具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的一种永磁同步电动机同步变频软起动装置，其包括前级接触器、后级接触器、旁路接触器和变频软起动装置。

前级接触器、后级接触器：变频软起动装置起动完毕后，前级接触器、后级接触器断开，从而将变频软起动装置与电源断开，起到安全隔离作用。前级接触器的输入端与三相电网连接，前级接触器的输出端通过变频软起动装置与后级接触器的输入端电性连接，后级接触器的输出端与永磁同步电动机的输入端电性连接。

旁路接触器，变频软起动装置起动完毕后，旁路接触器合闸，电机并网进入工频运行状态。旁路接触器的输入端与三相电网连接，旁路接触器的输出端与永磁同步电动机的输入端电性连接。

变频软起动装置，采用电流源型变频器同步起动永磁同步电动机。本实施例中，变频软起动装置包括整流桥、直流电抗器、逆变桥、控制器、过零检测电路和晶闸管驱动电路；本实施例中，前级接触器的输出端通过依次串联的整流桥、直流电抗器和逆变桥与后级接触器的输入端电性连接，后级接触器的输出端与永磁同步电动机的输入端电性连接，过零检测电路的输入端与永磁同步电动机的输入端电性连接，过零检测电路的输出端与控制器的I/O口电性连接，控制器的SPWM输出端通过晶闸管驱动电路分别与整流桥和逆变桥中晶闸管的控制极电性连接。

整流桥，将三相50Hz交流电整成直流；采用6脉波整流技术，采用两个回路，有效降低电网输入测电流谐波；

直流电抗器将整流桥与逆变桥连接起来，限制直流回路的电流上升率，起着平波限流的作用；由于直流电抗器的限流作用，使变频器主回路的直流电流波形平直、脉动小，具有电流源特性；直流电抗器既有滤波功能又能当逆变侧发生短路故障时，电流不会发生突变；逆变桥将整流桥输出的直流信号逆变为一定频率的三相交流电输入待起动的同步电动机中。本实施例中，整流桥、直流电抗器和逆变桥的结构如图4所示，相比于传统的电流源型变频器，本实施例中，没有使用升压变压器和降压变压器对380V三相交流电进行变换然后再进行整流和逆变，而是直接对380V三相交流电直接进行整流和逆变。

过零检测电路，用于检测永磁同步电动机端电压是否处于过零点。由于在低速阶段，定子电压幅值非常小，并且直流电流脉动、定转子齿槽效应等因素引起的谐波电压叠加在电机电枢反电势上，引起电压波形畸变严重，导致低速阶段端电压过零点检测非常困难，因此，为了解决上述问题，本实施例中，如图2所示，过零检测电路包括：依次串联的电压互感器、过零比较器、反相器、二极管钳位电路、施密特触发器和光耦隔离器。

电压互感器，用于采集永磁同步电动机的端电压，并进行滤波。本实施例中，其一次侧采集永磁同步电动机输入端的电压，并在其二次侧生成交流信号。

为了便于后级电路处理以及过零比较，本实施例中，设置过零比较器将电压互感器输出的交流信号转换为该交流信号频率相同、相位一致的方波信号，本实施例中，过零比较器的电路图如图3所示。交流信号经过本实施例的过零比较器可以得到与该交流信号频率相同、相位一致、幅值为12V的方波信号。

为了消除过零点附近的干扰并且便于检测过零点，本实施例中，设置反相器，方波信号经过反相器反相后输入至二极管钳位电路。本实施例中，反相器的电路结构可以采用如图3所示的电路图。

二极管钳位电路，用于判断永磁同步电动机端电压是否过零点。本实施例中，二极管钳位电路的电路图如图3所示，二极管钳位电路的正向导通电压钳制在0.7V，当反相后的方波信号波形刚过零点时，二极管钳位电路导通，并输出脉冲信号，实现过零检测。

为了防止二极管钳位电路输出信号波形失真以及受环境干扰，本实施例中，设置施密特触发器对脉冲信号进行整形，从而稳定波形，再通过光耦隔离器输出至控制器的I/O口。

晶闸管驱动电路，接收控制器的按一定的控制策略产生控制信号，控制整流桥和逆变桥中晶闸管导通。可以采用现有技术实现，在此不再累述。

本实施例的工作原理为：电压互感器的一次侧采集永磁同步电动机输入端的电压，并在其二次侧生成交流信号，所述交流信号通过过零比较器转换为与该交流信号频率相同、相位一致的方波信号，所述方波信号经过反相器反相后输入至二极管钳位电路，二极管钳位电路的正向导通电压钳制在0.7V，当反相后的方波信号波形刚过零点时，二极管钳位电路导通，并输出脉冲信号，实现过零检测；所述脉冲信号经过施密特触发器稳定波形，再通过光耦隔离器输出至控制器的I/O口，控制器根据过零点位置得到转子的真实位置和转速后，按一定的控制策略产生控制信号，控制整流桥和逆变桥中晶闸管导通，并控制逆变桥输出三相电流的频率、幅值和相位大小，达到电机同步转速跟踪转子转速的目的，根据起动前给定的起动转速曲线，在规定时间内将电机带入全速。

本实施例的有益效果为：通过过零检测电路检测永磁同步电动机端电压过零点，实现转子位置区间的判断，相比与传统方法，可通过无位置传感器检测出转子的位置，并可有效检测出永磁同步电动机端电压；

通过在过零检测电路中设置反相器可有效消除过零点附近的干扰，设置二极管钳位电路可以有效检测出过零点电压，即使在低速阶段时永磁同步电动机端电压波形畸变严重的情况下，也可有效检测出过零点电压，设置施密特触发器进一步稳定波形，提高装置的可靠性；设置光耦隔离器实现电气隔离，提高装置的抗干扰能力；

