（控制理论与控制工程专业论文）数字化励磁装置控制器的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 励磁系统对同步电机及电力系统的安全稳定运行有着重要的作用。 本文介绍了一种基于8 9 c 5 1 微控制器的同步电动机微机励磁装置。总体 上描述了该装置的硬件组成，详细介绍了投励单元的设计、采用可编程系统 器件中心控制单元的设计以及数字移相和脉冲产生环节的设计。 在本课题所研究的同步电动机微机励磁装置中，我们编写了功能齐全， 内容丰富的软件程序。软件采用v h d l 语言设计实现了8 0 5 1 单片机系统的各 模块功能要求，并对各个模块进行了验证，包括c p u 模块、定时器计数器模 块、存储器模块和数模转换器模块，通过验证达到了设计的功能要求。 软件程序与硬件资源相结合，使装置具有较高的技术性能。在软件设计 中，两个通道的程序除了一个可在线修改的参数( c i i c o n f i g = i 为主通道； c h c o n f i g = 2 为备用通道) 不同外，其余程序和参数的设置完全一样，实现的 功能相同。这样实现了软件程序的通道兼容，使现场操作人员方便调试。同 步电动机微机励磁装置的调节器采用模块化程序设计方法和多级异步中断控 制方法。 由8 9 c 5 1 单片机和e p m 7 0 3 2 可编程系统器件实现的同步电动机微机励 磁装置具有硬件结构简单、抗干扰能力强、软件编程灵活、容易应用多种控 制规律等特点。 励磁装置微机化的实现，为采用极点配置自校正p i d 控制规律提供了条 件。极点配置自校正算法虽然复杂，但应用其原理设计的励磁控制器具有良 好的适应性，能根据系统参数变化适时调整控制器参数，能够实现对同步电 机的最优励磁控制。从励磁调节器的控制规律来讲，本文重点分析了应用极 点配置白校正p i d 控制技术在励磁调节器上的实现。 关键词：同步电动机：励磁；微控制器；e p m 7 0 3 2 ；极点配置自校正p i d 控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x c i t a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r tt ok e e ps y n c h r o n o u sm o t o ra n d e l e c t r i cp o w e rs y s t e mr u n n i n gs t e a d i l ya n ds a f e l y t h i sp a d e rr e s e a r c h e sak i n do fm i c r o - c o n t r o l l e re x c i t a t i o ne q u i p m e n to f s y n c h r o n o u sm o t o rt h a ti sb a s e do n8 9 c 5 lm i c r o c o n t r o l l e r i td e s c r i b e st h e h a r d w a r eo ft h es y s t e ma saw h o l ea n di n t r o d u c e st h ed e s i g no fe x e r t i n ge x c i t a t i o n u n i t c e n t e rc o n t r o lu n i tb a s e do ne p m 7 0 3 2t e c h n o l o g y a n dt h e d i g i t a l p h a s e s h i f t i n ga n dp u l s e g e n e r a t i n gu n i ti nd e t a i l s i nt h es y n c h r o n o u sm o t o rm i c r o c o m p u t e re x c i t a t i o ni n s t a l l m e n to f t h i sp a d e r w ec o m p i l et h es o f t w a r ep r o c e d u r e sw h i c hh a v ec o m p l e t ef u n c t i o na n dr i c h c o n t e n t u s i n gt h em e t h o da n dt h ed e s i g nc l e wo ft h el a n g u a g ev h d l t h e r o o d u l ef u n c t i o n so fs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r8 0 51 ，s u c ha sc p um o d u l e t i m e r o rc o u n t e rm o d u l e ，m e n l o r ym o d u l ea n dd ac o n v e r t e rm o d u l ea r ea c h i e v e