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1同步电动机变频起动原理 电机变频起动时，转子绕组通入励磁电流,定子由SFC供电，由定子频率控制转子转速.SFC输出的频率在起动开始时调得很低,然后逐步上升至额定值，利用同步转矩的作用，使电机的转速随变频器输出频率同步地升至额定值.Siemens公司结合双反应理论和矢量控制理论，忽略凸较式同步电动机d，q轴磁路不对称、转子阻尼绕组和磁化曲线的非线性等次要因素的影响，将三相电机等效为直流电机进行控制［１］.SFC整套装置由功率单元、控制单元组成，电机励磁单元为自并励可控硅静态励磁，由机组励磁系统控制，SFC的软、硬件配置及控制框图见图1.SFC主要技术参数为：额定电压18kV,额定功率18MW, 额定转速500r／min,过载系数1.3, 输出频率0～52Hz,整流器额定触发角26.3°,逆变器额定触发角141°.

2SFC的功率单元 SFC的功率单元包括输入变压器、直流耦合电路、整流器和逆变器三部分.输入变压器容量16.8kVA，利用其二次侧三角形绕组隔离滤波，减少整流器产生的谐波电压对电网的影响，降低电网谐波含量.

    直流耦合电路装设2个26mH的平波电抗器，用以抑制直流回路纹波，改善逆变器晶体管的工作条件.SFC输出侧电抗器的作用是防止逆变器换流时电流增长过快而损坏晶体管元件［２］.

       SFC的整流器和逆变器采用三相全控桥式电路(三相六拍).整流器晶体管采用电源的交流电压换相，120°导通型逆变器晶体管采用同步电动机的定子反电动势换相.变频器每个桥臂由12个双较型晶体管BJT串联而成，冗余配置，单个晶体管的故障不影响变频器工作.从控制单元到功率单元，晶体管BJT的触发及检测信号采用光电耦合技术，即采用光纤及光电转换器件进行传输.晶体管水冷，分外冷却和内冷却.内冷却回路用去离子水循环直接冷却晶体管,去离子水有再生装置，用碳化硅作吸附材料.取自消防环管的外冷却水用于冷却去离子水.

3SFC控制单元

       SFC控制单元采用Siemens公司20世纪90年代初研制开发的具有国际先进水平的可自由配置模板式硬件，软件编程采用图形化的全数字多微处理器控制系统Simadyn-D。

3.1硬件

        硬件主要有处理器板、通讯板、通讯缓冲板、触发器板、诊断板、光电输入输出板、I/O板、操作面板OP1等.所有硬件均以插入卡的形式安装在标准机架上，共有6个处理器板，每个处理器板处理不同任务，使控制系统具有强大的运算功能.6个处理器之间及与外设控制板之间通过局部总线和通讯总线进行内部高速数据通讯，而Simadyn-D与监控系统之间通过I/O板和通讯板等硬件模板实现内/外部高速数据通讯和信息交换.

3.2软件组态及功能

        SimadynD系统是Siemens公司在Window 3.1平台上开发的数字过程控制系统，采用全图形式的编程语言STRUC G进行软件设计开发.功能块是软件设计的较小组态单位，包括逻辑块、算术块、诊断块、信号转换块、I/O块和通讯块等.一个功能块即一个子程序，相当于硬件设计中的集成电路.只需要用鼠标从图形库中选择预先编制好的功能块，将各功能块相互连接并设定参数，即构成实现一定的系统控制功能的软件功能包，主要包括逻辑控制、顺序控制、操作员控制、通讯控制、开环或闭环控制、矢量控制及监视等软件功能包，而各软件功能包的**组合构成了用户程序.用户程序按功能类型均衡配置各软件功能包，分别由6个微处理器进行实时处理，即所谓的多微处理器、多任务并行处理技术［３］，从而实现对SFC的各种高速开环或闭环控制、运算、检测、监视、报警及诊断等功能.

