（电气工程专业论文）同步电动机异步起动最佳顺极性投励研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 对口原则。其次，在资金管理方面，严格实行资产负债管理，在贷款业务中加大票 据信用的比重。在风险管理制度方面，应该在资产负债比例管理的基础上强化和注 重运用缺口管理、利率敏感性分析等先进的资产负债管理技术，增强资产负债管理 的制度绩效。最后，在人事管理制度方面，要健全国有商业银行的用人机制，化解 人员包袱，提高人员素质。 关键词：商业银行，经营效率，实证分析 i i l 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t s y n c h r o n o u sm o t o ri s 、埔d e l yu s e di nf i x e d - s p e e dd r i v es y s t e mo fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n , w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fa d j u s t i n gp o w e rf a c t o rf r e e l y , 缸e ds p e e d , a n d h a r dl o a dp r o p e r t ye t c s y n c h r o n o u sm o t o r s 幽砸n gm a i n l ya d o p t sa s y n c h r o n o u s s t a r t i n gm e t h o d , eg m a k eu s eo fd a m pw i n d i n g st oa s y n c h r o n o u s l yd r i v em o t o rt oa s p e e da p p r o x i m a t et os y n c h r o n o u ss p 训，t h e nc h o o s eac e r t a i nt i m et oe x e r te x c i t i n g e r a r e n tt op u l li n t os t e p 。t h i sm e t h o di sm u c hm o r ec o n v e n i e n ta n dl o w - c o s t i n gt h a n a u x i l i a r ym o t o rs t a r t i n ga n df r e q u e n c yc o n v e r s i o ns t a r t i n g , h o w e v e r , e x e r t i n ge x c i t i n g h a s a l w a y sb e e nad i f f i c u l tp r o b l e mi na s y n c h r o n o u ss t a r l i n g , s y n c h r o n o u sm o t o r s u 岱c r s al o tf r o ms t r o n gv a c i l l a t i o n , l a r g es t a t o rc u r r e n ti m p a c t , a n dl o n gt i m eo fp u l l i n gi n t o s t e p ，e v e n 啪n o tp u l li n t os t e pi nh e a v yl o a dc o n d i t i o na f t e re x e r t i n ge x c i t i n g ，w h i c h c a u s e sa d v e r s ei n f l u e n c et om o t o ri t s e l f a n dp o w e rg r i d a tp r e s e n t , s y n c h r o n o u sm o t o r se x c i t i n gg e n e r a l l ya d o p t sr o t o r - e l e c t r i c i t yt o w a r d s p o l a r i t ym e t h o d , w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h er o t o r - i n d u c t i v ev o l t a g e ，p r o d u c e di nt h e p r o c e s so fa s y n c h r o n o u ss t a r t i n g , t oj u d g ee x c i t i n gs p e e da n de x c i t i n gt i m e , b u tt h e r o t o r - i n d u c t i v e v o l t a g eb e c o m e sr a t h e rw e a k w h e ns y n c h r o n o u sm o t o r ss p e e d a p p r o a c h e ss y n c h r o n o u ss p e e d , t h e r e f o r e ，i ti sq u i t ec o m l n o nt h a ts y n c h r o n o u sm o t o r c a nn o tb ee x c i t e do re x c i t e di n 廿 r