1 概述
太鋼15000m3制氧機(jī)，是引進(jìn)烏克蘭成套設(shè)備，其中10000kw同步電動(dòng)機(jī)，作為空壓機(jī)的原動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)時(shí)，利用變頻起動(dòng)裝置，改變了傳統(tǒng)的降低異步起動(dòng)方式。通過變頻起動(dòng)裝置輸出的可變?nèi)嘟涣麟妷海瑫r(shí)加一定的勵(lì)磁電流，即異步起動(dòng)，同步加速，將同步電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)，起動(dòng)加速到同步轉(zhuǎn)速，理想的解決了起動(dòng)問題。變頻起動(dòng)具有以下特點(diǎn)：
（1） 同步電動(dòng)機(jī)變頻起動(dòng)的過程，是近于線性的同步加速過程，其定子電流小于0.5Ie，到同步狀態(tài)切換并網(wǎng)，因而對電網(wǎng)不存在電流沖擊。
（2） 設(shè)備安裝簡便，不需要特殊的機(jī)械基礎(chǔ)。
（3） 在有多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的場合，可以用一臺(tái)起動(dòng)裝置，依次起動(dòng)幾臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)。
（4） 屬于靜止起動(dòng)裝置，維護(hù)、檢修方便，可以不受時(shí)間與電網(wǎng)負(fù)荷的限制，便于調(diào)試，檢修試車，故障處理。
2 系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖與功能控制
2.1構(gòu)成框圖
整流器（B）和逆變器(N)是由普通SCR可控硅組成的三相橋式線路。在整流器和逆變器之間串有平波電抗器L。由圖表明，變頻起動(dòng)裝置的主電路是典型的交—直—交電流型變頻線路。工作時(shí)，10kv的三相交流電源，通過交流輸入電抗器，加到整流器B，其輸出的直流電壓送給逆變器N，而逆變器N的輸出是一頻率，幅值可變的三相交流電，供給同步電動(dòng)機(jī)定子。
控制系統(tǒng)緊緊圍繞整流與逆變的工作，分別組成各自的控制環(huán)節(jié)。在變頻起動(dòng)的全過程中，分為兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)從n=0起動(dòng)，f2≤5Hz低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于同步機(jī)定子繞組受轉(zhuǎn)子磁場作用而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢很小，不足以使逆變器SCR元件關(guān)斷，因此采用人工換流方式（即：斷續(xù)換流）。因不投入勵(lì)磁，是異步起動(dòng)，稱為P狀態(tài)。
當(dāng)逆變橋的輸出頻率達(dá)到5Hz，這時(shí)投入同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁。逆變器SCR元件換流靠同步機(jī)定子的反電勢來關(guān)斷，即采用自控式調(diào)頻控制的方式，稱為D狀態(tài)。這種狀態(tài)一直持續(xù)到0.9ne，同步加速逐漸減小，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動(dòng)整步微調(diào)控制，最后完成同步并網(wǎng)。變頻起動(dòng)的全過程結(jié)束。
2.2變頻起動(dòng)裝置調(diào)壓調(diào)速的基本原理
u1是恒壓恒頻10kv交流，u2是電壓頻率可變的交流電壓，Ud為整流器B的輸出直流電壓，其值為Ud=1.35u1cosα。而同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的公式為n=60f/p,感應(yīng)電勢為E0=KnΦ0（近似等于U2, Φ0為主磁通）。逆變角為β，令UR為逆變器輸入直流電壓，則UR=1.35Ecosβ,將E0=KnΦ0代入，則UR=1.35KnΦ0cosβ，若忽略平波電抗器上的壓降，那么 Ud=UR，所以 1.35u 1cosα=1.35KnΦ0cosβ,故n=U1cosα/KΦ0cosβ，實(shí)際工作中，逆變角β=0-600，事實(shí)上β角整定為β=400，且固定不變,即cosβ=C(常數(shù))而u1也是定值,則n正比于cosα,即n正比于Ud ,因此,改變整流電壓可達(dá)到調(diào)速的目的.

