同步电动机励磁控制系统研究---优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdfVIP

工学硕士学位论文 同步电动机励磁控制系统研究 孙元辛 哈尔滨工业大学 2008 年 7 月 国内图书分类号：tm341 国际图书分类号: 621.3 工学硕士学位论文 同步电动机励磁控制系统研究 硕 士 研 究 生： 孙元辛 导师： 高 强 教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科 、 专 业： 电气工程 所 在 单 位： 电气工程系 答 辩 日 期： 2008 年 7 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index：tm341 u.d.c.: 621.3 dissertation for the master degree in engineering research on synchronous motor excitation control system candidate： sun yuanxin supervisor： prof. gao qiang academic degree applied for： master of engineering specialty： electrical engineering affiliation： school of electrical engineering and automation date of defence： july, 2008 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 同步电动机广泛应用在工农业生产恒速系统，具有自由调节功率因数、 转速恒定，负载特性硬等特点。励磁系统是同步电动机的重要组成部分，直 接影响电机的运行特性，而同步电动机的励磁控制有两个问题需要解决，一 是在同步电动机的起动过程中如何控制励磁；另一个是在牵入同步以后在同 步电动机的运行过程中励磁电流的调节。本文正是主要针对这两方面的问题 进行励磁控制系统的研究和设计的。 在起动投励方面，本文重点研究了异步起动的方式，同时硬件的设计兼 顾了以后软启动方式的功能的扩展。针对当前异步起动主要采用的转子电量 法投励方法存在的问题，即在接近同步转速时，励磁绕组在低转速气隙磁场 切割下感应信号微弱，本文在详细分析同步电动机起动和投励过程的基础 上，提出使用无转子位置传感器定子电量法投励，通过仿真和实验证明该投 励方法具有可靠性好、牵入同步时间短、对电网冲击小、牵入同步容易等优 点，很大程度上解决了目前同步电动机异步起动投励存在的问题。 在励磁调节方面，本文设计了功率因数检测电路，不仅使系统具有恒励 磁电流运行方式，还能够使其处于恒功率因数运行状态，提高了系统的性 能。为适应当前励磁控制系统的发展要求，针对目前已投入实际使用的数字 式励磁控制装置的控制核心多为传统的单片机，存在运算精度和速度有限， 影响励磁控制系统的响应速度和准确性的问题，本文以 dsp 作为励磁控制 器的核心，利用其强大的运算功能和丰富的软硬件资源，研究基于 dsp 的 励磁控制系统的硬件电路实现及相关软件的设计。 另外，移相触发电路是三相晶闸管电路的核心控制部分，针对传统的晶 闸管整流系统模拟脉冲触发器器件参数较为分散，存在调试、使用不便和产 生的脉冲对称性差等问题，并且鉴于 cpld 强大的逻辑和时序功能以及在 系统编程、调试方便的特点，文本设计了以 cpld 为核心的双脉冲序列数 字移相触发器，电路简单可靠，脉冲对称性好，抗干扰能力强，极大地减轻 了处理器负担，调试方便，在电动机励磁控制领域有着广泛的应用前景。 关键词 同步电动机；异步起动；励磁电流调节；dsp；cpld 晶闸管触发 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract synchronous motor is widely used in industrial and agricultural fixed-speed system, with features in free-conditioning power factor, constant speed, hard load characteristic and so on. excitation system, an important part of the synchronous motor, has a direct impact on the operation of the motor. two problems about the synchronous motor excitation control have to be solved; one is how to control the exciting, the other is how to adjust the exciting current after the synchronization. this thesis focuses on the exciting control system in these two problems. when comes to exerting exciting, a large part of this thesis is dedicated to the asynchronous