（电气工程专业论文）数字式同步电动机励磁装置的研制.pdf

摘要 摘要 同步电动机由于具有运行效率高，显著提高电网功率因数等特点，在工业生产领域 得到了广泛应用，特别是近年来水利、冶金、化工等行业的迅猛发展，使得同步电动机 的市场需求相当巨大。 励磁系统是保证同步电动机可靠运行的重要设备。时代的发展和技术的进步使用户 对励磁系统提出了更高要求，要求励磁系统具有更优的控制调节性能，更多和更灵活的 限制、报警、监控、保护等附加功能。系统数字化是励磁设备的发展方向。励磁装置数 字化不仅仅体现在励磁调节器，也体现在励磁功率单元。基于国内同步电动机励磁装置 的发展现状，本文主要介绍了一种数字式同步电动机励磁装置的研制，目的是研制达到 国内同类产品先进技术水平、性价比较高、具有较强市场竞争力的励磁装置，满足用户 需求，提高单位的经济效益。 本文首先分别介绍了励磁调节器、主回路、功率灭磁单元的总体设计方案，确定以 可编程控制器和单片机作为励磁调节和控制的核心，调节器双通道冗余配置，系统具有 优良的人机界面和灵活的通讯能力，主回路采用新型设计线路，改进了转子过压和灭磁 控制回路，提高了系统可靠性，对同步电动机实现数字式测频投励和失步检测，对励磁 功率整流单元进行智能化检测和控制。另外，具体介绍了本数字式励磁系统的软硬件设 计，针对试验结果进行了分析并介绍了实际工程应用情况。 论文分为矗章：第一章为绪论，主要对同步电动机的特点、类型，励磁系统的发展 及国内外差距，励磁调节的意义，课题来源及本文的主要工作进行了介绍。第二章确定 了励磁系统的调节器、主回路、功率灭磁等单元的设计方案，并对电动机的起动和失步 问题进行了分析。第三章介绍了数字式励磁装置的软硬件设计情况。第四章对仿真试验 和现场试验波形进行了分析。第五章介绍了具体的工程应用情况。 本课题选题是广州电器科学研究院根据市场需求并结合具体的工程项目而确定的。 产品己在广东东深供水工程中得到了成功应用，受到了用户的好评，获得了较好的经济 效益和社会效益，该项产品和技术值得进一步推广应用。 关键词：数字式励磁装置：调节器；功率单元；串行通讯；智能化 芝要堡王盔主堡兰堡笙苎 a b s t r a c t s y n c h r o n o u sm o t o r h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o nf i e l d o w l n g t oi t so b v i o u sc h a r a c t e r so fh i g hr u n n i n ge f f i c i e n c ya n di m p r o v i n gt h e p o w e rf a c t o r i np a r t i c u l a r ，w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h o s ei n d u s t r i e s o fw a t e rc o n s e r v a n c y ，m e t a ll u r g y a n d c h e m i c a l ，t h e m a r k e to f s y n c h r o n o u s m o t o rw i l lb e l a r g e r t h a ne v e r e x c i t a t i o n s y s t e m i s v e r yi m p o r t a n t t ot h et e l i a b l e o p e r a t i o n o ft h e s y n c h r o n o u sm o t o r ，t o d a y ，u s e rr e q u e s t s m o r et ot h ee x e i t a t i o ns y s t e m t h e p r i o r c o n t r o l r e g u f a t i o np e r f o r m a n c e ，t h e f u r t h e ra n df l e x i b l ea d d i t i o n a l f u n c t i o n sa r en e e d e d ，s u c ha s1 i m i t a t i o n ，a l a r m ，m o n i t o r i n g ，p r o t e c t i o ne t c d i g i t i z e ds y s t e mw i l l b et h ed e v e l o p m e n tt r e n df o rt h ee x c i t a t i o n s y s t e m i t i s r e q u i r e d n o t o n l y t h e d i g i t i z e d e x c i t a t i o nr e g u l a t o rb u ta l s ot h e p o w e r u n i ts h o u l d b e d i g i t i z e d b a s e d o nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed o m e s t i c e x c i t a t i o ns y s t e mo ft h es y n c h r o n o u sm o t o r ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e so n ek i n do f d i g i t i z e de x c i t a t i o ns y s t e mw i t hd i g i t i z e dr e g u l a t o ra n dp o w e ru n i t r e s e a r c h a n dd e v e l o po ft h i ss u b j e c ta i m sa tr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go n ee x c i t a t i o n s y s t e m w i t h h i g h t e c h n i c a l l e v e l ， n i c er a t i oo f c o s t p e r f o r m a n c e a n d g o o d m a r k e t c o m p e t i t i o n c a p a b i l i t y t o s a t i s f y t h ec u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s a n d i m p r o v e t h ep r o f it so ft h ec o m p a n y f ir s t l y ，g e n e r a ld e s i g np r o j e c to fe x c i t a t i o nr e g u l a t o r ，m a i n c i r c u i t ， p o w e ra n dd e e x c i t a t i o n u n i ti si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e np r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ( p l oa n ds i n g l ec h i p m a c h i n ea r ea f f i r m e da sc o r e o ft h e r e g u l a t i o n a n dc o n t r o lo f t h ee x c i t a t i o n r e g u l a t o ra d o p t s d u a lc h a n n e l r e d u n d a n c yc o n f i g u r a t i o n e x c e l l e n t h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n df l e x i b l e c o i n n u n i c a t i o nc a p a b i l i t y a r e p r o v i d e d n e wt y p ed e s i g n i s a d o p t e d i nt h e m a i nc i f e n i t ，w h e r er o t o ro v e r v o l t a g ea n d d e e x c i t a t i o nc o n t r o lc i r c u i t s a r eg r e a t l yi m p r o v e d ，s oa st oi m p r o v et h es y s t e mt e l i a b i l i t y i na d d i t i o n ， d i g it i z e d f i e l df l a s h i n g w i t hin s p e c t i n g f r e q u e n c y a n do u to f s y n c h r o n i z a t i o n t e s ta r eu s e df o rt h es y n c h r o n o u sm o t o r i n t e l l i g e n td e t e c t a n dc o n t r o l a r ee x e c u t e dt ot h ep o w e rr e c t i f i e fu n i t f i n a l l y ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h es o f t w a r e a n dh a r d w a r e d e s i g n o ft h i s d i g i t i z e d e x c i t a t i o n s y s t e