（电力电子与电力传动专业论文）大中型同步电机励磁装置的设计与试验.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h ed e p e n d a b i l i t yo fs y n c h r o n o u sm o t o ri sd e t e r m i n e dm o s t l yb yt h e e x c i t a t i o ns y s t e m ，t h ea d v a n c ea n dd e p e n d a b i l i t yo f e x c i t a t i o nt e c h n n l o g yc o n c e f nt h e p e a c e ，s t e a d i n e s sa n dl o n gc y c l ep r o d u c t i o no fe n t e r p r i s e s i ti sv e r ye s s e n t i a lt oc b r r y o nt h et r a n s f o r m a t i o nt ot h es y n c h r o n o u sm o t o re x c i t e r f o rt h et r a d i t i o n a le x c i t a t i o n d e v i c ei sa f f e c t e db ye x c i t a t i o nc o n t r o l l e ra n dd e v i c e ，a sar e s u l t ，t e c h n i c a lf e a t u r ei s r e l a t i v e l yp o o r , f a u l tr a t ei sh i g l l ，a l s oe x i s tal o to fq u e s t i o n si nt h i sp a p e rt h ee x c i t e r c o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e da n dr e s e a r c ho f t h ee x p e r i m e n ti ss t u d i e d b e c a u s et h es w i t c hm o d ep o w e rs u p p l yt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g es u c h s m a l lp h y s i c a l v o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，a d o p t i n gs w i t c hm o d ep o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y t oi m p r o v et h es y n c h r o n o u sm o t o re x c i t e rw i l lo v e r c x 3 m eag r e a td e a l o fd e f i c i e n c i e s a c c u s e db yt h et h y r i s t o rp h a s ec o n t r o l l e dr e c t i f i e ra n dr a i s et h er u n n i n gq u a l i t yo ft h e w h o l es y n c h r o n o u sm o t o rs y s t e m t h ep a p e rh a sd i s c u s s e dt h er e a l i z a t i o no f t h ee x c i t e ra t f i r s tt h a ta d o p t e di n v e r t i n gp o w e r s u p p l yp a r a l l e lt e c h n i q u e a th cs a n l et i m e ，m a d eu s eo f p o w e rs y s t e m b t o c k s e t o f m a t l a b ：o ：= t a b l i s h t h en o n l i n e a rs i m u l a t i o n m o d e l o f t h e e x c i t a t i o ns y s t e m ，s i m u l a t e dt h ew h o l es y s t e mt a k i n gc u r r e n tn e g a t i v ef e e d b a c k ，p w m p u l s ec o n t r e la n dp ir e g u l a t i o na st h ef o u n d a t i o n ，a n a l y z e dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h em a i nc i r c u i t ，p r o v i d e dt