starting method. because the rotor-inductive voltage becomes rather weak when synchronous motors speed approaches synchronous speed in rotor-electricity exerting exciting method, a sensorless stator-electricity exerting exciting method is presented in this paper based on the elaborate analysis of the synchronous motor starting and exerting exciting process. simulations and experiments show that this method is reliable, short synchronized time, low impact to the grid, easy to synchronize, which to a large extent solves the exerting existing problems in synchronous motor asynchronous starting. as far as exciting adjust is concerned, a power factor detecting circuit was designed, which not only provides the fixed exciting current running mode but also the constant power factor running mode. because the most processors currently used in digital exciting system are mcus, with limited computing speed and accuracy, which impact the control systems response speed and accuracy. in order to meet the developing requirements of the excitation control system, dsp, taking advantage of its powerful computing capabilities and rich hardware and software resources, is used as the core of excitation controller. the hardware and software designs showed in this paper are based on this platform. in addition, the phase-shifting trigger circuit is the core of the three-phase thyristor circuit. for the distributed analog pulse trigger device parameters of the traditional scr rectifier system, it is inconvenient to debug and use and with the problem of poor pulse symmetry. in view of the strong logic and timing functions of cpld, as well as in-system programming, convenient debugging, it is 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - designed to generate the double pulse sequence digital phase-shift trigger. with its simplicity and reliablility, pulse symmetry, and anti-jamming ability, the phase-shift trigger greatly reduces the burden on the processors, and has a broad prospect in the field of electrical excitation control. keywords synchronous motor; asynchronous starting; exciting current adjusting; dsp; cpld scr trigger 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘要.i abstract. ii 第 1 章 绪论7 1.1 课题背景和意义.7 1.2 同步电动机的励磁控制系统的发展现状.9 1.2.1 同步电动机励磁装置的发展9 1.2.2 同步电动机励磁控制器的发展10 1.3 同步电动机的起动方式的发展现状.11 1.4 本论文研究的主要内容.12 第 2 章 