o ru n d e rg r e a td i s t u r b a n c ec o n d i t i o no fi n d u s t r i a l p r o d u c i n g a n dt h eb e s tt o w a r d sp o l a r i t ye x c i t i n gm e t h o df o rs y n c h r o n o u sm o t o r s a s y n c h r o n o u ss m r d n gp u tf o r w a r db ys c h o l a r sb o t hi nh o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r s i sa l s oh a f dt or e a l i z ei nr o t o r - e l e c t r i c i t ym e t h o dd u et oi t ss h o r t c o m i n g so f r o t o r - i n d u c t e ds i g n a l ，h e n c e ，a c q u i r i n go f t h ee x c i t i n gs i g n a la i m st os t a t o rf i d e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eb e s tt o w a r d sp o l a r i t ye x c i t i n ga r e ai sa s c e r t a i n e dt h r o u g h c o m p a r i n ge x c i t i n gc u r v e o f d i f f e r e n te x c i t i n gt i m eb ys i m u l a t i o nw h i c hw a sc a r r i e do u t b ym a t h e m a t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r eo fm a t l a b ，a n dab e s tt o w a r d sp o l a r i t ye x c i t i n g m e t h o db ys t a t o r - e l e c t r i c i t yw i t h o mr o t o rp o s i t i o nd e t e c t o ri sp u tf o r w a r d , w h i c hs i n g l y d e t e c t sa n da n a l y z e ss t a t o r sc u r r e n tw a v et h r o u g hs o f t w a r et og e tm o t o r ss p c e da n d c a t c ht h eb e s tt o w a r d sp o l a r i t ye x c i t i n gt i m e d e b u g g e dt h r o u g hi ne x p e r i m e n t i n gb o a r d c o r e dw i t ht m s 3 2 0 c 2 8 1 2d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e dt h a tt h i sm e t h o dh a sg o o dr e l i a b i l i t y , s h o r tp u l l i n gt i m ea n dl o wi m p a c t , i t i sc o r r e c ta n de f f e c t i v e , l a r g e l ys o l v e dt h ep r o b l e m se x i s t i n gi ns y n c h r o n o u sm o t o r s a s y n c h r o n o u ss t a r t i n ge x c i t i n g f u r t h e r m o r e ，t h ec o n f i g u r a t i o na n dd e s i g nm e t h o do f s y n c h r o n o u sm o t o r sm i c r o p r o c e s s o re x c i t i n gs y s t e ma r ei n m , d u c e d , a sw e l l 勰d i g i t a l 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 p ir e g u l a t o ra n dm i c r o p r o c e s s o rs h i f t - p h a s et r i g g e r i n gp r i n c i p l e t h eb e s tt o w a r d sp o l a r i t y e x c i t i n gm e t h o db ys t a t o r - e l e e l r i c i t yw i t h o mr o t o r p o s i t i o nd e t e c t o rp u tf o r w a r di nt h i sd i s s e r t a t i o ni san e wt y p em e t h o df o rs y n c h r