da n d p r o v e dt om e e t t h ed e m a n d t h es o f t w a r ep r o c e d u r ea n d 廿1 eh a r d w a r er e s o u r c e su n i f y , w h i c he n a b l e st h e e q u i p m e n tt oh a v et h eh i g ht e c h n i c a lp e r f o m l a n c e ，i nt h es o f t w a r ed e s i g n t h e p r o c e d u r e sa n dt h ep a r a m e t e re s t a b l i s h m e n to ft w oc h a n n e l sp r o c e d u r e sa r e c o m p l e t e l ys a m e e x c e p ta n o n l i n er e v i s i o n p a r a m e t e r fc h c o n f i g = 1 p r i m a r i l yc h a n n e l ：c h c o n f i g - 2s p a r ec h a n n e l ) a n dt h ef u n c t i o no ft h e s e p r o c e d u r e si s a l s os a r n e w h i c hr e a l i z e st h e c o m p a t i b i l i t yo f 血es o f t w a r e p r o c e d u r ec h a n n e la n dc a u s e st h es c e n eo p e m t o rt of a c i l i t a t et h ed e b u g g i n g t h e s y n c h r o n o u sm o t o rm i c r o c o m p u t e re x c i t a t i o ni n s t a l l m e n tr e g u l a t o ru s e st h e m o d u l a r i z e dp r o g r a md e s i g nm e t h o da n dt h em u l t i s t a g ea s y n c h r o n o u si n t e r r u p t c o n t r o lm e t h o d 8 9 c 5lm i c r o - c o n t r o l l e ra n de p m 7 0 3 2t e c h n o l o g yh a sas i m p l eh a r d w a r ea n d s t r o n ga b i l i t yt or e s i s tt h ei n t e r f e r e n c e 、i ti sp r o g r a m m e de a s i l ya n de a s yt ou s e v a r i e sc o n t r o l l i n gs t r a t e g y t h er e a l i z a t i o no ft h em i c r o c o m p u t e re x c i t a t i o ni n s t a l l m e n tp r o v i d e st h e c o n d i t i o nf o ru s i n gt h ec o n t r o lr u l eo ft h ep o l ec o n f i g u r i n gs e l f - t u n i n gp i d t h e p o l ec o n f i g u r i n gs e l f - t u n i n ga l g o r i t i n ni sc o m p l e x ，b u tt h ed e s i g n e de x c i t a t i o n c o n t r o l l e rw h i c ha p p l i e si t sp r i n c i p l eh a st h eg o o dc o m p a t i b i l i t y , w h i c hc a na tt h e f i g h tm o m e n ta d j u s tt h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h es y s t e mp a r a m e t e r c h a n g ea n dc a nr e a l i z et h em o s ts u p e r i o re x c i t a t i o nc o n t r o lo ft h es y n c h r o n o u s m o t o r o nt h es e c t i o no fe x c i t e rs t r a t e g