同步电动机励磁调节系统的控制过程13 2.1 同步电动机异步起动过程中的励磁调节.13 2.1.1 同步电动机异步起动过程分析13 2.1.2 同步电动机各投励方式分析15 2.1.3 新型无传感器定子电量法最佳顺极性投励方法17 2.2 同步运行过程中的励磁电流控制.19 2.2.1 同步电动机的功率因数可调原理19 2.2.2 同步电动机运行时的励磁电流控制20 2.3 同步电动机的失步保护.21 2.4 本章小结.22 第 3 章 同步电动机异步起动的仿真研究23 3.1 同步电动机的状态方程.23 3.1.1 同步电动机的电压和磁链方程23 3.1.2 同步电动机的电磁功率、电磁转矩及转子机械运动方程26 3.1.3 同步电动机转速变化时的状态方程29 3.2 同步电动机异步起动仿真模型的建立.30 3.2.1 凸极同步电动机异步起动过程的动态特性模型30 3.2.2 凸极同步电动机异步起动的仿真算法33 3.3 仿真结果及分析.33 3.3.1 无异步力矩的异步起动过程34 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 3.3.2 无单轴力矩的异步起动过程35 3.3.3 减弱单轴力矩（加限流电阻）的异步起动过程36 3.3.4 合理利用单轴力矩（0.5s 时断开励磁绕组）的异步起动过程37 3.4 本章小结.37 第 4 章 同步电动机励磁控制系统的硬件设计38 4.1 同步电动机励磁控制系统的总体设计方案.38 4.2 励磁控制系统硬件主回路的设计.39 4.3 dsp 主控制单元的设计 .41 4.3.1 电源管理模块的设计41 4.3.2 sram 存储器的电路设计 42 4.3.3 spi 串行外设接口模块的设计43 4.3.4 can 通信模块的设计 .43 4.4 数据采集电路的设计与实现.44 4.4.1 滤波电路44 4.4.2 过零比较器45 4.4.3 幅值检测电路47 4.4.4 功率因数检测电路48 4.5 本章小结.49 第 5 章 基于 cpld 的晶闸管数字移相触发器的设计50 5.1 触发脉冲及同步电路单元.50 5.2 脉冲隔离放大单元.52 5.3 数字移相触发脉冲的实现.53 5.4 实验结果及分析.55 5.5 本章小结.57 第 6 章 同步电动机励磁控制系统的软件设计58 6.1 系统主程序的设计.58 6.2 异步起动最佳顺极性投励的软件设计.59 6.2.1 50%同步转速检测的软件设计 .59 6.2.2 投励转速与投励角度检测的软件设计60 6.3 数字式 pid 控制器的设计 61 6.3.1 位置式 pid 递推算法与积分分离法 .61 6.3.2 励磁系统电流闭环 pid 控制 .63 6.3.3 实验结果及分析65 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vi - 6.4 本章小结.66 结论67 参考文献68 附录71 攻读学位期间发表的学术论文72 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明73 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书73 致谢74 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 第1章 绪论 1.1 课题背景和意义 同步电动机广泛应用在工农业生产恒速系统，具有自由调节功率因数、转 速恒定，负载特性硬等特点。现在电力系统中，大部分负荷为感性负荷，如感 应电机、并联电抗器、输电线路的感抗和变压器等，感性负载都需要从电网上 吸收感性无功功率，降低了电网的功率因数，使发电、供电设备容量不能充分 利用，线路损耗和压降增大，造成系统电压下降13。而同步电动机的励磁调 节系统可以通过调整本身的励磁电流使其在较高的功率因数下运行。当系统中 感性负荷较重而功率因数较低时，可让同步电动机在过激状态下运行，以提供 容性无功，来提高整个系统的功率因数，这样使所有电气设备如发电机、变压 器和输电线路的容量得到充分的利用，提高运行效率 46。 同时，当前我国电力供应十分紧张，在世界能源严重不足的今天，节约能 源势在必行，电机系统的节能在这种情况下同样很重要。为节能降耗，电励磁 的同步电动机引起人们的重视，其原因在于：在拖动周期性波动负载的工况 下，电励磁同步电动机的节能效果比永磁同步电动机更为显著。因为理想的机 械特性应是软机械特性，即当负载增大时转速下降，当负载减小时转速升高， 这样方能保证在负载变化的整个周期内，功率变化始终较为平缓。由于永磁同 步电动机的磁场不能改变，故其转速无法随负载变化而作相应调整。而电励磁 同步电动机则可通过调节励磁电流来改变磁场和功率因数，使输出的机械特性 与负载特性相匹配，因而较永磁同步电动机具有更好的节能效果7。 励磁系统是同步电动机的重要组成部分，由于人们对同步发电机和同步电 动机的重视程度不同，致使同步电动机励磁装置的发展远远落后于同步发电 机，国内更是如此。而同步电动机的励磁控制有两个问题需要解决，一是在同 步电动机的起动过程中如何控制励磁；另一个是在牵入同步以后在同步电动机 的运行过程中励磁电流的调节813。 在起动投励方面，当前同步电动机的起动主要采用异步起动法，即利用转 子磁极上的起动绕组将电机异步起动到接近同步转速后在某一时刻施加励磁， 从而使电机牵入同步。