o n o u s m o t o r sa s y n c h r o n o u ss t a r t i n g , w h i c hp o s s e s s e sh i g he n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sm o t o r , t o w a r d sp o l a r i t ye x c i t i n g , s t a t o r - e l e e t r i c i t ym e t h o d 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 q u a l i t y o f h u m a n r e s o u r c e s w i l l d e t e r m i n e t h ee o m p e t i 吐v es t r e n g t h o f c o m m e r c i a l b a n k s 3 1r e d u c et h eb a dl o a n sr a t i o ，i n c r e a s et h ea b i l i t yo fe n d u r i n gr i s ko fc o m m e r c i a l b a n k s c b r cs h o u l da c t i v e l yp r o m o t et h en e wm e a n so f d i s p o s a la n dc r e a t et h ef a v o r a b l e c o n d i t i o n so l lt h ea s p e c to f p o l i c i e sf o rb a n k s c o m m e r c i a lb a n k ss h o u l da l s ot r yv a r i o u s n e wm e t h o d st oa c t i v e l yd i s p o s eb a dl o a n s ，i n c l u d i n gc l e a r i n gu pl o a n s ，v e n d u e , w r i t eo f f b a dd e b t sa n ds o0 1 3 i na d d i t i o n , b a n k sc a nf o c u so l lt h er e t a i lb a n k i n gb u s i n e s s d e v e l o p m e n t , w h i c hc a l lb o t hd e e e n l x a l i z em a n a g e m e n tr i s ka n dr e d u c et h er a t i oo fb a d a s s e t s f i n a l l y , t r yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h e l o a n sa n dd ot h ee x a m i n a t i o nb e f o r e h a n d ， t r a c k i n gt h eo p e r a t i n ga n ds u p e r v i s i n ga t t e r w a r d s 4 ) r a i s et h ec a p i t a la d e q u a c yr a t i oo f c o m m e r c i a lb a n k s b a n k sc a l lb r i n gi ns t r a t e g i c i n v e s t m e n tp a r t n e r s ，i np a r t i c u l a rt oa t t r a c tf o r e i g nb a n k st ob u ys h a r e s ，w h i c hw i l ln o t o n l yb ep r o f i t f u lt ot h eb a n k st or e p l e n i s ht h e i ro w nc a p i t a l ，b u ta l s os t u d yt h em o l e a d v a n c e dm a n a g e m e n te x p e r i e n c ef i o mf o r e i g nb a n k sa n di m p r o v et h eb a n k so w n m a n a g e m e n tl e v e l f o rs t a t e - o w n e db a n k s ，b e f o r et h ej o i n t - s t o c kr e s u u c t u r i n g , t h e g o v e r n m e n tw o u l db ea b l et oi n j e c tc a p i t a lt os t a t e - o w n e db a n k si no r d e rt oi m p r o v e t h e s t a t e - o w n e db a n k sc a p i t a la d e q u a c yr a t i o c b r cs h o u l de n c o u r a g ec o m m e r c i a lb a n k st o i s s u es u b - b o n d st oe n r i c ht h ec a p i t a la c c o r d i n