（电力系统及其自动化专业论文）高压无换向器电机及其控制技术研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 在前述研究的基础上，吸收微处理器和微电子领域的最新成果，研制了一套高 压无换向器电机控制系统。围绕新型快速芯片的使用，设计了多种抗干扰方案来提 高控制系统可靠性，以适应恶劣的工业运行环境。设计的控制系统分别在两套装置 中进行了试运行。一是在实验室环境下，以一台1 k v 、4 0 0 k w 、4 对极的同步电动机 为控制对象，拖动一台直流发电机和电阻箱负载；二是在某钢厂的空压机车间以一 台6 k v 、3 0 0 k w 、7 对极的悬臂轴式同步电动机为控制对象，拖动空压机负载。试运 行表明，本设计是成功的。 设计了一套中压晶闸管阀，应用在上述6 k v 高压无换向器电机中。该晶闸管阀 的主要技术特点有：由于无换向器电机低速运行时逆变桥承受电压很低，不能从阻 尼电容回路取得触发电源，所以设计了独立的触发电源，并通过高压电缆将高频电 源传送到各个晶闸管触发电路；利用检测晶闸管反向电压设计了晶闸管故障检测电 路及阀故障检测系统；触发脉冲直接经光纤发送到晶闸管触发电路板，以简化设计 并提高响应速度；冷却系统采用风冷结构。通过改变串联元件的数量和晶闸管参数， 该装置可以用于6 k v - 1 0 k v 、2 0 0 k w 2 0 0 0 k w 范围。 总结以上内容，本文共在6 个方面取得了一定成果：小型嵌入式系统开发的工 程方法，无换向器电机全程时域仿真模型，相控整流器相序相位自动识别算法及应 用，全程式转子电气位置检测方法的分析与实现，高压无换向器电机控制系统研制， 中压晶闸管阀系统研制。 关键词：无换向器电机，转子位置检测，相序相位自适应，晶闸管阀，有限状态机 i i 华北电力大学博士学位论文 a b s t r a c t b yu s i n gn e wt e c h n i c a la c h i e v e m e n t si n m i c r o - e l e c t r o n i ca n dm i c r o p r o c e s s o rf i e l d s ， s e v e r a lw e a kl i n k so f c o m m u t a t o r l e s sm o t o r ( c l m ) a r er e s e a r c h e di nt h ef o l l o w i n g t h r o u g ha n a l y s i so f m a t e r i a l so ff i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) ，i m p r o v e df s m ( i f s m ) i s d e s i g n e d ，w h i c hc a nb eu s e da ss o f t w a r ea n a l y s i st o o lo fs m a l le m b e d d e ds y s t e m a n a l y s i s r e s u l td e s c r i b e db yi f s mc a nb ee a s i l yt r a n s f e r r e dt on sb l o c k d i a g r a m w h i c hi sw i d e l yu s e d a ss o f t w a r ed e s i g nt o o la n d p r o g r a mb a s e do nb l o c kd i a g r a mc a ne n s u r es t r u c t u r es o f t w a r e b yu s i n gi f s m ，b o t hw h o l ep r o c e s st i m e - d o m a i ns i m u l a t i o nm o d e la n dr e a ld e v i c eo fc l m a r ed e v e l o p e d t r a n s f e rf u n c t i o nm o d e lo fc l mi sb u i l ta n dr e g u l a t o rp a r a m e t e r so fd o u b l e - c l o s e d l o o p a d j u s t a b l es p e e d ( a s d ) s y s t e mo fc l m a r ec a l c u l a t e db y u s i n ge n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d t h e nb a s e do np o w e r s y s t e mt o o l b o xp r o v i d e dw i t hs i m u l i n ks o f t w a r e m a i nc i r c u i tm o d e lo f c l mi