此方法较电机辅助起动和变频起动方便和较低的成本投 入，但投励一直是困扰异步起动的难题，同步电动机在投励后产生强烈的振 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 荡，定子电流冲击大，牵入时间长，在重载条件下甚至不能牵入同步，对电机 本身和电网造成不利影响。目前同步电动机异步起动的投励普遍采用转子电量 法顺极性投励方式，利用励磁绕组在异步起动过程中产生的感应电压信号判断 投励转速与投励时刻，但在接近同步转速时，励磁绕组在低转速气隙磁场切割 下感应信号微弱，在工况大干扰条件下出现不能投励或误投励现象屡见不鲜， 因此未能根本解决问题1416。 在励磁调节方面，随着励磁控制系统的发展，为了提高励磁控制的性能和 运行指标，励磁控制器的控制方法变得越来越复杂，同时还附加了许多的控 制、保护功能，因此对励磁控制器的要求也就越来越高。影响先进的励磁控制 方法应用于实际的原因，一方面是由于理论本身还有待完善，另一方面则是由 于目前大多数励磁控制器的控制核心处理速度不能适应这些控制方法对速度的 要求。目前，已投入实际使用的数字式励磁控制装置的控制核心使用的多为传 统的单片机或工控机，由于运算精度和速度有限，再加上部分装置采集数据所 用变送器的时间延迟，影响了励磁控制响应速度和准确性的进一步提高，限制 了一部分先进控制理论和方法的推广应用17。 另外，移相触发电路是三相晶闸管电路的核心控制部分，传统的晶闸管整 流或逆变系统采用的模拟脉冲触发器使用多个的模拟器件，器件参数较为分 散，不仅调试和使用不便，而且产生的脉冲对称性差。随着新型器件的发展， 数字移相技术逐渐开始取代传统的模拟移相技术。由于 cpld（可编程逻辑器 件）具有强大的逻辑和时序功能，而且可以在系统编程，调试方便，在数字移 相技术中得到广泛的使用。 针对以上几个问题，本文相应提出新型的同步电动机励磁控制系统。采用 无转子位置检测器的定子电量法最佳顺极性投励方法，该方法通过检测同步电 动机定子电流，软件分析定子电流波形来确定投励转速和转子磁极与气隙磁场 的相对位置，捕捉投励时刻实现最佳顺极性投励，取消了转子位置检测器，这 是一种新型的同步电动机异步起动投励方式，具有很强的工程应用价值。并且 以 dsp 作为励磁控制器的核心，利用其强大的运算功能和丰富的软硬件资 源，研究基于 dsp 的励磁控制装置的硬件电路实现及相关软件的设计，为适 应今后励磁控制的发展趋势，满足电力系统对励磁控制器性能日益增高的要求 打下一定的基础。同时，设计了以 cpld 为核心的双脉冲序列数字移相触发 器，该相控数字触发电路简单可靠，产生脉冲的对称性好，抗干扰能力强，与 一般微机控制触发器相比，该触发器极大地减轻了处理器负担，外围电路很 少，调试方便，在电动机励磁控制领域有着广泛的应用前景。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 1.2 同步电动机的励磁控制系统的发展现状 1.2.1 同步电动机励磁装置的发展 同步电动机的励磁系统是由外电源供电的它励式励磁系统，其励磁系统的 发展主要有下列几种： (1) 直流励磁机励磁系统 这种励磁系统用直流发电机作为励磁电源，而直 流发电机则由同步电动机转子直接带动，或者单独由交流异步电动机拖动。这 种励磁系统使用历史最长，在制造、运行等方面已有较丰富的经验，工作比较 可靠。但由于这种系统结构庞大复杂，调节励磁的反应速度慢，且直流励磁机 受制造容量限制，维护困难，效率低，因此目前已基本被淘汰。 (2) 硅整流励磁系统 随着电子器件的不断发展，同步电动机励磁系统逐渐 采用硅整流励磁系统。这种励磁系统采用硅整流器把交流变为直流，取消了有 旋转部件的直流励磁机，因而大大提高了效率，降低了损耗，减小了维护工作 量。但是，在实现调节控制上，与直流励磁机励磁系统是一样的，即仍采用复 杂、笨重的继电器接触系统。在手动调节励磁电流时，也需要操纵笨重的自耦 变压器。因此，它只是一种过渡性励磁系统。 (3) 可控硅励磁系统 可控硅元件产生后同步电动机的励磁系统有了突飞猛 进的发展，图 1-1 为可控硅励磁系统的原理框图。励磁系统有整流变压器(t)、 可控硅整流桥(u)、灭磁装置及自动励磁调节器(avr)等组成。 图 1-1 可控硅励磁系统原理图 可控硅励磁系统运行可靠，自动化水平高，维护工作量小，对电网电压波 动适应性强等特点，而且体积小、重量轻、效率高。因此已取代了硅整流励磁 系统，获得了广泛的应用。这种系统的使用需要较高的维护技术水平和较丰富 的实际运行经验。可控硅励磁系统按用途不同又分为两种。一种供拖动重载或 轻载起动的同步电动机单机配套恒定励磁用，对象为拖动大型电力排灌站各类 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 水泵、矿山球磨机、冶炼厂鼓风机、化肥厂各类压缩机、水泥厂管磨机等的同 步电动机单机励磁。另一种供冲击负荷的同步电动机励磁用，如轧钢负载等 18,19。 1.2.2 同步电动机励磁控制器的发展 20 世纪 50 年代，电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型的 励磁控制器。20 世纪 60 年代，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体 励磁控制器。电磁型、半导体型励磁控制器均属于模拟式的控制器，其所有功 能均由硬件完成。应该说，经过多年的发展和完善，半导体励磁控制器功能是 齐全的，基本上能满足电力系统的要求；性能是稳定的，随着元件质量和生产 工艺的提高，半导体励磁控制器的故障率已经比较低。