（电力电子与电力传动专业论文）同步电动机功率因数调节的模糊控制.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 器件对系统进行设计实现。 关键词同步电动机功率因数模糊控制励磁电流调节c p l d f p g a 鲁棒 性抗下扰性单片机 燮兰竺主芏堡堕查 垒! ! 塑! ! p o w e rf a c t o r a d j u s t m e n tw i t hf u z z yc o n t r o l i ns y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h eg r e a ts y n c h r o n o u sm o t o r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n p o w e r d r i v e rs y s t e m ss u c ha sa i rp r e s sm a c h i n e ，f a m l e r , b a l lg r i n dm a c h i n e ，c r u s h e ra n de t c a l o n gw i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sp a r t s ，m i c r o p r o c e s s ，a s i ca n d c o n t r o lt h e o r y t h es y n c h r o n o u sm o t o r m a y w o r k sa tf o r w a r ds t a t et h r o u g h a u g m e n t i n g e x c i t i n gc u r r e n to fr o t o r t h i sm e t h o dc a ns u f f i c i e n t l yi m p r o v et h ec o m p e n s a t i n go f r e a c t i v ep o w e ro ft h es y n c h r o n o u sm o t o ra n d c o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e rf o rp o w e r s u p p l ys y s t e m ，s oi tc a ne n h a n c et h ep o w e rf a c t o ro fe l e c t r i c i t ym e s h w o r k i no r d e rt o e n s u r et h e s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y n c h r o n o u sm o t o r , i tm u s th a sar e l i a b l e e x c i t i n gs y s t e m h o w e v e r , t h ee x c i t i n gs y s t e mo ft h es y n c h r o n o u sm o t o ri ss t i l l i n f l u e n c e db yu n c e r t a i n t i e s ，w h i c hu s u a l l yf e a t u r e sp a r a m e t e rv a r i a t i o n s ，e x t e r n a ll o a d d i s t u r b a n c e sa n dn o n l i n e a rd y n a m i c s t oa c h i e v eh i 曲p e r f o r m a n c ee x c i t i n g s y s t e m ， w h i c hh a s g r e a ta b i l i t y o fa d a p t i o na n db e t t e r p e r f o r m a n c ea g a i n s td i s t u r b a n c e s ， a d v a n c ec o n t r o ls c h e m e sh a v et ob e d e v e l o p e d t od e a lw i t ht