sb u i l ta n db yu s i n gm a t l a bl a n g u a g e ，c o n t r o ls o f t w a r ei sp r o g r a m m e d w h o l e p r o c e s s t i m e d o m a i ns i m u l a t i o nm o d e li sd e v e l o p e d b yc o m b i n a t i o no f m a i nc i r c u i tm o d e la n dc o n t r o l s o f t w a r e l o ws p e e dc u r r e n t i n t e r r u p t i o n r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e r m i n a lv o l t a g e so f s t a t o r so fc l ma r ea n a l y z e db a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e l i no r d e rt os i m p l i f yt h ec o m p l e xi n s t a l l a t i o na n d a d j u s t m e n tp r o c e s so fp h a s e ，c o n t r o l l e d c o n v e r t e r ( p c c ) o fe l m ，p c cp r i n c i p l e i s r e - a n a l y z e d b a s e d o n c o n n e c t i o n s y m b o l f u n d a m e n t a l so ft r a n s f o r m e r , i n t e r n a lr e l a t i o n so fd i f f e r e n tv o l t a g e l e v e l so f p o w e rn e t w o r k a r er e v e a l e da n dt h e np h a s er e l a t i o nb e t w e e n v o l t a g ea n dc u r r e n to fi n d u c t i v el o a di sa n a l y z e d i tc a nb ec o n c l u d e dt h a te v e r y p h a s eo f l o w v o l t a g ea c s o u r c ec a nb es e l e c t e da ss y n c h r o n o u s v o l t a g e ，s u c h a sp o w e rs o u r c eo fc o n t r o lc i r c u i t p h a s es e q u e n c ea n d p h a s eo f m a i nc i r c u i tc a n b ec a l c u l a t e db ys o f t w a r e a tl a s t p h a s es e q u e n c ea n dp h a s ea u t o r e c o g n i t i o na l g o r i t h mi s f o r m e d ，w h i c hi su s e dt oi m p r o v et r a d i t i o n a lp c cs o f t w a r e w h e nt h i sm e t h o di su s e d ，h i g h v o l t a g ep t c a r lb eo m i t t e da n d a d j u s t m e n tp r o c e s so f p c c c a nb es i m p l i f i e d b e c a u s ee l mi s a d j u s t e d f r o ms t a n d s t i l lt or a t e d r e v o l u t i o n ，t h r e e p h a s e t e r m i n a l - v o l t a g e sa m p l i t u d e a n d f r e q u e n c yv a r yg r e a t l y a n dt h e i rw a v e sh a v es e r i o u s d i s t o r t i o n w h o l ep r o c e s se l e c t r i cr o t o r p o s i t i o nd e t e c t o rh a sb e e nw i d e l yr e s e a r c h e d ，b u ti ti s n o tw e l ls o l v e d i nt h ec u r r