m a n d a n a l y z e s t h e t e s t i n g r e s u l t s a 1 s o t h ea c t u a l p r o j e c t a p p l i c a t i o ni sg i y e n t h i sp a p e risc o n s i s t e do f f i v ec h a p t e r s t h e f i r s tc h a p t e rise x o r d i u m i t g i y e sab r i e f n t r o d u c t i o n a b o u tc h a r a c t e ra n dt y p eo fs y n c h r o n o u sm o t o r ， d e v e l o p m e n to f t h ee x c i t a t i o ns y s t e m ，t e c h n i c a ld i f f e r e n c e b e t w e e nd o m e s t i c i i a n d f o r e i g np r o d u c t s ，p u r p o s e o fe x c i t a t i o nr e g u l a t i o n ，s u b j e c ts o u r c e a n dm a i nw o r ko ft h i sp a p e re t c i n t h e s e c o n d ，t h ed e s i g np r o j e c t o f r e g u l a t o r ，m a i nc i r c u i t ，p o w e ra n d d e e x c i t a t i o nu n i ti sp r e s e n t e d a 1 s oi t a n a l y z e s s o m es p e c i a lp r o b l e m s ，s u c ha s s t a r ta n do u to fs y n c h r o n iz a t i o n d e s i g n o f s o f t w a r e a n dh a r d w a r ef o r t h e d i g i t i z e d e x c i t a t i o n s y s t e m i s i n t r o d u c e di nt h i r dc h a p t e r i nt h e f o u r t hc h a p t e r ，i ta n a l y z e st h ew a v e f o r m o fs i m u l a t i o nt e s ta n d s t et e s t c o n c r e t ep r o j e c ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o n i s i n t r o d u c e din f if t bc h a p t e r t h i s s u b j e c t i se s t a b i s h e d i n g u a n g z h o u e l e c t r i c a p p a r a t u s r e s e a r c h i n s t i l u t ea c c o r d i n g t ot h em a r k e t r e q u i r e m e n t s a n da c t u a lp r o j e c t - t h e p r o d u c t h a s a l r e a d y b e e n a p p l l e di nt h e g u a n gd o n gd o n g s h e n w a t e r s u p p l y p r o j e c t a n d g a i n e d g o o d c o m m e n t sf r o mt h e c u s t o m e r a l s oi t b r i n g s o u t s t a n d i n ge c o n o m i cp r o f i t s a n ds o c i a lp r o f i t s a sar e s u l t ，t h ep r o d u c ta n d t e c h n o l o g ya r ew o r t h y o ff u r t h e rp r o m o t i o n k e yw o r d s ：d i g i t i z e d e x c i t a t i o n s y s t e m ，r e g u l a t o r ，p o w e r u n i t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ， i n t e l l i g e n t 1 1 | 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：钦孰日期：2 。