h e s i m u l a t i o nr e s u l 拓，d e s i g n e da n dm a d et h e h i g h 一丘e q u e n c yp o w e rt r a n s f o r m e ro fm a i nc i r c u i ta n do h t p u tf i l t e rc i r c u i t ，m a d ea c o n c r e t es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dr e s e a r c ht o8s e r i e so fp r o b l e m sh a p p e n i n gi nt h e c o u r s co fm a k i n gm a g n e t i ce l e m e n t sa n df o u n do u tt h em e t h o d e st os o l v ei t t h u s i m p r o v e dt h ee l e c t r i cc i r c u i t ，a d j u s t e dt h ep a r m n c t e ro f e a c hp a r to f t h es y s t e mt oa t t a i n t h ei d e a lc o n t r o lr e s u l t c a r r i e do nt h ee x p e r i m e n to nt h i sb a s i s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t h a sv e r i f i e dt h ee x a c u l e s so f t h ed e s i g n k e y w o r d ：s y n c h r o n o u sm o t o re x c i t e r , i n , v e t t i n gp o w e r , m a t l a bs i m u l a t e ，m a g n e t i c c o m p o n e n t 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 同步电动机是各工业部门广泛使用的重要电气设备之一其转速恒定，主要 用于驱动水泵、鼓风机、空气压缩机、风机等大型机械设备。同步电动机的励磁 装置为由外电源供电的它励式励磁装置，其发展主要经历了直流发电机组、硅励 磁装置及静止式可控硅励磁装置等阶段。励磁系统作为同步电动机的重要组成部 分，对于同步电动机的安全、高效运行起着直接的作用。同步电动机励磁系统的 作用主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 完成同步机的异步启动并牵入同步运行： ( 2 ) 在牵入同步以后励磁电流的调节控制： ( 3 ) 监控系统故障，确保同步机安全运行。 励磁系统是同步电动机的主要部分。由于传统励磁装罱受控制技术和器件的 影响，技术性能较差，故障率高，其存在的问题如下： ( 1 卜同步电动机无可靠失步保护装置： 传统励磁装置用g l 型反时限继电器兼作失步保护，当电机失步时不能动 作，有时虽能动作，但动作时延大起不到保护作用。在瞬时短路故障( 或断电) 失 步，带励失步和失励失步3 种失步情况下解决措施如下： 断电失步：采用欠压跳闸同步电动机。但间断生产，造成产值和原料的 损失。 带励失步：加强人工巡查和监视。安装报警装置，但作用有限。 失励失步：采用微机保护，提高保护动作的灵敏度，但有时仍有保护死区， 不能有效、快速动作。 ( 2 ) 同步电动机启动损伤； 同步电动机起动过程中存在转差，随着起动，转差减小转子绕组内感应电 势逐步减小。 ( 3 ) 控制技术落后，影响电机正常运行。 由于控制部件主要由分立组件、接插件组装而成存在大量二极管、可控硅、 湖北工业大学硕士学位论文 电阻等，易受外界环境影响，故障率高。常出现起动晶闸管误导通、接插件接触不 良、脉冲丢失、三相电流丢波缺相、励磁不稳定、灭磁性能差等问题。 同步电动机的损坏绝大部分是由于励磁装置性能太差导致，要提高同步电动 机运行的可靠性，必须对老式励磁装置进行技术改造。 1 2 同步电动机励磁装置发展与现状 目前，水电站同步电动机的励磁系统可分为直流电机励磁系统和晶闸管( 可 控硅) 励磁系统两大类。直流电机做励磁电源，也就是励磁机由于效率低、费 用高，现在已很少使用；晶闸管( 可控硅) 励磁系统采用整流装置将交流电变为 直流电流，然后送入同步电动机的励磁绕组，称为交流整流励磁系统。三相全控 桥式整流励磁装置就属于这一类，它包含了主电路保护环节、脉冲环节、移相环 节、投励环节及灭磁环节等。这种装置运行可靠、调节灵活、投励准确，是目前 同步电动机励磁装置的主要设备，在大中型排灌站中普遍使用。但它也存在如下 主要问题j ： ( 1 ) 励磁电流的谐波分量较大转矩脉动大： ( 2 ) 当泵站水位变动，改变晶闸管触发脉冲相位以调节输出，因而在水位 较低时，存在功率因数低的问题； ( 3 ) 用分立组件实现相控整流控制，调试、维护工作量大； ( 4 ) 采用工频变压器实现电隔离与电压变换，装置体积庞大、笨重费材。 