（电机与电器专业论文）变频器供电的同步电动机励磁装置.pdf

沈阳【业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m o f s y n c h r o n o u s m o t o r p o w e r e d b y c o n v e r t e r a b s t r a c t e x c i t a t i o ns y s t e mi sa ui m p o r t a n tp a r to fs y n c h r o n o u sm o t o rn m n i n gs y s t e m ，i ta f f e c t st h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m o t o rd i r e c t l y e s p e c i a l l yi nt h ee x c i t a t i o ns y s t e mo fs y n c h r o n o u s m o t o r p o w e r e db y c o n v e r t e r ，i tn e e d sm o r er e l i a b i l i t y 、s e c u r i t ya n d c o m m u n i c a t i o nf i m c t i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n do fd e s i g na n dr e s e a r c ho ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f s y n c h r o n o u sm o t o rp o w e r e db y c o n v e r t e r i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fn a v a lv e s s e l sd r i v et or e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo f r e g u l a t o r ，t h ed e s i g na d o p t st w o c h a n n e la r c h i t e c t u r es t r a t e g yi e i t c o n s i s t so ft w oi d e n t i c a l c o m p l e t e l ya n di n d e p e n d e n tc h a n n e l s e a c hc h a n n e lo fm i c r o c o m p u t e r e x c i t a t i o nr e g u l a t o ri s s p a r e f o rt h eo t h e r ，i ti sc o n s i s t e do f s e p a r a t ec o n t r o lu n i t ，p o w e r u n i ta n ds i g n a l su n i t t h ek e y t o e x e r t i n gm e r i to fd u a lc h a n n e l se x c i t a t i o nr e g u l a t i o n i st h a tt h e yt r a c ko n ea n o t h e ra n d e x c h a n g e i n f o r m a t i o ns oa st os w i t c hs m o o t h l yw h e no n ef a i l u r et a k e sp l a c e i nt h es a m et i m e ， t h ec o n t r o lu n i ta d o p t sp l c ，b e n l s eo fi t s r e l i a b i l i t ya n dc o m m u n i c a t i n ga b i l i t y i no r d e rt o p r o t e c tl o s i n gs t e p s ，t h ew a yt h a tp r e j u d g i n gp o w e ra n g e lp r o t e c t sl o s i n gs t e p sw a sb r o u g h t f o r w a r da n ds i m u l a t e db ym a t l a b a c c o r d i n g t ot h es c h e m e ，t h e p a p e r d i s c u s s e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h er e g u l a t o r i n t r o d u c e st h ed e s i g no fc e n t e rc o n t r o lu n i t