h e s eu n c e r t a i n t i e s u n d e rt h ec o n d i t i o no f t h e s t a b i l i t yo f o p e r a t i o no fs y n c h r o n o u sm o t o r , p o w e rf a c t o r c a l lb ec h a n g e db yt h r o u g hc h a n g i n ge x c i t i n gc u r r e n t f o c u s i n go nt h ei m p o r t a n c eo f p o w e rf a c t o ra d j u s t m e n to ft h es y n c h r o n o u sm o t o r , ah y b r i dc o n t r o lm e t h o do nt h e p r i m a r yc o n t r o l l e ra n ds e c o n d a r yc u r r e n tg o v e r n o ri sp u tf o r w a r d w i t h i nt h ec o n t r o l s y s t e m ，c u r r e n ta d j u s t e r i st h ei n n e rr a c e p o w e rf a c t o ra d j u s t m e n tn e e d sc h a n g i n g e x c i t i n gc u r r e n t ，e x c i t i n gc u r r e n ta d j u s t m e n tc a nk e e ps t a b i l i z a t i o na n ds p e e d i n e s so f t h e c u r r e n t t h eo u t e rr a c ei s p o w e rf a c t o rf e e d b a c kl o o pa n di ta d o p t sf u z z y - ic o m p l e x c o n t r o l l e ri no r d e rt os o l v et h e n o n l i n e a r i t y , p a r a m e t e r t i m e - v a r i a t i o n a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l c o m p l e x i t y o ft h e s y n c h r o n o u sm o t o r s t h e s i m u l a t i o na n d a n a l y s i sr e s u l t ss h o w t h ea d v a n t a g ea n de f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o di nt h ep o w e rf a c t o r a d j u s t m e n t 1 v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t f i r s t ，t h em a t h - m o d e lw a si n t r o d u c e di nb r i e f s e c o n d ，u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e s t a b i l i t yo fo p e r a t i o no fs y n c h r o n o u sm o t o r , t h et h e o r y t h a tp o w e rf a c t o rc a nb ec h a n g e d b yt h r o u g hc h a n g i n ge x c i t i n g c u r r e n tw a sb u i l t t h i r d ，t h et r i g g e ro ft h 蜘s t o rw a s r e a l i z e dw i t hc p l d f p g a w h e nt h ep a r a m e t e r so fm o t o