这些问题是由于主电路采用晶闸管相控整流的方法获得直流电源而造成的。 而目前对励磁装置的改造主要集中在对其控制电路的改造上，从晶体管分立器件 励磁装置到集成电路励磁装置再到数字式励磁装置，特别是数字式励磁装置，它 避免了集成电路温漂的影响，又在一定程度上降低了硬件的复杂度，可靠性高。 但这些改造对主电路本身所具有的缺陷并无改观。这就使得我们要从主电路本身 的结构和拓扑形式入手，寻求一种脉动小、效率高的直流电源主电路形式。 近年来，各种电源愈来愈多地用到了开关器件( 全控式电力电子器件) ，由 于开关器件的特点( 工作在开关状态，频率高，损耗小) ，电源达到了很好的性 能指标，这种技术称为开关电源技术。开关电源技术随着全控式电力电子器件的 容量和开关工作频率的不断提高而迅速发展。它的优越性主要表现在： ( 1 ) 器件工作在开关状态。变换效率高； 2 湖北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 功耗小，不需要采用大散热器； ( 3 ) 输出调节范围宽； ( 4 ) 体积小，重量轻( 免去了笨重的工频变压器) ： ( 5 ) 安全可靠。 由于开关电源技术具有的优越性，采用开关电源技术改进同步电动机的励磁 装置将克服采用晶闸管相近整流带来的诸多不足，提高整个同步电动机系统的运 行质量。 1 3 课题的来源、目的及本文的主要内容 本课题是在大量调研湖北省大中型排灌站同步电动机励磁装置现状的基础 上提出的，具有很强的实用性和针对性，同时，本课题的研究得到院基金资助。 目的在于：现在大部分泵站的同步电动机的励磁装置仍然采用三相全控桥式整流 励磁装置，体积庞大，效率低，水位低时功率因素低，且易出故障，维护费用高。 因此对其进行改造，在其中引入开关电源技术，将使整个设备的体积和重量都将 减小，效率提高，动态响应特性良好，同时采用模块并联技术可提高系统可靠性。 在大中型泵站推广应用开关电源励磁装置，将具有良好的社会与经济效益。 本文以开关电源技术为核心，运用电源模块并联技术确定了励磁装置的拓扑形 式，设计了励磁装置控制系统的硬件电路，将它分为主控电路和四个辅控驱动电路， 采用模块化、子程序化设计思想设计了控制系统的软件部分，在m a t l a b 环境下进行 了励磁电源系统的建模，实现主电路和控制器在同一环境的仿真研究，并利用仿真 对实验中出现的一些问题进行分析，提出解决方法，并在此基础上进行了实验。实 验结果证实了设计的正确性。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章同步电动机励磁装置系统总体设计方案 2 1 系统结构与控制原理” 同步电动机励磁装置主要由励磁主电路部分和励磁控制部分等组成，励磁主 电路主要由直流电源主电路和灭磁及异步启动电路组成主电路是励磁系统的功 率输出部分，其主要作用实质上就是将工频交流电源变换成向负载供电的直流 源，以供给电动机励磁绕组。从电能变换的角度来看。主电路形式可采用如下三 种方案：a c d c 、a c d c d c 、a c - d c a c - d c 。a c - d c 电路分半控器件晶闸管整流及 相控楚流方式，这种装置存在体积庞大、笨重费材、水位低时功率因数低、励磁 电流的谐波分量大等问题。a c d c - d c 电路中d c d c 变换变换器可分单管或多管非 隔离式d c - d c 变换器和隔离式d c d c 变换器。非隔离式d c d c 变换器电路直流电 源与负载之间无电气隔离，三相整流桥前面带工频变压器，存在体积庞大笨重费 材的缺点；带隔离变压器的单端d c d c 变换器中的变压器磁通只在单方向变化 变压器铁心利用率低且仅靠电感传输能量，不适用于较大功率的d c d c 变换。 a c - d c a c d c 电路形式具有中间交流环节，有了一级高频方波逆变，高频变压器 将直流负载与交流电网隔离，高频变压器输出侧直流l c 滤波重量体积不大。输 出直流电压波动小，动态特性也好，d c - a c 逆变环节采用较高的逆变频率可使变 压器、滤波电感、电容的重量、体积都不大，输出电压纹波小，动态特性好。 由于电源的拓扑多样，具体用哪种拓扑一定要考虑周全，要最适合电源参数 的要求。通过对比以上三种拓扑电路形式，本系统选用a c d c a c - d c 电源变换方 案。此方案的核心部分就是高频逆变部分，大中容最单相逆变器主要为全桥和半 桥的电路形式。全桥式电路输出功率大，适合于大功率的逆变器，但这种电路结 构也存在用的开关器件多、驱动较复杂和抗电路不平衡能力差的问题。对相同的 输入直流电压，半桥式电路的输出较之全桥电路小一半但半桥式电路既可使其 中的变压器磁通在两个方向交变，提高了其铁心利用率开关管承受的电压为全 桥的i 2 ，可采用较低电压的开关管。此外半桥电路在变压器原边绕组上砸负 两个电压波的宽度有差异时，由于两个电容中点电位的浮动而具有自动平衡变压 器电压伏秒值的作用，并且使用开关管的个数为全桥电路的一半控制更简单。 因而d c - a c 变换部分选择半桥逆变形式，主电路拓扑结构图见图2 1 所示。 4 湖北工业大学硕士学位论文 丰 0 = 叫： = 6 = # r 灭助 磁 磁 环 绕 。 节 组 图2 1 主电路拓扑结构 同步电动机自己不能启动，本系统采用异步启动法。异步启动法辅助设备结 构简单，投资少，控制起来也不太复杂，是同步电动机最常用的启动方法。