a d o p t e d s 7 2 0 0a n ds i g n a lc o n v e r s i o nc i r c u i t ( 4 2 0 m a ) e x c i t a t i o nc u r r e n tg i v e nc i r c u i t 、c u r r e n tc o n v e r s i o nc i r c u i ta n dv o l t a g ec o n v e r s i o n c i r c u i t ；i nt h i sp a p e ri t d e s c r i b e st h es o l t w a r eo fr e g u l a t o r , i n t r o d u c e sp r o g r a m m e d l o g i c ， s u b r o u t i n ea n dm o d u l ed e s i g nm e t h o d so f a s y n c h r o n o u st i m i n gi n t e r r u p ti nd e t a i l sa n dm a k e s e x p e r i m e n t ，f o re x a m p l e ，i m p r o v e dp i da n dp a r a m e t e r sa 礴u s t m e n t ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c h a n n e l s ，c o m m u n i c a t i o nw i t hu p p e rc o m p u t e ra n dc o n v e n e 5a da n dd ac o n v e r s i o n ，n i x i e d i s p l a y t h e s ee x p e r i m e n t ss u c c e e da n d a c h i e v e dw a v e f o r m i no r d e rt oi n s p e c tt h ec u r r e n t s 、v o l t a g e s 、e r r o r si nt w o c h a n n e l si nr e a lt i m e ，t h ed e s i g n a d o p t “k i n g v i e w ”s o f t t h r o u g ht h es o f t , w ec a r lk n o wt h eo p e r a t i n gs t a t e so ft h ee x c i t a t i o n 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 s y s t e m ，i nt h es a m et i m et h es o f tc a na l s or e c o r da l lk i n d so f d a t a i tc a r ta d j u s tt h ep a r a m e t e r so f p i da n d p r o v i d e r e s e a r c ha n d s t u d y w i t hd a t a t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h er e g u l a t o rh a sg o o dp e r f o r m a n c e ，s i m p l eh a r d w a r e ，h i g h r e l i a b i l i t y a n ds t r o n g a b i l i t y t or e s i s t d i s t u r b m e n t ，i th a sh i 【曲p r a c t i c a la n du s i n gv a l u e k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sm o t o rp l ce x c i t a t i o ns y s t e m k i n g v i e w c o n v e a e r - 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：毯垒兰鍪日期：墨翌芝：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲缒翱魏弛鳓趔卫 沈p ：l l e , j k 大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 同步电动机励磁控制装置发展概况 1 ，1 1 同步电动机励磁装置的演变 同步电动机的励磁系统为由外电源供电的它励式励磁系统。其励磁系统主要有下列 几种： ( 1 ) 直流励磁机励磁系统 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1 1 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，且真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。 