ra n dl o a dt o r q u ec h a n g e ，t h e p e r f o r m a n c e o fe x c i t i n g s y s t e mw i l lg e tw o r s e ，s of u z z y - i c o n t r o l l e rw a su s e dt o o v e r c o m et h e s ed i s a d v a n t a g e s t h e n ，t h es i m u l a t i o nw a sd o n e t ot h e s y s t e m ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h es u p e r i o r i t yo ft h ef u z z y - ic o n t r o l l e r , w ea n a l y z e dt h e p e r f o r m a n c e w h e n s y s t e mp a r a m e t e r sc h a n g e d a tl a s t ，t h es y s t e m w a sr e a l i z e db yu s i n g s i n g l ec h i p ，c p l d f p g a a n de l e c t r o n i c sp a r t s k e y w o r d ss y n c h r o n o u sm o t o r , p o w e rf a c t o r , f u z z yc o n t r o l ，e x c i t i n g c u r r e n ta d j u s t m e n t ， c p l d f p g a ，r o b u s t n e s s ，a n t i - j a m m i n g ，s i n g l ec h i p v 声明 本久声麓所基交鲶学位论文是在导爝豁指学下完成的。沧文中所 墩得鞠磷究成暴除捆璇标注矧致滋熬地方努，不包含其穗人已缝发表 箴撰写过瓣磺究藏巢，氇不包耩本入为获替其键学位谲链溪逶的材料。 与我一丽王作盼同志对本研究徼潞任何贡献均已在论文中作了臻确盼 说明并裘示谢意。 本大獭：素毒叶 爨絮：溯参、t77 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 ( 1 ) 随着现 f ( , _ s 1 2 q k 技术的发展，特别是自动化的电机拖动，已经成了现代工 、j p 生产电7 自动化的基础! j 核心。从总体j ：说交流电气传动有同步电动, i 蕊线摧漆为模糊控露4 器，谰节同步电动枫的功率因数。黑单片枫实趱，并 对奄鼹豹器量避行捡测、袋榉并显示； ( 4 ) 藏磁感滚竣定( 挺么谧) 撂为聚磁电流戆埝是； ( 5 ) 数字檄发器及滚浚捡灏及麴一乏环繁梅戏瓣擞电滚调节嚣，巍秘步魄勖稼 功率露数淤节中窭琏融磁蘸瀛谰萤躲快速羧与穗宠魏； ( 6 ) 三耱群式全控麓滚泡游蔻零系统兹主魄薅，遴避6 个磊阚管翁蕊律懿帮逶 霸截史，实璐大功率交流藏刭巍溅电瓣转换； ( 7 ) 同步电韵械及蕊不闲的受载为被擦对浆，实璇不同要求的工业控审 岑文磷粼的两容燕要稳赫： ( 1 ) 奔绥了丽步瞧勘嚣i 灼数学横型，这蹩仿宾的理论基础； ( 2 ) 基予潮步意动搬黪耱魄滚灏节黪功率鞭数瀵节琢瑗； 3 ) 在麟磁瞧溅演苓中袋磷f p g a c p l d 实溪数字触鬟电漆戆设诗； ( 毒) 应塌磷糨掩涮耀论，设计模潮。l 菱会拣裁算淀； ( 5 ) 蓥予数学簇鏊，溪m a f l a b 襞传爱s i m u t i n k 工其对系绞迸 子铸粪； 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 6 ) 比较模糊一i 算法和常规p i 算法对系统的控制效果，并分析其性能优劣； ( 7 ) 分析系统在受到外界干扰时和电机参数在运行中变化时系统的鲁棒性； ( 8 ) 在前面章节论述的基础上进行系统的电路设计。 1 3 本章小结 本章首先介绍了一些工业概况和论文研究的背景；其次在此背景下，针对工 业中同步电动机功率因数可调的优点和功率因数调节的重要性，给出了本文研究 内容的原理框图，并对各部分的内容与作用作了简单说明；最后总结本文要进行 的各项工作。这样使我们对系统有个整体概况。 