但由于半导体励磁控制 器的各项功能均由硬件实现，增加一项功能就得增肌一套硬件，扩展性差 20,21。 近年来，随着数字控制技术、计算机技术以及微电子技术的飞速发展和日 益成熟，数字式励磁控制器已成为发展趋势。数字式励磁调节器具有以下优 点：增加励磁控制功能，改善电机运行工况；调节准确、精度高，在线修改参 数方便；利用计算机判断和逻辑运算功能及软件的灵活性，可以很容易的在励 磁控制中实现完备的限制及保护功能、通用而灵活的系统功能、简单的操作以 及智能化的维修和试验手段；硬件结构简单，可靠性高，无故障工作时间长； 通信方便、易于实现自动化；便于产品更新换代；人机界面友好，运行维护方 便22。这些优点使得微机励磁控制器从其诞生之日就显示强大生命力和良好的 发展前景，并取得广泛应用，微机励磁控制系统也广泛应用于同步发电机的励 磁控制。 目前，己经投入实际使用的数字式励磁控制装置的控制核心使用的多为传 统的单片机(如 51 系列、96 系列)，由于运算精度和速度有限，再加上部分装 置采集数据所用变送器的时间延迟，影响了励磁控制响应速度和准确性的进一 步提高，限制了一部分先进控制理论和方法的推广应用。随着芯片制造技术的 发展，各种集成化的单片 dsp 的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来 越多，越来越好，价格却大幅度下滑，从而使得 dsp 器件及技术更容易使 用，价格也能够为广大用户接受，越来越多的单片机用户开始选用 dsp 器件 来提高产品性能。随着 dsp 技术的不断完善，各种 dsp 器件的不断推出， 为实时数字信号处理的应用创造了前所未有的广阔空间。原来普遍认为的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - dsp 具有强大的数据处理能力适用于计算密集型领域，而通用处理能力不 足，对外接口资源少，不适于做核心控制处理器用于控制密集型领域的问题已 经随着一系列新型控制专用 dsp 的推出而大大改观23。 1.3 同步电动机的起动方式的发展现状 前面已述，同步电动机在运行性能和生产效率方面有诸多优点，因此在恒 速大功率驱动系统中应尽量采用同步电动机，但其控制操作较异步电机复杂， 主要是同步电动机的起动、投励、励磁调节和灭磁等，由于近年来可控硅技术 和微型计算机(特别是单片机和 dsp)在同步电机励磁系统的应用，为解决这些 问题提供了条件。尤其是采用了无刷励磁方式，使得控制功率大大减小，运行 操作的可靠性显著提高。 同步电动机的起动直接关系到其运行性能。同步电动机的电磁转矩是由定 子电流建立的旋转磁场与转子磁场的相互作用而产生的，仅仅在两者相对静止 时才能得到平均电磁转矩。如将同步电动机励磁并直接投入电网，这时定子旋 转磁场与转子旋转磁场有相对运动，由于机械惯性，结果转子承受了一个交变 的脉振转矩，所以不能产生恒定方向的电磁转矩，其平均值为零，电机不能起 动24。为此必须借助于其他方法。目前，同步电动机的起动主要采取辅助电动 机起动法、变频起动法和异步起动法三种起动方法： (1) 辅助电动机起动法 先用辅助电动机将主机拖动到接近于同步转速，然 后用自整步法将其投入电网，在切断辅助电机电源。通常选用和同步电动机极 数相同的异步电动机 (容量为主机的 5-15%)作为辅助电动机。也可以采用比同 步电动机少一对极的异步电动机作为辅助电动机，将主机拖到超过同步转速， 然后切断辅助电动机电源使转速下降，当降到等于同步转速时刻，再将同步电 动机立即投入电网，这样可以获得更大的整步转矩。此方法的缺点是不能在负 载下起动，否则要求辅助电机的容量很大，增加整个机组设备的投资。 (2) 变频起动法 变频起动是设法改变定子旋转磁场转速，利用同步转矩来 起动的方法。在开始起动时刻，必须把电源的频率调得很低，然后逐步增加电 源频率直到额定频率为止，于是转子的转速也将随着定子旋转磁场的转速而同 步上升，直到额定转速。采用此方法起动需要有变频电源，增加了设备的经济 投入，且变频电源只在同步电动机起动时用，起动完毕便切除。此外励磁机必 定是非同轴的，因为如果是同轴，则在最初转速很低时无法产生所需的励磁电 压。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - (3) 异步起动法 现代的同步电动机多数在转子上装有类似于异步电动机鼠 笼绕组的起动绕组（即阻尼绕组） 。此时可采用类似于起动鼠笼型异步电动机 的方法来起动同步电动机，这是同步电动机最常用的起动方法。这种起动方法 较前两种起动方法经济，本文当前所做同步电动机起动研究也是主要针对异步 起动法，同时搭建的硬件平台，对于后续进一步工作实现同步电动机软启动的 励磁控制也同样适用。 1.4 本论文研究的主要内容 本文从同步电动机励磁控制系统的研究现状出发，通过研究励磁控制系统 的控制过程，对比以往的励磁系统存在的主要问题，提出新型的同步电动机励 磁控制系统方案，以 dsp 为控制核心，以新型无传感器定子电量法最佳顺极 性投励方法为起动投励方法，以 cpld 为晶闸管整流桥的触发脉冲发生器，以 积分分离法增量式 pid 递推算法为控制规律，完成了系统的硬件设计和软件设 计，并通过仿真和实验验证了该方案，实现了系统预期的功能。同时，该硬件 平台的设计，考虑到了对于同步电动机另一种起动方式即同步电动机软启动 (无换向器电机)的适用性，为今后进一步的工作，研究该同步电动机励磁控制 系统对于同步电动机软启动的控制方法打下了基础。 