图1 1 直流励磁机励磁系统原理国 ( 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 磁系统采用砬整流器( 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。因此，它只是一种过渡性励磁系统其原理图如图 1 2 所示口i 。 叮一四 沈mr 业火学坝l 学位论文 ( 3 ) 可控硅励磁系统 图1 2 硅整流励磁系统原理图 在可控硅元件产生后同步电动枫的励磁系统有了突飞猛进的发展，图3 ，3 为可控硅 励磁系统的原理框图。励磁系统由整流变压器( r ) 、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【3 】。 图1 3 可控硅励磁系统原理图 1 1 1 7 同步电动机励磁调节器的发展 国内外的微机励磁调节器具有如下特点： ( 1 ) 从可靠性讲，国夕 由于采用了专用的高速可编程控制器或高速微处理器，不 但可完成一般的调节和计算功能，而且逻辑控制功能也由其实现，使整个调节器的硬件 结构简单，可靠性大大提高。如瑞士a b b 公司的l r n i t r o lp 型调节器的可靠性指标 达到9 9 9 9 8 ，平均无故障工作时间为4 4 5 4 年。国内都采用了组装式结构，主板及配 套板均采媚进口，其可靠性也相当高，但困工艺和其它外围用的电路或器件等因素，其 可靠性与国外相比存在一定差距| 4 j 。 沈阳：l 。业大学硕_ 学位论义 ( 2 ) 从微处理器的特点比较，国外厂商使用鹄处理器各有其特色，孙j 尚士a b b 公 司的专用高速可编程控制器p s r 2 、e l i n 公司的主从多处理器、g e c a l s t h o m 公司 和r ，r i c 公司的3 2 位d s p 等，它们的运算速度快、调节和控制功能齐全，有利于调节 器采用更高级的控制策略和调节算法，并具有极强的针对性，尤其是前者主要是针对励 磁调节而设计的。国内调节器多采用8 位和1 6 位的处理器，有的也开始采用3 2 位处理 器，微机的总线结构多采用s t d 总线和m u l t i b u s 总线，硬件模扳多，运算速度有艰， 较高级的控制策略和调节算法的实现受到一定的限制。励磁调节器控制规律随着控制理 论的发展也在向前发展。早期的励磁调节器只按电题的偏差调节，称其为龟匿诵节器， 在此基础上又有人提出了比例一积分微分调节( 简称p i d 调节) ，由于该调节规律很好 地解决了在系统小扰动和噪声干扰情况下运行，因而被迅速广泛应用，在现代电力系统 中仍然占有最大比重。p i d 调节器也在发展，如出现了改进的数字p i d 算法凹、非线性 p i d 励磁控制器等，到目前，电力系统稳定器作为附加控制回路，得到广泛应用。随着 自动控制理论的发展对于复杂系统的控制要求出现了基于状态变量反馈的现代控制 论。将现代控制论应用于励磁控制系统就得到了线性最优励磁控制，还出现了基于直接 反馈线性化的非线性励磁控肯一、人工神经两络控寺l l 【6 l 、鲁适应控稍凹 ”、变结构控制 ”1 、综合智能控制等新型控制方法，目前国内外开发和生产的微机数字式调节嚣大致有 如下几种形式【9 j ： 1 ) 单微机调节器：这种调节器采用的微机部分和输入输出通道部分是单一的，国 内外的生产厂家都曾生产或都可生产这类调节器，最有名的是瑞典a b b 公司。 2 ) 双微机调节器：这种调节器的微机部分和输入输出部分是双套的。即扶输入斟 输出是完全相同而又相互独立的两套，一套工作一套备用，彼此间通过通讯以实现良好 的跟踪功能。国内外大多数微机诵节器都为此类。 3 ) 多微机调节器：这种调节器的微机部分和输入输出部分为多套，套工作其余 各套备用，彼此间通过通讯以实现良好的跟踪功能，通过表决器来实现相互间的切换。 英国r - r i c 公司的t m r 型调节器就是典型的三微机调节器。 沈i ；f i x 业大学顶士学位论文 1 2 变频器供电的同步电动机励磁装置的特点和目的 1 21 励磁装置的特点 变频电机由于具有普通同步电动机的优点，如功率因数高、运行速度精度高等特点 之外，还有调速性能好的特点，同步电动机由变频器供电，可以省去投励过程，国外的 一些著名公司像a b b 、罗宾康、西门子等都有应用于同步电动机的变频器，之所以变 频器很难应用于同步电动机，就是因为同步电动机有易失步的特点，如果励磁装置具有 防止电动机失步的功能，那么通用变频器就能广泛应用于同步电动机中。此励磁装置有 如下特点： ( 1 ) 无投励过程 由于变频器能够从较低的频率给电动机供电，因此在电机启动前就可以根据负载的 大小，给定一定的励磁电流，然后启动变频器给电动机供电，电动机速度就会随着变频 器的频率增加而增加。在电动机起动过程中，由于变频器供电频率很低，电机的启动电 流不会很大。这就省去滑差检测、投励判断及执行机构，简化了系统的复杂性【9 】。 ( 2 ) 要求有防止失步的功能 由于同步电动机的速度与供电频率相同，因此同步电动机的转速与变频器供电频率 直接相关，因此同步电动机励磁装置只要保证电动机不失步，就能保证电动机良好的调 速特性，因此励磁系统要有较强失步保护的功斛】。 ( 3 ) 功率因数调节 由于变频器受容量的限制，在选择变频器的时候一般为电动机容量的1 5 倍左右， 因此为了防止无功功率对变频器的功率器冲击，而使变频器受到伤害，尽可能的提高功 率因数，这就需要励磁装置进行励磁调节而调节电动机的功率因数。 ( 4 ) 较高的可靠性和通讯能力 同步电动机的励磁系统一旦失磁，就会造成电动机的失步，对变频器和电动机会造 成很大的冲击，甚至烧毁电机和变频器，因此要保证励磁装置的可靠性：由于励磁装置 的励磁给定是由变频器给定的，因此励磁装鼍必须有较强的通讯能力。 1 2 2 励磁装置研究的目的 ( 1 ) 扩大变频器在l 司步电动机中的应用 沈m 工业大学顾士学位论文 众所周知，一般的同步电动机都是由电网供电，同步电动机在大功率的工业场所有 近百年的应用历史了，不但其高效率和高可靠性无与伦比，而且能够改善供电系统的 功率因数，给用户带来真正的实际效益。然而，由于同步电动机初期投资价格比异步电 动机高，所以其应用受到了一定的限制。现在，在些高性能的应用场所，凡是功率大 于5 0 0 k w 以上的电动机，基本都采用了同步电动机，这就提出了对同步电动机进行调 速的问题 1 2 】。 自1 9 5 7 年晶闸管出现后，变频调速器随之产生。一般变频器为保证晶闸管可靠换 流，都需要有一套附加的换流电路，因而使变频器线路复杂、体积大、功耗大。但是在 变频器对同步电动机供电中，其电枢绕组中存在由激磁磁场感应产生的电势，利用这种 反电势换流，可以便变频器换流电路大大简化，从而形成了负载换相式高压交频器。 这种变频器具有电路简单、价格便宜等优点，但是其输出波形不好，起动困难。近年 来，由于先进i g b t 功率器件的出现，使得多电平p w m 式高压变频器的应用成为可 能。这种高压变频器是由低压变频器串联而成的，因而具有很高的可靠性，并且其输出 波形较好，在同步电动机上具有广泛的应用前景【1 4 1 。 变频器供电网步电动机的励磁装置可以通过与变频嚣| ：j j 环运行，使电动机不失步。 从而使通用变频器在同步电动机中可靠运行，拓宽变频器在同步电动机中的应用。 ( 2 ) 提高励磁装置的可靠性 众所周知，一旦励磁装置发生故障，电动机就不能正常运行，会给生产生活会带来 很大的损失。因此要提高励磁装置可靠性，从而保证电动机的正常运行。 】3 论文的主要工作 本课题是结合我校电气传动研究所为中国舰船传动7 1 2 研究所开发变频器供电同 步电动机无刷励磁调节装置的任务而进行的。在e - b _ 程中设计了励磁调节器所必需的 硬件电路，其中包括模拟量预处理单元、开关量输入输出单元、移相触发单元、界面显 示和参数输入单元、p l c 主控单元。为了检测励磁电流还使用了模拟量扩展模e 1 2 3 5 、 数字量扩展模块e m 2 2 3 。控制器软件设计采用s i m a t i c 工业软件中与s 7 2 0 。配合使用 的s l 、e p 7 一m i c r o w i n 3 2 标准工具编显示模块等组成，由这些模块协调工作，共同来完 成励磁调节器的控制调节工作。 沈1 二业大学硕_ 一学位论文 在励磁调节器的控制规律上，本文借鉴了传统工程中广泛采用的p i d 控制器及其设 计方法，并且对p l c 的数字式p i d 控制算法进行了分析，按照系统工作于大扰动和小 偏差两种不同情况，调节器采用了积分分离的p i d 控制方法。 为了保证同步电动机运行过程中不失步，同时也为了变频器的可靠运行，本文提出 了一种定子磁场位置检测的方法，并进行了仿真，由此可以实时检测电机的功角，进而 由此作为励磁调节的给定。 为了实时监测两套励磁装置的运行状态，采用了组态王软件，对变频器和励磁两套 装置进行了组态。通过它可以调节励磁装置p i d 的参数，同时可以通过它进行对变频器 两套励磁装置进行控制。 沈阳 ：业大学硕士学位论文 2 同步电动机功角检测与预测研究及仿真 2 1 变频电机启动和运行简介 变频电机由于具有普通同步电动机的优点，如功率因数高、运行速度精度高等特点 之外，还有调速性能好的特点，同步电动机由变频器供电，可以省去投励过程，国外的 一些著名公司像a b b 、罗宾康、西门子等都有应用于同步电动机的变频器，之所以变 频器很难应用于同步电动机，就是因为同步电动机有易失步的特点，如果励磁装置具有 防止电动机失步的功能，那么通用变频器就能广泛应用于同步电动机中”】。 2 。2 失步保护结构和原理 逆变器供电的同步电动机省去了电动机的启动环节，像投励、滑差检测等电路，但 是结合变频器的特点，励磁系统中必须有可靠的防止电动机失步功能，还必须要能与变 频器相互通讯，做到闭环控制。 2 2 1 失步检测与预测单元 反映失步的主要标志是电动机的功角是否越限。目前，常用的或已开发的失步保护 主要有：阻抗元件型失步保护【16 】；测量中心电压及其变化率的预测失步保护；基于能 量原理的失步预测保护1 8 】；根据电机气隙磁通变化构成的失步预测保护装置等。这些 保护都是通过测量其他量间接反映电动机的功角，其实时性比较差，同时都存在一定的 缺陷。 ( 1 ) 功角检测 由电机的基本理论可知，三相对称磁场合成磁动势基波是一个波幅恒定不变的旋转 波，同时还有某相电流最大时，三相合成磁动势基波的波幅就和该相绕组的轴线重合。 