此法 是在励磁回路串接约为励磁绕组电阻值1 0 倍的附加电阻而构成闭合电路后，把 同步电动机的定子直接投入电网，使之按异步电动机启动，等到转速升到接近于 同步转速时，再接入励磁电流，建立主极磁场。产生电磁转矩将转子加速到同 步转速，实现按同步电动机的转子滑差顺极性自动投励，将电动机拖入同步运行。 在同步电动机的整个启动过程中，直流励磁电源决定同步电动机能否启动成功 进入同步运行。 灭磁及异步启动回路主要由晶闸管、二极管、起动( 灭磁) 电阻以及分压电 路组成，如图2 2 所示。工作原理如下：电机启动时逆变用i g b t 处于关断状 态，此时，、转子感应交变电压的频率和幅值随转子的加速而变化。当转子绕组上 感应的交变电势方向为正( 上正下负) 时，如r 2 上的分压值大于稳压器d w 稳压 值，可控硅v t 将被触发导通，灭磁绕组r 就接入电路，可限制转子侧最高电压。 方向为负时。转子绕组通过二极管d 短接。控制电路通过检测m n 间电压的变化 图2 2 灭磁及异步启动回路 周期判断转子转速是否达到亚同步速( 9 5 同步速) ，当转子转速达到亚同步速， 并且励磁电压为正极性，控制电路发出投励信号，励磁装置的输出接到转子绕组 湖北工业大学硕士学位论文 上，这时r 2 上的分压值不足以使可控硅v t 导通。投励后，定予同步磁场可以将 亚同步速的转子拖到同步速，完成启动过程，进入正常工作状态。 随着电源输出容量的增大( 本系统为2 1 9 a ，2 0 k v a 的直流电源) ，主电路的 核心部分一逆变电路的制作难度相应增加【“。按传统的集中方式供电，若电源 发生故障或失效时，就会影响整个设备或系统的正常工作。实际应用中。往往由 于一台直流稳定电源的输出参数( 如电压、电流、功率) 不能满足要求。而满足 这种参数要求的直流稳定电源，存在重新开发、设计、生产的过程，势必加大电 源的成本、影响工程进度。当前大容量电源的发展趋势是采用新型全控高频开关 器件构成电源模块单元，再通过多个模块并联进行扩容，充分利用新型全控高频 开关器件的优势。减少系统的体积，降低噪音，提高动态响应速度；同时利用并 联技术。提高电源变换器的通用性和灵活性，使系统设计、安装、组合更加方便， 可靠性进一步提高。本系统将主电路中d c - a c d c 部分采用了四个模块并联的形 式，三相整流桥为公共部分。如图2 3 所示。这样不仅增加了电源容量、提高装 置可靠性，还降低了逆变电路的制作难度【6 1 _ f 9 1 。 灭鼢 0 = 叫： 广圳f j 懿 戳 士 6 = # l j i | l 环 墟 cl 节 坦 il i 模块1 爿 模块2 爿 梗块3 j 模块4 e 图2 3 主电路总体设计图 电源输出参数的扩展，仅仅通过简单的串、并联方式还不能完全保证整个扩 展后的电源系统稳定可靠的工作。并联运行中如果每个模块的外特性不一致有 些模块可能承担更多的电流，甚至过载，而某些模块运行于轻载或空载，其结果 必然是分担电流多的模块可靠性大为降低，因而，在多模块并联运行系统中必须 引入有效的负载分配机构或负载分配控制策略。并联模块均流技术是实现模块化 6 湖北工业大学硕士学位论文 大功率电源系的关键。它可保证各模块间电应力和热应力的均匀、合理分配，防 止一个或多个模块工作于电流极限状态。 电源模块间实现均流的方法很多。而且根据电源系统的性能要求以及电源模 块的类型的不同，均流措施也多种多样，各不相同。一般来讲，常规的均流方法 有以下几种1 1 q 一心： ( 1 ) 外特性下垂法：在并联的电源系统中，每个模块按外特性和各模块的 电压参数值均分总负载电流，利用电流反馈，调节电源模块单元的输出阻抗，实 现均流。 ( 2 ) 主从并联供电：在并联的若干个电源模块中，一个为主电源模块，其 余跟随主模块工作，为从模块。在电流型控制中，主模块的输出给各从模块，通 过其各自的电流反馈控制。使所有模块分担相同的负载电流。按主从单元的连接 方法分，有t r e e 型和1 i n k 型( 树型和链型) 两种。其中对于树型结构，单元之 间接口较多，任一从单元失效，系统仍能工作，但如果主单元失效，系统将无法 工作，电源可靠性由主机的可靠性决定。而链型结构单元之间的接口少，环中最 后单元失效，系统仍能工作。但如果主单元或前面的从单元失效，系统将无法工 作，可靠性更低。 ( 3 ) 主机可转换的主从并联供电：为真正具有冗余的并联方法。它利用转 换预置脉冲，随机选择主机，一旦主机失效。进行失效检钡4 后，将另一单元变为 主机，并发出编码时信号。 ( 4 ) 按电流自动均流法：这种方法不用外加均流控制器，在各电源模块单 元间接一条公共均流母线c s b ，均流母线的电压u b 为n 个电源模块代表各自输 出电流的电压信号u i 的平均值( 即代表电源系统的平均电流) 。u b 与每个电源模 块的取样电压信号比较后通过调节放大器输出一个误差电压，从而调节模块单元 的输出电流，达到均流目的。平均电流法可以精确地实现均流，但当公共母线c s b 发生短路或接在母线上的任一电源模块单元不工作时，使c s b 电压下降结果促 使各电源模块输出电压下调，甚至达到下限值，引起电源系统故障。 ( 5 ) 按热应力自动均流：利用监测电源系统中每个电源模块单元的温度来 实现均流，使其温度高的模块单元输出电流小，温度低的电源模块输出电流大。 各模块在电源柜中的位置不同，对流情况和散热条件不同，按热应力的均流技术 可在设计时不必考虑模块的位置。 ( 6 ) 外加控制器法：使用一个外加的均流控制器，比较所有模块的电流， 湖北工业大学硕士学位论文 调节相应的反馈信号实现均流。这种控制方法效果较好，但需要一个； l - 2 n 的均流 控制器和附加连线。 这些均流方法己广泛应用于直流模块并联系统和交流u p s 系统中。随着电源 设备系统化和网络化的实施，对电源模块并联冗余的要求也越来越高，常规的电 源系统并机模块的数量也越来越多。多机并联时必须严格保证并机以后的效果， 既在一个相当长的时间内仍能很好的维持其负载的均分性能。直流电源的均流技 术已比较成熟目前用的较多的是主从并联供电法和按电流自动均流法，前者主 要指的是在并联运行的电源模块单元中，选定一个电源模块单元作为主电源模 块，其余电源模块作为从电源模块。主电源模块工作于电压源方式。而从电源模 块工作于电流源方式。电流值可独立设置。在这种方式下一旦主模块失效，则 整个系统崩溃显然不具备冗余功能。而按电流自动均流法只用电流均分母线提 供并联模块之间单线通讯联系，在应用电流误差放大器时，要注意保证系统的稳 定。将几只电源模块并联应用，从理论上讲，只有输出电压完全一样才能实现绝 对地均流。但在两块电源并联的实际运行中。要想提供同样的输出电流几乎不可 能实现，如输出端存在微小的电压差将会引起很大的电流失衡量。其中，输出电 压较大者将企图提供整个负载电流，导致电源系统的安全稳定性与使用寿命大大 降低。针对上述问题，本文采用按电流自动均流法。 2 2 硬件设计 2 2 1 开关器件的选择 主电路形式具体确定为采用二极管整流桥整流，经滤波输出不可调直流电。 接隔离式逆变电路后得到高频交流电再接二极管全波整流经大电感滤波，最后 得所需直流电。选择开关器件的种类根据电路的实际要求来定。第一级a c d c 整 流桥采用的是三相不控桥式整流电路，整流输出电压为v n = 1 3 5 v ，= 1 3 5 3 8 0 = 5 1 3 v ，每只二极管承受的最大反向电压为5 1 3 v ，考虑每个电源模块的功率为5 k w ， 估计整流输出电路中的电流为2 0 a 左右，根据以上要求并留有一定的裕量，第一 级整流桥三相桥式不控整流采用的是f u i 公司的6 r 1 1 0 0 g i 6 0 主要参数如下： i 。( 输出平均电流) = 1 0 0 a ，v , m , = 1 6 0 0 v ，v 一= 1 2 5 v ( t ”= 2 5 ) 。 第二级d c a c 是整个电源的核心部分，目前在逆变电路中己经被广泛使用的 湖北工业大学硕士学位论文 电力电子器件有s c r 、t r i s 、g t o 、g t r 、v m o s f e t 和i g b t pj 。由于它们的电流容 量和开关速度各不相同，所以在逆变电路中的应用范围也各不相同。大容量逆变 电路中多采用g t o ，中等容量逆变电路中多采用i g b t 。小容量逆变电路中多采用 v m o s f e t ，而一些新器件如s i t 。m c t ，m g t 等由于过于昂贵而没有大量使用。根 据本课题的要求( 2 1 9 a ，2 0 k v a ) ，我们考虑采用i g b t ，它是一种场效应与双极型 晶体管的复合器件，具有场效应管的速度快、损耗低、安全工作区宽、电压控制 等优点，又具有双极型晶体管导通压降小、电流大等优点是一种大功率器件。 实际使用时，我们选择了以i g b ? 为基础整合了驱动和保护电路的i p m ( 智能功 率模块) 2 m b l 5 0 p - 1 4 0 。主要参数如下：i c = 5 0 a ，v c e s = 1 4 0 0 v 。 由于每个电源模块直流输出侧的电压平均值为7 0 v ，负载电流为5 0 a 因此 选择第三级双半波接流电路中的二极管是德国艾赛斯( i x y s ) 公司的两管封装的 快恢复二极管d s e i2 6 1 0 6 c 。主要参数如下 i n w = 2 6 0 a ，v - “= 6 0 0 v ，= 3 5 n s ， v 。= 1 8 v ( t v j = 2 5 ) 。 2 2 2 控制电路设计 控制电路是高频开关电源的很重要的部分，是电源系统可靠工作的保证。丌 关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制( t r c ) 方式。这种方式又大致分 为三大类：脉冲宽度调制( p w m ) 方式、脉冲频率调制( p f m ) 方式、混合调制方 _ 式。 p f m 控制方式对开关管的电流定额、电压定额、滤波电路的设计要求高，控 制起来不如p w m 方便。目前，p v m 控制方式以其电路简单、控制方便从而在d c d c 和d c a c 电路中获得了极为广泛的应用。本课题涉及的是大功率范畴，开关管选 用i g b t 。其工作频率为3 0 k h z 。在这样的频率段采用p v o a 技术是有利的。p w m 技 术相对成熟，控制简单，可以降低对开关管电压定额和电流定额的要求，主电路 和控制电路的具体设计也简单一些，成本相比也会低一些。 控制电路应实现两大功能：一是对系统输出电流进行控制，二是对各个模块 和整个系统进行保护。第一大功能的实现包括对每个模块内部的电流控制和并联 模块间的均流控制。每个模块内部的电流控制是要建立电流型p w m 控制系统并给 出该模块的i p m 驱动信号。