gt oi n t e r n a t i o n a lr u l e i ns h o r t , t oi m p r o v e t h eb a n k sc a p i t a la d e q u a c yr a t i oi st h ec o n s i d e r a t i o n so fi m p r o v i n gb a n k s e f f i c i e n c y , a s w e l la st h eb a s i cp r o t e c t i o no f b a n k s s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t 5 1f u r t h e rp r o m o t et h em u l - b u s i n e s so p e r a t i o nm o d eo fb a n k s t oc r e a t eaf a i ra n d e f f e c t i v ec o m p e t i t i o ne n v i r o n m e n t , s t r e n g t h e nt h ei n t e r - b a n k s c o m p e t i t i o na n dp r o m o t e o p e r a t i o n a le f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t , c h i n a sb a n k i n gi n a u s t r yu r g e n t l yn e e dt op r o m o t e d e e p e rm i x e do p e r a t i o nr e f o r m s s e p a r a t eo p e r a t i o ni sn o ts u i t a b l ef o r t h ed e v e l o p m e n to f m a r k e te c o n o m y , t ot h ef i n a n c i a li n d u s t r y , t o op a r t i c u l a rs e p a r a t i o nw i l lh i n d e rt h e d e v e l o p m e n to ff i n a n c i a le n t e r p r i s e s c 姐n o tm e e tt h en e e d so fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n dc l i e n t s ，a n dc a nr i o te s t a b l i s h e f f e c t i v ef i n a n c i a lc o m p e t i t i v ee n v i r o n m e n t 们s t r e n g t h e ni n t e r n a lo p e r a t i o n sa n dm a n a g e m e n to f b a n k s t h e r ef i r et h ef o l l o w i n g f o u ra s p e c t so ft h er e f o r m st od oi no r d e rt oi m p r o v ei n t e r n a lm a n a g e m e n ta n di m p r o v e t h eb a n l d n gs y s t e mf r o r ；lf i r s t , t h es y s t e mo fo r g a n i z a t i o n , i na c c o r d a n c ew i t ht h e m a r k e t - o r i e n t e da n dc u s t o m e rd e m a n df o rt h ee s t a b l i s h m e n to fa ni n t e r n a lf i n a n c i a l f u n c t i o n s a ta nl e v e l ss h o u l db eb a s e do l lt h eb a n k sl e v e lo ff u n c t i o n a l i t ya n d i n s t i t u t i o n a ls e t t i n g sf o rf o c u sa n dt h e 蛹e c t i o no f t h et r a d i t i o n a lp r i e i p l et h a tt h ep e o p l e c o u n t e r p a r t s s e c o n d l y , t h ef i m d sm a n a g e m e n tt os l r i e t l ye n f o r c et h ea s s e tj i a b i l i t y m a n a g e m e n t , l o a nb u s i n e s sc r e d i t i n s t r u m e n t si n e r e a s et h ep r o p o r t i o n i nt h er i s k v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名。