（模式识别与智能系统专业论文）无刷励磁同步电动机励磁系统的智能控制.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 智能控制是自动控制的最新发展阶段，主要用来解决那些用传统控制方法难以解决的 复杂系统的控制问题。神经网络和模糊控制作为其重要的分支，有着十分广泛的应用前景。 大型电机的无刷化是电机发展的重要方向之一。无刷励磁同步电动机最核心、最关键 的组成部分，也是最有发展前途的部分是其无刷励磁系统。文章详细介绍了无刷励磁系统 的原理及特殊性、分类、控制方式及其各自的优缺点，重点分析了基于s 7 3 0 0 和 p r o f i b u s d p 现场总线技术，利用先进的西门子6 r a 7 0 整流器实现同步电动机励磁系统的 智能控制。 在无刷励磁同步电动机励磁系统的智能控制中，将模糊控制和神经网络算法引入同步 电动机功率因数控制系统，从而构成了模糊神经控制器，实现电机启动阶段的控制。当电 机转速达到给定值后，由p i d 调节器起作用，实现无差控制，输出西门子6 r a 7 0 整流器电 流的给定值，以控制励磁发电机的励磁电流。模糊控制和神经网络相结合，充分利用了二 者优势互补的特点，进一步提高了系统的动态性能和鲁棒性。传统p i d 的控制，保证了稳 态时系统的无差控制。本文对上述的控制方法利用m a t l a b s i m u l i n k 进行了仿真，结果有 力地说明了文章所用方案的有效性和正确性。 关键词：同步电动机，无刷励磁，模糊控制，神经网络，s 7 3 0 0 p l c 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tc o n t r o li st h el a t e s td e v e l o p m e n tp e r i o do fa u t o m a t i cc o n t r o l ，w h i c ha i m sa t r e s o l v i n gt h ec o n t r o lp r o b l e m so fc o m p l e xs y s t e mt h a t c a nn o tb er e s o l v e db yt r a d i t i o n a l m e t h o d s n e u r a ln e t w o r ka n df u z z yc o n t r o l ，a st h ei m p o r t a n tb r a n c h e so fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，c a n b eu s e dw i d e l yi nm a n yf i e l d s b r u s h l e s sm o t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o n so fb i gm o t o r t h eb r u s h l e s s e x c i t a t i o n s y s t e m i st h em o s t p i v o t a l a n dt h em o s tp r o m i s i n gc o m p o s i n gp a r to ft h e s y n c h r o m o t o r ，w h i c hi st h ec o r eo f t h es y n c h r o m o t o r t h ep r i n c i p l ea n dp a r t i c u l a r i t i e s ，c l a s s i f i e s a n dc o n t r o lm e t h o d s ，a n dt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h eb r u s h l e s s e x c i t a t i o ns y s t e mh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i li nt h ep a p e r t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h e b r u s h l e s ss y s t e mo ft h es y n c h r o m o t o rb a s e do ns 7 3 0 0a n dp r o f i b u s d pt e c h n o l o g y u s i n g a d v a n c e ds i e m e n s6 r a 7 0r e c t i f i e rh a sb e e na n a l y z e ds i g n i f i c a n t l y a l g o r i t h m so ff u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kh a v eb e e ni n t r o d u c e dt ot h ep o w e rf a c t o r c o n t r o ls y s t e mo ft h es y