e n t ，m e c h a n i c a lr o t o rp o s i t i o ns e n s o ri su s e dd u r i n gl o ws p e e d p e r i o do fc l m a n d c h a n g e d t oe l e c t r i cr o t o rp o s i t i o nd e t e c t o ri nh i g h s p e e dp e r i o d b yu s i n g as e r i e ss p e c i a l l yd e s i g n e dm e t h o d s ，t h ep r o b l e mo fe l e c t r i cr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nf r o ms t a r t t or a t e ds p e e do fc l mi ss o l v e d ，w h i c h o n l yu s et h r e e - p h a s es t a t o r sv o l t a g ea sm e a s u r e m e n t v a r i a b l e s t h i sm e t h o dh a sn or e l a t i o nw i t hp o l e so fm o t o ra n dc a nm a k ec l ms t a r tu n d e r c l o s e d l o o pc o n t r 0 1 g o o d r e s u l t sa r eg a i n e d t h r o u g he x p e r i m e n t so n at e s tm o t o r ， i l l 华北电力大学博士学位论文摘要 b a s e do n a b o v er e s e a r c h e sa n d n e w e s ta c h i e v e m e n t s o f m i c r o p r o c e s s o r a n d m i c r o e l e c t r o n i c sf i e l d s ，a d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mo fc l m i sd e v e l o p e d f o rm a n yn e w t y p e s h i g h s p e e di c sa r eu s e d ，m a n y a n t i d i s t u r b a n c em e a s u r e sa r ed e s i g n e dt oi m p r o v er e l i a b i l i t y t h ec o n t r o ls y s t e mi su s e di nt w os m sf o rt e s tr u n o n ei su s e dt oc o n t r o l al kv ，4 0 0 k wa n d 4 - p a i rp o l e ss m i nl a b o r a t o r y , w h i c hd r i v e sad c g e n e r a t o r ；t h eo t h e r i su s e dt oc o n t r o la6 k v , 3 0 0 k wa n d7 - p a i rp o l e ss m i na na i rc o m p r e s s o rs h o p ，w h i c hd r i v e sa na i rc o m p r e s s o r t e s t r u ns h o w st h a tc o n t r o ls y s t e mh a sg o o d p e r f o r m a n c e as e to f m e d i u m v o l t a g et h y r i s t o r - v a l v es y s t e m i s d e s i g n e d a n di t st e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c si n c l u d e ：i n d e p e n d e n tt r i g g e r i n gp o w e ri sd e s i g n e db e c a u s ei n v e r t e rt r i g g e r i n g p o w e rs o u r c ec a nn o tg a i nf r o md a m p e dc a p a c i t o rc i r c u i tw h e nc l m i s o p e r a t i n gi nl o w s p e e d ；t h y r i s t o rf a u l td e t e c t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do