y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h eu s eo fp o l e c o n f i g u r i n gs e l f - t u n i n gp i dc o n t r o lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sm o t o r ；e x c i t a t i o n ；m i c r o c o n t r o l l e r ；e p m 7 0 3 2 ；p o l e c o n f i g u r i n gs e l f - t u n i n gp i dc o n t r 0 1 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：拯： 日 期： 多年j 月多日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 本课题是结合黑龙江化工厂的科研项目进行的，实现同步电动机励磁系 统主要是励磁调节器的微机化，重点研究了极点配置自校正p i d 控制规律在 励磁装置上的应用。 国内外同步电动机励磁装置大多采用恒励磁电流运行方式，但在电网电 压或负载变化时多不能很好地维持在额定功率因数下运行。本设计采用了两 种运行方式即恒励磁电流方式和恒功率因数方式，以及作为调试及试验方式 的恒a 角方式。 在起动投励方面，设计了相应的硬件电路。利用电流l 。e m 块监视起动时 转子感应电流的变化。把电流变化信号送入微控制器，由软件进行控制，根 据负载的实际情况，转子的加速度情况确定最佳投励时刻，顺向投励，使投 励过程平稳，对转子冲击小，牵入同步时间短，投励准确，克服了模拟励磁 系统对投励时刻判断不准确，到时不投励的缺点。同时在起动中对转子的加 速过程进行监视，如长时间不满足投励条件，则认为起动发生故障，及时跳 闸停机，进行检查。 在励磁控制规律的选用上，本设计打破了以往惯用的恒定增益系数的 p i d 控制方式，代之以极点配置自校正p i d 控制方式。极点配置自校正p i d 控制器能够自动辨识同步电机参数，按工程或设计要求自动整定p i d 控制器 参数，从而实现对同步电机励磁的最优控制。 本课题由于采用微机励磁使得同步电动机的励磁控制更加完善，保护更 加可靠，并采用有效的控制方法，为实现微机励磁系统提供了理论依据和性 能预报，具有重要的理论意义和实际工程价值。 1 2 中国电力励磁装置的现状及特点 目前中国励磁装置从制造厂家来看，首先是有多家外国制造商，如广州 抽水蓄能电站引进阿尔斯通的励磁装置，隔河岩电站引进加拿大通用电气公 司的励磁装置，马迹塘、五强溪电站引进奥地利伊林公司励磁装置，三峡水 电站采用西门子的励磁装置等等；也有引进技术的合作生产企业，如李家峡 电站部分机组由东方电机厂与abb 合作完成；还有拥有自主知识产权的国 营和民营科技企业，如国电公司南京自动化研究所、国电公司电力科学院、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 河北工业大学电工厂、华中理工大学等10 多个单位都开发了数字式调节器。 从励磁装置的技术状况来分，不论是原装进口，还是中国制造，都有与世界 水平同步的高端数字化产品，也有老、小电站至今还沿用着的模拟分离器件 产品、磁放大器及磁场变阻器等励磁装置。机组状况不同，其励磁装置的技 术水平也参差不齐。但是，从国内外生产厂家在中国电站运行的各种励磁装 置来看，虽然各有千秋，但技术特点还是基本相同的。 1 随着微电子技术、计算机技术、电力电子器件的进步，数字化技术不 同程度地应用于各类励磁装置中。数字化励磁装置已经成为各类老机组设备 改造和新机组设备选型的必然结果。 2 电站自动化系统的应用，无人值守、少人值班逐渐成为电站运行管理 的基本模式，电站设备运行计算机监控系统、电站经济运行计算机管理系统 以及电网稳定运行计算机自动化调度系统都对励磁装置提出了新的要求。 3 去掉励磁机采用静止励磁方式，已经成为励磁方式的主流。许多相关 技术如干式励磁变压器、非线性电阻、热管散热技术等被大量采用。 4 电站对励磁有其特殊要求，目前lo 万k w 以上机组其成套设备包括 励磁在内，几乎是全部购买外国产品。这一产品的开发，在国内以主机制造 厂为主。从励磁技术看，国内有实力的厂家都能制造，主要是缺乏经验和机 会。 1 3 中国电力励磁装置的技术开发现状和发展趋势 随着中国电力产业的飞速发展，中国电力励磁装置的研究开发单位逐渐 增加，专业制造商发展到今天已有几十家，技术开发的特点各有侧重，各有 特色，但其共同点是向数字化方向发展。 1 3 1 数字式励磁调节器的特点 1 ) 硬件结构简单可靠。调节器由专用的高速可编程控制器或高速微处 理器及必要的输入输出电路构成，省掉了大量的逻辑控制继电器，而且易于 采用冗余容错硬件结构方式，其可靠性大大提高。 2 ) 通过软件实现各种调节控制功能。励磁调节计算、逻辑控制、ps s 及各种励磁限制功能均能由软件实现，还可以实现多种调节规律的选择切 换。 口国 系统 等参 接磁度测机励温检人示、动 和显流自节时电、调行、断地一廷压诊现常电自的正子括 统。