东北大学硕士学位论文 第二章同步电动机的数学模型 第二章同步电动机的数学模型 在同步电动机的暂态运行中，其运行参数( 电压、电流、磁链、转矩和转速 等) 的微分方程有多种表达式。在同步旋转参考坐标系d 、q , o 坐标系中的一组方 程式被称为同步电动机的基本方程式。它表明了在d 、q o 坐标系中，任意瞬间同 步电动机的电压、电流、磁链、转矩和转速等运行参数之间的相互关系。同步电 动机的动态特性可以通过分析和求解这组微分方程而得到。稳态是暂态过程的一 个特殊情况，同步电动机的稳态方程可以由其暂态方程直接求得，同步电动机的 各种稳态特性也能从其暂态特性的特例分析中得到。 2 1a 、b 、c 系统的磁链和电压方程式 同步电动机由定子和转子两大部分组成，定子和转子处在相对运动之中。定 子上由爿、b 、c 三个绕组，转子纵轴方向由励磁绕组厂和纵轴阻尼绕组d ，横轴上 有横轴阻尼绕组q 。这六个绕组之间有电磁耦合关系。如果其中一个绕组的电流 发生变化，那么它在其它绕组中就可能有相应的电流出现。由于定子和转子之间 有相对运动故暂态过程中的这种电磁耦合关系变得十分复杂，从而使得同步电 动机的暂态特性的分析和计算变得复杂和困难。 为了简化分析，通常认为被研究的同步电动机能够满足以下条件： ( 1 ) 磁饱和、磁滞和涡流的影响可以略去不计，磁路是线性的因而可以用 叠加原理进行分析； ( 2 ) 定子绕组电流在电机空隙中只产生正弦分布的磁势忽略磁场的高次谐 波： ( 3 ) 定子三相是对称的，即它们是三个完全相同的绕组，各个绕组的轴线在 空间互差1 2 0 。： ( 4 ) 电机定子的空载电势是正弦波，即转子绕组与定子绕组之间的互感系数 是转子位置角的正弦( 或余弦) 函数； ( 5 ) 实际电机的多导条阻尼绕组可以简化为两个独立的等效阻尼绕组，分别 在纵轴d 和横轴叮上各自短路； 同步电动机中共有六个绕组回路，即定子绕组_ 、b 、c ，励磁绕组，纵轴 东北大学硕士学位论文 第二章同步电动机的数学模型 和横轴阻尼绕组d 、q 。设定子三相绕组a 、b 、c 分别接在相电压为“。、“。、“， 的电源上，励磁绕组接在直流电源u f 上，阻尼绕组d 、q 短路，如图2 ，1 所示。 厂 图2 1 同步电动机定子和转子回路图2 2 同步电动机d - q 轴线 f i g 2 1 t h es t a t o ra n dr o t o rl o o po fs m f i g 2 2 t h e d - q a x e so fs m 根据选定电压和电流的f 方向和同步电动机的物理模型，可对定子绕组 4 、b 、c ，和励磁绕组厂，纵轴和阻尼绕组d 、q ，可写出以下六个电压平衡方 程式。 掣+ r f ：“。 以 “ 华+ r f 。：“。 d t 攀棚。：“。 出 。 孥w ，飞 d t iji 掣+ ：o d t 。 _ d u f o + ，口乜：o 折 oo ( 2 1 ) 式中， r 、个协勺分别是定子绕组、励磁绕组、转子纵轴利横轴阻尼绕组的电 阻。矿。、。、虮、y r 吵d 、分别是各绕组的磁链，这些磁链 l 六个电流 d 毗n叭伯蛳幻 东北大学硕士学位论文 第二章同步电动机的数学模型 i 。、i 矿i f 、i r 、i d 、i o 共同产生的，这些磁链和电流的关系与所选定的磁链和电流 的正方向有关。 以各绕组轴线的正方向作为各磁链的正方向，并定义各绕组的f 方向电流产 生的f 向磁链，选定了上述磁链和电流的正方向后，可以写出以下六个磁链方程 式： 毕 c v | ( 2 2 1 式中，l 。、c c 、工，、矿l 口分别是各绕组的自感系数。令m 。= m ，是x ，y 两个绕组的互感系数，x ，y 可分别代表a 、b 、c 、 d 、q 各绕组。 2 2d 、q 、0 系统的磁链和电压方程式 根据同步理想同步电动机的模型和定义的d 、q 正方向，我们有 变换阵 同理 c 一居 c o s 0一s i n 护 c o s ( o 一1 2 0 。) 一s i n ( 0 1 2 0 0 ) c o s ( 8 + 1 2 0 。) 一s i n ( 口+ 1 2 0 。) c o s 0一s i n 目 c o s ( o 一1 2 0 。) 一s i n ( 0 1 2 0 。) c o s ( 0 + 1 2 0 。) 一s i n ( 0 十1 2 0 。) 1 压 1 压 l 压 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 凹距， o 帆o o d d d d k o咖砌肋所一砌o k k 匕 l h h h 上压上应上压 后 = 1j 0 b l c 东北大学项士学位论支 虬卜。 