n c h r o m o t o r ，s oa st of o r mt h ef u z z y - n e u r a lc o n t r o l l e rt of o r c ec o n t r o l d u r i n gi t ss t a r t i n gs t a g ei n t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h eb m s h l e s se x c i t a t i o ns y s t e mo ft h e s y n c h r o m o t o r w h e nt h es p e e dr e a c h e si t sr a t e dv a l u eo ft h em o t o r , t h ep i dc o n t r o l l e rw i l l a c t i v a t et of o r c ez e r oe r r o rc o n t r o lt ob r i n gt h eg i v e nc u n e n tv a l u et os i e m e n s6 r a 7 0r e c t i f i e r , w h i c hw i l lc o n t r o lt h ee x c i t a t i o nc u r r e n to ft h eg e n e r a t o r t h ec o m b i n a t i o no ff u z z yc o n t r o la n d n e u r a ln e t w o r kt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h es p e c i a l t yw h i c ho f f s e t se a c ho t h e rt oi m p r o v et h e d y n a m i ca n dr o b u s tp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mf u r t h e r t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la s s u r e sn o e r r o rc o n t r o li ns t a b l e t h ec o n t r o lm e t h o d sm e n t i o n e da b o v eh a v eb e e ns i m u l a t e db y m a t l a b s i m u l i n k , t h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s sc a l lb ee x p l a i n e db ys i m u l a t e dr e s u l t k e yw o r d s ：s y n c h r o m o t o r ，b m s h l e s se x c i t a t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k ，s 7 3 0 0 p l c 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 1 1 无刷励磁同步电动机简介 第一章绪论 同步电动机采用可控硅励磁，虽然在我国已取得了普遍应用，并有了成套、定型的 产品，但绝大多数是有刷励磁。在化工行业具有可燃性气体，为防止产生爆炸的危险，就 不能有火花存在，火花是可燃性气体爆炸的主要因素之一，而滑环又是产生火花的主要原 因。对有刷同步电动机来说，电刷与滑环需要经常维护，检修。在潮湿，粉尘及有腐蚀性 气体的环境中工作容易发生故障，而在化工等要求防爆的场所，采取的防爆措施是将电动 机滑环密封，在密封罩内通以正压空气，密封罩制作较为困难，为保持正压，风机就不能 停转，从而要求可靠的电源，此外还要求有风压的检测报警手段。而无刷同步电动机取消 了集电装置，即没有集电环和电刷的同步电动机，解决了有刷同步电动机存在的滑环打火 问题，省却了复杂的防护，无刷同步电动机的励磁方式是把电接触变为磁耦合的励磁方式。 主电机、交流励磁机装在同一轴上一起旋转，不会因电网电压波动而影响主电机的励磁， 从而保证了主电机的可靠运行，交流励磁机与硅励磁装置同时安装在传动机轴上，总占地 面积可以减少由于以上原因在化工行业，无刷同步电动机得到了广泛的应用。 对同步电动机无刷励磁有下述基本技术要求“1 ： ( 1 ) 同步电动机起动时，转子绕组绝缘不能承受开路时产生的感应过电压，转子回路应 设置过电压消除电路 ( 2 ) 同步电动机起动时，过早投入励磁将产生较大的交变力矩而引起振荡，乃至不能进 入同步运转。必须在亚同步转速( 0 9 5 n 0 ) 投入励磁，电动机方能进入同步。 ( 3 ) 电动机进入同步后，转子回路接入的灭磁电阻应断开。 ( 4 ) 能调节励磁电压的大小，以改变同步电动机的无功输出改善电网的功率因数。 ( 5 ) 无刷励磁的各种元件装于旋转的整流环内，因此元件能承受高速运转。 ( 6 ) 无刷励磁设备与同步电动机转子构成一个整体，在结构上引出一系列问题，如动平 衡、应力、扭矩等要进一步分析考虑。 