转包系器、还磁示率，励显功视在d 功监现c 无行 。l、逆便或压障 ： 方d 电故护e 组种维l 机各 行和如的运盘，统，键据系好小数磁友用量励面采测对界都规，机本常外 人基些此 外一 。 内的数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等。 4 ) 较强的通讯功能。为了方便地实现励磁系统与电站计算机监控系统 的控制及数据交换，可根据用户的要求设置串行通讯或网络通信接口。便于 在远方了解励磁系统的运行情况，还可对励磁系统的参数进行修改和设置， 有利于电站实现少人值守、无人值班。 1 3 2 数字励磁调节器硬件结构 通常数字励磁调节器的硬件结构形式是依据机组容量等级和所在电力系 统的重要性进行选择的，目前主要有单通道微机、双通道微机和多通道微机 结构。核心控制器主要有l6 位和32 位两个类型，控制器有单片机、ds p 、嵌入式工控机、plc 、通用型工控机等。 i ) 单通道微机调节器由单微机及相应的输入输出回路组成，有一个自 动调节通道( avr ) 和一个独立( 或内含) 手动调节器通道( fcr ) 。这 种形式在中小型水电站中应用较多。 2 ) 双通道微机调节器由双套微机和各自完全独立的输入输出通道构成 两个自动调节通道( avr ) 和内含两个或一个手动通道( fcr ) 。正常情 况下一个通道工作，另一个处于热备用状态，彼此之间用通讯方式实现跟踪 功能，当工作通道故障时，备用通道自动无扰动接替故障通道工作。这种硬 件结构形式通常用于大中型水电机组，以确保机组的连续、可靠、稳定运行。 3 ) 多通道微机调节器目前主要有两种典型结构。一种是以多微机构成 多自动通道，通常是三通道，工作输出采用3 取2 的表决方式；另种是由 多微机构成两个自动通道，外加模拟手动通道，多个微机问依据不同功能有 不同分工，相互以通讯方式传递跟踪各种信息。 1 3 3 中国电力励磁装置技术开发现状 1 ) 近年来我国微机励磁系统已取得长足进步，装置软件丰富、调节保护 和限制功能齐全、可靠性高。全双微机自并激可控硅静止励磁系统已成功地 在我国大型机组上投运。许多新建中小型机组都普遍采用数字式励磁装置。 电力自动化研究院电气控制研究所是我国较早研制微机励磁系统的单位 之一。90 年代初已形成sj 一800 型双微机励磁调节器，其后又研制成 功savr 一2000 型励磁调节器。 哈尔滨电机厂有限责任公司与华中理工大学合作研制的h wlt 一4 型 微机励磁装置采用二台mit 一20 00 工控机组成的双微机励磁调节器， 并没有带触摸屏的ppc 102 平板式工控机，为用户提供显示和控制、 数据设定、状态监视、故障指示和故障分析的人机界面。此外还配置了一套 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模拟电路的磁场电流调节器，它与数字调节器互相跟踪，自动切换。 东方电机股份有限公司生产的dwls 一2c 型双微机励磁调节装置的 cpu 采用32 位80486dx 一100 微处理器，静态ram 电子盘5 12kb 、4m 内存、2m 的flashrom ，励磁装置各柜与调节器间 的通讯、各冗余单元通讯及使用图形界面应用arc net 工业区域网，该 装置采用高速i o ，用高速光电隔离a d 。 1 3 4 中国电力励磁装置的技术发展趋势 1 ) 微机励磁调节器的调节控制和限制保护等所有功能，均是通过软件 实现，随着硬件集成度的提高，cpu 功能愈来愈强，运算时间愈来愈短， 硬件结构可以做得越来越简单。目前国外生产的调节器由用多个cpu 向用 个功能强的cpu 发展，势必使运行维护量减少，终将达到”傻瓜型”的 效果。 2 ) 在励磁方式上，大中型机组多采用自并励方式。因而反应速度快， 动态品质优良，有利于长距离输电，并能提高机组和电力系统的暂态稳定。 3 )向取消机械式灭磁开关的方向发展。随着大功率电力电子元件的发 展，国外近期采用电子开关来代替机械式灭磁开关。这是因为电子开关无机 械触点、无火花和瞬时过电压、动作速度快、易于维护，克服了机械开关动 作频繁、触头易烧坏、机械调整复杂、易失控后产生危险的转子过电压等缺 点。 4 ) 励磁变压器、保护单元、功率单元、灭磁单元等励磁系统的基本组 件将会因标准化和用户的需要，而趋势向模块化和通用化。每个组件单元将 具备独立的、智能化的数字式监控接口，借此进步提高励磁系统的可靠性。 1 4 本论文的研究内容 1 本论文所研究的课题是结合黑龙江化工厂开发的数字式微机励磁调节 装置的研究而进行的。包括励磁装置所必需的硬件电路，开关量输入输出单 元、模拟量输入输出单元、触发脉冲放大及脉冲丢失监测单元、跨接器脉冲 控制单元、滑差测量单元、以及c p u 主控单元。本论文着重分析了主控单元、 跨接器脉冲控制单元、滑差测量单元、数字移相和脉冲产生环节的硬件装置 设计。 2 微机励磁装置由于其硬件设计简单，软件编程灵活，容易应用多种调 节控制规律，因此为同步电机励磁系统越来越多地采用。c p u 一般工作于 1 0 m h z 以上的工作频率，这很容易在它的外围电路中产生干扰，也容易被 外围信号干扰，使程序不能正常运行，产生误动作，甚至造成重大事故。