i = c k1 jk j 由于c 为单元变换矩阵，c = c 7 ，故 第二章同步电动机的数学模型 = c 陷 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 利用自感和互感之间的关系，以及帆、矿、g o 的关系，可得 i a 、f 驴f 。与、f 。之间的变换关系： = 屉a c o s 0 + i n c o s ( 0 - 1 2 0 。) + c 。s ( 臼+ 1 2 。) 】 i q = - - 。孳as i n 口+ s i i i ( 0 - 1 2 0 。) + i c s i n ( 曰+ 1 2 。) 】 也可求得、为 = d 虬 式中，l d 、三。、l 。分别被称为直轴同步电感、交轴同步电感和零序电感- 用、f 。表示的三个转予绕组的磁链方程为： ( 2 7 ) ( 2 8 ) 。l c = 1ll_j 日 c ” 打 l r c i | l_le-_l_l_e_l d g 0 ” ” 村 l 日 c l=一 r c j i 、j 0， l o 屈矾 + m -p一2胁蛾 雌 如 卉 “ 0 z + 出 协舢船 东北大学硕士学位论文 第二章同步电动机的数学模型 把( 2 3 ) 及( 25 ) 得： = 1 孳( i dc o s o - i q sin+万1coso-iq s i n 0 f 0 )2 1 万b ) ”伽a c o s o - l l q s i n 0 + 知，”一2 了a+ 忑j ”胁c o s 蚍s i n 口+ 击， ( 29 ) 把以上各式代入( 2 1 ) 的定子爿相电压平衡方程式：旦! + 峨= h a ，得到以下 d f ( 皇一百d o 堋。帆) c o s o + ( 一百d l t q 一面d o 也心) s i n 臼+ 了1 2 ( d 讲q o 一+ r i o + u o ) = 。 u铲d=巍pqd-嚣”tq鬟po州+ri：a c z 1 0 ) 口= p 一p 臼+ r f 口 ( 2 ”o = p 弘，0 + 丌oj 式中p = 导，三个转子绕组，、d 、q 的电压平衡方程式不作变换，仍然式( 2 1 “i ( 2 1 1 ) 这样经过d 、g 、o 变换以后，电压磁链方程可得到很大的简化。在物理上，这种变 换相当于用d 、q 方向上的两个等效绕组代替原来定子a 、b 、c 三个绕组。 2 3 同步电动机的转矩方程式 同步电动机的电磁转矩公式为： 乙= 等l 删 ( 2 1 2 ) 式中，眠= 圭j 7 少一i 1 ( i 。n + 妒a + l c 少c + 。i f + i d i v o + i a - ) 把彳、b 、c 系统变换到d 、q 系统时可得： 砂廿协 翥一 町o o 东北走学硕士学位论文第二章同步电动机的数学模型 t = 扣刍q + f ，吩+ i d 缈d + i q ) 利用 仁j 蛋c 。s p “c 删_ 1 2 0 0 ) + i c c o s ( 8 + 1 2 。) 】 f 。= 一i as i n 0 + i bs i n ( o - 1 2 0 。) + i cs i n ( 0 + 1 2 0 。) 得到： z = n p ( 妒一i 。一f 一) ( 21 3 ) 同步电动机的转矩平衡方程式为： t = 丢警+ 罢警+ 五 c z 4 ， 2 4 同步电动机的状态方程 2 4 1 同步电动机在转速恒定时的状态方程 随着计算机技术的发展，用状态方程分析同步电机暂态特性的方法得到普遍 应用。 根据所选定的状态变量的不同，随着同步电动机在d 、q 系统中的基本方程可 以改写成不同形式的状态方程。当转速恒定时，状态变量通常选定为电流 ，2 【i 口f ，i df 口】1 把磁链方程代入五个电压方程，并令p o = 珊，则得到： u ：x j + ( r + 珊g ) ， ( 2 1 5 ) 式中 u = 虬 叶 0 o b ，g ，= l0 b j 口 x 甜0 x 硼 0 0 o o o 吻 砀o 杨o o 号 0 o 劫o k = x 查! ! 苎兰壁主兰壁垒查 苎三主旦兰垫塑垫塑垫兰堡型 r = r0 000 0r 000 00 r ，0 0 000 r d 0 0 00 0 ，o 写成标准的状态方程，则有： 式中 g = 0 0 一。q0 一x 。4 x d0 。“x d d 0 00000 00000 00000 i = 4 1 + b u a = 一x 。