了友舞签字日期：一7 年f 月铝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 粒做储懿：了支辛 签字日期：跏7 年r 月落日 导师签名： 舌、参 签字日期：机时月毯咱 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 1 引言 同步电动机广泛应用于大功率风机、水泵、球磨机、轧钢机等恒速驱动系统。 其最大的优点在于通过调节同步电动机转子的励磁电流便可调节同步电动机的功 率因数，从而调节其无功的大小，可以向电网吸收和发出无功，且从滞后到超前 的广阔范围内，根据需要可作连续平稳的调节不会出现过补偿。用户可以根据具 体要求使同步电动机工作在多种工况下( 恒无功、恒功率因数、恒励磁电流等) 以满足电网需求。同步电动机还具有转子转速与负载大小无关始终保持为同步转 速的特点。另外，同步电动机运行效率一般高于异步电动机，大功率、低转速的 同步电动机尤为显著，其过载能力强，恒速运行稳定性亦较异步电机好。具有相 同功率的生产机械，采用同步电动机拖动时，可以调节励磁使系统c o s 提高，供 电系统的线路压降较低，线路损耗较小，年节能的效益和生产经济效益都比异步 电动机高。 总的来说，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，近年来由于可控硅技术和微型 计算机( 特别是单片机和d s p ) 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 与转子磁场有相对运动，由于机械惯性，结果转子承受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。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： 辅助电动机起动法 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 - 1 5 ) 作为 辅助电动机。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，再切断辅助电机电源。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 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 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。如主机装有足够容量的同轴直流励磁机，也可以励磁机兼作 辅助电动机。 变频起动法 此方法实质上是设法改变定子旋转磁场转速利用同步转矩来起动。为此，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。 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， 本文所做同步电动机起动研究也是针对异步起动法。 1 2 同步电动机异步起动 同步电动机的异步起动有全压异步起动和降压异步起动，其中全压异步起动 使用得较为普遍。同步电动机一般凸极，极对数因转速的不同而不同。在励磁回 路串接约为励磁绕组电阻1 0 倍的附加电阻而构成闭合回路后，把同步电动机的定 子投入电网，使之依靠阻尼绕组按异步电动机起动，等到转速上升到接近于同步 转速( 亚同步转速) ，再接入励磁电流。 异步起动时，励磁绕组切忌开路，因为在起动时，定子旋转磁场与转子的相 对速度很大，而励磁绕组的匝数又很多，高速旋转切割的励磁绕组中将感应出一 个很高的电势，可能破坏励磁绕组的绝缘，造成人身安全事故，但若将励磁绕组 不经过附加短接电阻直接短路也不合适，因为此时在励磁绕组( 它相当于一个单 相交流绕组) 中的感应电流较大，它与气隙磁场的作用将产生较大的附加转矩( 单 轴转矩) 其特点是在略大于半同步转速( 简称半速) 处产生较大的负转矩，使电 动机的合成转矩曲线发生明显的下凹，在负载较重的情况下可能把同步电动机“卡 住”在半速附近运转，不能继续升速。 同步电动机在异步起动过程时共有四个转矩： 单轴转矩； 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 起动绕组所产生的异步转矩； 凸极转子直、交轴磁阻不相等引起的磁阻( 反应) 转矩； 励磁后所产生的同步转矩； 第一种转矩由于在半速由正值变为负值，因此对起动不利，必须加以限制。 第二种就是普通的异步转矩，可以认为它的m j 曲线与异步电动机完全一样。因 此第一，第二两种转矩合成的m j 曲线可以用来表征同步电动机起动性能的好 坏。主要表现为最初起动转矩m 。和名义牵入转矩肘。两个指标所谓名义牵入转 矩是指转速达到9 5 同步转速( 即s = o 0 5 ) 时的电动机异步转矩。这两个转矩的 大小与起动绕组的电阻有关。起动绕组电阻越大，名义牵入转矩m 。就愈小，而起 动转矩则变大，二者之间存在一定的矛盾。通常对要求牵入转矩大而牵入转矩可 以较小的拖动鼓风机等负载的电机，可以用紫铜来做起动绕组；而对要求起动转 矩大而牵入转矩可以较小的拖动连续轧钢机等电机，则应选用电阻系数较高的黄 铜或青铜来做起动绕组。 第三、第四两种转矩都是同步转矩，它对电动机由异步状态牵入同步运行时 起着决定性的作用，也是施加励磁电流( 称作投励) 时刻的关键。 在异步转矩的作用下，可将电动机带动到同步转速9 5 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。 当转速达到9 5 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，n - 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。 