具体为检测出每个模块的输出电流，作为电流负反馈， 让其参与p w m 的调节，从而形成电流环。保护功能包括：i p m 智能模块保护、模 块内部过压、过流、过热保护及系统过流、过压、欠压、失磁、失步、欠相保护 9 湖北工业大学硕士学位论文 等。 通过对控制电路要实现功能的分析，又由于本系统主电路采用模块并联式， 确定控制电路的总体结构采用主控电路与辅控驱动电路联合进行控制。具体设计 如下述： ( 1 ) 主控电路设计 主控电路分为监控及电流均流控制、系统故障、按键和显示等几个部分。由 它完成对面板用户按键的输入检测、各采样点的采样、各个模块的监测与控制、 系统所处状态的判断和显示等功能。 同步电动机的励磁装置实际就是一个可以调节的直流电流源，对它的电流输 出控制是控制电路要实现的一个重要功能。励磁控制器是用于在线实时工作的过 程控制装置，其主要特点是控制实时性强，装置系统可靠性高，运算速度快。该 c p u 还应具有足够数量和比较完善的中断资源，以便按照任务功能的重要性和轻 重缓急来分配和执行任务，并能够及时地处理一些紧急突发事件。此外，为保证 足够高的控制精度，大部分的数据运算必须采用两字节甚至是四字节运算，此时 如采用8 位单片机，会影响到装置控制的快速性和实时性而采用3 2 位单片机， 运行速度可大大加快，能满足装置控制的快速性和实时性的要求，但成本大大提 高，结构复杂，开发周期长，因此该装置选用了i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k c 为主控 芯片州。8 0 c 1 9 6 k c 为高性能1 6 位的工业级嵌入式微控制器，具有速度快，可 靠性高，功能强大，外设资源丰富其主要硬件资源有：8 路8 位或1 0 位a d 输 入口，8 信道高速i o 口( h s i o ) ，1 5 个中断源，1 个外设事务服务器p t s 3 路 脉宽调制p w m 输出，2 个可编程口( p 1 口和p 3 口) ，2 个1 6 位定时器计数器。1 个全双工串行口，可动态配置8 位或1 6 位总线宽度等。 本系统还用先进的外围可编程系统器件p s d 8 1 3 f 1 ，以实现r a m 、e p r o m 、i o 等的扩展。由此可大大提高控制系统的集成度，减少电路板布线，提高系统抗干 扰能力。本系统需要对一些参数进行设置和修改，有关的信息需要进行显示，为 满足设计要求采用美国m a x i m 公司生产的m a x 7 2 1 9 串行输入输出共阴极l e d 显 示驱动器。它能与c p u 并行工作、功耗低和控制灵活的优点，已经成为单片机控 制系统中l e d 显示驱动器的首选芯片之一。芯片包括b c d 码译码器、多位扫描电 路、位驱动器和用于存放显示数据的8 8 位静态r a m ，每片m a x 7 2 1 9 可控制显示 8 个七段l e d 数码管，本系统采用四片m a x 7 2 1 9 ，显示数据包括：定子功率、定 子功率因素、定子电压、定子电流、励磁电流、励磁电压以及励磁电流设定的控 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 制范围。用户要在控制面板上键入要求输出的电流值。同时其值显示在显示面板 上，通过按调整键增减改变电流值。单片机接受其变化值后，将随即改变给8 0 c 1 9 6 图2 4 主控电路框架图 一k c 的控制量，以得到期望的输出值。另外，当系统中发生故障时，会立即触发 8 0 c 1 9 6 k c 中断来解决故障。 ( 2 ) 辅控驱动电路设计 为实现各模块的内部功能，需要对模块电流进行控制和驱动i p m 。用于硬开 关p w m 控制的集成电路有很多。我们选用美国通用公司生产的$ g 3 5 2 5 利用其内 部的一个运放构成p i 调节器来实现电流的闭环控制，而p v m 控制的频率由s g 3 5 2 5 内部振荡器的外接电阻和电容的参数来确定。i p , i 的驱动也采用了专用集成驱动 器为日本富士公司生产的e x b 8 4 0 1 ”1 【l | 】。 湖北工业大学硕士学位论文 图2 5 控制电路框架图 由图2 5 可见，每个模块有一个辅控驱动电路，它为其对应的模块提供独立 的i p m 驱动信号、独立的电流控制环及模块保护功能。系统总体控制和保护则由 主控电路来完成，均流控制的任务就由它来担负，它获得各个模块的状态，进行 有效模块的判断，再根据按键给定进行计算，给每个辅控驱动电路发出电流绘定 量，系统模块间的均流控制由此得以实现。 2 3 励磁控制器软件总体设计思想 “硬件是基础，软件是灵魂”，这句话充分说明了微机控制系统中，软件的 重要性。如果没有好的软件支持，再好的硬件也不能充分发挥其效能。 在本励磁控制器的软件设计中，主要的设计思想有三个方面：一是软件必须 满足实时控制的需要：二是软件要充分发挥8 0 c 1 9 6 k c 的指令和硬件特点；三是 软件要有很强的灵活性、通用性和可靠性。为了体现以上设计思想，本励磁控制 器的软件采取了以下措施： ( 1 ) 励磁控制器的所有软件设计均采用模块化、子程序化设计思想。根据 所要完成的功能不同，我们将整个励磁控制器的软件划分为以下几大模块：初始 湖北工业大学硕士学位论文 化子程序、主程序、数据采集及数据处理、显示、键盘处理等。