1 2 无刷励磁同步电动机的工作原理及系统组成( 如图1 1 所示) 1 2 1 无刷励磁同步电动机的工作原理” 起动是同步电动机的特殊问题。同步电动机一般采用异步起动，起动过程中其转子阻 尼笼中感应电流，产生起动转矩。到达亚同步速( 一般为同步速的9 5 左右) 后，给转子 励磁绕组加上直流励磁( 称为投励) ，电机即牵入同步运行。 同步电动机在起动过程中其励磁绕组通常串联一定数值的电阻( 一般是5 至1 0 倍励磁 绕组电阻) 短接，以限制励磁绕组的感应过电压和单轴转矩。投励后，励磁绕组串联的起 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 动电阻即被切除。投励装置的作用就是在起动过程中将励磁绕组通过电阻短接，在投励后 将电阻切除。 主电机选装整交流励 流器磁机 图1 1 同步电动机系统示意图 f i g 1 1t h es k e t c hm a po f s y n c h r o m o t o rs y s t e m 1 2 2 无刷励磁同步电动机的系统组成 ( 1 ) 静态励磁装置 由于电子元件的发展，现在的无刷励磁同步电动机采用可控硅静止励磁装置向交流励 磁机定子励磁绕组提供直流电。 ( 2 ) 交流励磁机 一般采用旋转电枢式同步电动机，其功率、电压及功率因数取决于电动机的最大励磁 电流及其相应的励磁电压( 强励要求) 和整流回路的接线方式。而频率可任意选择，频率越 高，时间常数越小，反应快速性好。但频率决定于转速、极数和电动机使用特性的要求。 交流励磁机的磁场激磁可由外电源供给，但在众多的大中型无刷同步电动机中为了提高运 行的可靠性，不受外电源的影响往往由静态励磁装置供给。 ( 3 ) 旋转整流器 旋转整流器系指由硅整流元件连同散热器，有时还包括相应的整流桥。多数采用三相 全波整流桥。半波整流桥除了输出脉动分量大以外，并有直流分量通过交流励磁机电枢而 加大了交流励磁机的容量。两者各有其特点。旋转整流器是无刷励磁系统中最重要的部分， 必须保证其工作在正常状态。旋转整流器如遇过电压、过电流及其它非正常情况，虽然能 得机组保护装置的保护( 保护动作只有在事故发生后才能动作) ，但功率二极管仍可能遭到 损坏。如果旋转整流器二极管损坏就应立即报警，尤其是一管短路故障危害更为严重，必 须立即根除。但是由子取消了滑环和炭刷，旋转整流器的电压、电流不可能直接测量，使 其监视与保护十分困难。 ( 4 ) 灭磁电阻 同步电动机起动动时如同感应电动机，起动时如果转子开路将在转子中感应出极高的 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 电压，一般可达几千伏，因此起动时在激磁绕组上并联一灭磁电阻，其阻值一般为5 - 1 0 倍 的激磁绕组电阻。在电动机失步时此电阻起到保护旋转整流器免受过电压。 1 3 无刷励磁同步电动机在国内外的发展情况 自上世纪六十年代以来，由于半导体工业的迅速发展，出现了一种无刷励磁新技术。 因为无刷电机具有独特的优点，用途相当广泛。不少国家都就无刷励磁进行了广泛的研究， 设计出5 0 唧甚至1 2 0 0 m w 的大型无刷汽轮发电机。早在上世纪七十年代，文献对无刷励磁系 统作了深入的研究。如文献威廉森( w i i i i a m s o n ) 设计了低消耗率高效率的两极无刷励磁涡 轮式发电机。据资料，英国g e c 公司1 9 7 9 年生产的2 2 台3 5 0 m i v 汽轮发电机中有2 0 台采用无刷 励磁。在其它发达国家，无刷励磁技术也得到了广泛应用。如美国的西屋公司在容量包括 5 0 唧到7 3 5 删的汽轮发电机上就采用了无刷励磁系统”1 。 目前，国内无刷励磁系统的研究和应用也在向前发展。广东大亚弯核电站9 0 0 姗汽轮 发电机组和四川江油发电厂3 3 0 姗汽轮发电机均已采用无刷励磁系统。在这方面，北京重 型电机厂更是走在了国内同行业的最前列。北京重型电机厂曾经设计、生产过1 0 0 m w 发电 机及以下容量发电机的无刷励磁机。而该厂于1 9 9 9 年研制成功的2 0 0 m 1 j 汽轮发电机的无刷 励磁机在国内则属首创该机试制成功，标志着北京重型电机厂设计制造水平又上了一个 新台阶。国内励磁装置发展主要经历了4 个过程，见表1 1 旧。 表1 1 国内励磁装置发展过程 t a b l e1 1m ed o m e s t i cd e v e l o p 眦n tp r o c e s so fe x c i t a t i o n e q u i p m e n t 项目 2 0 世纪2 0 世纪2 0 世纪2 l 世 7 0 年代8 0 年代9 0 年代纪初 带续流二极管 三相半控 三相半控三相半控 主桥 三相半控桥， 桥，三相 桥，三相桥三相 全国统一设计 全控桥 全控桥全控桥 三相全控桥 模拟量控 模拟量控制，3 2 位单片 控制 模拟量控制制，p i d 数字控制( 8 位机，p l c ( 3 2 单元 调节器 或1 6 位单片机位c p u ) 触发 晶体三极管， 分立元件、 数字式 多功能数 电路 分立元件 集成移相、 触发器字式触发 单元触发器 器 故障率 很高 一般 较低趋向零 通过对国内外励磁技术发展动态的观察和描述，有理由相信在同步电机的运行中采用 无刷励磁技术是今后该行业发展的主要方向。