具体的研究内容包括： (1) 深入分析目前常用的同步电动机异步起动策略及其优缺点，在定子电 量法最佳顺极性投励策略的基础上，提出一种新型的无转子位置传感器定子电 量法最佳顺极性投励方式。 (2) 建立同步电动机异步起动的数学模型，通过对同步电动机几种异步起 动方式的仿真进行对比分析，验证合理利用单轴力矩的异步起动方式的有效 性，为励磁装置控制算法的确定奠定理论基础。 (3) 设计以 tms320lf2407 dsp 为控制核心的励磁控制系统的硬件平台和 软件流程，实现对同步电动机的投励以及励磁调节控制，确定异步方式起动时 新型定子电量法最佳顺极性投励以及运行时位置式 pid 递推算法的控制策略。 (4) 针对目前晶闸管移相触发器脉冲对称性差等缺点，设计基于 cpld 器 件 xc95108 的数字移相触发器的硬件电路，并采用 vhdl 语言进行软件编 程，实现对晶闸管整流模块的时序脉冲触发控制。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - 第2章 同步电动机励磁调节系统的控制过程 同步电动机的励磁调节系统主要有两个问题需要解决，一是在同步电动机 的起动过程中如何控制励磁；另一个是牵入同步以后在同步电动机的运行过程 中励磁电流的调节。 2.1 同步电动机异步起动过程中的励磁调节 2.1.1 同步电动机异步起动过程分析 目前多数同步电动机都用异步起动法来起动。为此，在电动机的主极极靴 上装设起动绕组(阻尼绕组)，它相当于感应电动机转子上的笼型绕组。起动 时，先把励磁绕组通过电阻短接，然后把定子绕组接到三相交流电网。这样， 依靠定子旋转磁场和转子起动绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电机便 能起动起来。待转速上升到接近于同步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组， 使转子建立主极磁场；此时依靠定转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩， 再加上凸极效应所引起的磁阻转矩(凸极转子直、交轴磁阻不相等引起的磁阻 (反应)转矩)，便可将转子牵入同步。所以异步起动过程包括“异步起动”和“牵 入同步”两个阶段。 图 2-1 同步电动机异步起动时的转矩曲线 在异步起动阶段，励磁绕组不能开路，否则起动时定子旋转磁场会在匝数 较多的励磁绕组中感应出高电压，易使励磁绕组击穿或引起人身事故。但不能 直接短接，否则励磁绕组(相当于一个单相绕组)中的感应电流与气隙磁场相作 用，将会产生显著的单轴转矩使合成转矩在 1/2ns附近产生明显的下凹，从而 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 14 - 使电机转速停滞在 1/2ns附近不能继续上升。为减小单轴转矩可在励磁绕组内 串接一个限流电阻，其阻值约为励磁绕组本身电阻的 510 倍。 表征同步电动机的异步起动特性主要是，起动转矩 mst和牵入转矩 mpi， 所谓牵入转矩，是指转速达到 95%同步转速时，投入励磁后便会产生一个将 电动机由异步状态过渡到同步状态的新的转矩，如图 2.4 所示，起动转矩和牵 入转矩的大小与起动绕组（指同步电动机的阻尼绕组和励磁绕组）的电阻值有 关。起动绕组电阻愈大，牵入转矩就愈小，起动转矩就大；反之，则反是。二 者之间存在的矛盾，只有根据实际生产情况综合考虑。 牵入同步过程较复杂。在异步转矩的作用下，可将电动机带动到同步转速 95%左右，在此低转差频率下磁阻转矩已经起作用。由于转子尚未励磁，转子 磁极仍无固定的极性而仅由定子磁场的磁化而定。因此，由于磁阻转矩，在异 步转矩上又加上了一个周期性交变分量，使转子转速发生振荡，当定子相对于 转子滑过一个极距时，磁阻转矩就变化一个周期。当电动机轴上负载较重时， 只靠磁阻转矩是无法把电动机牵入同步的。 图 2-2 同步电动机牵入同步时转速的振荡 当转速达到 95%同步转速时，如果接通励磁电流，则转子磁极就有了确 定的极性，这时转速振荡就有所不同，如果转子落后于定子等效磁极，则二者 极性相同时产生减速转矩，极性相反则产生加速转矩；而当转子超前定子时则 相反。故知每当定子相对于转子滑过一对极时，转矩才变化一个周期，因此该 转矩引起的转速振荡周期要比磁阻转矩引起的要大一倍。由于其周期较长，转 矩值又比磁阻转矩强得多，所以转速的变化也大得多，转速的瞬时值可能超过 同步转速，而在减速的过程中回到同步转速时由于整步转矩的作用，一般经过 很短一段衰减振荡后，转子即可牵入同步。一般讲，轴上的负载愈轻，电机就 愈容易牵入同步。凸极同步电动机由于磁阻转矩的作用，比隐极同步电动机更 容易牵入同步，当容量小惯性较小情况下，单靠磁阻转矩便有可能牵入同步。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 15 - 若负载过重、励磁过小，或接入励磁的瞬间(投励)不当，亦可能牵不进同步。 2.1.2 同步电动机各投励方式分析 2.1.2.1 投励区域分析 图 2-3 投励瞬间顺逆区间 (1) 在图(a)区域投励，励磁绕组中的感应电动势方向与励磁电流方向不相 同，转子磁势和定子磁势之间的夹角较大，且合成磁势滞后转子磁势以同步转 速运行，这时的电磁转矩为制动转矩，电机转速下降并发生振荡，电机本身也 会遭受机械冲击，对牵入同步不利。 (2) 在图(b)区域投励，励磁绕组中的感应电动势方向与励磁电流方向相 同，转子磁势和定子磁势之间的夹角较大，电机的合成磁势f较小，电机合成 磁势超前转子磁势，电磁转矩为驱动性质转矩，电机最终进入同步运行，但由 于f较小，且f与 d 轴夹角较大，所以牵入同步时间增加。 (3) 在图(c)区域投励，励磁绕组中的感应电动势方向与励磁电流方向相 同，转子磁势和定子磁势之间的夹角较小，电机的合成磁势f较大，电机合成 磁势超前转子磁势，即此时电磁转矩较大且为驱动性质转矩，所以电机加速转 矩大，很容易将电机牵入同步。 (4) 在图(d)区域投励，虽然电机合成磁势较大，但是励磁磁势超前合成磁 势，电磁转矩为制动转矩，阻碍电机进入同步，电机转速下降，点击发生振 荡。 由上可知，在图(b)、(c)区域中，投励后合成磁势和 d 轴之间夹角均在 (0，180)之间，电磁转矩为正(驱动转矩)；在图(a)、(d)中功角均在(-180，0)之 间，电磁转矩为负 (制动转矩)阻碍电机进入同步运行。所以投励瞬间定子合成 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 16 - 磁势与转子磁势之间的关系可以总结为：在顺极性范围内投励，励磁绕组感应 电压方向与励磁电流方向一致，转子磁极极性较强，与定子极性间顺向吸引逆 向斥力较大，对同步电动机牵入同步有利。因此，同步电动机的起动性能好坏 直接与投励功角相关。 2.1.2.2 传统的转子电量法顺极式投励方式 近年来，采用计算机控制技术(如单片机)的同步电动机顺极性投励，其原 理多采用转子电量法。转子励磁绕组的感应电压幅值和频率随转速的升高而减 小，将转子励磁绕组的感应电压信号运用过零比较器整形成方波输入微机计算 分析。检测方波的宽度即检测到同步电动机转速，在微机励磁系统中通过对方 波施加“基准时间脉冲”即 m/t 法测速原理，以所施加脉冲为时间基准，预先以 基准时间脉冲频率和 95%同步转速计算出所填脉冲数，对脉冲计数，当达到 95%同步转速后，在方波由负到正时刻延续一段时间投励，理论上在顺极性投 励区转子磁场和定子磁场夹角过零附近投励。 图 2-4 起动过程中转子电压理论波形 但是，转自电量法的使用仍然受到多种因素的影响，比如进入 95%同步转 速后，转子感应电压受电机端电压负载等影响较大，转子感应电压的大小及及 频率均很小，电机在恶劣工况下，转子感应电压波形很容易受到大的干扰出现 严重的毛疵，使得感应电压过零点不明确。由于获取投励的信号本身不确定， 转子电量法投励方式的投励时刻是不确定的，起动过程中难免造成投励失败。 总之，转子电量法的诸多弊端都要同步电动机的起动应寻求一种新的获取投励 信号的方式定子电量法。 2.1.2.3 定子电量法顺极式投励方式 定子电量法获取 95%同步转速和投励时刻信号均来自定子电量信号，能准 确对投励时刻信号进行捕捉，为在最佳顺极性投励区间投励提供了可能。 定子电量法的最佳顺极性投励实现的最直接方法即是在电机定子某相绕组 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 17 - 轴线位置和转子磁极轴线对应位置上安装转子位置检测器。当转子旋转到某一 位置时定子上发出一脉冲，其目的是确定转子磁极位置，安装转子位置检测器 的转子部分应与转子磁极相对应，而安装定子部分应与 a 相绕组的轴线呈最 佳顺极性投励夹角。通过在一定时间内接受的检测器发出的脉冲数便可以确定 电机的转速。捕捉定子 a 相电流的峰值，即捕捉到气隙磁场的方向，当满足转 速为 95%同步转速和定子 a 相电流为最大值且转子位置检测器发出一脉冲， 在这一时刻施加励磁。这就保证了最佳顺极性投励，使电机很快牵入同步。 但是，这又存在安装困难和增加硬件投入的问题，而且安装转子位置传感 器本身就给励磁系统带来不可靠因素，因此应寻找一种取消转子位置传感器的 更方便可靠的定子电量投励方法。 2.1.3 新型无传感器定子电量法最佳顺极性投励方法 同步电动机一般为凸极转子，转子在 d 轴和 q 轴位置的磁阻大小近似按正 弦规律变化，转子的 d 轴和 q 轴交替按转差速率与气隙旋转磁场重合，磁阻大 小不同必然会对定子电流引起变化，这样使得定子电流幅值出现与 d 轴和 q 轴 位置以及转差大小相关的一系列“载波”。 由前面分析可知，随着转速的升高转子电压逐渐减小使其采样易受到干 扰，因此基于此点，可以在接近 50%同步转速附近即将短接电阻切除，由于产 生过电压大小与转差率成正比，50%同步转速时转子励磁绕组中的感应电压已 达安全电压(如起动瞬间转子感应电压 2kv,此时则降为 1kv，励磁绕组的安全电 压一般为 1.5kv 以内)，同时由于切除后开路，可以彻底消除下凹的单轴转矩， 改善起动转矩性能。而在 50%转速以前励磁绕组感应电压较大，过零点清晰， 因此 50%同步转速的检测可以采用上述的利用转子励磁绕组的感应电压“基准 时间脉冲”测转速方法。 短接电阻切除后，同步电机等效于异步电机起动过程，但定子电流的幅值 变化与转子磁阻变化有关，如 d 轴与气隙磁场重合，气隙最小，由于定子电压 始终保持恒定，因此定子电流的峰值最小，q 轴与气隙磁场重合时，气隙最 大，相应定子电流峰值最大。幅值大小近似呈正弦周期性变化，其变化频率与 转差大小成正比。 如图 2-5 可知，电流幅值周期性变化，转速不同对应两最大峰值之间的波 头数不同。波头数即可反映转速大小，因此可通过计数两峰值之间的波头数来 达到检测电机投励所需的 95%同步转速的目的。