nm e a s u r eo fi n v e r s ev o l t a g eo f t h y r i s t o ra n d v a l v ef a u l td e t e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dt oc h e c ka l lt h y r i s t o r si nt u r n ；t r i g g e r i n g p u l s e sd on o ta d o p t c o d ep a t t e r n ，w h i c ha r ed i r e c t l yt r a n s m i t t e dt ot r i g g e r i n gc i r c u i to f e v e r y t h y r i s t o rt h r o u g ho p t i c a lf i b e ri no r d e rt os i m p l i f yd e s i g na n di n c r e a s er e s p o n s es p e e d ；a i r c o o l i n gs y s t e mi sa d o p t e d t h y r i s t o rv a l v es y s t e mi su s e di na6 k vc l m i n t r o d u c e di nt h e f o r m e r t h r o u g hc h a n g eo ft h y r i s t o r sn u m b e r a n d p a r a m e t e r s ，t h i sd e v i c ec a nb eu s e di nt h e r a n g eo f 6 k v - 10 k va n d2 0 0 k w - 2 0 0 0 k w t os u m u p ，s e v e r a la c h i e v e m e n t sa r em a d ei nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：e n g i n e e r i n gm e t h o d o f d e v e l o p m e n to f s m a l le m b e d d e ds y s t e m ，w h o l ep r o c e s st i m e d o m a i ns i m u l a t i o nm o d e lo f c l m ，p h a s es e q u e n c ea n dp h a s ea u t o - r e c o g n i t i o na l g o r i t h mo fp h a s e c o n t r o l l e dr e c t i f i e r ， a c h i e v e m e n to fw h o l e p r o c e s se l e c t r i cr o t o rp o s i t i o nd e t e c t o r , d e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m f o rh i g h v o l t a g ec l m ，d e v e l o p m e n to f m e d i u m v o l t a g et h y n s t o rv a l v es y s t e m k e yw o r d s ：c l m ，r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n ，p h a s es e q u e n c es e l f - a d a p t a t i o n ，f s m i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名目期：叨醪f 3d 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 f i 的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期：趔篁：旦 导师签名：亟丝垂 日 期：塑! 鱼! ：! 第一章引言 1 1 研究目的和意义 第一章引言 电气传动是与液压传动、气压传动、机械传动并列的四大传动之一，主要指直 流电动机、异步电动机和同步电动机的控制，并以电动机的转矩和转速为控制对象， 按生产机械工艺要求进行电动机转速( 位置) 控制的自动化系统l lj 。电气传动是一 门包括电力电子技术、电机、控制理论与微电子技术的多学科汇集在一起的应用技 术【2 1 ，各学科领域的新进展都会引起电气传动技术的变革。研究电气传动，必须时 刻注意各学科的发展状况，随时将新技术与理论应用到传动技术中。 中犬功率调速系统主要采用直流电动机、异步电动机和同步电动机三类电机。 直流电动机由于使用机械换向器，限制了电动机的容量、电压和转速。