假设三相电流分别为： i 。= k s i n ( o ) t ) i 6 = k s i n ( t o t + 2 ；, r 3 ) i 。= k s i n ( c o t 一2 n - 3 ) 式中k 为三相电流的幅值，i 。、i 。和i 。为三相电流的瞬时值。 ( 21 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 沈m i 1 2 业人学伽j 士学位论文 假设同一时刻测得u ，v 相的电流值为k 。，k ：，将k 1 ，k ：代入( 2 i ) ， ( 22 ) 解方程得 舭a r c t a n ( 2 鲁+ 1 ) ，压】 ( 2 4 ) 由于电角度为0 - - 3 6 0 。，为了准确确定予磁场的位置，采用y ；, - t - 算角度的同时，根 据k ，k ：的正负进行定子磁场位置确定。 对于同步电动机，转子磁场与转轴的位置有关，通过光电编码器可以准确知道转子 位置。假设转子转动一周编码器可产生2 0 0 0 个脉冲。电机为四极产生一令脉冲代表 转子转动 臼= 3 6 0 2 2 0 0 0 = o 3 6 0 ( 2 5 ) 同一时刻测得定，转子磁场距离u 相位置为0 1 ，0 2 。则 o f = 0 j 一0 2 ( 26 ) ( 2 ) 失步预测 失步预测采用自回归栏型及算法，预测的实质是通过若干个数据来构造出符合实际 发展规律的模型，用这个模型预测将来的变化，并不断的用新的实测数据来修正模型， 以保证其具有鲁棒性。根据电力系统的特点，通过比较分析得到一种较优的时间序列多 点多点自回归( a r ) 预测算法，此算法简单，精度高，预测时间长和鲁棒性好拟。a r 模型又称自回归模型，它的数学表达式为： m ) = q m 1 ) + q m 一2 ) + + q m d + 荆= ，忙一0 + 荆 ( 27 ) 式中 ，。，是a r 模型的参数，s ) 代表建模及测量等随机因素产生的误 差。电力系统是一个时变的动态系统，所以订i ，d 2 ，口，是变量，反映以往各输出的的 权重。 根据n 次测量和每次由p 个不同时刻的直接测得功角，可将上式写成矩阵的形式 a ( n ) = 曰( b 。+ e ( n )( 2 8 ) 式中 占( ) = p ( 1 弘( 2 声( 3 l 一占( | v ) 7er 。 ( 29 ) 沈m 工业人学坝一卜学位论文 占( ) = e ( ) = k ( 1 扣( 2 弦( 3 ) s ( er “ 口? 醴 荆昏1 ) 砸一d d 1 ) 4 0 ) 啦- p ) d 一1 ) 4 n 一2 ) 文一d 。，( ) = 【口。a ：。，rer ， f 2 1 0 、 露” ( 27 ” ( 2 1 2 ) n 为测量次数，p 为模型阶数，n p 。若使预测准确，关键就是确定模型参数， 从而使误差最小。这里按照模型的误差的方差为最小来求a 。( ) 。设：e r ( n ) e ( n j ， 若使m 为最小值，则蕊o m ：o ， d 口l ；( ) = p r ( p ( 才1 口r ( f ( ) = q 。0 7 ( ) 占( )( 21 3 ) q = p 7 ( p ( 才1 ( 2t 4 ) 所以，在n 时刻的预测值为 。j ( ) = 口；a ，( )( 21 5 ) 在n + i 时刻，得到个新的测量值鼬+ j ) ，因为模型参数( _ v ) 是时变的，要根据 老的参数和新的测量值来实时修改 = a ，( v + 1 ) = a ，( j v ) + k 。防( + 1 ) 一0 、t 。) j ，( ) j( 21 6 ) 式中k 。为时变的，为增益矩阵。 ( 2 1 7 ) i 为单位对角矩阵 p 为加权因子，对历史数据进亍亍加权，加强当蔚数据豹络用。 则下一时刻的预测值为 沈m 工业大学硕士学位论文 善( + 1 ) = o r ，。& p ( + 1 )( 2 t 8 ) 综上，不断用新的功角值来修正预测模型参数，使模型不断跟踪并预测新的功角变 化，提高预测精度。 在实际应用中，对某一时刻的预测模型参数五。( ) ，要预测的不仅仅是下一采样时 刻的功角，还要根据实际预测的需要，进行若干步预测，即： 对某一固定舀，o ) ，预测t 步：考( f ) 一g ( i + 1 ) - g ( i + t ) ( 3 ) 失步预测和保护方案： 在整定值中，设定一个极限功角“。、，当预测功角j c 氏。，可通过调节励磁电流 的大小来调节电动机的功角，当占2 氏。时，通过调节变频器的供电频率来改变电动机 的功角。值得注意的是，当改变励磁电流无法调节电动机功角的时候，可以调解变频器 供电频率防止失步。 图2 1 逻辑判断的框图 2 22 励磁调节和通讯单元 励磁调节和通讯单元的功能是根据预测的功角进行励磁调节以及与变频器进行闭环 控制。当预测功角在规定的极限功角之内的时候，根据电机运行的状态调节励磁电流 的，来调解工作功角的大小。一旦预测功角大于极限功角，通讯单元工作，变频器与电 动机闭环工作，变频器会根据预测功角的大小进行计算，从而确定变频器的给定频率来 保证电动机不会失步。 沈m 工业大学颂士学位论文 励磁调节单元采用比较通用的p i d 调节，但是励磁调节单元会根据预测功角的大 小，来确定p i d 的输入，因此p i d 的给定信号是励磁调节的关键所在：假设电动机的 当前功角为“，预测功角为“。