f 年厶月罗口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：毁巍 导师签名：该；1 良 f 期：勿，f 年d 月z 日 日期：文口。中年易月c 2 r 日 1 1引言 第一章绪论 1 9 世纪末叶，出现了交流电，解决了三相制交流电的输送和分配问题，制成了经济实 用的异步电动机。由于大量使用三相异步电动机，交流电网的功率因数普遍偏低，为 了改善功率因数，同步电动机诞生并开始得到发展和应用。 同步电动机是一种把电能转换成机械能的定、转子双边励磁的交流电动机。与异 步电动机相比，主要具有以下特点： 1 ) 功率因数高。同步电动机不仅本身具有良好的功率因数，而且还可以通过调节转 子励磁电流，在超前的功率因数下运行，向电网输送感性无功功率，从而有利于提高 电网的功率因数。 2 ) 运行稳定性高。同步电动机在超前功率因数下运行时，其过载能力比相应的异步 电动机要大。当电网电压下降到额定的8 0 时，可通过其励磁系统的自动强励功能，来 保证运行的稳定性。 3 ) 运行效率高。 4 ) 转速不随负载变化。只要定子电源频率一定，其转速不随负载大小而变。负载的 变动只使其功角发生变化。 5 ) 起动过程较为复杂。 6 ) 需要两种电源，结构复杂，造价较高。 7 ) 在恒定频率下运行，存在着容易发生失步和振荡的危险。 综合比较同步电动机和异步电动机的优缺点，一般来说，在拖动低速大功率的恒 速负载时，采用同步电动机更为合适，主要是考虑到其运行效率高、有利于提高和改 善电网的功率因数、体积小等优点，广泛应用在化工、机械、冶金、水利等领域。如 可用来拖动矿山球磨机，冶炼厂鼓风机，化肥厂联合压缩机，氧气站空气压缩机，水 泥厂管磨机、电排站水泵等。 目前，同步电动机应用主要有以下几种形式：( 1 ) 采用变频调速技术的同步电动 机，主要应用在大型工矿企业的大容量机组中，如钢厂的轧机传动系统、抽水蓄能泵 站的发电电动机组等。变频装置作为同步电动机的软起动设备解决了同步电动机起动 困难的问题，以微处理器为核心的转速和频率的闭环控制，解决了同步电动机的失步 问题，从而很大程度上推广了同步电动机的应用范围，应用矢量控制技术的高性能自 控式同步电动机调速系统日趋成熟。( 2 ) 常规有刷励磁型和无刷励磁型同步电动机， 如电排站水泵、氧气站空气压缩机等，这类数量众多，最为常见。( 3 ) 新型电机，如 采用新型永磁材料在小功率运动控制系统中得到重视和广泛应用的永磁同步电动机， 随着开关变磁阻理论和新材料的发展而迅速发展的开关磁阻型同步电动机等。 进入九十年代以来，国家日益重视水利工作，加大了水利建设投资，各地也纷纷 华南理t 大学硕士学位论文 兴建泵站，防备洪涝灾害；同时诸多老泵站励磁设备陈旧老化，亟需改造；更为重要 的是，国家己开始启动“南水北调”工程，再加上冶金、化工、矿采等其它行业的迅 猛发展，对同步电动机励磁装置的需求相当巨大，提供了一个广阔的市场空间。 1 2 同步电动机励磁系统发展现状 同步电动机励磁系统是同步电动机的重要组成部分，其性能好坏、可靠性能直接 影响到同步电动机的运行安全性和连续性，影响企业的生产与效益，因而一直被用户 所注重。 七卜年代初期，随着国内可控硅技术的应用与推广，国家有关单位组织人力、物 力，联合研制推出了k g i ，f 1 1 型和k g l f l 2 型同步电动机励磁装置。该型装置主回路采 用三相半控桥或带熄灭线的三相全控桥，调节器采用插件式单元线路板，以分立元件 组建控制线路。该装置原理简单，技术容易掌握，价格便宜。维修方便，特别适合中 小型用户的实际需要，因而得到了比较广泛的应用，直到现在还有部分主机厂家生 产，许多用户仍然在使用。作为保证同步电动机可靠工作的重要环节，时代进步与科 学技术的发展要求励磁系统具有更优的控制调节性能，更多和更灵活的限制、报警、 监控、保护等附加功能。此种模拟式励磁装鼹存在分立元件数量多、器件可靠性差、 调节控制精度不高、功能不全的缺点，特别是不能满足现代监控要求等，已越来越不 适应当前的市场需要。 近十年来，同步电动机励磁系统的控制技术得到了1 s 速发展，得力于微电子技 术、电力电子技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。励磁系统的控制 部分已由模拟控制逐渐让位于微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数 字控制系统的应用，并正向全数字化控制方向快速发展。 单片机、可编程控制器等新型电子元器件的出现与兴起，迅速推动着同步电动机 励磁系统从模拟式进化到数字式，实现了质的飞跃。采用微处理器取代模拟电路作为 励磁系统的控制器具有诸多优点：( 1 ) 使电路更简单。绝大多数拧制逻辑可通过软件 实现。( 2 ) 可以实现复杂的控制。微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快、精度 高、有大容量存储单元，有能力实现复杂控制。( 3 ) 灵活性和适应性。控制方式由软 件完成，系统调试修改参数方便。( 4 ) 无零点漂移，控制精度高。