在高压大功 率领域( 6 - 1 0 k v ) ，只能使用同步电动机和异步电动机。与异步电动机相比，同步 电动机更具优势，原因在于： ( 1 ) 同步电动机有较高的功率因数和效率，异步电动机功率因数和效率较低： ( 2 ) 同步电动机在结构上可以有效抑制电枢反应，抗冲击能力和运行稳定性好， 也由于转子侧独立励磁，可以采用较大的气隙，从而降低加工难度和允许较大的轴 挠度，而异步电动机的电磁功率通过气隙传递，功率因数和效率将随着气隙增大而 急剧下降； ( 3 ) 同步电动机转动惯量较小，可以达到较高的动态响应和静态精度，异步电 动机的g d 2 较大，控制性能稍差。 所以在高压大功率、冲击性负载的工况下都采用同步电动机。同步电动机的不 足之处，一是需要增如一套励磁系统，二是采用恒频电源( 电网) 起动困难。无换 向器电机( c l m ) 是最适合同步电动机软起动和调速的传动系统。 早在上世纪三十年代人们就开始对无换向器电机【3 】进行研究，因此也出现了多 种名称，如晶闸管电动机f “、自控式同步电动机【5 】及负载换相同步电动机6 1 等。无换 向器电机根据变流器结构的不同分为两种型式，一种称为直流无换向器电机，功率 变换回路采用交一直一交变流器结构( 又可分为电压型和电流型) ；另一种称为交流无 换向器电机，功率交换回路采用交交交流器结构。本文只研究电流型的直流无换向 器电机，若无特别说明，文中简称为无换向器电机。 无换向器电机的优点有： ( 1 ) 逆变器采用负载反电势换相，结构简单，使用的晶闸管少，控制方便，并 1 华北电力大学博士学位论文 且容易做成高电压、高转速和大容量的调速系统； f 2 1 能实现无级调速，并能四象限运行，又具有直流电机的运行特性，调速精 度很高； r 3 1 调速控制系统和直流电动机基本相同，在生产、设计、调试时可以充分利 用直流电动机的经验； ( 4 ) 由于使用电流型变换器，直流平波电抗器能限制故障电流上升率，使过电 流保护容易实现，所以可靠性高。 无换向器电机既可用于拖动轧钢机、造纸机以及数控机床用伺服电机等要求高 精度、高动态性能的场合；也可用于拖动风机、泵类负载等只要求调速节能，而对 调速特性要求不高的场合；大容量同步电动机为了能平稳起动，可以使用无换向器 电机作为同步电动机的软起动方式。由于无换向器电机的优点和适用于多种场合， 因此国内外都对它进行了深入研究。 无换向器电机也有以下不足之处： ( 1 ) 使用三相桥式电流型变流器时，电动机定子电流为1 2 0 。电角度方波，与正 弦波驱动相比，电动机损耗有所增加，转矩有脉动，电机侧和网侧谐波都较大； ( 2 ) 低速时采用断续法换相，转矩脉动大，运行性能较差； ( 3 ) 逆变器的换相条件要求电动机工作在超前功率因数，且过载能力较低。 谐波、功率因数和过载能力是制约无换向器电机发展的主要因素，这些问题可 以通过采用新型器件、改进拓扑结构和控制技术加以解决【7 。1 0 1 。 无换向器电机的控制系统结构复杂、成本较高，限制了此项技术向中大功率调 速领域的发展。如果吸收近年来微电子和微处理器领域的最新技术成果，简化控制 系统的硬件电路，尽量发挥软件的功能，并且对无换向器电机的若干薄弱环节进行 完善，将对无换向器电机的推广应用，具有重要的价值。 本文研究目的在于；针对无换向器电机最薄弱的环节一转子位置检测器，提出一 种全程式转子电气位置检测方法，彻底摆脱机械位置传感器，并实现全程闭环运行； 针对高压相控整流器调试比较复杂的情况，提出一种相序相位自动识别算法，从而 省去人工调试的繁琐过程并且不用高压电压互感器；针对无换向器电机产品中仍然 采用落后的微处理器或价格昂贵的进口控制系统，设计了一套基于最新数字信号处 理器和高速微控制器的控制系统，并在提高抗干扰性能和可靠性方面做了大量工 作；提出一种基于改进有限状态机的嵌入式系统开发的工程方法，并用于无换向器 电机控制系统的研制；设计了基于光触发、结构紧凑的晶闸管阀系统。这些工作首 先在基于电路和软件混合方法设计的全程时域仿真模型上仿真成功，而后完成了实 际工业装置的研制。 2 第一章引言 1 2 课题研究现状及存在问题 1 2 1 无换向器电机的过载能力 无换向器电机的一个突出问题是过载能力，而过载能力最大的制约因素是逆变 桥的可靠换相。由于逆变超前角= 0 + + 占，电机在运行时总存在一定的功角口和 换流重叠角，为了保持一定的换流剩余角占，以保证逆变桥可靠换相，必须保持 一定的逆变超前角，如= 6 0 。越大，平均转矩越小，越小换流失败的可能 性越大，所以过载能力与逆变桥可靠换相始终是一对矛盾。人们提出了恒换流剩余 角控制、改进电机结构以减小电机的功角和换流重叠角等改善措施【3 ”h 2 。上述措 施只能改善但不能从根本上解决过载能力问题，这是由晶闸管的关断特性决定的。 最根本的方法是采用全控型器件代替晶闸管，如美国a b 公司的b u l l e t i n l 5 5 7 系列 变频器采用g t o 构成逆变器 1 3 1 ，该公司生产的p o w e r f l e x 7 0 0 0 变频器采用s g c t 全控型器件构成逆变器。 