且为恒功率运行。 “= 半s i n “ ( 2 1 9 ) 则。= 只。+ 。， 购亨单 s i d d “ 只。+ ：半s i 嘛+ ， 眨z 。， x 不变 j 鬻c = 普= 锗in = 等 z ， p o 门中lj 在式( 2 2 1 ) 中e ，粥，n i 为常数。所以p i d 的给定为j m ：粤，。 s i n d + i 通讯单元的功能是当预测功角大于设定的极限功角的时候，调节电动机定子电压的 给定频率。变频器的频率控制输入端有两个通道，一个通道是人工给定频率，一个通道 是失步给定频率。当失步给定频率工作的时候，人工给定频率退出工作状态。失步给定 频率也可用p i d 来完成，p i e ) 的给定为预设极限功角，反馈为预测功角。 2 3 电机功率角检测与预测仿真 本文利用m a t l a b 语言提供的s i n m u l i n k 做为仿真工具，建立了同步电动机功率 角检测仿真模型【吲。 2 ，3 1 功率因数检测仿真 三相同步电动机模型： 定予电阻r = 2 8 7 5 定子电抗：l d ( h ) = 0 0 0 8 ，l q ( h ) = o 0 0 5 极对数p = 2 转动 惯量j = o 8 x 1 0 - 3 嬉+ 朋2 摩擦系数老，：g 。当中= o 1 2 w b ，负载转矩：丁= 5 n $ l f 时，转 子位罱的变化曲线如图2 2 所示，为了观察方便，仿真中用了定子磁场磁极与转子磁场 磁极的夹角的_ i _ i 三弦如图2 3 所示 啪鱼 沈阳工业火学顺士学血论文 图2 2o = 0 1 2 _ i l e o 、负载t = s n * m 时转子位置图 图2 3 中：0 1 2 w b 、负载转矩t = s n * m 时功率因数图 由仿真结果可知，转子磁场的位置在0 5 。变化，夹角正弦也在不断变化，但夹角 正弦的变化范围很小，证明在一定励磁条件下，功角变化不大。 当西= 0 1 5 w b ，负载转矩：t = 5 n + m 时；图2 4 ，2 5 分别为转子位置与定子磁场 与转子磁场夹角正弦值和转子位置变化波形。分别比较两图可知在转矩一定的情况下， 调节励磁大小可以改变夹角的大小， 沈阳工业太学硕士学位论文 图2 40 = 0 1 5 w b 、t = 5 n * m 时功角正弦波形 图2 50 = 0 1 5 w b 、t = 5 n * m 时转子位置图 图2 6 ，2 7 分别为t = 1 0 n + m 中= 0 1 2 w b 时，定子磁场与转子磁场夹角的正弦波 形和转子磁场的位置，图2 8 ，2 9 分别为t = i o n * t l ，m = 0 15 w b 时，定子磁场与转子磁 场夹角的正弦波形和转子磁场的位置。 沈阳工业火学硕士学位论文 图2 6 中0 1 2 晒、t = i o n * m 时功角正弦波形 图2 7 中= 0 1 2 w b 、t = i o n * m 时转子位置图 图2 8 o ：o ，1 5 j l c b 、t = 1 0 n 利时功角正弦波形 1 4 * 沈州工业大学坝士学位论文 圈2 9 中：0 1 5 w b 、t = 1 0 n * m 时转子位置图 通过仿真结果可以看出，不同的励磁电流情况下，电动机的功角变化很大，当励磁 电流不变时，负载增大，功角平均值也会随之增大，反之亦然；当负载不变时，电动机 的励磁电流增大，功角平均值就会减小；同时也可以看到，当励磁电流不变时，不同负 载下，电机的启动速度明显不同，励磁电流越大，牵入同步速的时间会越短，但由于励 磁电流大，功角会很小，也会因此使转子产生振荡。由图2 2 ，2 5 比较可知，励磁电流 较大时，转子磁场位置鳆线较粗糙。因此调节励磁可以改变功角，如果能够缲持功角在 一定的范围之内，就可以防止失步。 2 3 2 功率角预测仿真 采用自回归模型，功率角检测值为经过定子磁场与转子磁场的夹角值，此值与电动 机的运行状态有关，通过本文所提到的功率检测方法可得到一组功率角，将这组数据代 入模型中进行计算，可以预测出下个时刻的功率角，然后得到另组预测功角 2 4 1 。其 如图2 1 0 所示。 n y 4 图2 1 0 功角预测仿真图 沈阳工业大学顺士学位论文 3 同步电动机微机励磁调节器的硬件系统 微机励磁调节器硬件系统原理 本微机励磁控制系统采用它励、无刷励磁方式，在电动机正常工作时，励磁电源由 接在电动机端的励磁变压器提供，由三相全控桥整流后，送到电动机的转子励磁绕组以 供给其励磁。主控单元将变频器给定直流电流信号采集进入p l c 主机，经过控制规律 运算后送出直流模拟量到移相触发单元。移相触发单元根据模拟量值的大小调整触发 角，控制电动机励磁电流的大小【2 5 】。 当变频器测得功率因数比要求的值低时，它就会增加励磁装置给定励磁电流的大 小。励磁装置会根据给定励磁电流的大小来调节输出。因此励磁电流调节方式是以电动 机运行的功率因数为调节对象，形成了变频器、电动机和励磁装置的闭环控制系统。 从可靠性角度出发，本系统采用双通道结构，即由硬件完全相同而又相互独立的两 个通道组成，在每个通道内的基本调节方式电流调节方式a e r 。