1 ( r + 国g ) l b = x 。1 i f 2 1 6 ) ( 21 7 ) 给定电机参数和转速后，可根据以上方程分析研究同步电动机在恒速时的特性。 2 4 2 同步电动机在转速变化时的状态方程 如果考虑摩擦阻力矩也归并到负载阻力转矩t 中，并注意到粤：m a t 选 为状态变量，选 得到如下状态方程 即： j = 吃i q r i dt d t g = “口”，00 五r + g = c i + d i 1 0 ( 2 1 9 ) 0，白国 ” 吖；叫“-_q g 一 o o o 珞锄 一 一 d ：叮oo瞄o弛 d ；曾 oo o 砺 ，o o o 确 一 一 ，嘶o o o 协 o o o o o z o k o o 电o o 轴o o o 砀o o o o o o 妁。勤k o o 吁0 o 毛 东北大学硕士学位论丈 第二章同步电动机的数学模型 式中c 写成标准形式 吒d 00 0 目0 d 00 0 0 0均0 0 0 一 d = 0 o o 一0 i = a i q - w g 00 一o x q k d 嚷d 0 0 0 0 0 00 r e x o qx 矗q 一1 膏d ( 2 2 0 ) 式中 爿：i c - 一i bc d 亿z ， = 。i 可见同步电动机速度变化时的状态方程是一组非线性微分方程。因此很难对这种 暂念方程之间求解。在实际电动机的暂态问题的分析中，可以利用线性化的方法 简化为线性方程，从而简化分析和减少计算。 2 5 本章小结 本章讲述了a 、b 、c 系统的磁链和电压方程、d 、q , 0 系统的磁链和电压方 程式、同步电动机的转矩方程式、同步电动机的状态方程，这些方程是同步电动 机暂态问题的基本方程。 利用这些基本方程中电压、电流、磁链等物理量之间的关系和仿真语言 m a t l a b 可以建立同步电动机简化的数学模型，利用同步电动机的数学模型可以 对其动态系统进行分析研究，也为我们利用m a t l a b 中s i m u l i n k 的同步电动机模 型，进行同步电动机功率因数调节的模糊控制的仿真提供基本理论基础和数学模 型依掘。 o o o o 0 o o o o o 东北夫学硕士学位论文第三章同步电动机功率因数调节原理 第三章同步电动机功率因数调节原理 3 1 从同步电动机的矢量图分析原理 同步电动机的主要特点是：定子( 即电枢) 为三相交流绕组，转子( 即励磁) 为直流励磁( 或永久磁铁) 。为突出主要问题，我们做如下假定： ( 1 ) 假没是隐极电机，或忽略凸极的磁阻变化。 ( 2 ) 假设没有阻尼绕组，或者说忽略阻尼绕组的效应。 ( 3 ) 忽略定子绕组电阻和漏磁电抗的影响。 这样两极同步电动机的物理模型如图3 1 所示。图中定子三相绕组轴线一、b 、 c 是静止的，三相电压“。、“。、“。和三相电流i 。、b 、i 。都是平衡的。转子以同 步转速甜旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压u ，的供电下流过励磁电流，沿磁 极的轴线为d 轴，d 轴正交的为g 轴，d q 轴坐标在空问以同步转速旋转。 汰 r ” 、 硎 。澎 ”卜面h i 一 幽3 1 - 二极同步电动机的物理模型 图3 2 同步电动机近似的空间矢量图与时间相量图 f i g 3 1 t h ep h y s i c a l m o d e l o f s mf i g 3 2 t h es p a c ev e c t o r a n d t i m e m e t e o f s m 图3 2 ( a ) 为同步电动机磁势与磁通的空间矢量图，其中沿d 轴的和( o f 是 转子励磁磁势和磁通，只是定子三相合成磁势，它也是一个同步旋转的矢量，凶 而在定的负载和励磁条件下只平u _ 的相对位置是确定的。只和f ，的合成磁势 东北大学硕士学位论文第三章同步电动机功率因数调节原理 为，合成磁通是中。因为电网电压u 和电网频率厂一定时，b 和西。是一个恒 定值。只和问的夹角是臼。，又从图3 2f b ) 定子一相绕组的屯流电压与磁链的 时删相量图可知u ，与f ；相量间的夹角就是同步电动机的功率因数角妒，f f 和之 间的夹角是口，也就是同步电动机的功角( 即矩角) 口当电网电压u 和电网频率厂 一定时，为保持合成磁通不变，f 。必须保持不变，即式( 3 1 ) 成立 ；+ ，；+ 2 i ，i ，s i n ( 9 0 。