气隙磁阻大小变化按两倍转子 旋转速度周期变化，因此定子电流中磁阻载波频率(电流幅值的变化频率)为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 18 - 2 2505fshzhz= =，200tms=，检测出磁阻载波一个周期内的基频波个 数，即得到转子的转速大小。当 95%同步转速时，磁阻载波一个周期内的基频 波个数为50/ 2 0.05 5010hzhz=（），转子相对于气隙磁场旋转一周为 20 个基 频波。检测误差可以如下计算，若一周测出 21 个基频波，可计算出此时转子 转速为(1 1/21)%95.42%=，可见相对于95%同步转速误差是非常小的。 图 2-5 95%同步转速时定子电流载波波形仿真图 当检测到电机转速达到95%同步转速后，即已满足投励转速的条件，接下 来需要捕捉投励角。实现最佳顺极性投励的关键是寻找最佳顺极性投励时刻， 即需检测出转子施加励磁后的磁极位置与气隙旋转磁场的夹角。当未施加励磁 时，定子电流中反映的只是单纯的磁阻引起的电流幅值变化，无法确定施加励 磁后磁极的极性，有可能顺极性亦有可能逆极性。为此，可以先在定子电流幅 值最小时，即转子d轴与气隙磁场重合，0= 时，先施加一小的励磁电流(可 为额定的一半或更小)，因定子电压频率幅值保持恒定，气隙磁场频率幅值也 恒定，必然使得定子电流增大或减小，采样观察定子电流有效值三个周期(95% 同步转速时一个基频周期转子相对于气隙磁场转过约为18)的变化，如定子电 流有效值减小， 施加励磁为增大气隙磁场方向，即为顺极性，施加额定励磁 投励，理论上在72时刻投励，保证了在90附近实现最佳顺极性投励。同样 如果定子电流在三个周期内有效值增大，表明为逆极性，停止施加励磁电流， 在检测到此后10个峰值后(相当于转过180)在最佳顺极性区域内投励，这时 转子已旋转到72最佳顺极性投励区内。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 19 - 2.2 同步运行过程中的励磁电流控制 2.2.1 同步电动机的功率因数可调原理 现代电力系统中，大部分负荷为感性负荷，如感应电机、并联电抗器、输 电线路的感抗和变压器等，感性负载都需要从电网上吸收感性无功功率，降低 了电网的功率因数，使发电、供电设备容量不能充分利用，线路损耗和压降增 大，造成系统电压下降25。 常用的感性无功补偿方法有并联静态电容器、同步调相机及同步电动机过 激磁运行等。其中采用同步电动机过激磁运行方法最为经济、简单。 现以隐极同步电动机为例，做以下假设：1、电枢电阻0 a r=；2、转矩负 载恒定不变；3、电网电压u恒定不变；4、不计及改变励磁电流对定子铁耗和 附加损耗的影响。则同步电动机向量图如图2-6所示26。 0sin e=常数 cos a i=常数 01 e 0 e 02 e 1a ji x a ji x 2a jix 1a i a i a ji x u u a i 03 e 0 e 2a i 图 2-6 隐极同步电动机向量图 由假设2可知： 0 sin d e u t x =常数 由假设 3 可知： 0 sine=常数 又由于： cos a pm u i=常数 可得： cos a i=常数 在有功功率不变的情况下：改变励磁电流时，e0的变化轨迹是一条与电压 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 20 - 向量 u 平行的直线ab，ia的变化轨迹是一条与电压向量u垂直的水平直线 cd。 (1) 调节励磁电流，使ia和u同相，即cos1= ，与此相对应的电势e0， 此时电动机没有无功功率输出，定子电流因不含无功分量而数值最小，这种运 行状态称之为正常励磁状态。 (2) 在此基础上增加励磁电流，使e0增到e01，电枢绕组中的电路从ia变 成ia1，且超前于u，此时电动机从电网吸取容性(超前)无功功率，向电网输出 感性(滞后)的无功功率，对电网进行感性的无功功率补偿，以供电网其他感性 负载的需要，从而改善电网的功率因数。这种状态称之为过励磁状态。 (3) 在正常励磁基础上减少励磁电流，使e0减到e02，电枢绕组中的电路 从ia变成ia2，且滞后于u，此时电动机从电网中吸取感性(滞后)无功功率，定 子电流比正常励磁时大。这种状态称之为欠励磁状态。如果进一步减小励磁电 流，e0将继续减小，而功角和功率因数角也将继续增大，使定子电流进一 步增大。当e0减至e03时，90=，已达到稳定极限，若再减小励磁电流， 将无法供给所需的有功功率，电动机将失去同步而出现不稳定现象27。 由此可见，同步电动机通过调整本身的励磁电流使其在较高的功率因数下 运行。当系统中感性负荷较重而功率因数较低时，可让同步电动机在过激状态 下运行，以提供感性无功，来提高整个系统的功率因数，这样使所有电气设备 如发电机、变压器和输电线路的容量得到充分的利用，提高运行效率。 2.2.2 同步电动机运行时的励磁电流控制 同步电动机励磁控制系统的运行方式有三种：一是恒功率因数闭环运行方 式，二是恒励磁电流闭环方式，三是恒给定开环(恒角)运行方式。恒功率因 数运行方式是在同步电动机运行时根据负荷及系统参数改变及时调整触发脉冲 的角度，进而调整可控硅整流桥输出的励磁电流来保证设定的功率因数不 变；恒励磁电流运行方式是同步电动机运行时，自动维持设定的励磁电流不 变，这种运行方式对由励磁绕组和整流系统构成的小环是闭环的；恒给定开环 方式是一种供调试和备用的调节方式。 励磁电流调节的要求有： (1) 负载恒定时的励磁电流调节。当负载