这几个模块的软 件有些本身在整个励磁控制器的软件中就是一个子程序，有些则是几个子程序的 组合； 图2 6 主程序流程图 ( 2 ) 在程序设计中，能用中断的程序尽量采用中断方式。但进入中断的时 间不易过长，以避免在某一中断处理程序中，c p u 停留时间过长而导致不能及时 响应其它中断的请求，使程序出现控制错误。本励磁控制器的软件共使用了四个 中断程序( 外部中断、软件定时器中断、定时器1 溢出中断和a d 转换结束中断) 湖北工业大学硕士学位论文 完成了大部分主要工作，为c p u 节约了许多执行时间； ( 3 ) 在程序设计中充分利用了8 0 c 1 9 6 k c 的片内r a m ，将所有变量都放在 片内r a m 内，提高程序运行的效率； ( 4 ) 为了提高整个装置的可靠性，在程序中加有w a t c hd o g ； ( 5 ) 采用汇编语言编制励磁控制器的所有软件。采用c 语言编制的程序优 点是比较直观，能够给编程者带来很大方便。但是采用c 语言编制的程序在经过 编译后产生的目标代码中含有很多不必要的代码。使得本来非常简单的程序变得 非常复杂，导致8 0 c 1 9 6 k c 要花去很多不必要的执行时间。相对而言，采用汇编 语言编制的程序则不会有这种问题出现。所以在本论文中，所有程序均采用 8 0 c 1 9 6 k c 汇编语言编制。 主程序中的主循环对励磁装置何时投励和投励后的输出电流进行实时控制、 监控用户按键、系统状态以及刷新显示。主程序运行过程中调用的子程序完成其 中的一些功能模块，主要有初始化子程序、计算子程序、显示子程序和按键开关 查询子程序，图2 6 示出了主程序流程图。 2 4 抗干扰措施i ”1 开关电源一般都采用p w m 技术，其特点是频率高。功率密度高，可靠性高。 然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电 磁干扰源，它产生的e 研i 信号有很宽的频率范围。又有一定的幅度。这些干扰随 着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，对电子设备的正常运行构成 了潜在的威胁。由于本系统将处于恶劣的工业环境中，只有提高开关电源的电磁 兼容性，采取有效的抗干扰措施，否则很难保证系统正常地运行。 2 4 1 硬件抗干扰 干扰的传输方式有传导与辐射两种。硬件抗干扰的主要手段为滤波、去耦、 屏蔽、隔离和接地。本系统着重于隔离干扰信号，削弱干扰源。铺设线路尽量将 强弱电缆分开；在输人输出信道中采用光耦组件，切断外围模拟电路与数字电路 的联系；在设计印制电路板时，特别要注意将数字电路与模拟电路尽量隔开，在 集成芯片的电源端加入抑制高低频干扰的去耦电容，接地线尽量粗一些，构成闭 环，这些都可以使电路板的抗干扰能力得到加强。同时，针对开关电源中分布电 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 容引起的电场噪声采取的主要抗干扰措施有： ( 1 ) 减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容。选用低介电常数的材料 作绝缘垫，加厚垫片的厚度，并采用静电屏蔽的方法，一般开关管的外壳是集电 极，在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物，作为静电屏蔽层。接在输入直 流o v 地上，散热片仍接在机壳地上，这样将大大减少集电极与散热片之间的耦 合电容，也就减少了它们之间的电场耦合。 ( 2 ) 减少变压器的分布电容。在一次侧和二次侧间多加了几层绝缘胶带 减少了一、二次侧的电场的耦合干扰。 2 4 2 软件抗干扰 串入微机劂控系统的干扰，其频谱往往很宽，而且具有随机性，采用硬件抗 干扰措施只能抑制某个频段的干扰，有一些干扰仍会侵入系统。因此，除了采取 硬件抗干扰办法外，还要采取软件抗干扰措施，作为硬件抗干扰的辅助措施。软 件抗干扰方法简单灵话，耗费硬件资源少。 迭加在系统被测模拟信号上的噪声干扰会导致较大的测量误差，但是由于 这些噪声的随机性，可以通过数字滤波技术剔除虚假信号，所以在程序设计时， a d 变换中使用了数字滤波技术。数字滤波的方法有很多种，如程序判断滤波、 中值滤波、算术平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波、低 通滤波、高通滤波以及带通滤波等。在这里采用加权平均滤波。处理非常简单： 这一次的采样值的权为l 4 ，上一次的存储值的权为3 4 ，这两个值分别乘以各 自的权再相加作为此次的采样值。 程序的正常运行完全由程序计数器p c 控制，一旦p c 因干扰而出现错误，程 序便脱离正常运行轨道乱飞，可能出现操作数数值改变以及将操作数当做操作码 的错误。为使乱飞的程序在程序区迅速纳人正轨，本系统使用了较多的单字节指 令并在关键的地方人为的插入一些单字节指令n o p 即指令冗余。或将有效单字 节指令重写。p c 受到干扰失控引起程序乱飞的另一种情况是使程序陷入“死循 环”，本系统利用8 0 c 1 9 6 k c 内部的一个1 6 位看门狗定时器w d t 设计了一个自诊 断程序，定时对系统进行诊断。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章同步电动机励磁装置的建模与仿真 目前在电力电子装置的研究中，越来越多的装置采用计算机仿真技术，从而 缩短设计周期降低设计成本。