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 1 4 课题研究的主要目的、需要解决的主要问题以及主要研究内容 1 4 1 课题研究的主要目的 本课题研究的目的就是根据电磁理论的分析和计算，以国内外先进电机的励磁系统为 参照，设计出符合各项相关标准，具有高可靠性、高精度的鲁棒性较好的无刷励磁同步电 动机的励磁系统。 1 4 2 课题需要解决的主要问题 目前，大多数同步电动机都采用异步启动的方法，即先使同步电动机在异步转矩的作 用下转动起来，待转速上升到亚同步转速时，再给励磁绕组通以直流励磁电流，使转子建 立磁场，依靠定子、转子磁场相互作用所产生的电磁转矩，将转子牵入同步。因此，同步 电动机励磁系统的性能将直接影响到同步电动机启动、运行的可靠性与稳定性。励磁系统 的控制要求如下“1 ： ( 1 ) 对无刷同步电动机的励磁系统进行分析与设计，在电机启动过程中，能够自动检测 转子滑差，并能实现顺极性自动投励。 ( 2 ) 动态响应好，励磁电流能够及时跟随负载变化。 ( 3 ) 要有较强的负载能力，即要求励磁系统容量足够大，特别是在承受冲击性负荷时电 机应不失步。 ( 4 ) 具有阻容灭磁、零励磁保护及失步保护等功能，同时对于电机和励磁装置要有完善 的电气保护功能。 ( 5 ) 通过实验对所计算的结果给予验证。 1 4 3 本文研究内容 无刷励磁同步电动机最核心、最关键的组成部分，也是最有发展前途的部分是无刷励 磁系统。本文详细介绍和分析了无刷励磁系统的特点、分类和控制方式，重点介绍分析了 基于s 7 3 0 0 和p r o f i b u s d p 现场总线技术，利用先进的西门子6 r a 7 0 整流器实现同步电动机 励磁系统的智能控制。同步电动机是一个非线性时变系统，很难总结其精确的数学模型， 而且随着环境和运行条件的变化，它的模型随之变化，因此传统控制方法很难达到理想的 控制效果。将模糊控制与神经网络算法引入同步电动机功率因数控制系统，构成了模糊神 经控制器，实现电机启动阶段的控制，结合传统的p i d 控制实现系统的稳态无差控制，提 高了系统的动静态特性和鲁棒性，保证了良好的控制效果。 武汉科技大学 硕士学位论文第5 页 第二章同步电动机无刷励磁系统的分析与设计 高性能的同步电动机励磁系统需要对转子磁场进行实时控制。在无刷励磁的同步电动 机励磁系统中，转子励磁电流不仅是交流励磁机定子电流的函数，而且与交流励磁机的转 差率、效率等诸多因数有关，由于旋转中同步电动机转子励磁电流的不可测，实现转子励 磁电流的闭环控制有很大困难。而励磁系统的好坏，直接影响到同步电机的性能和运行质 量。因此，随着电力电子和控制技术的迅猛发展，各国学者几十年来致力于励磁系统的研 究与改进，无刷励磁技术得到了普遍应用。 本章首先介绍无刷励磁的原理及其特点，介绍目前为止不同阶段无刷励磁系统设计方 案，并讲述各自的优缺点。 2 1 无刷励磁的原理 无刷励磁的原理图如图2 1 所示“”。交流励磁机为异步发电机，其定子由静态励磁装 置供电，励磁机转子绕组与同步电动机转子同轴。为保证同步电动机四象限运行时有足够 的励磁裕量，可令励磁机定子电压的相序始终与同步电动机的相序保持相反。 旋转二极 励磁机 管整流桥 静 0 ，y y n 仁 z么 蚓 态l j l 6 r y 、 绕j 励 l m 磁 装 么z 置 定亍转子 。 组i 图2 1 无刷励磁系统的原理图 f i g 2 1t h ep n n c i p l em a po ft h eb s h l m se x c i b f i o n s y s t e m 与主轴一起旋转的励磁机转子绕组发出三相交流电，该三相交流电经整流桥整流后供 给同步电动机转子绕组励磁电流。调节交流发电机定子励磁绕组的励磁电流，就可使励磁 发电机的转子所发出的三相交流电压得到调整，从而改变同步电动机励磁绕组的励磁电 流。这种由励磁发电机从转子发电，整流器在旋转状态下进行整流供给同步电动机转子励 磁的方式，就不再需要有静止部分和转动部分之间的相互接触导电，完全省去了电刷和滑 环的接触。 2 2 无刷励磁的特点 无刷励磁同步电动机与有刷励磁同步电机相比，具有如下一些优点： 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 、消除了由电刷与滑环引起的故障，延长了同步电动机的连续运转时间。 2 、在系统电压波动时，比外置可控硅励磁装置具有较高的稳定性。 3 、交流励磁机安装在电动机转轴上，总占地面积可以减少。 4 、取消了外部励磁设备，无刷同步电动机同笼型电动机一样，只需要简单的控制。 同步电动机的励磁系统应满足下述基本技术要求： 1 、同步电动机起动时，转子绕组绝缘不能承受开路时产生的感应过电压，转子贿赂 应设置过电压消除电路。 2 、同步电动机起动时，过早投入励磁将产生较大的交变力而引起振荡，乃至不能进 入同步转速。必须在亚同步转速( 0 9 5 n o ) 投入励磁，电动机方能进入同步。 3 、电动机进入同步运转后，转子回路接入的灭磁电阻应断开。 4 、能调节励磁电压的大小，以改变同步电动机的无功输出，改善电网的功率因数。 5 、无刷励磁的各种元件装于旋转的整流盘内，因此元件应能承受高速运转。 6 、无刷励磁设备与同步电动机转子构成一个整体，在结构上引出一系列问题，如动 平衡、应力、扭矩等要进一步分析考虑。 