a e r 以电动机励磁电 流为调节对象，实现恒励磁电流运行，运行时独立于机端电压( 如在机端电压消失时仍 可工作) 。在正常运行时，两个硬件通道中有一个做为工作通道，另一个做为备用通 道，备用通道处于热备用状态，可以随时替代主通道长期工作。双通道之间通过开关量 信号、模拟量信号和串行通信信号相连接，实现双通道的相互平稳切换。本系统的每个 通道设有两个通信自由曰，便于与上位机进行通信和网络联接伫”。 一 ； 球 * ) ： 姐盎趣 u 曲fi 攀l 刮 图31 冗余控制系统原理框图 沈阳工业大学坝上学位论文 如图3 1 所示，在本设计中，调节器的一个硬件通道包括以下部分：输入输出接口 电路、检测转换电路、光电隔离电路、p l c 主控单元、冗余控齐4 单元、功率主网路及灭 磁单元等几大部分组成。 3 2 基于$ 7 - 2 0 0 可编程序控制器的主控单元设计 s i m a t i cs 7 2 0 0 系列是西门子公司前几年刚刚投放市场的小型可编程序控制器， 采用整体式结构，它结构小巧，可靠性高，运行速度快，继承和发挥了它在大、中型 p l c 领域的技术优势，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，配有 功能丰富的扩展模块，性能价格比非常高，在各行业中的应用迅速推广，在规模不太大 的控制领域是较为理想的控制设备。本系统使用该系列中的c p u 2 2 6 模块可以进行输 入输出扩展，最大可扩展2 4 8 点数字量或3 5 点模拟量，可以接特殊功能扩展模块和编 程设备、网络设备等相关设备。主控单元采用的模拟量扩展模块e m 2 3 5 带4 路a i d ，j 路d a ，a j d 、d a 转换时间小于2 5 0 u s ，分辨率为1 2 位，模拟量输入与逻辑电路间采 用隔离技术，共模抑制比达到4 0 分贝，可为电压输入或电流输入，电压输入分单极性 和双极性，电流输入范围为0 - - 2 0 m a ，为保证系统的采样、控制精度及调节速度提供了 基本的物理条件。 3 2 1s 7 2 0 0 系列p l c 的结构和工作原理 西门子公司的s l m a t i c $ 7 - 2 0 0 是一种叠装式结构的小型p l c 。它可以满足多种多 样的自动化控制的要求。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的 指令系统，同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得s 7 - 2 0 0 可以近乎完美 地满足小规模的控制要求。此外丰富的c p u 类型和电压等级使其在解决用户的工业自 动化问题时，具有很强的适应性和可选择性口9 】。 ( 1 ) s 7 2 0 0 系列p l c 系统的基本组成 s i m a t i cs 7 2 0 0 硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量 的i o 输入输出，同时还可以扩展各种功能模块。一个完整的p l c 系统如图2 2 所示。 1 ) 基本单元。有时又称做c p u 模块，也有称之为主机或本机。它包括c p u 、存储 器、基本输入输出点和电源等，是p l c 的主要部分。它实际就是一个完整的控制系 统，可以单独完成一定的控制任务。 些幽三些查兰塑主堂些堡兰 2 ) 扩展单元。主机t i q 数量不能满足控弗0 系统的要求时，用户可咀根据需要扩展 各种i 0 模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的i o 点数是由多种因素共 同决定的。 3 ) 特殊功能模块。当需要完成某些特殊功能的控青4 任务时，可与s i m a t i cs 7 2 0 0 主机相联，以完成某些控带0 任务而特制的一种装置。 4 ) 相关设备。是为充分和方便地利用s i m a t i c $ 7 - 2 0 0 系统的硬件和软件资源而 开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。 5 ) 工业软件。是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序，它主要 由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。 图3 2 $ 7 - 2 0 0p l c 系统组成 ( 2 ) $ 7 - 2 0 0 的内部结构 专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由c p u 、电源、存储嚣和专 门设计的输入输出接口电路等组成。 c p u 般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。c p u 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接，处于运行 方式时，c p u 按扫描方式工作，从用户程序第一条指令开始，直到用户程序的最后条 指令，不痒地周期性扫描，每扫描完成一次，用户程序就执行一次。 