1 概述
太鋼15000m3制氧機，是引進烏克蘭成套設備，其中10000kw同步電動機，作為空壓機的原動機，在起動時，利用變頻起動裝置，改變了傳統的降低異步起動方式。通過變頻起動裝置輸出的可變三相交流電壓，同時加一定的勵磁電流，即異步起動，同步加速，將同步電動機從靜止狀態，起動加速到同步轉速，理想的解決了起動問題。變頻起動具有以下特點：
（1） 同步電動機變頻起動的過程，是近于線性的同步加速過程，其定子電流小于0.5Ie，到同步狀態切換并網，因而對電網不存在電流沖擊。
（2） 設備安裝簡便，不需要特殊的機械基礎。
（3） 在有多臺同步電動機的場合，可以用一臺起動裝置，依次起動幾臺同步電動機。
（4） 屬于靜止起動裝置，維護、檢修方便，可以不受時間與電網負荷的限制，便于調試，檢修試車，故障處理。
2 系統的基本構成框圖與功能控制
2.1構成框圖
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，變頻起動裝置的主電路是典型的交—直—交電流型變頻線路。工作時，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，供給同步電動機定子。
控制系統緊緊圍繞整流與逆變的工作，分別組成各自的控制環節。在變頻起動的全過程中，分為兩個狀態。當電動機從n=0起動，f2≤5Hz低速運轉時，由于同步機定子繞組受轉子磁場作用而產生的感應電勢很小，不足以使逆變器SCR元件關斷，因此采用人工換流方式（即：斷續換流）。因不投入勵磁，是異步起動，稱為P狀態。
當逆變橋的輸出頻率達到5Hz，這時投入同步電動機勵磁。逆變器SCR元件換流靠同步機定子的反電勢來關斷，即采用自控式調頻控制的方式，稱為D狀態。這種狀態一直持續到0.9ne，同步加速逐漸減小，系統轉入自動整步微調控制，最后完成同步并網。變頻起動的全過程結束。
2.2變頻起動裝置調壓調速的基本原理
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。而同步電動機轉速的公式為n=60f/p,感應電勢為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，實際工作中，逆變角β=0-600，事實上β角整定為β=400，且固定不變,即cosβ=C(常數)而u1也是定值,則n正比于cosα,即n正比于Ud ,因此,改變整流電壓可達到調速的目的.

2.3逆變器的換流控制
2.3.1人工換流(斷續換流)
P狀態下,由于反電勢小,換流將不可靠,所以采用人工換流。每當換流時刻，把整流橋推入逆變狀態，使α=1400。瞬時整流電壓極性變反，使逆變器輸入電流迅速下降到零。逆變器中的6個可控硅全部斷流以致關斷，在出現零電流信號，確認可控硅確已關斷了，立即解除整流橋的推逆變信號，恢復整流狀態；同時觸發逆變器對應可控硅元件導通，使之安照A、B、C三相N1、N2、N3、N4、N5、N6的規律動作。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，而斷續換流的方式，稱為人工換流，電流波形。
600 600 600

P狀態整流電流
1200 600 1200

P狀態逆變電流

2.3.2 自然換流控制

同步電動機在變頻起動裝置的控制下起步低速運轉，當逆變器的輸出U2≌10%U1，f2=5HZ，這時投入勵磁電流ф0。在電機定子繞組就會產生與轉速成正比的感應電勢E，變頻起動進入D狀態階段，逆變器的可控硅就利用這感應的反電勢E進行換流，即自然換流。現以圖（a）中N1換流到N3為例分析： #p#分頁標題#e#
設原來N1N2導通，負載電流經+—N1—a相—c相—N2流通，若在圖3（b）中，M點所對應的時刻觸發N3，N3導通后在M點N1承受的反電壓UAB=0，隨時間的推移，將有UAB<0，即N1仍承受正向電壓無法關斷，因此，將M點觸發提前到M′點，則N1承受的反向電壓UAB>0，只要這時間大于可控硅的關斷時間，Ｎ1可靠關斷，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的大小是通過調節整流電壓Ud來控制的,那么f2由什么來控制？調節控制f2就是調節逆變器可控硅工作的時間長短不同，時間長，即周期長，而f2低。縮短可控硅的工作周期，則f2增加。可以達到這個目的，只要按要求產生逆變器可控硅的觸發脈沖即可。本裝置在P狀態采用的方式是：
由一個主控振蕩器Ａ5，在積分器Ａ4的控制下，產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六個逆變器觸發脈沖，從而達到控制調節f2的目的。
2.4.2 Ｄ狀態f2的控制
變頻起動進入D狀態，逆變器可控硅依靠反電勢E進行自然換流。對逆變器觸發脈沖采用自控式調頻控制方法：即檢測同步電動機端電壓和定子電流，再根據E=U-（IR+Ldi/dt）進行運算，得出感應電壓的基波值EA，EB，EC。將基波值經過濾波、邏輯電路變換，形成逆變器各橋臂的導通脈沖。此外，EA，EB，EC基波信號還將送入速度傳感環節（包括f/V變換）。轉換成速度反饋信號。當整流器的Ud增加，EA，EB，EC也相應增加，由于f/V環節的控制作用，逆變器輸出三相交流電的頻率f2和電壓U2成比例提高，當U2為10KV時，f2達到50HZ，這樣完成在D狀態下的f2的控制。
2.5自動整步微調控制
同步電動機在D狀態下，轉速n和頻率f2都在呈線形上升。當接近于次同步時：
即ｎ＝０.9ne,頻率約為45HZ。自動整步的過程開始。這時向速度調節系統送入降低加速率的信號，0.9ne是由同步切換電路中的電位器設定的,將實際轉速的信號n和設定值0.9ne進行比較,一旦轉速n>0.9ne時,加速開始減慢.雖然加速率減小了,但轉速和頻率仍在增加,當達到超同步時,即S<0,這時f2約51HZ,Ud為12000伏左右。角度調節器進入調節外部電路的工作，電壓失調角δ傳感器形成角度調節電路的反饋信號。在轉差率較大時轉速微調環節接通，該環節階梯式地降低轉速給定信號，當轉差率小到一定值時，調節器系統捕獲和保持住惰行角的給定值。切換并網的時刻來臨。
2.6同步切換并網的條件
① 電網電壓U1與電機的電壓U2相同U1=U2。
② 電壓相位角度值之差δ≤（50∽100）電角度。
③ 電網電壓的頻率f1與電機電壓的頻率f2相同，f1= f2。
④ 連鎖信號正常。
系統一旦滿足上述條件，立即發出切換命令，高壓開關Q1吸合，而起動裝置的Q和Q2高壓開關斷開。10KV的高壓直接由Q1供給同步電動機定子。變頻起動過程結束，裝置推出工作。

３ 系統的實際應用與評價
本裝置已應用多年，多年來先后起動同步電動機若干次，成功率很高，對高壓供電電網沒有沖擊的影響。從起動開始到同步并網，一般為4-5分鐘左右，由于受電網電壓波動的影響，每次起動并網時間都不一樣。另外，每次起動時，空壓機風門大小不同，即負荷不同，對同步并網也由影響，總之，經實際應用，說明這套同步電動機起動系統是穩定的。技術是成熟的。
本裝置是用于交流電機變頻調速的標準控制系統，可以作為大中容量的同步電動機起動裝置，也可以作為大中型交流電機變頻調速之用。我國目前還沒有定型的成功產品，可以供學習和借鑒。