2 3 同步电动机无刷励磁系统设计方案的分析 2 3 1 以模拟量控制为控制单元，采用晶体三极管、分立元件触发的无刷励磁系统 k g l f i i 励磁装置的投励电路如图2 2 所示“”，该装置的投励是通过检测转子感应电势的 频率实现的。 g i g 2 图2 2 励磁装置的投励电路 f i g 2 2t h ep u t t i n gm a g n e t i z a t i o ni n t oa c t i o n c i r c u i to f t h ee x c i t a t i o ne q u i p m e n t 三极管1 8 b g l 在线路中起开关作用，其工作状态由基极回路的同步电动机转子感应电势 极性决定。当三极管截止时，1 8 c 2 经1 8 r 5 充电，当充电电压达到单结晶体管1 8 b g 2 的峰点 电压，1 8 c 2 b p 放电，脉冲变压器的负边就发出脉冲。当三极管饱和时，1 8 c 2 因被r 4 旁路而 无法充电，1 8 b g 2 不会导通，因此无脉冲发出。启动开始时，转子感应电势频率较高，三 级管t 的丌关速度较高，1 8 c 2 充电电流一定，当充电电压还没达到单结晶体管1 8 b g 2 的峰点 电压时，三极管1 8 b g l 丌通，1 8 c 2 丌始放电。只有当同步机加速到亚同步转速，转子频率 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 ，：一2 5h z 时( 时间为0 0 2 s ) ，且当g 1 极性为正、g 2 极性为负( 顺极性) ，1 8 c 2 才有足够的 充电时间，充电电压达到电压单结晶体管1 8 8 6 2 的峰点电压，1 8 c 2 放电而发出脉冲。可见， 该电路投励时间由1 8 r 5 、1 8 c 2 充电时间常数决定。1 8 c 2 充电时间的整定，关系到投励插件 在同步电动机转速为多少时才发出投励信号脉冲。 缺点是：此类投励线路通常采用三极管、电容器和单结晶体管配合方式实现，由于模 拟线路元件受温度变化和电源波动的影响大，易老化，参数整定困难，可靠性差，故障率 很高。随着电力电子技术的发展和半导体电力器件可靠性的提高，以模拟量控制、p i d 调 节器为控制单元，采用分立元件、集成移相、触发器触发的无刷励磁系统得到了发展。 2 3 2 以模拟量控制、p i d 调节器为控制单元，采用分立元件、集成移相、触发器触发的 无刷励磁系统 图2 3 所示投励电路“”，启动投励控制器是该励磁装置的关键部件，它是实现主电动机 自启动、自动投励、自动灭磁及快速失步保护的协调控制枢纽。由频率检测集成电路( u ) 及各种电子元器件组成。 a b c d l d 2一嫡，i ：x f r 7 j j 】 j 、z 、z、l u i v c 出 r v 4 v c 一 趁：l v 巫l v 5 i厂了 r v 6、lv c l i d 4d 5d 6 翊髓 图2 3 励磁装置投励电路图 f i g , 2 jt h ep a t t i n gm a g n e t i z a t i o ni n t oa c t i o n c i r c u i to f t h ee x c i t a t i o ns y s t e m 图中旋转整流器由硅整流器( d 1 6 ) 、散热器( 盘) ，滑差检测灭磁保护和投励控制 单元( v c 7 一u ) 、灭磁保护和投励磁控制的无触点开关、灭磁电阻r 7 、r 8 等组成。硅整流 器采用三相全桥整流电路，并用旋转大功率晶闸管v c 7 作同步无触点开关。v c 7 把旋转整流 器与励磁绕组隔开，控制旋转整流器与励磁绕组之间的阻断或导通，并由滑差检测投励控 制单元自动控制晶闸管v c 7 的投励时刻，达到最佳相位自动投励。 滑差检测的灭磁保护和投励单元具有异步起动的灭磁保护和最佳相位自动投励控制 功能，同时在运行过程中，同步电动机产生失步状态时，具有失步再整步的功能。无刷励 磁同步电动机在异步起动瞬间，转子励磁绕组所感应的滑差频率为5 0 h z 。由于励磁主回路 所串联的旋转大功率管v c 7 把旋转整流器与励磁绕组隔断，励磁绕组处于开路状态。其感 应电压可达数千伏，将超过整流元件正向转折电压，造成元件正向穿通或反向击穿而使励 磁绕组绝缘破坏。因此，在起动时必须在励磁绕组两端并联灭磁保护电阻r 7 、r 8 ，其值约 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 为励磁绕组电阻的1 0 倍。同时在灭磁保护电阻r 7 、r 8 的并联电路再串联一旋转大功率管v c 8 ( 负极性) 和晶闸管v c 9 、v c i o ( 正极性) 作异步无触点开关。组成灭磁保护主控制电路。 灭磁保护单元在异步起动瞬间，励磁绕组两端x 1 、x 2 所感应的电压，当正半波电流时， x 1 为负，x 2 为正，硅二极管v c 8 导通并接通灭磁电阻r 7 、r 8 ，在负半波电流时，x l 为正， x 2 为负，v c 8 阻断。同时，晶闸管v c 9 、v c i o 承受正向电压被触发导通( 因为灭磁保护单元 的稳压二极管触发电路中的稳压管v l 、v 4 上的电压超过稳定电压，稳压管立即反向击穿而 导通产生脉冲触发电流触发晶闸管v c 9 、v c l 0 ) 。稳压二极管v 3 、v 6 是为了防止晶体管v c 9 、 v c i o 的控制极产生过电压的保护。 