数字控制不会出现 模拟电路中经常遇到的零点漂移问题，无论被控量的大或小，均可保证足够的控制精 度。( 5 ) 可提供友好的人机界面，便于用户使用。( 6 ) 通讯能力强，能实现多机联 网工作。 在功率器件的应用方面，可控硅元件虽然不是最先进的功率器件，但其制造技术 和控制技术成熟、可靠性高，仍然被广泛应用，是市场主流功率器件。 目前，国内部分励磁设备生产单位推出了以可编程控制器或单片机作为控制核心 的励磁系统，使得励磁系统的总体控制技术水平上了一个台阶。仔细分析对比各个生 产厂家的产品，发现或多或少存在着一些不足之处，有的注蘑于励磁调节器线路的设 计，忽视了包括主回路及功率整流、灭磁单元等部分的研究，有的片面追求价格便 宜，功能不够完善。 2 第一章绪论 国外在同步电动机数字控制领域研究较深，以采用新型电力电子器件和应用矢量 控制技术及现代控制理论为基础的同步电动机变频调速控制技术日趋成熟，国内部分 企业在一些大容量的关键设备e 引进了国外的先进设备和控制技术，交一直一交型自控 式同步电动机变频调速数字控制系统也成为国内一些科研单位的研究重点，由于其价 格相对昂贵，技术难度较大，相对限制了其市场应用范围，主要应用在部分大型企业 的关键设备上。变频调速数字控制技术代表了同步电动机控制系统的先进水平和发展 方向。 目前，国内企业常规同步电动机机组上使用的进口励磁设备各种形式都有，既有 微机控制型，也有集成电路型，水平参差不齐。以a b b 公司、西门子公司等生产的励 磁设备基本上代表了世界先进水平。 综合对比分析，国内励磁设备在新技术应用、工艺水平和可靠性方面等较以往有 了很大进步，但与国外先进产品比较起来，差距仍然较大，主要体现在以下方面： ( 1 ) 国外产品软件辅助设计和软件辅助调试功能比较完善和丰富，软件辅助调试 被看作是励磁维护软件的一个基本功能，可以实现参数整定、试验录波、故障记录 等，减轻了出厂调试和现场投运的工作量。 ( 2 ) 组态编程技术用于励磁系统软件的编制，励磁的各个软件功能单元被模 块化，其输入、输出和参数可用组态编程工具进行适当调整。这种编程技术比较简 单，用户容易掌握，也便于试验和维护。 ( 3 ) 国外公司对励磁系统的理论研究比较深入，并将研究成果迅速用于产品设 计，如矢量控制理论，变频调速数字系统控制等。 ( 4 ) 国外公司对新技术的掌握和应用，反应较敏捷，可以迅速地吸收电力电子、 数字控制领域内最先进的研究成果和工艺。如现场总线技术、新型电力电子器件应 用、大规模可编程逻辑器件应用技术等。 ( 5 ) 国外公司非常重视产品的可靠性分析，他们把对可靠性的朴素的经验性 的认识提高到理论高度，如瑞士a b b 工业公司，其质量手册中有专门的可靠性分析 章节，要求对设计方案的每一环节都进行可靠性分析，并在此基础上确定最终的技 术路线。正因为如此，国外产品在可靠性上要明显强于国内产品。 1 3 同步电动机励磁调节及意义 同步电动机在电网电压u 、电网频率f 及输出功率保持不变情况下，改变励磁电流 的大小将引起电枢电流i 及功率因数c o s 中的改变。 为了分析简化，不计电机损耗，不考虑凸极效应。由于电动机的输出功率p 。不 变，如不计损耗，则输入功率p i 一电磁功率r 一输出功率p z 。常数，即： pl = m u l c o s c p = 常数 p m = m u e o x 。sj n0 = 常数 由于u 不变，故有：i c o s 巾= 常数；e 0 s i no = 常数 由同步电动机的电势平衡方程式：u = 一e o + j l x t ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 卜3 ) 华南理工大学硕士学位论文 可见，当u 不变时，改变励磁电流i f ，会引起一e 0 及1 的大小和相位的改变。根据电势 平衡方程式相量图“。进行分析可以得到以下结论： 当* - 0 且c o s 中= 1 时，i = 1 1 且与u 同相，此时l 最小，电动机从电网只吸收有 功，称为i f 常励磁状态。 调节励磁电流i f 时，一e 0 及i 均改变，因受e 0 s i n0 = 常数的限制，一e 0 的端点只能 在平行于u 的直线上移动；受i c o s o = 常数的限制，i 的端点只能在垂直于u 的直线上 移动。调节i f 小于正常励磁电流，电枢电流i 和功率因数角中较正常励磁时增大， c o s o 减小，电枢电流i 滞后u ，此时电动机除从电网吸收一定的有功功率外，还向电网 吸收定的滞后的无功功率，称为欠励状态。 调节t f 大于正常励磁电流，电枢电流i 和功率因数角中较正常励磁时增大， c o s 中减小，电枢电流i 超前u ，此时电动机除从电网吸收一定的有功功率外，还向电网 吸收定的超前的无功功率，称为过励状态。 从上分析可知，调节励磁电流将改变定子电流i 及功率因数c o s 中，同时也改变了 功率角0 的大小。因此调节励磁电流可以方便灵活地改变它的无功功率和功率因数。 这一点对电网具有极为重要的意义。 由于电网的负载大多是感性负载，电网总是要供给负载滞后的无功功率，使得电 网的功率因数降低，对供电系统产生不良影响，主要体现在： ( 1 ) 功率因数低，在电源设备容量一定的情况下，电源提供的有功功率p 就越小， 电源设备得不到充分利用。 ( 2 ) 功率因数越低，在电源输出有功p 一定的情况下，电流i 就越大，在电源设备 中及输电线路上的电压降以及功率损耗就越大，使电网电压及输电效率降低。 因此，提高电网的功率因数，在经济上具有十分重大意义。 同步电动机的v 形曲线是指当电网电压与频率均为额定值，在输出功率不变的情 况下，电枢电流i 与励磁电流i f 的关系曲线。 根据曲线可以得到以下结论： ( 1 ) 对应于每条曲线的最低点，i 为最小值。对应的励磁电流为j ：f 常励磁电流，在 最低点左侧，电机为欠励，c o s ( i ) 滞后；在最低点右侧，电机为过励，c o s 中超前。 ( 2 ) 随着输出功率的增加，v 形曲线的最低点向右上移动。因为输出功率增加时， 电枢电流中的有功分量必然增大，励磁电势一e 。也增大，因此励磁电流必然要增大。 ( 3 ) 由于同步电动机的最大电磁转矩与励磁电势e 。成正比，故对应一定的负载，当 励磁电流减小到一定值时，就会使最大转矩减小到与负载转矩相等，这是稳定运行的 极限条件。如果再减小励磁电流，电动机将会失去同步而不稳定。以图中虚线m n 为 界，分为稳定运行区和不稳定运行区。 4 第一章绪论 工 图l 一1v 形曲线 f j g 卜1 v s h a d ec u r v e 1 4 课题来源及本文的主要工作 p2 p 2 工f 近些年来，由于同步电动机励磁装置在国内工业企业中应用越来越广泛，市场需 求量相当大，因此本单位为形成新的经济增长点，开拓新的市场空间，决定研究数字 式同步电动机励磁装置。2 0 0 1 年，本单位中标承接了广东省重点工提东江一深圳供水工 程同步电动机励磁设备供货合同。该项目的政治和社会意义重大，对励磁设备的技术 和可靠性要求得非常高。借此工程为契机，进行了本项课题的研究，研究的内容不仅 仅局限于满足该工程的实际要求，而是以研制性价比高、具有国内同类产品先进技术 水平、竞争力强的产品为日的，扩大本单位在同步电动机励磁控制领域的市场占有率 和市场影响力，提高单位的经济效益。 针对国内同步电动机励磁装置的现状，本项研究工作确定研制的产品具备以下特 点：励磁调节器采用双通道冗余配置，采用以单片机和可编程控制器为控制核心的多 c p u 结构，充分发挥单片机功能强，应用灵活，可编程控制器可靠性高、控制逻辑能力 和通讯能力强，便于用户掌握和维护的特点，将二者实现有机的结合。励磁系统具备 优良的人机界面和串行通讯能力，限制、保护功能齐全，能实现故障的自诊断和通道 自切换，励磁系统的功率整流部分能实现智能检测和控制，对国内同类产品的不足之 处进行改进和完善。 作者本人为东深工程项目和本课题的负责入，主要承担励磁系统总体方案没计、 电气设计、控制回路硬件设计及部分软件设计、设备调试及现场试验等工作。 本文的主要工作如下： 1 简述了同步电动机的特点、类型及励磁装置的发展现状，指出励磁装置的系统 数字化符合当前市场需求和发展方向。 华南理工大学硕士学位论文 2 介绍了同步电动机励磁系统调节器、主回路、转子过压及灭磁控制回路、功率 单元智能化的设计方案，并对同步电动机起动、失步情况下励磁控制问题进行了分 析。 3 具体介绍了应用可编程控制器、单片机作为励磁系统控制核心的数字式励磁系 统的软、硬件设计。 4 对励磁装置的仿真试验、动模试验及现场试验结果进行了分析，励磁系统的功 能满足设计要求。 5 研制的数字式同步电动机励磁装置在具体的工程实践项目中得到了成功应用， 效果令人满意。 6 对研制的数字式励磁装置进行了总结，指出了取得的成果创新点和存在的不足 之处，表明了今后的技术发展方向和需要进一步研究提高的地方 6 第二章励磁系统总体方案设计 第二章励磁系统总体方案设计 2 1 励磁调节器方案设计 2 1 1 调节器主控元件选择 适合作为励磁系统控制微处理器的元件主要有：工业控制计算机、单片机、可编 程控制器、数字信号处理器( d s p ) 。 工业控制计算机功能最为强大，具有极高的速度，强大的运算能力和接口功能， 方便的软件环境，但成本高、体积大，只适合于大型控制系统。 可编程控制器( p l c ) 作为适合工业控制用的器件，可靠性高，具有很高的抗干扰 能力、结构简单、运算速度很高，控制指令丰富，具有浮点运算、指针运算、中断响 应等功能，为智能化实时调节提供了物理基础，同时由于p l c 特有的继电逻辑功能， 可以将智能化实时调节和继电逻辑揉作结合起来，使得系统控制灵活多变，p l c 的组网 功能很强，不但可以和上位机通讯而且p l c 之间也可以组网通讯，具有很强的扩展 性，开放性，更能适应现代控制技术的要求。 单片机具有较强的控制功能，低廉的成本，是目前世界上使用量最大的微处理 器。随着时代的发展，各种新型单片机不断涌现，较之以往的单片机主要具有以下 特点；( 1 ) 功能大大得到增强，在单片机内部集成了a o 转换器、比较和捕捉功能、 看门狗、各种串行总线接口等功能，功能更加强大；( 2 ) 速度更快，采用流水线技 术、执行指令和提取指令同时完成，速度块的单片机己达4 0 m t t z 。( 3 ) 小型化和低功 耗。( 4 ) 支持在线编程和调试，便于用户使用。 