本 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 课题在硬件设计中采用a l t e m 公司生产的8 9 c 5 1 作为c p u 主控元件，同时采 用将e p r 0 5 l i 、s r a m 、p l d ，定时器计数器和中断控制器集成到一片芯片中的 现场可编程系统器件e p m 7 0 3 2 ，可以很好地防止干扰，使其与单片机配合工 作。 3 本系统的软件主要由主程序、中断服务程序、起动与保护系统和各个 子程序组成。软件采用硬件描述语言v h d l 设计实现了8 0 5 1 单片机系统的各 模块功能要求，并对各个模块进行了验证，包括c p u 模块、定时器计数器模 块、存储器模块和数模转换器模块，通过验证达到了设计的功能要求。 4 采用单片机控制技术实现的同步电动机励磁装置可以完成投励控制功 能，包括延时投励控制和按转子电压频率原则产生投励信号的控制；完成励 磁控制功能，还包括脉冲输出控制，过流保护控制，电流给定限制控制，这 样经过单片机控制产生的触发脉冲对称度好。应用单片机控制技术同时也具 有电流无静差调节功能和完善的故障监视功能。 5 励磁装置微机化的实现，为采用极点配置自校正p i d 控制规律提供了 条件。极点配置自校正算法虽然复杂，但应用其原理设计的励磁控制器具有 良好的适应性，能根据系统参数变化适时调整控制器参数，能够实现对同步 电机的最优励磁控制。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章同步电动机励磁调节系统概述 电动机一般分为两大类：同步电动机和异步电动机。同步电动机具有功率 因数可以超前、运行稳定性好、效率高和转速不随负载变化而改变等特点。 因此在不需要调速的低速大功率机械中，为了改善电网的功率因数，广泛采 用同步电动机”。 励磁系统对同步电机及电力系统的稳定运行有着重要的作用。励磁系统 一般由两部分构成：第一部分是励磁功率部分，向同步电机的励磁绕组提供可 调节的直流励磁电流；第二部分是励磁调节器部分，通过测量、比较、计算 等环节控制励磁功率的大小，改变同步电机的功率因数，进而改善系统的功 率因数，提高系统的运行效率。 国内统计表明，因励磁系统故障造成的停机事故比机组本体的故障率要 高。因此设计制造调节精度高、可靠性好的励磁控制系统，并使之系列化、 通用化、标准化是今后的发展趋势。 2 1 同步电动机励磁调节系统的主要作用 2 1 1 对电网的无功补偿及经济运行 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【2 1 。 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r 。= 0 ：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 1 所示【3 】o 由假设2 可知 由假设3 可知 又由于： ，：掣s i n 0 ：常数 x d e o s i n 0 = 常数 p = m u i c o s o = 常数 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可得： c o s = 常数( 2 - 4 ) 由图2 1 可知，当电枢电流j 超前励磁反电动势赢时，电枢反应是去磁 的，在电网电压不变的情况下( 无穷大电网) ，为了保持气隙合成磁通不变， 必须增大励磁电流。即同步电动机在恒转矩负载( 即恒功率) 下运行时，调节 励磁电流，即可改变电机的无功功率。当调节励磁电流时，赢的端点将落在 垂直线爿b 上，定子电流，的端点将在水平线c d 上。当定子电流j 与端电 压u 同相时，中= 0 ，c o s o = 1 ，表示同步电动机仅从电网吸取有功功率，定 子电流因不含无功分量而数值最小，此时的励磁状态称为“正常励磁”。当增 加励磁电流，瓦值增大，定子电流比正常励磁时大，而且超前于电压寸，电 动机从电网吸取超前的无功功率，也就是向电网输出滞后的无功功率，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。这时同步电动机工作在过励磁状态。若减小励磁电流，赢值减 小，定子电流将滞后于电压沙，电动机从电网吸取滞后的无功功率，定子电 流比正常励磁时大，这时电动机处于欠励磁状态。如果进一步减小励磁电流， 岛将继续减小，而功角目和功率因数角中也将继续增大，使定子电流进一步 增大。当毛2 目”时，口2 9 0 。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。 6 j- 撬广x 嗣 ；弋潆掣 k e ：。 图2 1 隐极同步电动机相量图 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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。 若某地拥有较多的感性负载，则可采用同步电动机，并使其运行在过激 状态下，进行无功补偿。这样避免了从发电站远距离输送无功功率，减少线 路损耗和电压降落，充分利用发电和供电设备的容量，提高总的用电功率因 数，提高电力系统运行的经济效益。 