异步起动虽然简便，但也存在不容忽视的问题。 附加短接电阻问题 起动过程中，必须在励磁回路中接入一个附加短接电阻r 。以消除开路过电压 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 和削弱单轴转矩，这对顺利起动是极为有利的，但电阻在电机投励前就应切除， 否则可能过热烧坏，造成危害。目前附加短接电阻的投入和切除可以通过控制与 之串联的晶闸管的导通和关断来实现，向晶闸管的控制断口发送导通和关断脉冲。 投励时机的选择问题 如果投励过早，转差过大，可能造成整步失败，引起带励失步，电机将承受 很大的脉振转矩，给电机造成极大的损伤，若滑差虽已经达到要求，而投励时刻 电机转子的角度没选好也可能给电机造成强烈的冲击，牵入时间长，甚至在重载 起动情况下不能牵入同步，同样也给电机造成危害。 1 3 目前同步电动机全压异步起动投励的几种方式 转差投励 转差投励是指当同步电动机通过起动绕组异步起动到9 5 同步转速后，不考 虑转子位置而直接施加励磁这种投励方式投励存在很大的随机性，转子在施加 励磁后建立确定的磁极，而转子磁极相对于定子旋转磁场有可能处于使转子加速 的位置，也可能处于减速的位置。此投励方式简单方便，只需要检测转子转速作 为投励的条件，主要应用于中小型的同步电动机。如果在不利于牵入区间投励， 投励后将给电机造成强烈冲击，引起同步电动机定子电流剧烈波动，污染电网， 牵入同步时间长，甚至在重载情况下不能牵入同步，这时对电网和电机本身危害 最大，电机在遭受连续脉振转矩的反复作用下造成不同程度的暗伤。因此，应寻 求一种消除在不利于投励区间投励而保证在有利于投励的方法一顺极性投励。这 就意味着当转子转速达到9 5 同步转速后还需要检测其他反映转子位置的电量来 作为投励条件。 转子电量法顺极性投励 转子电量法顺极性投励是指通过检测转子励磁绕组感应出的电压信号来达到 检测转子位置的目的，同时电机的转速也可通过励磁绕组感应电压信号反应。同 步电动机在异步起动时，励磁绕组通过一附加电阻短接起来以限制定子旋转磁场 高速切割励磁绕组产生的过电压，这时励磁绕组两端通过串联的电流互感器引出 感应电压信号，对电压波形进行分析得出投励时刻。励磁绕组中感应的电压信号 的频率和幅值与转差成正比，随着电机转速上升，转差变小，感应电压频率和幅 值呈衰减趋势，其波形的上下半波形也对应转子的不同位置，在感应电压由负变 为正时刻为转子投励后建立的磁极与定子旋转磁场磁极重合。将电压波形经过零 比较器比较整形成方波，由于方波频率与转差成正比，因此检测方波频率来反映 电机的转速，可通过模拟方式也可数字方式实现。预先确定9 5 同步转速时的方 波频率，与检测得的方波频率比较在速度达到要求后，在方波由负变为正的时刻 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 施加励磁。相当于在转子磁极与定子旋转磁场磁极夹角8 = 0 0 时刻投励，磁极相互 吸引，电机加速，有利于电机牵入同步。这样就保证了在有利于牵入同步区间投 励，投励成功率较转差投励显著提高。但在实际生产中，同步电动机仍然存在误 投励、投励失败、投励冲击大以及牵入同步时间长等问题。主要原因是当同步电 动机转速在9 5 同步转速以后，转差率小，励磁绕组中感应的电压信号幅值和频 率很小，在实际工业生产的大干扰环境下，励磁绕组中的感应电压信号过零点不 明确造成误投励事故，此外，由于理论上投励在万= 0 0 时刻，并非最佳投励时刻， 造成投励后电机冲击大、牵入同步时间长等问题。因此需要寻求其他更可靠的投 励方法。 定子电量法最佳顺极性投励 近年来国内外学者提出的“最佳顺极性”投励，即在顺极性范围选择一小的 区间投励，对电网和电机造成影响最小，更容易牵入同步且牵入时问更短，定子 电流波动也最小，无疑在现代工业应用中，“最佳顺极性”投励是同步电动机异步 起动的研究方向。由于传统的转子电量法投励方式获取的信号本身存在很大的污 染，且通过转子励磁绕组感应电压信号对最佳投励时刻也很难把握，因此获取转 子位置信号就转向定子侧，定予电量法最佳顺极性投励方式应运而生。 定子电量法最佳顺极性投励方式可以通过在定子侧和转子侧安装“转子位置 检测器”，位置检测器能反映转予磁极的位置，当位置检测器定子部分与转子部分 重合时便发出脉冲。检测定子a 相电流的峰值即检测到定子旋转磁场的磁极位置， 结合位置检测器发出的脉冲实现最佳顺极性投励。但安装转子位置检测器本身就 给同步电机带来不可靠因素，因此，本文探索出一种通过只检测定子电流而取消 位置检测器的一种新型定子电量法最佳顺极性投励方式。 1 4 同步电动机微机励磁系统“1 随着数字控制技术、计算机技术及微电子技术的飞速发展和日趋成熟，励磁 控制已经实现从原有的模拟式向数字式的转变，目前数字化的微机励磁控制器已 在同步电动机中普遍采用 早期的模拟式励磁控制器都是通过分立元件、小规模集成电路构成，每个功 能对应一个模板，对于励磁控制器这样功能还不算很复杂的装置，其元件数和模 块数都相当的多，同时各参数的设置和控制也通过电位器来实现，这都给生产调 试、运行以及维护带来很多麻烦和不便。控制器对个分立元件的要求也较高，随 时间的推移，元件老化、温漂都影响着励磁控制器的性能。另外，要求各同步电 动机控制单元个数据的通信功能，这在模拟励磁控制器是无法实现的。 与模拟励磁控制器相比较，微机励磁控制器具有以下优点： 5 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 微机励磁控制器可靠性高。由于数字电路本身的可靠性很高，同时微机励 磁控制器通常采用微机冗余设计，多个通道相互跟踪，互为热备用，可实现自动 切换，在加上控制规律由软件实现，减少了硬件电路，使得由于控制器硬件电路 故障而造成的停机时间大为减少。 