1 2 2 电流型变流器的谐波问题 无论电流型还是电压型变流器( 包括负载侧和网侧) ，可以从三个方面解决谐 波问题：一是设计无源或有源滤波器，吸收或抵消高次谐波，减少主回路的谐波含 量；二是采用阶梯波来逼近f 弦波的脉冲幅值调制法( p a m ) ，常称为多重化技术； 三是采用等幅脉冲列逼近正弦波的脉冲宽度调制法( p w m ) 。 为了减小6 脉波电流型整流器引起的网侧谐波，文献【1 4 】提出采用1 2 脉波乃至 3 6 脉波整流电路。1 2 脉波整流器与6 脉波整流器相比，总谐波畸变率( t h d ) 理 论值由2 8 ，8 降至1 1 7 。文献【1 5 】在1 8 脉波整流器基础上通过g t o 进行多电平控 制，进一步提高功率因数。 为了减小三相电流型逆变器引起的负载侧谐波，文献【1 6 详细分析了多组逆变 器输出直接叠加和经过变压器叠加电路的谐波特性。该文献又对采用g t o 的逆变 器使用p w m 调制技术，随着每个周期调制脉冲数目的增加，可以消除低次谐波。 美国a b 公司和r o b i c o n 公司都有逆变器采用p w m 控制的电流型变频器产品。 若将b u c k 型p w m 整流器【7 j 、p w m 逆变器 g l 、多重化和滤波器技术相结合，会达 到更好效果，但是在具体应用时需要在性能与成本之间均衡考虑。 1 2 3 无换向器电机自动控制系统与仿真模型 无换向器电机作为一个自动控制系统，控制系统的结构与直流电动机非常相 似，可以将直流电动机调速系统的设计方法用于无换向器电机。无换向器电机一般 采用转速电流双闭环调速系统，两个环都采用p i 调节器，并使用典型工程设计法设 3 华北电力大学博士学位论文 计调节器参数【1 7 _ 18 1 。将现代控制理论和智能控制理论应用到调速系统中一直受到广 泛的研究，如采用模糊控制1 引、神经元控制、内模控制川、变结构控制1 2 2 1 等控 制策略，使用它们改造调速控制系统结构，以提高性能。 无换向器电机中线性与非线性环节、连续工作与离散工作状态共存，结构复杂。 在建立仿真模型时，若将全部元件都用数学方程描述，并用数值方法求解，将非常 困难。为了设计控制系统调节器参数，文献f 3 ，7 ，2 3 2 4 1 建立了无换向器电机的传递 函数模型。为了分析某些运行工况下的性能，文献 2 5 2 7 1 针对特定工况建立了简化 的仿真模型。由于高压无换向器电机是一套复杂的机电一体化装置，而线性模型和 局部模型则作了大量简化，忽略了实际电机运行过程的许多细节，例如电机起动过 程断流运行特性、端电压的变化规律等，而这些对于直流平波电抗器选型、转子电 气位置检测器设计等问题都是重要的依据，所以建立更接近实际系统而又易于使用 的仿真模型十分必要。 1 2 4 无换向器电机的转子位置检测方法 转子位置检测器是无换向器电机的关键环节，也是影响整个调速系统可靠性的 最薄弱环节，这一问题一直受到人们的重视并有大量文献发表。可以将转子位置检 测器分为机械位置和电气位置检测器二大类。机械位置检测器又可分以为一体式和 分体式两种。一体式位置传感器可以做到很高精度，但属于精密器件，价格高，而 且抗震动能力差，各种绝对式、增量式光电编码器属于该类产品。文献( 2 8 2 9 】使用 增量式光电编码器确定转子动态位置，并利用电压模型和反电势积分法确定转子初 始位置。文献 3 0 】使用绝对式光电编码器，转子位置只要在安装时调试准确，以后 由码盘的绝对编码值可以获得当前转子位置。分体式检测器安装时难以保证同心 度，当电机极数较多时，检测精度低，难以使用，反射式光电传感器、磁感应式传 感器【3 1 1 属于该类产品。 电气位置检测器是使用三相电压互感器( p t ) 检测电机定子端电压，根据端电 压过零点获取转子位置，也称为无位置传感器。 文献 3 2 1 提出使用电流信号与电压信号相结合在低速时段推算转子位置，但要 求直流平波电抗器取值不能太大。文献 3 3 1 使用电流信号消除电压信号中由于换相 引起的电压缺口，而后使用优化的电压信号判断转子位置。文献 3 4 1 矛u 用模拟开关改 变滤波器参数以适应不同转速时的相移要求。文献 3 5 1 也提出使用深度滤波和信号 硬件整形方法以解决电压波形畸变。这些方法【2 8 - 3 5 1 都采用硬件实现，具有很大的局 限性。 近年来，永磁同步电机的无位置传感器技术也得到了广泛研究3 6 4 1 1 ，提出了反 4 第一章引言 电势积分、状态观测器、卡尔曼滤波器、神经网络等基于现代控制理论和微处理器 实现的一系列方法，但这些方法在达到一定转速后才具有较好效果，而无抉向器电 机在转速较高时转子位置比较容易判断。文献 4 2 】提出利用脉冲电流注入法确定转 子初始位置，文献【4 3 】提出高频载波信号注入法动态确定转子位置，这些外加信号 方法只适用于由自关断器件构成的功率回路以及低压场合。永磁电机大多用于低压 小容量场合，转动惯量较小，可以采用开环起动，但高压大容量无换向器电机开环 起动比较困难。所以基于永磁电机提出的无位置传感器方法并不适用于无换向器电 机，尤其是高压无换向器电机。 由于电机从零速到额定转速宽范围调节，电机端电压幅值和频率变化非常大， 波形也严重畸变，所以全程式的转子电气位置检测器虽然很受重视，但这一问题始 终没有很好解决。