随着异步加速，励磁绕组感应的滑差频率逐渐降低，当滑差频率为额定频率的1 0 时， 励磁主回路的灭磁保护单元的晶闸管v c 9 、v c i o 由于感应的交变电压过零为负半波电流时， 而自动关断，v c 9 、v c l 0 虽承受正向电压，但仍处于阻断状态。励磁系统由灭磁保护阶段 进入最佳投励阶段。当滑差频率减d , 至u s = o 0 5 时，将于转子感应电流由负变正过零后，由 检测滑差电流相角的电流过零检测单元产生一个出发脉冲，触发导通主回路投励开关( 晶 闸管) ，对转子绕组进行励磁，使同步电动机顺极性牵入同步运行。 缺点是：此类电路仍然依赖于晶闸管、二极管等模拟元件，其寿命和可靠性取决于产 品的设计、材料以及制造工艺，工作性能不是很理想，电路故障率为一般。随着微机技 术水平的不断提高和工程自动化技术的广泛应用，w k l f - 4 1 微机无刷同步电动机励磁系统 应运而生，它适应现代化生产的技术要求，操作简单，维护方便，工作可靠，运行平稳，在新 建和改造工程中日益得到广泛应用。 2 3 3 以模拟量控制、数字控制( 8 位或1 6 位单片机) 为控制单元，采用数字式触发器 触发的无刷励磁系统 w k l f 一4 l 微机无刷同步电动机励磁系统的投励电路如图2 4 所示“”。该装置由主回路 和控制回路组成。主回路包括三相半控桥式整流电路和起动回路。起动回路由起动可控硅、 二极管及起动电阻组成。控制回路由主控模块和电源模块组成，电机起动后，电源模块为 主控模块提供稳定的工作电源。主控模块由单片机软件编程完成。 c b a t j l t 1 j 一 广f t 4 k r d l - 1 冱、t 3 z、1 2 _ 4讲平q d i w k 豆d 型 k 鲢q 3 星。口 一 二 ij 一毫至o 1 d fd 2、d ； 1 ，。l 盯、厂。 ，。l l 2 7 _i7 17l 圈24 励磁装置的投励电路 f i g 2 4t b cp u l l i n gm a g n e t i z a t i o ni n t oa c t i o n c i r c u i to f t h ee x c i t a t i o ne q u i p m e n t 电 机 转 子 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 1 、旋转励磁工作原理 w k l f 一4 1 旋转励磁系统主回路包括三相半控桥式整流电路和起动回路。整流电路由三只 z l 型旋转整流功率模块组成，它有三种工作状况：在电机起动及再整步异步驱动时为截止 工况，在投励后转为整流工况，相当于三相桥式整流电路，在起动回路误开通时短时工作 于失控工况以关断起动回路。三种工况在z k 4 1 旋转主控制模块的控制下自动切换。起动回 路由一只q d 型旋转功率模块和八只q m 型旋转起动灭磁电阻组成，受控于z k 4 1 旋转主控制模 块，在电机起动和再整步异步驱动过程中，q d 模块的可控硅导通阀值为低定值，便于q m 起 动电阻完全接入电动机转子回路，在电机正常运行中，q d 模块的可控硅导通阀值被设定为 高定值，使q m 电阻退出回路而避免长时间带电发热，当转子回路出现过电压且峰值超过q d 模块可控硅的高定值时，起动回路将重新接入电机转子回路，通过q m 电阻器吸收过电压。 在起动回路出现误开通时，z k 4 1 模块的检测环节动作，通过控制逻辑使整流电路工作于失 控工况，利用其续流时刻将起动可控硅关断。 控制回路由z k 4 1 旋转主控制模块、d y l 2 s 旋转电源模块组成。z k 4 1 模块控制三相半控桥 式整流电路的工作状况同时设有滑差投励和零压计时投励检测环节。在电机起动和再整 步过程中把握最恰当时机投励。d y l 2 s 模块为z k 4 1 模块提供稳定的工作电源。 2 、控制原理 为了提高同步电机及机组的动态稳定性，减少电机由于电网或负载等突然波动而导致 电机失步的机率，确保工艺生产的连续性与稳定性，在w k l f - 4 1 型静态励磁装置如图2 5 中 “”，引入了励磁电流负反馈与定子功率因数负反馈相结合的双闭环调节系统。从而使整机 的性能指标大大提高，具体表现在： ( 1 ) 供给励磁系统的低压3 8 0 v 电源发生波动时励磁调节器内环( 电流环) 能迅速作 出反应，使励磁电流基本保持恒定。 ( 2 ) 同步电机定子供电电源和负载发生波动时，励磁调节器的外环( 功率因数环) 迅 速作出反应，自动加大或减小励磁电流，在一定的范围内( 电机不长时间超额运行) 保持 同步电机功率因数的恒定 图2 5 静态励磁原理图 f i g 2 5p r i n c i p l ed i a g r a mo f s t a t i ce x c i t a t i o n 在装置的主机箱面板上，设有开闭环控制钮，当旋转钮置于开环位置时，外环退出 第1 0 页武汉科技大学 硕士学位论文 运行，励磁调节器为恒励磁电流调节，当旋钮置于闭环位置时，功率因数环和电流环同时 投入，只是在某些故障状态时( 如p t 回路断线) 功率因数闭环自动退出运行。在开、闭环 状态下，控制方法不同。