数字信号处理器( d s p ) 是近年来涌现的后起之秀，随着销售价格的下降开始进入 控制领域，越来越受到用户的欢迎。d s p 控制器实质上是一款高性能的单片机，主要具 有以下特点：( 1 ) 采用多组总线结构实现并行处理机制，允许c p u 同时进行程序指令 和存储数据的访问。( 2 ) 采用独立的累加器和乘法器，使得复杂的乘法运算能快速进 行，具有高速信号处理能力。( 3 ) 具有丰富的寻址方式，可方便灵活的编程。( 4 ) 具有完善的片内外设，可以构成完整的单片系统。( 5 ) 能够实现诸如矢量控制等更为 复杂的控制算法，这是单片机所不及的。 综合分析以上器件的特点，本方案决定选用以可编程控制器为主，以单片机为辅助 的多c p u 架构，主要基于如下考虑： 一套励磁系统在j 下常运行过程中，需要完成大量的复杂计算、各种调节限制功能 ( 如过励、欠励限制等) 、以及诸多的信号采集和发送( 如逻辑判断、通讯等) ，如 此繁重的任务，使得单个c p u 很难满足系统的要求。 在多c p u 模式下，通过合理地分工，各个c p u 可以充分发挥自身的优势，如可编 程控制器，逻辑处理能力很强，对外接口资源较多，编程简单，修改参数方便，便于 用户掌握和维护，同时通讯纽网能力很强，非常容易同监控系统和人机界面进行接口， 7 华南理工大学硕士学位论文 通信接口电路不用专门设计，简化了电路：单片机芯片体积小，功耗低，执行速度 快，控制功能强，应用灵活，可以用于参数不需要经常进行改变，功能比较专一的 场合。将脉冲形成从主c p u 中分离出来是非常必要的，这对于减少主程序的中断调 用，提高调节程序运行的安全性有很大的好处。 d s p 虽然速度快，数据处理能力强，但相对而言，硬件电路设计稍微复杂，软件编 程难度也要高一些，在应用复杂算法诸如实现矢量控制等场合要更合适一些。 在本方案中，应用可编程控制器实现励磁系统逻辑控制、信号输入输出处理、p i d 控制调节、通道跟踪控制、各种限制保护功能、同监控系统的串行通讯及与人机界面 的连接。应用单片机实现脉冲的生成、转子亚同步状态和失步状态的检测、凋节器故 障自检测等功能。 目前市场上的可编程控制器和单片机品种、规格、型号众多，经过比较分析，本 方案采用西门子s 7 2 0 0 系列中的2 2 6 型p l c ，其特点是功能强大、通信组网能力强， 具有两个通信端口，其中的自由通信口可以不同的通信规约对外连接，该p l c 目前在 国内众多行业中均有成熟应用。单片机采用a t 8 9 c 5 1 和a t 8 9 c 2 0 5 1 ，这是应用得非常 广泛的两种微处理器芯片，可靠性高，应用灵活。 2 1 2 调节器通道配置 为提高励磁系统的可靠性，励磁系统采用双通道配置方案。两个通道的配置完全 一样，每个通道均由一台p l c 和一块接口线路板组成。双通道以互为备用方式运行， 谁运行谁为主通道。两通道在物理意义上分为1 通道和2 通道。双通道共用测量变换 单元、人机界面及转子参量检测单元。 通道间的切换既可人工切换，也可在运行通道出现故障时，自动切换到备用通道 运行。 通道问的跟踪是由调节器软件实现的，备用通道自动跟踪运行通道，跟踪的依据 是两通道的调节输出( 控制信号) 相等。这种跟踪关系是可人工闭锁的。 自动跟踪功能保证了从运行通道到备用通道的平稳切换。 励磁调节器专门开发设计了一套总线结构。通过总线，调节器采集外界开关量信 号和模拟量信号，并输出相应的开关量信号和模拟量信号，使励磁系统接线从复杂、 无序变为简单、有序。 2 1 3 调节器功能配置 2 ，1 31 励磁运行控制方式 励磁系统主要采用恒励磁电流调节方式运行。根掘机组运行要求或过程的不同， 必要时采取恒无功功率调节或恒功率因数调节。 采用恒励磁电流调节时，励磁电流的给定可以通过串行通讯的方式或人工增减方 式送往p l c ，实现给定的数字化调节，避免模拟式给定的不精确和接触不良的弊端。 给定有最大上限和最小下限，达到限制值后会发出指示信号。给定的变化速度可通过 8 第二章励磁系统总体方案设计 软件设定。 励磁电流的反馈信号由励磁整流桥交流侧的电流互感器信号经整流变换而来。 恒功率因数调节是为方便用户实现生产控制而采用的一种调节方式。在该运行方 式下，励磁调节器实时采集机组的有功功率和无功功率，经过计算得到当前功率因数 实时值，再与功率因数给定值进行比较，然后不断调节励磁电流，自动维持当前机组 功率因数保持在给定水平。 在负载变动较为频繁或波动较大的情况下，同步电动机若以恒励磁电流方式运 行，其特性将不利于同步电动机的正常运行，也不利于电网电压的稳定。此时采用恒 无功功率调节较为合适。励磁调节器实时采集机组的无功功率，与无功功率给定值进 行比较，然后不断调节励磁电流，从而使机组无功功率保持在给定水平。 恒无功功率控制或恒功率因数控制可视作对励磁电流调节的叠加控制。在这两种 情况下，控制信号来源于实际值和被选控制模式的控制点值之间的差值。 2 13 2 励磁功能 1 强励功能 强励功能是励磁系统必需具备的功能，其目的是要保证同步电动机的运行稳定。 在同步电动机运行中，强励主要应用在两个阶段：a 在电动机起动过程中，当同步电动 机启动加速至亚同步( 9 5 n e ) 后，励磁调节器检测转子频率达到投励条件时，发出投 强励命令，励磁装置输出强励电流，加大转子的同步力矩，将转子拉入同步。