实际运行的无换向器电机一般是在低速时段，使用机械式( 光电 式) 转子位置检测器，高速时段才切换为电气位置检测器【4 4 1 。 1 2 5 无换向器电机的整流桥移相控制 以晶闸管元件构成的三相桥式整流器采用移相控制技术。移相控制的前提是取 得三路线电压的6 个自然换相点，并且需要知道三相电源的相序，然后实施移相。 针对移相控制的要求，已经提出了许多方法【4 5 - 4 9 1 。文献 4 5 1 币1 j 用三相同步变压 器按规定接线组接到整流桥交流侧电源，由集成移相触发器t c 7 8 7 实施移相。文献 【4 6 】去掉了同步变压器，但必须从整流变压器输出的较低电压取同步信号。文献 【4 7 4 8 从整流器交流侧电源经同步变压器取两路同步信号实现相序识别，并用其中 一路由软件定时器或c p l d 进行6 倍频形成6 路同步信号。文献4 9 也是利用一路 同步信号，经锁相倍频电路形成6 路同步信号，并实现电网频率自动跟踪。这些方 法都存在以下问题：同步信号必须取自整流桥交流侧电源，若为高压时，必须配置 高压电压互感器；即使实现了相序自适应，同步信号与主电源的相位关系也不能确 定，仍需借助灯箱、示波器进行人工测试，尤其在高压应用时很不方便。 1 2 6 无换向器电机的控制系统 无换向器电机是一套复杂的机电一体化装置，控制系统是整个装置的神经中 枢，其性能直接决定整套系统的可用性和可靠性。 微处理器技术、微电子技术发展迅速，适用于电机控制的新型芯片，层出不穷。 在微处理器方面，数字信号处理器( d s p ) 无疑是功能和速度最完善的产品，尤其 t i 公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列，是一款专门面向电机控制应用的芯片。微 控制器方面的发展，已经远远超越了8 0 5 l 和8 0 1 9 6 等产品的性能指标，如c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 3 l x 【5 8 1 。国内许多产品仍然使用落后的微处理器和模拟控制技术， 5 华北电力大学博士学位论文 或者使用进口控制系统。例如文献 5 0 】以三片8 0 5 1 分别构成整流、逆变和励磁控制 器，并用模拟电路实现调速系统；文献【3 2 ，5 1 5 2 以8 0 1 9 6 微控制器为核心构成控制 系统；为了简化控制系统的开发，文献 5 3 5 6 f 阍了西门子公司生产的组态化全数 字控制系统s i m a d y nd 在电机调速系统中的应用，该系统以及模拟产品 s i m a d y nc 在国内有不少应用。 人们已经对无换向器电机的控制策略进行了深入研究，在这些研究的基础上 对控制系统进行全新设计，提高其可靠性和抗干扰性能，很有必要。 1 2 7 无换向器电机控制系统开发的工程方法 无换向器电机作为一种典型的嵌入式系统，应该按照嵌入式系统的工程方法进 行开发。总结已经提出的嵌入式系统的开发方法，有实时u m l l 5 9 l 、实时p e t r i 网1 6 0 1 、 有限状态机方法( f s m ) 1 6 1 - 6 3 1 、实时内核6 ”、传统的软件生命周期方法、美国d a r p a 资助的s e c ( s o f t w a r e e n a b l e dc o n t r 0 1 ) 项目 6 5 1 ，并有s t a t e m a t e 6 6 1 、p t o l o m y l i 6 7 ) 等 产品面世。包括无换向器电机在内的控制系统与手机、掌上电脑、太空探测器等系 统相比，无论从软件复杂性、微处理器性能还是功能方面，都属于简单的嵌入式系 统，可称为小型嵌入式系统，而后者可称为复杂嵌入式系统。上述方法，或者本身 不完善，或者由于环节多、使用复杂而只适用于复杂嵌入式系统。实际状况是从事 控制系统开发的从业人员大部分来自非计算机专业，没有软件工程的背景知识，从 事产品开发时随意性很大，仅凭经验进行，给产品的升级和维护带来困难，甚至有 些产品由于人员更替而变得不可维护。所以，有必要设计一套适合于一般工程人员 的小型嵌入式系统的开发方法。 1 3 本文的主要工作 针对无换向器电机存在的问题，本文进行了如下研究工作： ( 1 ) 小型嵌入式系统开发的工程方法 通过分析有关有限状态机的文献【6 。6 ”，设计了改进的有限状态机方法( i m p r o v e d f s m ：i f s m ) ，作为小型嵌入式系统的软件分析工具，并利用n s 盒图作为软件设计 工具。基于i f s m 的分析结果可以很方便的转换为n s 盒图1 6 8 1 ，利用盒图编制软件 可以保证软件的结构化并易于维护。在开发无换向器电机时，利用改进的有限状态 机方法，不但分析设计了全程时域仿真模型，还利用盒图和c 语言，在实际装置中， 实现了主控制器、转子位置检测器、晶闸管阀故障监测等软件。这些子系统功能不 同，但具有相同的软件结构，维护和调试都很方便。 ( 2 ) 无换向器电机全程时域仿真模型 6 第一章引言 首先建立了无换向器电机的传递函数模型，对双闭环调速系统的控制器参数进 行设计。