控制图如图2 6 、2 7 所示： 图2 6 开环运行示意图 f i g 2 6s k e t c hm a po f o p e ni m o po p e m t i o n 图2 7 功率因数闭环运行示意图 f i g 2 7s k e t c hm a p o fp o w e rf a c t o rc l o s e dl o o po p e r a f i o n 以上均为全数字式闭环调节，并引入了比例积分( p i ) 和比例积分微分( p i d ) 调节 器，使系统在保持良好的稳定性的同时，具有较好的动态性能。p i 、p i d 调节器的参数除 可理论计算外，还可通过励磁装置的辅件加长一读写控制器进行在线修改，调试十分简便。 为了实现双闭环励磁调节，需要可控硅整流主回路，触发脉冲形成及放大电路，单片 机及其外围电路，信号测取电路等硬件的支撑，同时还需要合理配置保护类软件、测量运 算类软件、控制类软件等软件程序。 本装置主要特点表现在： 1 、具有励磁电流负反馈与定子功率因数负反馈相结合的双闭环调节回路，使励磁电流及 同步电动机功率因数基本保持恒定，其工作均用微机软件完成。 2 、装置起动无脉振、投励无冲击，能迅速准确捕捉到滑差，准确投励。 3 、设有零压计时投励，作为后备投励。 4 、整机智能化微机控制，具有测量保护及事故预告及音响等多种报警信号，中文界面操 作、显示，操作维护方便。 5 、本装置具有两套微机控制系统，一套工作，一套热备用，具有高可靠性。 6 、该装置以数字电路为基础，励磁调节和控制采用微机处理器，消除了模拟电位器调整 的烦琐和由于温度变化带来的励磁漂移。大部分功能软件化，减少了硬件品种和数量。 7 、结构化软件设计。功能的增减可方便地通过修改软件而实现。 8 、励磁电流由霍尔元件、定子电压电流分别由小阿、小c t 隔离，输入输出开关量均通过 继电器、光耦隔离，提高了装置的抗干扰能力。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 9 、装置工作电源采用交直流同时供电，两套独立电源，任意单套电源故障都不会导致跳 闸停机。 1 0 、智能化的故障检测、定位及显示。装置对电源故障、硬件故障及软件故障具有自动检 测功能，软件故障可自行恢复。故障信息显示在主机箱面板上，并可通过读写器读出如同 步信号、p t 、c t 、a d 、c p u 、r 埘、r o m 等详细故障信息。故障插件可在线更换。 该装置的无刷励磁系统是在2 0 世纪9 0 年代后，以单片机为代表的全数字化技术逐渐成 为主流的背景下产生的设计方案，其故障率较低。近年来随着网络技术的发展，许多高端 用户开始对设备的通信能力提出了很多新的技术要求。如大型企业的企业资源计划( e r p ) 管理需要对励磁装置进行实时监控、数据动态采集和为提高控制可靠性而要求的冗余设计 等，都需要通信技术的支持。因此，基于p l c ，结合现代控制理论的无刷励磁系统的智能 化控制便应运而生，得到了非常广泛的应用，给国民经济的发展带来了巨大的利润。这一 典型设计方案将在后面的章节给予详细的介绍与分析。 2 4 本章小结 1 、无刷励磁系统诞生以来，有许多设计方案，本章仅根据其投励电路所采取的控制和 触发方式进行了分类说明，对各自的原理进行了介绍，指出了各电路的优缺点及其导致的 故障率的情况按时间的顺序，从技术发展的角度阐述了无刷励磁同步电动机励磁系统的 控制方式的不断改进与控制效果的优化。 2 、帐l f - 4 1 型微机控制无刷励磁同步电动机励磁系统是比较先进的设计方案，结合软 硬件控制，解决了起动脉振、投励滑差捕捉不到、投励冲击、运行中起动电阻发热等问题， 实现了闭环调节和控制，具有失步保护、不减载自动再同步性能和常规励磁不能实现许多 控制、限制保护和自诊断恢复功能，有两个完全独立的自动通道互为备用，可靠性非常高。 3 、无刷励磁系统投励总的设计原则是按照“准角强励整步”，要求具有强励整步的 功能，使电动机拉入同步的过程平滑、快速，可靠、无冲击。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章模糊控制 模糊控制是建立在人工经验基础上的一种智能控制方法。它可以避开对象的数学模型， 力图对人们关于某个控制问题的成功与失败的经验进行加工，总结出知识，丛中提炼出控 制规则，用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型，应用各类模糊推理方 法，得到适合控制要求的控制量。与传统的控制相比，模糊控制有以下的特点：1 ) 适用 于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，只要求掌握操作 人员或领域专家的经验或知识。2 ) 模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语 言变量的形式定性的表达，构成了被控对象的模糊模型。在经典控制中，系统模型是用传 递函数来描述；在现代控制领域中，则用状态方程来描述。3 ) 系统的鲁棒性强，尤其适 应于非线性、时变、滞后系统的控制。总之，模糊控制是一种更加拟人化的方法，用模糊 逻辑处理和分析现实世界问题，其结果往往更符合人的要求。用模糊控制更能容忍噪声干 扰和元器件的变化，使系统适应性更好。模糊控制由于拥有众多的优点，其应用领域会更 加广泛，应用前景会更加开阔“”。 3 1 模糊控制系统的组成 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模 糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。 