装置研究［J］. 能源研究与信息，2006，22（2）︰98-102.

［2］ 汪卫平，吴培枝，毕扬，等. 琅琊山抽水蓄能电站机组变频启动中转子位置计算的运行分析［J］. 水电自动化与大坝监测，2014，38（2）︰76-79.

［3］ 陶以彬，鄢盛驰，李官军，等. 基于双 CPU控制的静止启动变频器系统设计［J］. 电力电子技术，2013，47（5）︰62-64.

［4］ 戈宝军，李玉玲. 励磁控制下抽水蓄能电机静止变频器起动研究［J］. 电机与控制学报，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