对于某些要求特别高的电源来说，其工作环境和 负载情况都非常恶劣，而采用的功率器件却很昂贵，所以在电源的设计中采用计 算机仿真技术就更具有优越性。 3 1 常用各种电路仿真软件 常用的电源仿真软件有p s p i c e ，s a b e r ，和m a t l a b 等。通常把电源仿真软件分 为两种：侧重于电路的仿真器和侧重丁 方程求解的仿真器，其中p s p i c e 、s a b e r 和 m a t l a b 分别是两类仿真器的代表。 在这些常用的电力电子仿真工具中，p s p i c e 、s a b e r 仿真软件中采用的元器 件模型复杂、精确，除了常规的模拟，还能模拟各种寄生参数的影响，但运用这 类软件包进行仿真时，也存在一些难以解决的问题：元器件模型有限，经常使用 的一些元器件或芯片难以找到相应的模型，增加了仿真的难度；闭环回路的仿真 难以实现，不易进行控制回路的优化设计；这类软件更加注重电力电子器件开关 过程和些寄生参数的影响，不适用于系统级的仿真，尤其是大型系统的仿真， 用这类软件很难实现。而且p s i ) i e e ，s a b e r 仿真时间长，产生大量的中间数据， 占用资源多，会引起不收敛问题，适合于电路级仿真。相比较而言m a t l a b 是一 个用于电源系统仿真较为理想的软件。因其模块库提供了大量电力电子器件模 块。 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司推出的一种面向工程和科学计算的交互式计算软 件，自1 9 8 0 年问世以来，已广泛应用于生物医学工程、图像信号处理、语音信 号处理、信号分析、时间序列分析、控制论和系统论等各个领域。为了准确地把 一个控制系统的复杂模型输入给计算机。并进行进步的分析与仿真，1 9 9 2 年 m a t h w o r k s 公司推出交互式模型输入与仿真环境s i m u l i n k ，它是众多仿真工具中 功能最强大、最容易使用的一种，同时它也是一个集建模、仿真和分析于一体的 工具箱，它支持连续、离散及两者混合的线性及非线性系统。利用s i m u l i n k 可 以方便地对用传递函数、微分方程和状态方程描述的系统进行建模和仿真，也可 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 以很容易地创建一个新的模型，或者是修改旧的模型。它的仿真过程是交互式的， 可以随时修改参数，并且能够立刻看到仿真结果。用户只要在模型窗口上调出各 个系统环节，并用连线将它们串接起来，即可利用s i m u l i n k 提供的功能对系统 进行仿真和分析。1 9 9 8 年，m a t h w o r k s 公司又推出了基于m a t l a b s i m u l i n k 的电 力系统模块( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ，以下简称p s b ) ，p s b 含有在一定使用条件 下的组件模型，包括电力系统网络组件、电机、电力电子器件、控制和测量环节 以及三相组件库等，再借助于其它模块库或工具箱。可以进行电力系统的仿真计 算实现复杂的控制方法仿真，观察仿真的执行过程，对仿真结果进行分析和可 视化。同时，它向用户提供了电力系统组件库p o w e r l i b ，库中包含了典型的电力 装置的模型，例如变压器、传输导线、电机和电力电子器件。尤其是在m a t l a b 最新版本m a t l a b 6 + 5 中，p s b 的组件库进行了扩充，用户可以在库中找到例如 i g b t 、m o s f e t 、g t o 等几乎所有常用的新型电力电子器件模型，给使用带来极大 的方便。p s b 的使用仍基于s i m u l i n k 环境，用户只需通过点击和拖动模型，就可 以快速地搭建起系统模型，并进行仿真运行及分析。这使得集控制单元、电机、 电力电子器件等各种电路组件于一体的电气系统的建模和仿真分析显得简捷而 又有效。 m a t l a b 用模型来描述系统，通过这些模型来形成一系列微分方程。仿真器的 核心是解一系列变系数非线性时变微分方程。当m a t l a b 库中无合适的器件模型 可直接使用时。可用m a t l a b 语言来解决模型建立的问题，解决方法如下3 种： ( 1 ) 用模型的参数进行赋值： 这种方法只适用于一般模型，其模型中己描述了所要求的组件行为。 ( 2 ) 无单个模型存在时，可考虑用其它多个模型来表示。这种方法称为组 合建模； 其优点是无需建模语言、建模容易、速度快，缺点是所建模型在许多场合下 无实际意义，且复杂、效率低，并且需要足够的基本模型，在建立一种新型的电 力电子器件仿真模型时，我们可使用此种方法。 ( 3 ) 建立行为模型。 遇到m a t l a b s i m u l i n k 组件库中无所需要组件时，除可修改现有模型外，也 可通过描述原型的行为来建立新的模型，具有很大的灵活性及高效性。 总之，功率电源仿真方法一般有两种：一种方法是建立电路中各个组件模型- 然后把它们连成电路进行仿真；另一种方法是把整个电路看成一个整体进行仿 湖北工业大学硕士学位论文 真，根据电源动态过程的特点，建立控制系统的非线性模型，待到各种动态过程 的直接描述，并进行仿真分析，为研究电源输出的动态过程提供