瓮户l 图2 2 利用同步电动机改善电网功率因数 由图2 2 可以看出同步电动机改善电网功率因数的原理。设a 为感性负 载，从电网吸取滞后的感性电流，若负载端同时装有过励状态运行的同步 电动机b ，这时同步电动机将从电网吸取超前的容性电流l ，于是输电线中 的电流为j = j ，+ l 。由上述向量图可见，同步电动机从电网吸取的超前电流 厶可以部分或全部补偿与此同步电动机相连的电网的滞后感性电流，使输电 线损耗减小，提高电网的功率因数。 2 1 2 提高同步电动机运行的稳定性 同步电动机接到电压为u 的电网上稳定运行时，其输出功率为( 忽略损 耗，认为电磁功率全部输出，等于负载功率) p ：墨旦s i n 臼( 2 5 ) x d 以为同步电动机的同步电抗，e o 为由励磁电流所产生的电动机内电势， 臼为功角。若电动机的励磁电流保持常数不加调节，e o = 常数，电机的功率 特性为一征弦曲线，如图2 3 所示。 其静态稳定功率极限为 。一甄。u 一1 ( 2 6 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p p 09 0 01 8 扩 0 图2 3 电机的功率特性曲线 同步电动机运行时，当电网或负载发生微小扰动时，在扰动消失后，电 机能够回复到原先的状态下稳定运行，则称为静态稳定，否则，就是不稳定 的。对隐极同步电动机而言，在o ( o 9 06 范围内是静态稳定运行区，在0 ( 臼( 1 8 0 0 范围内是静态不稳定运行区。即a ，p ) o 时，电动机是稳定运行的，且粤的数 c 口 值大小表示了同步电动机抗干扰而能保持稳定运行的能力的强弱。 由粤：兰些c o s 0 可以看出，通过增加励磁电流，能够提高电动机的过载 d d 能力，增大静态稳定。 2 2 同步电动机励磁控制系统的分类和构成 同步电动机的励磁系统为由外电源供电的他励式励磁系统。其励磁系统 主要有下列几种： 2 2 1 直流励磁机励磁系统 图2 4 直流励磁机励磁系统原理图 9 | |擎 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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，其原理如图2 4 所示。 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，效率也低，因此目前己基本被淘汰。 2 2 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( u ) 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 ( t ) 。因此，它只是一种过渡性励磁系统，其原理图如图2 5 所示。 2 2 3 可控硅励磁系统 图2 5 硅整流励磁系统原理图 在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 2 6 为可控硅励磁系统的原理框图。励磁系统由整流变压器( t ) 、可控硅整流 桥( u ) ，灭磁装置及自动励磁调节器( a v r ) 等组成。 可控硅励磁系统具有以下特点： l 、励磁供电电源的主电路采用三相桥式整流电路，其输出和电机励磁绕 组采用固定接线，从而保持了同步电动机固有的起动特性。 2 、与同步电动机定子回路没有直接的电气联系，因此同步电动机可以根 据电网情况设计成为高压3 、6 、l o f t y 或低压3 8 0 v ，且全压起动或降压起动 不受限制。 3 、对于全压起动，在转子的转速达到亚同步速时，可自动地按照转子滑 i 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 差为5 一3 顺极性投入励磁，把同步电动机牵入同步运行。 4 、对于降压起动，当其转速达到同步转速的9 0 左右时，自动切除降压 起动电抗器，并自动投入全电压使同步电动机继续加速至亚同步转速，并按 转子滑差5 一3 顺极性投入励磁，使同步电动机拖入同步运行。 5 、交流电网电压波动时，具有电流负反馈环节从而自动保持基本恒定励 磁。在电网电压下降至某一百分比时，实现强行励磁，强励电压倍数为 l _ 2 1 8 倍允许强励时间不超过1 0 s 6 、起动和停机时能自动灭磁。电动机异步运行( 起动或失步) 时，具有灭 磁保护，保证同步电动机转子绕组及可控硅元件不被感应过电压击穿。 7 、可方便调节励磁电压、电流，从而进行功率因数调整，其调节范围为 额定值的1 0 一1 7 0 。 8 、电动机正常或事故停机时，可控硅整流桥将变为逆变状态工作，从而 使转子顺利灭磁。 图2 6 可控硅励磁系统原理 可控硅励磁系统具有运行可靠，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，另一种供冲击负荷的同步电动机励磁用。 两种励磁系统除了具有上述特点外，供冲击负载使用的励磁系统还具有按负 荷大小自动调整励磁，以保证同步电动机无功电流基本恒定的功能，并可实 现动力制动和具有零励磁保护等。 