        a. 开环或闭环控制.整流器采用速度和电流双闭环控制，逆变器采用矢量控制技术.SFC输出测量采用霍尔效应变换器型电压互感器，综合补偿计算后产生同步电动机电压模型MV的磁通矢量，实现对电压模型的矢量控制，使逆变器每次都选择在定子与转子磁场矢量互成90°时进行换相［１］.速度闭环控制功能包NRG实现对整流器速度环的闭环控制及监视；电流闭环控制功能包MN1实现对整流器电流的闭环控制及触发单元的监视；矢量控制功能包SMS实现对逆变器负载换相的矢量控制及监视，低速运行时断续换相触发脉冲的控制及监视；过程诊断功能包DIA实现对SFC相关过程控制量及信号的实时诊断显示，即将各过程控制量及实时信号存储在DIA的跟踪存储器中，通过D/A转换器随时输出，供故障诊断分析用.

        b. 供电控制.USV/UUM/ULS/UGR等监视功能包实现对SFC系统中主要功率器件如SFC进出口开关、功率单元、同步电动机等的综合控制和监视；逻辑控制功能包EAL综合各监视功能包、顺序控制功能包AST的控制信号、操作员控制功能包BED和通讯控制功能包KD3的命令字，实现对SFC主电路和辅助电路分闸或合闸的顺序控制；操作员控制功能包BED实现对SFC的现地控制，并组态操作面板OP1的输入及显示；通讯控制功能包KD3与通讯板相配合，实现SFC与监控系统的联网通讯；冷却水控制功能包UUK控制晶体管BJT的内外冷却水.

4SFC的运行

        a. 转子位置检测和初始定位.SFC采用电气测角和测速方法.起动前投入机组励磁,在转子磁场逐步建立过程中，定子绕组感应出三相电动势，电压模型MV对电动势积分就可得气隙磁链Ψ的大小和转子位置角［１］.计算时间的密切配合,保证励磁与SFC检测程序之间严密同步，这也是整个起动过程中较为关键的一步.起动期间，SimadynD控制保持电机磁通恒定，实现恒转矩调速.由于是恒磁通控制，通过对定子电压测量,即可计算出转子位置角.

        b. 断续换相运行.确定转子初始位置后，按照矢量控制理论中力矩星形分布情况，SFC判断同步电动机起动时刻能产生较大正加速力矩的两相定子电流，触发晶体管导通，给对应的两相定子绕组通电，产生一个**前转子磁场的同步定子磁场，两个磁场相互作用，使转子获得较大电磁转矩［１］，转子开始转动，由整流器控制SFC输出电流的幅值，由逆变器控制SFC输出电流的频率.为保证起动后加速阶段电磁转矩的恒定，转子转动的同时改变输入定子电流的频率，使转子磁场与定子磁场同步旋转，而且在空间矢量上，保持定子磁势**前转子磁势的夹角不变.

        起动初期和低速运行时定子产生的反电动势不足以关断逆变器的晶体管，此时采用电流断续法进行换相，逆变器以逆变**前角β=0°运行.需要换相时，暂时强迫关断晶体管，闭锁整流器和逆变器的输出，再给换相后应该导通的晶体管加上触发脉冲使其导通，从而实现换相.此期间SFC输出的电流是断续的［２］，输出电流维持额定值的80%.

       c. 负载换相运行.当转速大于额定值的7%时，同步电动机可产生足够大的反电动势，关断逆变器晶体管进行换相，进入负载换相阶段.在转速由额定值的7%升至25%期间，SFC的输出电流由额定值的80%升至额定值，逆变**前角β=60°；之后SFC输出额定值给转子加速，逆变**前角β=50°.起动过程中相关波形见图2［２］.

       d. 同步并网阶段.达到96%额定转速时，起动机组同期装置进入自动整步微调阶段.同期装置根据频率差Δf，产生一个附加转速微调信号，自动调整SFC输出电流，对转速做微调.同期装置同时发出命令给励磁系统调节励磁电流，使机端电压与电网电压平衡.并网后整流器的晶体管即运行于120°全逆变状态，其输出电流迅速降为零，关闭晶体管，然后闭锁整流器和逆变器的全部触发脉冲，SFC装置退出，完成整个起动过程.