组成核心是具有智能性的模糊控制器，在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量和 模糊逻辑推理的知识，模拟人的思维方法，对复杂过程进行控制。模糊逻辑控制的基础是 模糊逻辑。模糊逻辑从含义上比其他传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。它能够对真 实世界的近世的、不确切的特征加以描述。针对传统控制来说而显得十分复杂的时变、非 线性系统，模糊控制可以取得令人满意的控制效果。模糊逻辑控制系统的基本结构如图3 1 所示。 围3l 模糊逻辑控制系统 f i 口i t kf _ q h 暑i c c o m t r o l 研i 岫 从上图中可以看出，模糊控制系统的主要部件是模糊化过程、知识库( 含数据库和规 则库) 、推理决策和精确化计算。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 3 1 1 模糊化过程 模糊化过程主要完成：测量输入变量的值，并将数字表示形式的输入量转化为通常用 语言值表示的某一限定码的序数。每一限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度 函数来定义。对于某一个输入值，它必定与某一个特定限定码的隶属程度相对应。图3 2 给出了三种常见的模糊化函数。 3 1 2 知识库 i ： 弋夕 x 0x 0x 0 图3 2 模糊化函数 f i 9 3 2f u z z yf u n c t i o n 知识库包括数据库和规则库，数据库提供必要的定义，包含了语言控制规则论域的离 散化、量化和正则化以及输入空间的分区、隶属度函数的定义等。规则库根据控制目的和 控制策略给出了一套由语言变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合。模糊控 制设计的主要任务是以被控系统的性能指标作为设计和调节控制器参数的依据。一般来 说，模糊控制器设计时需要考虑的参数有：采样频率( 根据香农定理和被控过程的技术限 制来选择) 、量化等级( 它严重影响系统的响应，如超调、上升时间和稳态精度等) 、隶属 度函数的类型和不同隶属度函数之间的重叠率、规则的数目和精确化计算方法。实质上， 模糊逻辑控制器设计的关键在于如何有效地建立知识库即数据库和规则库，决策逻辑控制 实际上是依赖规则库来实现的“5 儿。 1 ) 数据库 模糊逻辑控制中的数据库主要包括：量化等级的选择、量化方式( 线性量化或非线性 量化) 、比例因子和模糊子集的隶属度函数。这些概念都是建立在经验和工程判断的基础 上，其定义带有一定的主观性。 ( 1 ) 论域的离散化实质上就是一个量化过程。量化就是将一个论域离散成确定数目 的几小段( 量化级) ，每一段用某一个特定术语作为标记，这样就形成一个离散域。然后 通过对这新的离散域中的特定术语赋予隶属度来定义模糊集。 ( 2 ) 模糊划分 模糊划分就是确定基本模糊集的数目( 术语集合中术语的个数) 。而 基本模糊集又将决定一个模糊逻辑控制器的控制分辨率。在模糊空间中，术语集的基数决 定了可以建立的模糊控制舰则的最大数目。 ( 3 ) 基本模糊子集的隶属度函数通常有两种模糊集隶属度函数的表示方法：数字表 第1 4 页武汉科技大学 硕士学位论文 示一适用于论域是离散的情况，此时模糊集隶属度函数的等级是用一个矢量来表示的；函 数表示一适用于论域是连续的情况，它是用函数的形式来表示模糊集合的隶属度函数。典 型的函数有三角形函数、梯形函数和高斯函数。 2 ) 规则库 规则库包含有与过程操作有关的经验型知识，控制规则就是这些知识的描述。规则库 存放的知识可以是用一簇规则的形式给出或用矩阵的形式给出。用语言规则形式描述的规 则库的格式如下： 规则库：r 1 ：若条件p l 则结论c 1 r 2 ：若条件p 2 则结论c 2 r n ：若条件p n 则结论c n 3 1 3 推理决策逻辑 推理决策逻辑是模糊控制的核心，它利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给 出合适的控制量。其实质是模糊逻辑推理。模糊推理是一种不确定性的推理方法，是一种 以模糊判断为前提，运用模糊语言规则，推出一个新的近似的模糊判断结论的方法 1 ) 模糊推理的z a d e h 法 其基本原理是：设模糊蕴含关系“若a 则b ”用a b 表示，且a e u ，b e y ，则a b 是u x v 上的模糊关系，即 ( a + b ) ( u ，v ) - r ( u ，v ) u x v( 3 1 ) 取r ( u ，v ) = ( a ( u ) ab ( v ) ( v ( 1 - a ( u ) ) ( 3 2 ) r ( u ，v ) = la ( 1 一a ( u ) + b ( v ) )( 3 3 ) ( 1 ) 模糊取式推理 己知模糊蕴含关系a b 的关系矩阵r ，对于给定的a ，a e u ，则可推得结论， b e v ，且口为b = 一o r( 3 4 ) 其中“o ”表示合成运算，即模糊关系的s u p a 运算。 ( 2 ) 模糊拒式推理 已知模糊蕴含关系a b 的关系矩阵r ，对于给定的矿，b e v ，则可推得结论a ， a e u ，且a 为a 匕ro b ( 3