经过1 s 后，励磁给定自动减小至额定位置，电机转入正常运行状态。b 在正常运行中，如当电 网电压受到影响发生突降的情况下，励磁装置输出强励电流，保证同步电动机不失 步。强励时间通过软件设定。 2 限制功能 限制器的目的是保证电动机的稳定安全运行，在励磁调节器中主要设置了转子过流 限制器、欠励限制器。 当过励限制器起作用时，它将把励磁电流减d , n 最大允许的水平上，而当欠励限 制器起作用时，它将把励磁电流增加到所需要的最小水平上。 过励反时限特性曲线强励时间与强励电流的大小呈反时限特性，即 t = k ( i 2 - 1 、 ( 2 1 ) 式中；i 一一转子电流标么值。该特性是从限制转子发热量角度确定的，k 值可根据机 组允许值来设定。 当t k ( i 2 - 1 ) 时，调节器返回到过励限制，限制值出厂一般整定为1 1 倍励磁电流 额定值。 过励限制特性曲线见图2 - 1 。 9 华南理t 大学硕十学位论文 坤因翱帅砷6 07 b 联e ) ! 。 驼峰n 6 ，o 1 一 步 一一一7 图2 - 1 励磁电流限制曲线图2 2p ( q ) 欠励限制曲线 f i g 2 - 1 i el i m i t e rc u r v e f i g 2 - 2p ( q ) l i m i t e rc u r v e 欠励限制器包括最小励磁电流限制器和p q 限制器。其主要任务是防止失磁和转 子极靴过热。最小励磁电流限制器只有一个最小限制值，立即起作用。 p o 限制器用于防止电机进入不稳定运行区域，采用功率圆的原理来实现。可以用 五个无功功率值对应五个有功功率水平( p = o ，p = 2 5 ，p = 5 0 ，p = 7 5 ，p = 1 0 0 ) 来设 定限制曲线。 3 保护功能 励磁系统具有如下保护功能； a 失磁保护功能 励磁调节器采集实时励磁电流值，与预设值相比较，当在一定时间内持续小于设 定值时，判定为电机失磁，输出信号使电动机跳闸停机。 b 失步保护功能 通过单片机对反映电机失步的参量进行处理和智能分析，判定当满足电机失步的 条件时，根据用户的要求，选择跳闸停机或实现自动再整步功能。 c 过励保护功能 通过硬件电路设计实现过励保护功能，当转子出现内部匝间短路或整流器输出侧 短路时，保护电路动作跳闸停机。 d 投励不成功保护功能 在电动机起动时出现过早投励或电动机起动时间过长不投励的情况下，实现投励 不成功保护跳闸停机。 e 过压保护功能 在转子回路出现过电压超过设定值时，过压触发回路触发正向可控硅动作，利用 灭磁电阻吸收过电压。然后，采取脉冲回路断相的方法，使得转子励磁电压出现负向 0埘啦瞩蛇o 址 惦盯 蟮螗 弭蚺 啦 址 第二章励磁系统总体方案设计 电压来关断已导通的正向可控硅。如果在一定时间内，正向可控硅不能被关断，判定 为转子持续过电压，启动电动机跳闸停机。 4 ，故障自检测和报警功能 励磁系统每个通道均设置一块独立的单片机，用于通道故障检测和控帝通道切 换。可以检测的故障有脉冲故障、电源故障、调节器故障等。通过p l c 还能采集和实 现其它的故障检测，如功率桥故障( 风机故障、快熔故障、整流桥三相交流电流不平 衡故障、整流桥桥臂故障等) 、调节器交直流电源故障等。 报警信号既可通过人机界面显示，也可通过串行通信或i o 的方式上传给监控系 统。 2 励磁系统主回路方案设计 2 2 1 主回路方案设计 直以来，国内励磁厂家对同步电动机励磁装置的研究都注重在调节器的设计上 面，对励磁主回路的设计研究显得不够重视。其实同步电动机异步起动主回路的设计 相当重要，直接关系到电机的平稳起动特性和投励的成功性。 从七十年代以来，国内同步电动机励磁装置的主回路先后出现过三相半控桥 ( 图2 3 ) 、三相带熄灭线全控桥( 图24 ) 、三相分级整定触发型全控桥等类型的主 回路。目前，三相全控桥( 分级整定触发型) 主回路占主导地位，绝大部分厂家均采 用这种类型，其简化的图形见图2 5 。 v 1 r 1 1 。4 1 t 、a 7 w l a 1a 4 。 叫n a 3a 6 l 一 l 一 。1 叫 、a 2 a 钆 i ，d 图2 - 3 三相半控桥型主回路 f i g 2 - 3 t h r e ep h a s eh a l f c o n t r o l l e d b r i d g e c i r c u i t 1 1 v 1 墨一i 司雌乙 “叫h h t _ 一 叩1 岬 矗1a 7 f a 8 a 唾 i m一1i _ 、i a 3a 6 u 一 山 。n 。、1 2 簋互i h 图2 4 带熄灭线三相全控桥型主回路 f i g 2 - 4 t h r e ep h a s ef u l lc o n t r o l l e d b r i d g ec i r c u i tw i t he x t i n g u i s hl i n e 华南理j 二大学硕士学位论文 图2 3 是国内较为常见采用的一种线路，起动时转子中感应的j 下负半波分别通过 正向可控硅a 7 和反向二极管v 1 构成电流通路，但不能保证正反向电流