5广州蓄能水电厂二期工程SFC的特点

        a. SFC的控制系统借助图形化编程软件可以很容易完成大型同步电动机变频起动的控制，由于编程软件是面向应用的，具有简单、易掌握、省时、不易出错等特点，大大提高了编程效率.

       b. 由于利用了先进的硬件模块和系统总线、高效率的多微处理器并行处理技术、高速的操作系统软件，并应用矢量控制技术，使全数字式Simadyn-D控制系统能够以很高的动态性能完成较复杂的控制.

        c. 控制系统Simadyn-D的硬件和软件是模块式的，可以根据系统的需要扩展，实现控制功能修改、完善和扩充.

       d. SFC全部的控制、监视功能及保护功能均由软件实现，从而减小硬件故障隐患点.此外，由于从控制单元到功率单元的触发及检测信号采用光电耦合技术,因此增强抗干扰能力,确保触发的正确性和可*性.

       e. 应用标准化和专业化集成技术，大大简化了硬件结构，因此在Simadyn-D内部只需要几种不同类型的硬件模板即可实现SFC的全部控制功能.

       f. 由于SFC的控制单元采用全数字控制系统Simadyn-D，具有丰富、全面的控制、监视及故障诊断功能，因此大大减少了调试、维护及检修所需时间.

       g.  SFC采用电气测角和测速,从根本上消除了转子振荡和失步的隐患，由电压模型计算出转子位置和转速，取消测量转子转速用的脉冲信号发生器，减少了硬件设备，相应减少了故障概率.

h. SFC采用串联12个双较型晶体管BJT分压，不用变压器降压.原设计SFC采用L-C滤波装置,但实际调试过程中曾几次因同步信号故障而导致SFC起动失败，L-C滤波装置与其他相关电气设备的参数不匹配.经反复试验、测试和研究，增设隔离变压器取代L-C滤波装置，改造后抽水工况运行比较理想.

6结语

       2000年广州蓄能水电厂二期工程SFC共起动2068次，平均起动约6次／d，其中因SFC本身故障导致起动不成功的仅有20次，SFC故障率仅0.96%，其可*性较高.实际电机从静止拖动到并网仅需240s.实践表明，全数字大功率变频调速装置作为大型同步电动机的起动装置是成功的.

变频器功能参数很多！一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。实际应用中，没必要对每一参数都进行设置和调试，多数只要采用出厂设定值即可。但有些参数由于和实际使用情况有很大关系，且有的还相互关联，因此要根据实际进行设定和调试。因各类型变频器功能有差异，而相同功能参数的名称也不一致，为叙述方便，本文以富士变频器基本参数名称为例。由于基本参数是各类型变频器几乎都有的，完全可以做到触类旁通。

一 加减速时间--加速时间就是输出频率从0上升到较大频率所需时间，减速时间是指从较大频率下降到0所需时间。通常用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。在电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以防止过电压。

加速时间设定要求：将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失速而引起变频器跳闸；减速时间设定要点是：防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出加减速时间。

二 转矩提升--又叫转矩补偿，是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低，而把低频率范围f/V增大的方法。设定为自动时，可使加速时的电压自动提升以补偿起动转矩，使电动机加速顺利进行。如采用手动补偿时，根据负载特性，尤其是负载的起动特性，通过试验可选出较佳曲线。对于变转矩负载，如选择不当会出现低速时的输出电压过高，而浪费电能的现象，甚至还会出现电动机带负载起动时电流大，而转速上不去的现象。

三 电子热过载保护--本功能为保护电动机过热而设置！它是变频器内CPU根据运转电流值和频率计算出电动机的温升，从而进行过热保护。本功能只适用于“一拖一”场合，而在“一拖多”时，则应在各台电动机上加装热继电器。

电子热保护设定值(%)=[电动机额定电流(A)/变频器额定输出电流(A)]×**。

四 频率限制--即变频器输出频率的上、下限幅值。频率限制是为防止误操作或外接频率设定信号源出故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。在应用中按实际情况设定即可。此功能还可作限速使用，如有的皮带输送机，由于输送物料不太多，为减少机械和皮带的磨损，可采用变频器驱动，并将变频器上限频率设定为某一频率值，这样就可使皮带输送机运行在一个固定、较低的工作速度上。

五 偏置频率--有的又叫偏差频率或频率偏差设定。其用途是当频率由外部模拟信号(电压或电流)进行设定时，可用此功能调整频率设定信号较低时输出频率的高低，如图1。有的变频器当频率设定信号为0%时，偏差值可作用在0～fmax范围内，有的变频器(如明电舍、三垦)还可对偏置极性进行设定。如在调试中当频率设定信号为0%时，变频器输出频率不为0Hz，而为xHz，则此时将偏置频率设定为负的xHz即可使变频器输出频率为0Hz。