2 3 同步电动机励磁调节装置设计的发展概况 励磁系统的发展历史，是由简单到复杂、从单一功能到多种功能的发展 历史。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 励磁调节装置元器件和结构的发展 经历了由电动机械型到电磁型到半导体型几个阶段。从目前情况来看， 国内外的同步电动机励磁系统的控制与保护大多仍采用模拟元器件组成，由 于模拟元器件易受温度影响，随季节的变化整定值漂移，模拟反馈信号线性 差，模拟给定信号准确性、重复性差等使整个系统的精度不高，系统硬件资 源损耗大，而且模拟元件改动困难，与上级控制系统交换信息困难，调试不 方便，不易进行故障诊断。随着计算机技术在许多工业控制领域的应用，加 速了控制信息处理向数字化处理的转变，采用数字式励磁调节系统已成为发 展趋势【4 】。 微机励磁调节装置由于硬件简单，软件丰富，能方便地实现现代控制规 律和各种功能，性能优良，调节准确，精度高，在线改变参数方便，而且能 够根据现场情况进行软件修改，调试方便，因此已广泛受到重视和欢迎1 5 j 。 单片机抗干扰能力强，适合工作于恶劣的现场工作环境，而且造价低，所以 在工业控制系统中，励磁调节器的主控单元大多由单片机及其辅助电路构成， 并取得了很好的效果。 在主控硬件电路的设计中，常规的方法是用各种功能数字集成电路实现， 包括r a m 、定时器、锁存器、中断控制器及各种译码电路等。这就使得硬件 电路非常复杂，容易引进干扰，造成误动作，尤其是在为了满足快速运算的 需求而采用高c p u 工作频率时高频干扰尤为严重。可编程逻辑器件为高集成 度器件，内含各种常规外围芯片的功能。采用可编程逻辑器件可以有效地避 免干扰问题，并且可以根据需要灵活修改设计方案。 同步电动机励磁调节装置在硬件结构上从可靠性角度考虑采用双通道结 构。双通道励磁调节装置的调节部分由两套完全相同的硬件电路来完成，两 个通道互为热备用，当一个通道出现故障时可以平稳地切换至另一通道，还 可在正常情况下检修备用通道，从而保证系统的稳定运行，提高系统的可靠 一 生。 2 3 2 励磁调节装置控制规律的发展 励磁调节规律从简单的比例反馈调节发展到比例一积分一微分( p i d ) 调节、 剧线性最优控制原理设计的多参量反馈调节；从线性励磁调节发展到自校正 励磁调节、自适应励磁调节、模糊励磁控制等非线性励磁调节。 p i d 控制器是同步电机励磁控制器的基本控制方式。p i d 调节方式的各种 理论比较成熟，有着较多的调试与应用经验，在现代电力系统运行中仍然发 挥着很重要的作用。但由于电力系统的时变性，运行条件、网络参数经常变 化，恒定增益系数的p i d 控制器有时并不能满足系统的实际要求。选用自校 哈尔滨工程大学硕士学位论文 正p i d 励磁控制器，采用极点配置的设计方法，通过在线辨识同步电机的参 数，实时改变p i d 控制器的增益系数，从而实现对同步电机励磁的自适应控 制。该控制器能够自动跟踪同步电机运行条件及网络结构的变化，具有比常 规励磁控制器更为优越的性能1 6 j 。 2 4 本章小结 本论文所研究的课题是结合黑龙江化工厂开发的数字式微机励磁调节装 置的研究而进行的。包括励磁装置所必需的硬件电路，如开关量输入输出单 元、模拟量输入输出单元、触发脉冲放大及脉冲丢失监测单元、跨接器脉冲 控制单元、滑差测量单元、以及c p u 主控单元。本论文着重分析了主控单元、 跨接器脉冲控制单元、滑差测量单元、数字移相和脉冲产生环节的硬件装置 设计。 微机励磁装置由于其硬件设计简单，软件编程灵活，容易应用多种调节 控制规律，因此为同步电机励磁系统越来越多地采用。c p u 一般工作于 1 0 m h z 以上的工作频率，这很容易在它的外围电路中产生干扰，也容易被 外围信号干扰，使程序不能正常运行，产生误动作，甚至造成重大事故。本 课题在硬件设计中采用a l t e m 公司生产的8 9 c 5 1 作为c p u 主控元件，同时采 用将e p r o m 、s r a m 、p i 。d ，定时器计数器和中断控制器集成到一片芯片中的 现场可编程系统器件e p m 7 0 3 2 ，可以很好地防止干扰，使其与单片机配合工 作。 励磁装置微机化的实现，为采用极点配置自校正p i d 控制规律提供了条 件。极点配置白校正算法虽然复杂，但应用其原理设计的励磁控制器具有良 好的适应性，能根据系统参数变化适时调整控制器参数，能够实现对同步电 机的最优励磁控制。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章微机励磁控制器硬件系统设计 3 1 同步电动机微机励磁系统的原理 同步电动机微机励磁装置采用他励式静止可控硅励磁方式。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运行方式，三是恒 给定开环( 恒a 角) 运行方式。恒功率因数运行方式( 方式i ) 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a ，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 ( 方式i i ) 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( 方式i i i ) 是一种供调试和备用的调节方式。 