2.3逆變器的換流控制
2.3.1人工換流(斷續(xù)換流)
P狀態(tài)下,由于反電勢小,換流將不可靠,所以采用人工換流。每當(dāng)換流時(shí)刻，把整流橋推入逆變狀態(tài)，使α=1400。瞬時(shí)整流電壓極性變反，使逆變器輸入電流迅速下降到零。逆變器中的6個(gè)可控硅全部斷流以致關(guān)斷，在出現(xiàn)零電流信號(hào)，確認(rèn)可控硅確已關(guān)斷了，立即解除整流橋的推逆變信號(hào)，恢復(fù)整流狀態(tài)；同時(shí)觸發(fā)逆變器對應(yīng)可控硅元件導(dǎo)通，使之安照A、B、C三相N1、N2、N3、N4、N5、N6的規(guī)律動(dòng)作。完成逆變器可控硅橋臂的換相，每次換相必定要有回路電流下降到零的過程。這種不依賴于反電勢，而斷續(xù)換流的方式，稱為人工換流，電流波形。
600 600 600

P狀態(tài)整流電流
1200 600 1200

P狀態(tài)逆變電流

2.3.2 自然換流控制

同步電動(dòng)機(jī)在變頻起動(dòng)裝置的控制下起步低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)逆變器的輸出U2≌10%U1，f2=5HZ，這時(shí)投入勵(lì)磁電流ф0。在電機(jī)定子繞組就會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的感應(yīng)電勢E，變頻起動(dòng)進(jìn)入D狀態(tài)階段，逆變器的可控硅就利用這感應(yīng)的反電勢E進(jìn)行換流，即自然換流。現(xiàn)以圖（a）中N1換流到N3為例分析： #p#分頁標(biāo)題#e#
設(shè)原來N1N2導(dǎo)通，負(fù)載電流經(jīng)+—N1—a相—c相—N2流通，若在圖3（b）中，M點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻觸發(fā)N3，N3導(dǎo)通后在M點(diǎn)N1承受的反電壓UAB=0，隨時(shí)間的推移，將有UAB<0，即N1仍承受正向電壓無法關(guān)斷，因此，將M點(diǎn)觸發(fā)提前到M′點(diǎn)，則N1承受的反向電壓UAB>0，只要這時(shí)間大于可控硅的關(guān)斷時(shí)間，Ｎ1可靠關(guān)斷，這樣可控硅的換流在反電勢的作用下自然完成。
2.4逆變器輸出三相交流電的頻率控制
2.4.1 Ｐ狀態(tài)下f2的控制
U2,f2是逆變器輸出三相交流電的電壓和頻率,是可變化的.U2的大小是通過調(diào)節(jié)整流電壓Ud來控制的,那么f2由什么來控制？調(diào)節(jié)控制f2就是調(diào)節(jié)逆變器可控硅工作的時(shí)間長短不同，時(shí)間長，即周期長，而f2低。縮短可控硅的工作周期，則f2增加。可以達(dá)到這個(gè)目的，只要按要求產(chǎn)生逆變器可控硅的觸發(fā)脈沖即可。本裝置在P狀態(tài)采用的方式是：
由一個(gè)主控振蕩器Ａ5，在積分器Ａ4的控制下，產(chǎn)生周期均勻變化的鋸齒波列，再將鋸齒波分離出窄脈沖。這些窄脈沖經(jīng)過變換器，變換為ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ相互差1200的方波，送給邏輯電路形成+Ａ、－Ａ、＋Ｂ、－Ｂ、＋Ｃ、－Ｃ六個(gè)逆變器觸發(fā)脈沖，從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)f2的目的。
2.4.2 Ｄ狀態(tài)f2的控制
變頻起動(dòng)進(jìn)入D狀態(tài)，逆變器可控硅依靠反電勢E進(jìn)行自然換流。對逆變器觸發(fā)脈沖采用自控式調(diào)頻控制方法：即檢測同步電動(dòng)機(jī)端電壓和定子電流，再根據(jù)E=U-（IR+Ldi/dt）進(jìn)行運(yùn)算，得出感應(yīng)電壓的基波值EA，EB，EC。將基波值經(jīng)過濾波、邏輯電路變換，形成逆變器各橋臂的導(dǎo)通脈沖。此外，EA，EB，EC基波信號(hào)還將送入速度傳感環(huán)節(jié)（包括f/V變換）。轉(zhuǎn)換成速度反饋信號(hào)。當(dāng)整流器的Ud增加，EA，EB，EC也相應(yīng)增加，由于f/V環(huán)節(jié)的控制作用，逆變器輸出三相交流電的頻率f2和電壓U2成比例提高，當(dāng)U2為10KV時(shí)，f2達(dá)到50HZ，這樣完成在D狀態(tài)下的f2的控制。