六 频率设定信号增益----此功能仅在用外部模拟信号设定频率时才有效。它是用来弥补外部设定信号电压与变频器内电压(+10v)的不一致问题；同时方便模拟设定信号电压的选择，设定时，当模拟输入信号为较大时(如10v、5v或20mA)，求出可输出f/V图形的频率百分数并以此为参数进行设定即可；如外部设定信号为0～5v时，若变频器输出频率为0～50Hz，则将增益信号设定为200%即可。

七 转矩限制----可分为驱动转矩限制和制动转矩限制两种。它是根据变频器输出电压和电流值，经CPU进行转矩计算，其可对加减速和恒速运行时的冲击负载恢复特性有显着改善。转矩限制功能可实现自动加速和减速控制。假设加减速时间小于负载惯量时间时，也能保证电动机按照转矩设定值自动加速和减速。

驱动转矩功能提供了强大的起动转矩，在稳态运转时，转矩功能将控制电动机转差，而将电动机转矩限制在较大设定值内，当负载转矩突然增大时，甚至在加速时间设定过短时，也不会引起变频器跳闸。在加速时间设定过短时，电动机转矩也不会**过较大设定值。驱动转矩大对起动有利，以设置为80～**较妥。

制动转矩设定数值越小，其制动力越大，适合急加减速的场合，如制动转矩设定数值设置过大会出现过压报警现象。如制动转矩设定为0%，可使加到主电容器的再生总量接近于0，从而使电动机在减速时，不使用制动电阻也能减速至停转而不会跳闸。但在有的负载上，如制动转矩设定为0%时，减速时会出现短暂空转现象，造成变频器反复起动，电流大幅度波动，严重时会使变频器跳闸，应引起注意。

八 加减速模式选择----又叫加减速曲线选择。一般变频器有线性、非线性和S三种曲线，通常大多选择线性曲线；非线性曲线适用于变转矩负载，如风机等；S曲线适用于恒转矩负载，其加减速变化较为缓慢。设定时可根据负载转矩特性，选择相应曲线，但也有例外，笔者在调试一台锅炉引风机的变频器时，先将加减速曲线选择非线性曲线，一起动运转变频器就跳闸，调整改变许多参数无效果，后改为S曲线后就正常了。究其原因是：起动前引风机由于烟道烟气流动而自行转动，且反转而成为负向负载，这样选取了S曲线，使刚起动时的频率上升速度较慢，从而避免了变频器跳闸的发生，当然这是针对没有起动直流制动功能的变频器所采用的方法。

九 转矩矢量控制----矢量控制是基于理论上认为：异步电动机与直流电动机具有相同的转矩产生机理。矢量控制方式就是将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流，分别进行控制，同时将两者合成后的定子电流输出给电动机。因此，从原理上可得到与直流电动机相同的控制性能。采用转矩矢量控制功能，电动机在各种运行条件下都能输出较大转矩，尤其是电动机在低速运行区域。

现在的变频器几乎都采用无反馈矢量控制，由于变频器能根据负载电流大小和相位进行转差补偿，使电动机具有很硬的力学特性，对于多数场合已能满足要求，不需在变频器的外部设置速度反馈电路。这一功能的设定，可根据实际情况在有效和无效中选择一项即可。

与之有关的功能是转差补偿控制，其作用是为补偿由负载波动而引起的速度偏差，可加上对应于负载电流的转差频率。这一功能主要用于定位控制。

十 节能控制----风机、水泵都属于减转矩负载，即随着转速的下降，负载转矩与转速的平方成比例减小，而具有节能控制功能的变频器设计有**V/f模式，这种模式可改善电动机和变频器的效率，其可根据负载电流自动降低变频器输出电压，从而达到节能目的，可根据具体情况设置为有效或无效。

要说明的是，九、十这两个参数是很先进的，但有一些用户在设备改造中，根本无法启用这两个参数，即启用后变频器跳闸频繁，停用后一切正常。究其原因有：(1)原用电动机参数与变频器要求配用的电动机参数相差太大。(2)对设定参数功能了解不够，如节能控制功能只能用于V/f控制方式中，不能用于矢量控制方式中。(3)启用了矢量控制方式，但没有进行电动机参数的手动设定和自动读取工作，或读取方法不当。