存储器有两种类型：只读类型的存储器e e p r o m 和可读写随机存储器r a m ，它们 集成在c p u 模块内部，同目于，c p u 模块支持可选的e e p r o m 存储器卡。 输入输出单元包含两部分：一是与被控设备相连的接口电路，另一部分是输入和输 出的映像寄存器。输入接口电路将来自用户设备的控制信号转换为c p u 能够识别和处 沈i 工业大学硕士学位论文 理的信号，并存到输入映像寄存器；输出接口电路将弱电控制信号转换成现场需要的强 电信号输出。输入输出接口电路都采用了电气隔离技术，因此输出端的信号不会反馈到 输入端，也不会产生地线干扰和其它串扰，因此p l c 具有很高的可靠性和极强的抗干 扰能力。输入输出映像寄存器由输入输出点相应的触发器组成，供c p u 读写信息用。 ( 3 ) s 7 2 0 0 的工作原理 s 7 2 0 0 的采用循环扫描方式，一个扫描周期般包括五个阶段：输入处理、执行程 序、处理通讯请求、执行c p u 自诊断测试和写输出。如图2 3 所示。 输入处理阶段对每个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别 写入对应的映像寄存器中。 在执行程序阶段，c p u 从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结 束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行 算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。 在c p u 扫描周期的信息处理阶段，c p u 自动检测并处理各通讯端1 3 接收到的任何 信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段 完成数据通讯任务。 图33p l c 扫描工作过程 沈7 r t _ 业大半砸士学位论文 c p u 自诊断阶段，c p u 检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。 在r u n 模式下，还检测用户程序存储器。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊 断正常，继续向下扫描。 写输出阶段，c p u 用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通 过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。 与计算机的循环取指令和执行指令的工作方式不同，循环扫描的工作方式执行用户 程序只是其中的一步，而且指令的执行结果并不立即传送到输出点。只是用它改变内部 的映像寄存器状态，当所有指令执行完成后，同时对各输出点刷新。扫描周期执行的任 务依赖于c p u 的工作模式，s 7 2 0 0c p u 有两种操作模式：s t o p 模式和r u n 模式。对 于扫描周期，s t o p 模式和r u n 模式的主要差别是在r u n 模式下运行用户程序，两在 s t o p 模式下不运行用户程序。 32 2 主控单元的硬件设计 本微机调节装置的主控单元由两个硬件结构完全相同的可编程控制器( p l c ) 组 成，每个p l c 的组成为：个c p u 2 2 6 主机，一个模拟量扩展模块e m 2 3 5 ，一个数字 量扩展模块e m 2 2 3 d 1 1 6 , c d 0 1 6 。组成原理框图如图3 ，1 所示。 数字两输入输出点配置：由主机输入输出点和扩展模块输入输出点组成，用于开 关量的输入输出。开关量输入包括：操作信号的通道投入选择，自动手动选择，运行方 式选择，增磁，减磁；机组运行信号，灭磁开关位置等：本机输入点的地址为1 0 0 1 0 7 ， 1 1 0 m i 7 ，1 2 0 - - 1 2 7 为有效地抑制输入噪声干扰，对本机的部分输入点设置了输入滤波 器，延迟时间为6 毫秒。开关量输出包括：指示信号如运行，调试灯；状态监视信号故 障信号，变频器给定信号等。 模拟量的输入输出点配置：模拟量输入，输出全部为直流电压信号，使用一个模拟 量扩展模块e m 2 3 5 完成a i d 、d ! a 转换。其中一模块的输入量有励磁电流对应的电压 信号与给定的模拟信号。上述电压的范围0 i o v ，与之相应，设置e m 2 3 5 的d i p 开 关，设定为单极性电压输入，输入，输出量程为0 - 1 0 v 。对应的输入厝俞出映像寄存器编 址为a i w 0 ，a i w 2 。数据数值范围0 3 2 0 0 0 。 沈阳工业大学硕士学位论文 定时器配置：在本设计中，软件中，软件给定如励磁电流给定，各继电器的吸合等 使用有记忆接通延时定时器t o n r ，定时精度等级1 0 m s 。限制器如最小励磁电流限制 器定时器t o n ，定时精度等级1 0 m s ，最大励磁电流顶值瞬时限制使用t o n ，精度等级 1 i l l s 。p l c 与上位机的串行通讯不占用定时器。 通信口配置：通信端口0 与变频器通信，接收变频器的给定信号。通信端口1 连接 上位机和另一通道p l c 实现串行通信。 3 3 主回路 主回路是由整流变压器、整流单元、保护以及灭磁单元四