同步电动机的起动采用异步方式起动，电机起动至亚同步转速时投励单 元投励，使励磁系统立即投入工作，将同步电动机牵入同步运行。 在电动机正常停机时，全控整流桥从整流工作状态立即转入有源逆变状 态，能够保证电机的顺利灭磁。 同步电动机微机励磁装置的硬件主要由励磁功率部分和励磁控制部分等 细成。 3 1 1 励磁功率部分 励磁功率部分主要由三相全控整流桥及其保护装置、起动电阻回路等组 成。 同步电动机励磁系统的主回路是励磁系统的功率输出部分，其主要作用 是将交流电源变为直流电源，以供给电动机励磁绕组。电动机励磁系统功率 输出部分司由三相桥式不可控、半控或全控整流电路组成 8 】o 由于三相半控 桥和三相不可控整流电路需要续流二极管并联在转子绕组上，在电机起动过 程中，当转子感应电势为负半周时，通过续流二极管将会短接放电电阻，使 单轴效应显著，减少同步电动机的起动转矩：而三相全控桥则不存在这个问 题，同步电动机在起动过程中，励磁绕组感应的交变电流的两个半周都将通 过放电电阻，故电机在起动过程中有足够的起动转矩和牵入转矩9 1 ，即完全 保持了同步电动机的固有特性，另外三相全控桥的控制灵敏度和静差均优于 半控桥，并且动态特性也较好。因此在励磁系统中通常采用的是三相桥式全 控整流电路，移相角度为1 5 。一1 5 0 。，并接有灭磁环节，对于接在电动机励磁 哈尔滨工程大学硕士学位论文 回路中的三相全控桥式整流电路，除了完成交、直流转换的任务外，正常停 机或故障跳闸时还可将储存在电机励磁绕组磁场中的能量，经全控桥迅速反 馈回交流电源，即进行将直流变换为交流的逆变灭磁。 整流电路的阻容吸收电路为三相五线式阻容吸收电路，吸收效果明显， 能有效抑制操作过电压和换相过电压，可靠保护晶闸管。 起动电阻回路主要由晶阐管、二极管、起动电阻以及晶闸管触发电路组 成，我们也称之为跨接器。在电机的起动及失步再整步过程中，晶闸管由专 用单元产生触发脉冲导通 1 0 , 1 1 1 ，当满足投励条件后阻塞触发脉冲，晶闸管截 止，起动电阻切除，起动完成。当转子回路有过电压产生时，晶闸管由过电 压触发电路打通，有效地保护转子免受损害。 3 1 2 励磁控制部分 励磁控制部分主要包括主控单元及其外围附加电路，模拟量适配单元、 模拟量输入单元、有功无功变换器、脉冲放大单元、跨接器触发脉冲单元、 转差测量单元，为了使微机励磁装罱具有更高的可靠性，励磁控制部分设计 了两个完全相同的通道，互为备用，并且可以进行平稳地切换。 励磁调节器硬件通道各部分主要功能： ( 1 ) 模拟量处理：包括模拟量适配单元、模拟量输入单元、有功无功变换器。 它们的作用是将励磁电流、有功无功、定子电压等信号变换为满足主控单元 要求的输入信号。励磁电流量则采用以霍尔效应为基础的l e m 电流变换器， 采样快速，精度高。量测信号经二阶有源滤波电路后输出至主控单元的a d 输入端，供微控制器采样处理。定子电压经整流滤波后输出至主控单元的a d 采样回路。模拟量处理单元还包括同步电压的滤波及变换电路。由同步变压 器来的三相同步信号首先经过采样保持电路去除由晶闸管换相缺口造成的同 步信号干扰，然后经过r c 滤波电路滤波，最后经过变换电路变为方波信号， 输出至主控单元。 ( 2 ) 开关量输入输出：开关量输入经过两级光电耦合输入至主控单元，由主 控单元产生的开关量信号经光电耦合和继电器隔离后输出。 ( 3 ) 脉冲放大及检测：实现触发脉冲的放大及丢失脉冲报警的功能。 ( 4 ) 转差测量单元。测量电动机的转差，在电机起动时判断投全压及投励时 刻，正常运行时监视电机的失步。 ( 5 ) 跨接器触发脉冲单元。在起动和灭磁时发出触发脉冲，使跨接器导通。 ( 6 ) 主控单元：主要完成模拟量信号的采集、开关量状态的输入、实现控制 规律的算法，产生触发脉冲以及各种保护和监控。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 同步电动机的起动与转子转差信号的测量 3 2 1 同步电动机的起动 同步电动机只有在同步转速下才能产生恒定的同步电磁转矩。如果在电 动机起动时直接投入励磁，这时定子绕组产生的磁场以同步速旋转，产生旋 转磁场，而转子仍处于静止状态，在气隙中产生静止的转子磁场，定、转予 磁场之间以同步转速m 作相对运动，功角臼随时间而变，即 日= ( l 一6 0 ) t + o o 式中以为定子磁场的同步角速度 缈为转子磁场的角速度 o o 为扛0 时的功角 则同步转矩为： fr rr ，2 一 ，= 兰警s i n i ( 1 一) r + 岛l + 兰- ( 一) s i n 2 i ( ( - 0 1 一c o ) t + o o ( 3 一1 ) d z 由式( 3 1 ) 可知作用在转子上的同步电磁转矩为交变的脉动转矩，平均转 矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩，必须借助于其它方法起动。其中 常用的起动方法有辅助电机起动、变频起动、异步起动等。根据同步电动机 的容量、负载性质和电网等情况的不同，同步电动机由异步起动至转速达到 亚同步转速的过程中，可采取直接全压起