计算机控制系统的特点是控制灵活、速度快、存储量大和有逻辑判断能力， 因此可以大大增强励磁系统的控制功能，改善同步电动机的运行性能。 微机励磁控制器硬件结构简单，很多在模拟励磁控制器中需要专用电路实 现的功能，如各种励磁限制和保护功能，在微机励磁控制器中只需通过编写相应 的软件模块即可实现，不须增加任何硬件，大大降低了硬件系统的复杂性，方便 生产、调试及运行维护。 控制准确，精度高，在线改变参数方便。在微机励磁控制器中，信号处理 和控制规律由软件来完成，信号处理和控制精度高。同时，电压给定、放大倍数、 时间常数等控制参数都是数字设定，比由模拟元件构成的环节调整参数要准确， 在线调整设定参数也较模拟控制器方便，没有模拟控制器中电位器调整带来的烦 恼。 可实现自诊断、自检测技术。模拟控制器要实现自诊断、自检测是相当困 难的，原因是实现电路复杂。微机励磁控制器可充分利用计算机的运算速度及软 件的优越性，定期地对重要硬件部件和软件检查和监视，一旦出错，处理器对故 障进行识别，并作出相应处理，在显示故障消息的同时，或报警或进行调节器切 换或发出停机信号等，最大限度保证调节器运行中的透明度，保证同步电动机的 运行可靠性。 数字电路不存在温漂问题，元件使用寿命长，不存在参数变化问题。 通行方便可以通过通信总线、串行借口方便灵活接入计算机监控系统。 微机励磁控制可与上位计算机通信，传送数据、接受指令。上位计算机可以直接 改变电机的给定值，方便实现无功实时调节。 可以统一设计硬件电路，便于产品更新换代。由于软件设计具有很大的灵 活性，使得控制策略的改变和控制功能的增加只需要修改软件上加以改进，加速 产品升级换代 设计良好的微机励磁控制器能有效降低整套装置成本，并具有体积小，重 量轻的等优点。 上述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。 6 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 5 本文所做工作 本文在同步电动机起动控制理论的基础上，列举了现今常用的起动控制策略， 针对于目前同步电动机异步起动投励后存在对电机和电网冲击大、牵入同步时间 长、在重载条件下甚至不能牵入同步，电机遭受反复连续的脉振转矩的作用造成 暗伤等问题，分析了目前同步电动机异步起动的各种控制策略的优缺点，以及解 决各控制策略不足的方向。由于同步电动机异步起动的关键是附加短接电阻问题 和投励时机选择问题，其中尤其是投励时机选择问题是目前异步起动所急需解决 的问题。 本文的主要工作如下： 研究了现今常用的同步电动机异步起动策略，分析各种控制策略的优缺点。 分析可知，转差投励存在很大的随机性，必须消除在不利于投励区间投励，转子 电量法的顺极性投励由于在低转差条件下励磁绕组中感应电压信号微弱，且在工 况条件下存在很大的干扰，影响投励的准确性，亦很难把握在最佳顺极性投励区 间投励。安装转子位置检测器的定子电量法最佳顺极性投励本身添加了系统的不 可靠性； 由于传统同步电动机异步起动顺极性投励存在着不足和需要解决的问题， 因此，在定子电量法最佳顺极性投励策略的基础上，本文提出了一种新型的无传 感器定子电量法最佳顺极性投励方式。只通过检测分析定子电流波形，得到投励 所需的9 5 同步转速和最佳顺极性投励的投励角度。很大程度上改善了目前同步电 动机异步起动问题； 在同步电动机暂态数学建模的基础上，运用m a t l a b 仿真分析得出了同步 电动机异步起动的最佳投励时刻，在此投励时刻投励，电机很容易牵入同步，牵 入同步时间较短且电机与电网遭受的冲击最小； 在仿真得出的最佳顺极性投励时刻的基础上，提出了无传感器定子电量法 最佳投励方式的硬件和软件解决途径，并运用c 语言完成了投励软件的编写和功 能调试，在以数字处理器t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 为核心的微机励磁控制器实验板上调试通 过，得出投励波形，证明了该投励方式的可行性； 研究了同步电动机微机励磁控制基本理论，微机励磁控制器的硬件软件组 成及设计方法，以及微机励磁三相同步信号触发脉冲形成原理。 7 重庆大学硕士学位论文 2 同步电动机异步起动过程及投励方式 2 同步电动机异步起动过程及投励方式 同步电动机异步起动包括励磁绕组两端附加电阻短接和投励时刻把握，消除 转子感应过电压后切除短接电阻，在电机达到9 5 同步转速后，在满足投励条件 下投励。本章从同步电动机结构和原理以及出发，分析了同步电动机的起动、投 励及同步化过程，这对异步起动过程的控制策略有指导性意义。并列举了目前常 用的投励方式，研究分析其存在的问题及解决方向。 2 1 同步电动机的起动、投励及同步化过程 同步电动机一般为凸极，凸极同步电动机投入电网后，先要经过异步起动和 牵入同步过程，才能进入正常运行，凸极同步电动机的转子上装有阻尼绕组，起 动时依靠阻尼绕组和励磁绕组内感应电流所产生的异步电磁转矩使电动机起动。 在投入励磁后电动机由异步状态到同步状态有一机电暂态过度过程。 2 1 1 起动过程分析 静止可控硅励磁的同步电动机，主整流桥的交流侧电源与定子回路不直接相 联，因此，定子电压可以设计为高压3 k v 、6 k v 、l o k v 或低压3 8 0 v 。当定子合闸接 上电源时，如励磁绕组开路，便会产生过电压，其值可能达额定励磁电压的1 0 倍， 故转子电路中必须设置过电压保护，转子回路与励磁电源相固接，但起动之前不 能加入励磁电流，否则会产生“堵转”现象，非但不能起动，而且还会使电网电 压受到很大的波动，电机本身在遭受连续脉振转矩作用下造成损害。同步电动机 异步起动原理线路图如图2 1 所示嘲。 图2 1 同步电动机异步起动原理线路图 f i g 2 1p r i n c i p l ed i