然后以m a t l a b 软件提供的一套电力系统工具箱为基础，建立无换向器电机 主回路模型，并利用m a t l a b 语言编制控制软件，将两者结合，建立了接近于实际系 统的仿真模型，称之为全程时域仿真模型。最后利用此仿真平台，可以研究电机低 速断流运行特性，也用于研究无换向器电机端电压的变化规律，为研究转子电气位 置检测方法提供理论依据。 ( 3 ) 相控整流器相序相位自动识别算法及应用 为了简化高压无换向器电机相控整流器安装调试的繁琐过程，重新对相控技术 进行分析。根据三相变压器的接线组原理，揭示出电网不同等级电压的内在联系； 又对感性负载电压电流的相位关系进行分析，找出根据电流推算电压相位的方法和 依据。得出结论，可以从电网任一低压交流电源，如控制回路的供电电源，作同步 信号源，利用软件方法识别主电路的相序相位。该方法不需要高压电压互感器，降 低了装置成本，并大大简化了相控整流器的调试过程。 ( 4 ) 全程式转子电气位置检测方法的分析与实现 针对以往提出的转子位置检测方法都不能摆脱机械位置传感器，本文利用一系 列特别设计的方法，解决了电机从零速到额定转速的转子位置检测问题。该检测方 法只使用电机的定子三相电压信号，并且与电机极对数无关，还实现了电机全程闭 环控制，在实验电机上获得了良好效果。 ( 5 ) 高压无换向器电机控制系统研制 在前述研究的基础上，吸收微处理器和微电子领域的最新成果，研制了一套高 压无换向器电机控制系统。围绕新型快速芯片的使用，设计了多种抗干扰方案来提 高可靠性，以适应恶劣的工业运行环境。设计的控制系统在两套装置中进行了实验 运行。一是在实验室环境下，以一台1 k v 、4 0 0 k w 、4 对极的同步电动机为控制对 象，拖动一台直流发电机和电阻箱负载；二是在某钢厂的空压机车间以一台6 k v 、 3 0 0 k w 、7 对极的悬臂轴式同步电动机为控制对象，拖动空压机负载。 ( 6 ) 中压晶闸管阀系统研制 设计了一套中压晶闸管阀，应用于前述的6 k v 高压无换向器电机中。该晶闸管 阀的主要技术特点有：采用独立的触发电源，并通过高压电缆将高频电源传送到各 个晶闸管触发电路；利用检测晶闸管反向电压设计晶闸管故障检测电路及阀故障检 测系统；触发信号直接经光纤发送到晶闸管触发电路板，以简化设计并提高响应速 度；冷却系统采用风冷结构。 华北电力大学博士学位论文 2 1引言 第二章直流无换向器电机的工作原理 直流无换向器电机主要由交一直一交电流型晶闸管变流器、同步电动机、转予位 置检测器及控制回路构成，如图2 一l 所示。 型 图2 1 无换向器电机结构图 变流器主电路由整流桥、逆变桥和直流平波电抗器组成。逆变桥的换相时刻由 转子位置决定，逆变桥晶闸管的换流可以由同步电动机的反电动势实现，并通过控 制整流桥的移相触发角进行调速控制。 2 _ 2电枢磁动势 分析逆变桥电路，6 个桥臂的晶闸管有6 种有效导通组合，即t 4 5 、t 5 ，6 、t 6 ，1 、 t l ，2 、t 2 ”t 3 ，4 ，并形成6 种定子合成磁动势，在a b c 坐标系中表示，如图2 - 2 所 示。 f 一a 六蓊 f 2 - 3 + c 图2 - 2 电机定子合成磁动势矢量图 第二章直流无换向器电机的工作原理一 若使每个桥臂导通1 2 0 。时间电角度，每隔6 0 。电角度换相一次，并以桥臂编 号顺序依次导通，则电机电枢绕组的三相电流波形如图2 - 3 所示。图中假定直流平 波电抗器无穷大，电流没有脉动。图中实线表示不考虑逆变桥换流过程的电流波形， 虚线表示考虑换流过程时的电流波形。 fa 0 i b l r 1 1 8 0 。3 0 0 。r 。 6 妒1 2 0 。b2 4 q ! l ? 7 厂 f jf 7 r 。 图2 - 3 电机定子三相电流波形 当c o t = 0 。时，晶闸管t 3 4 导通，对应的电动机a 、b 两相绕组流过电流l ，产 生定子合成磁动势e 。，如图2 - 2 所示。依次每6 0 。电角度换相时，使得定子合成 磁动势在电机内逆时针步进式旋转，前进距离为6 0 。空间电角度。 2 3电磁转矩 假定电机以转速玎逆时针旋转，并在转子励磁绕组通以励磁电流i ，以巧表 示由i 。产生的励磁磁动势。若以a x 相绕组a 端对应转子空间电角度0 = 0 。，电枢 绕组感生的基波相电动势波形如图2 4 a 所示。 输 e ，使短路电 流i ，按图中所示方向流动，使晶闸管t 6 承受反向电压，当f 。逐渐减小到小于晶闸 管维持电流时t 6 关断，换流过程结束，t l 、t 2 导通运行。 华北电力大学博士学位论文 图2 7 反电势换流原理图 若在图2 4 a 的p 点实旌上述换相过程，则在p 点使t 2 导通后，由于郎 口。， 不能使晶闸管t s 承受反向电压，t 6 继续导通，换流失败。所以使用反电势换流时， 应该保持一定的换流超前角，如= 6 0 0 。 换流过程中短路电流流经两个电机相绕组，由于绕组电感作用，需要经历段 时间，通常把要换流的两个晶闸管同时导通经历的时间称为换流重叠角。由于换 流重叠角的影响使图2 3 中的电流波形由方波变为梯形波。 由于电枢反应的影响，同步电动机端电压比电机反电势的相位要超前一个功角 占，而逆变桥承受的电压实际是电机的端电压。空载换流超前角中除了包括功角 占、换流重叠角外，剩余的角度称为换流剩余角占，即占=