2.5自動(dòng)整步微調(diào)控制
同步電動(dòng)機(jī)在D狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速n和頻率f2都在呈線形上升。當(dāng)接近于次同步時(shí)：
即ｎ＝０.9ne,頻率約為45HZ。自動(dòng)整步的過程開始。這時(shí)向速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)送入降低加速率的信號(hào)，0.9ne是由同步切換電路中的電位器設(shè)定的,將實(shí)際轉(zhuǎn)速的信號(hào)n和設(shè)定值0.9ne進(jìn)行比較,一旦轉(zhuǎn)速n>0.9ne時(shí),加速開始減慢.雖然加速率減小了,但轉(zhuǎn)速和頻率仍在增加,當(dāng)達(dá)到超同步時(shí),即S<0,這時(shí)f2約51HZ,Ud為12000伏左右。角度調(diào)節(jié)器進(jìn)入調(diào)節(jié)外部電路的工作，電壓失調(diào)角δ傳感器形成角度調(diào)節(jié)電路的反饋信號(hào)。在轉(zhuǎn)差率較大時(shí)轉(zhuǎn)速微調(diào)環(huán)節(jié)接通，該環(huán)節(jié)階梯式地降低轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)差率小到一定值時(shí)，調(diào)節(jié)器系統(tǒng)捕獲和保持住惰行角的給定值。切換并網(wǎng)的時(shí)刻來臨。
2.6同步切換并網(wǎng)的條件
① 電網(wǎng)電壓U1與電機(jī)的電壓U2相同U1=U2。
② 電壓相位角度值之差δ≤（50∽100）電角度。
③ 電網(wǎng)電壓的頻率f1與電機(jī)電壓的頻率f2相同，f1= f2。
④ 連鎖信號(hào)正常。
系統(tǒng)一旦滿足上述條件，立即發(fā)出切換命令，高壓開關(guān)Q1吸合，而起動(dòng)裝置的Q和Q2高壓開關(guān)斷開。10KV的高壓直接由Q1供給同步電動(dòng)機(jī)定子。變頻起動(dòng)過程結(jié)束，裝置推出工作。

３ 系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用與評價(jià)
本裝置已應(yīng)用多年，多年來先后起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)若干次，成功率很高，對高壓供電電網(wǎng)沒有沖擊的影響。從起動(dòng)開始到同步并網(wǎng)，一般為4-5分鐘左右，由于受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，每次起動(dòng)并網(wǎng)時(shí)間都不一樣。另外，每次起動(dòng)時(shí)，空壓機(jī)風(fēng)門大小不同，即負(fù)荷不同，對同步并網(wǎng)也由影響，總之，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，說明這套同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。技術(shù)是成熟的。
本裝置是用于交流電機(jī)變頻調(diào)速的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)，可以作為大中容量的同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)裝置，也可以作為大中型交流電機(jī)變頻調(diào)速之用。我國目前還沒有定型的成功產(chǎn)品，可以供學(xué)習(xí)和借鑒。