本实施例的同步变频软起动装置在起动过程转速精确可控，可满足电机平滑起动要求；并且结构简单，无机械换向器，不会产生火花，便于维护；容易做到大容量，高转速，高电压，晶闸管实现串并联更加可靠，可以方便地实现四象限运行；

同步变频软起动装置是静止元件，维护工作量小，可靠性高，设备安装布置较灵活；

采用静止变频器起动可以使起动电流维持在同步电机要求的额定电流以下运行，对电网无任何冲击，具有软起动性能；

静止变频器电机结构无特殊要求，多台机组可共用一台装置，且可以满足运行过程中频繁起动的要求。

实施例2

由于只有检测出转子实际空间位置后，永磁同步电动机同步变频软起动装置才能决定逆变桥的通电方式、控制模式以及输出电流的频率和相位，从而保证逆变桥的输出频率和电机转速始终保持同步，而不产生失步和振荡。现有的采用机械位置传感器检测转子位置，虽然可以检测转子位置，但同时也增加了装置和的复杂程度和安装、调试及维护的工作量，降低了装置的可靠性。因此，本实施例中，通过过零检测电路检测永磁同步电动机端电压过零点，实现转子位置区间的判断；具体过程如下：

在实施例1的基础上，本实施例中，提供了一种永磁同步电动机同步变频软起动方法，包括以下步骤：

S1、根据永磁同步电动机励磁电流建立过程中检测到的三相定子电压，计算出转子的初始位置；

具体包括以下步骤：外界输出一阶跃变化的励磁电压至永磁同步电动机的机组，产生的激励电流跟随激励电压变化，激励电流产生的变化磁场在机组定子三相绕组上感应出三相感应电压，由于三相感应电压的相位、幅值与转子的初始位置有关，因此，通过检测三相感应电压的相位和幅值得出转子的初始位置。

S2、永磁同步电动机静止起动后，实时检测电动机转速，当永磁同步电动机转速低于额定转速的5％时，采用三相无关法检测转子位置，并采取强迫换相控制；

本实施例中，采用三相无关法检测转子位置具体包括以下步骤：通过过零检测电路检测永磁同步电动机输入端的电压，对永磁同步电动机的三路端电压进行数字滤波后，进行A/D采样，若三路端电压中有一路端电压值的符号发生变化，判定永磁同步电动机输入端电压出现过零点，根据过零点电压与转子位置关系得知当前转子位置。

本实施例中，强迫换相控制具体包括以下步骤：

S101、将整流桥的延迟角设置为150°，使整流桥进入逆变状态，使主回路电流降为零，关断逆变桥中所有导通的晶闸管；

S102、主回路电流降为零以后，再次使整流桥转入整流工作状态，并控制逆变桥中下一组待触发的晶闸管导通，重新建立直流回路的电流。

当采用强迫换相控制时，逆变桥的换相超前角对换相已不起作用，为增大起动转矩，减小转矩脉动，逆变桥的换相超前角一般取为0°；同时，由于采用强迫换相控制时，电流脉动较大，晶闸管导通时间也相对较长，故应对主回路电流加以限制，一般限制为额定电流的67％。

S3、当永磁同步电动机转速上升至额定转速的5％～10％时，基于电压过零检测法检测转子位置，并停止强迫换相，利用电机定子侧产生的反电势来自然换相；

本实施例中，利用电机定子侧产生的反电势来自然换相具体包括以下步骤：在永磁同步电动机的过零点处使逆变桥中晶闸管全部关断，按换相超前角等于60°的触发次序触发相应的晶闸管，并立即封锁电流信号，此时，一方面由于换相重叠角μ影响，使晶闸管通电时间增加；另一方面由于电枢反应影响，永磁同步电动机端电压的相位超前反电势一个功角θ，使负载时的实际换相超前角γ减小，因此，逆变桥的换相剩余角满足以下公式：其中，δ为逆变桥的换相剩余角，γ为带载时实际换相超前角，μ为换相重叠角，为换相超前角，θ为永磁同步电动机端电压的相位超前反电势一个功角，k为大于1的安全系数，w为逆变桥工作角频率的最大可能值，t₀为晶闸管的关断时间。

S4、引入电流闭环控制，在电动机最大允许电流和转矩受限制的条件下，充分利用电动机的过载能力，以最大的加速度起动，到达额定转速；

本实施例中，采用转速电流双闭环控制，起动加速过程中系统始终维持最大工作电流输出。

S5、当永磁同步电动机转速上升至额定转速的97％时，判断是否满足并网条件，当满足并网条件时，前级接触器和后级接触器断开，旁路接触器合闸，根据电网电压和同步电动机端电压频率的差值，产生一个附加的转速微调信号，自动地调整整流桥输出直流电压的高低，对同步电动机转速作微调；

S6、永磁同步电动机进入工频运行，进入恒功率因数控制或者恒电流控制状态。

如图5所示，为本实施例永磁同步电动机同步变频软起动控制系统框图，其与S1-S6对应；如图6所示，为晶闸管触发控制层策略的流程图。

本实施例的有益效果为：低速时采用直流脉动技术，周期地将直流环节电流降低到零，完成逆变换相；高速时逆变采用负载感应电势自动换相方式；可连续起动，重复精度高；起动容量小于电机额定容量的1/3；调速范围可以从电机的静止状态到额定转速，在此工作范围内静止变频器工作效率不会降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。