一妒+ 8 ) = ( 3 1 ) 在电动机稳定运行的前提f ，依据平行四边形法则口，得： ( 1 ) 在一定的负载下，当励磁电流，+ 定时，功角目和功率因数角c o 都保持不变； ( 2 ) 当负载增加时，若励磁电流，不变，功角必增大，而要保持合成磁通恒定，功 率因数角妒必须变4 、以至于滞后：( 3 ) 当负载增加时，若要功率因数角妒不变，必须 增大励磁电流，：( 4 ) 若负载和功角目不变，改变励磁电流，可改变功率因数角妒。 3 2 从同步电动机的圆图分析原理 下面还是以隐极同步电动机为例，从同步电动机的圆图即同步电动机的电流 轨迹，来分析同步电动机功率因数调节原理。 同步电动机在稳定运行下，由定子回路可得如下电势平衡方程式 u t = 一eo + | i l x t + i l r t 3 2 ) 式中，u 为定予绕组电压；e 。为励磁磁场在定子绕组中产生的励磁电势；i ，为定 子电流；x ，为同步电抗：r l 为定子绕组直流电阻。 若忽略定子绕组电阻，则式( 3 2 ) 变换为 仁叫+ ，等乩嘶 3 ) 式( 3 3 ) 中，l a 为与定子电压己，。成比例的电流分量，。滞后u - 9 0 。；i 为与励磁电 流，成比例的定子电流的励磁电流分量，超前一e 。9 0 。，和，之间的相位关 系如图3 3 所示。，。与，之间的央角即u t 与一e 。之间的夹角，就是同步电动机的 功角臼。，与u ，之f 日j 的央角妒为i 司步电动机定子功率因数角。 苎兰生墅兰竺兰! 兰塑 笙三主堕生皇塑垫苎垩旦墼塑羔堡里 从图3 3 矢u ：当电网电压定时，说明，。的幅值定，当励磁电流定时， 的幅值定。当同步电动机的负载变化时，定子电流的相量轨迹时以a 点为圆，山， 1 ，为半径的圆弧。显然，在励磁电流不变的情况下，随负载的增加，功角臼将增 加。同样在负载变化时要保持功率因数角p 或功角口不变，必须要调节励磁电流， 的大小。 图3 3同步电动机的电流轨迹 f i g 3 3 t h ec u r r e n tt r a c ko fs m 同步电动机转矩t 与励磁电流， 系为 m 图3 4 同步电动机的转矩与功角的特性 f i g 3 4t h et o r q u ea n dp o w e ra n g l eo fs m ( 即励磁电势日) 定子电压u ，和功角汐的关 _ 器s i n 0 + m 罢c 去一扣删 a ， 式中，0 9 。为同步电动机转子机械角速度r a d s ；工。为凸极同步电动机直轴同步电 抗；为凸极同步电动机交轴同步电抗；m 定子绕组相数。 由式( 3 4 ) 绘出的转矩r 与功角臼特性如图3 4 所示。由图可知，当p 接近 9 0 。时，电磁转矩z 为最大，同步电动机处于稳定运行的临界状态，一旦负载转矩 大于电磁转矩t ，曰就会大于9 0 。，同步电动机就会失步，这是人们所不希望 的。 要保证同步电动机不失步且稳定的运行要采取以下措施： 1 ) 限制最小超前的励磁电流，。在励磁电流为i 。下，同步电动机所产 ，卜的电磁转矩应火于牛产机械可能出现的最大负载转矩，并有足够的裕量，以保 东北犬学硕士学位论文 第三章同步电动机功率因数调节原理 电动机的稳定运行，对励磁进行控制时，应根据负载来确定其最小励磁电流的限 制。 2 ) 限制超前的c o s ，当负载增加时，若能自动地增加励磁电流，使同步电动 机的功率因数c o s 伊始终处于超前状态，且始终小于设定的c o s c p 值，就可以限制功 角目的增加，从而可以保证同步电动机的稳定运行。这就是恒功率因数控制的思 想。 基于以上同步电动机功率因数调节原理和恒功率因数控制的思想，在同步电 动机功率因数调节的系统中，原理框图设计如第一章中的图1 1 所示。 3 3 本章小结 本章从同步电动机的矢量图和同步电动机的圆图两个方面分析了同步电动机 的功率因数调节原理，总之在电网电压和负载一定的前提下，要对功率因数进行 有效的调节，就必须对励磁电流进行准确而可靠的控制。 东北大学硕士学位论文 第四章励磁电流调节器的设计 第四章励磁电流调节器的设计 4 1 引言 为实现对同步电动机功率因数的有效调节，就必须要求对励磁电流进行准确 而可靠的控制，所以设计一套性能优良的励磁系统至关重要。同步电动机的励磁 装置随着科学技术的发展也不断改进，从最初的直流机励磁到现在的晶闸管静止 励磁装置也越来越先进，如三相半控桥整流励磁系统、三相全控桥整流励磁系统 等等。本文设计的系统的主电路为三相桥式全控整流电路，控制回路是晶闸管的 脉冲触发电路及外围电路。针对模拟触发电路脉冲不对称且调试不易等特点本 文设计了数字触发电路，并采用f p g a c p l d 实现全部电路实现芯片化，减小电路 体积，提高触发脉冲质量及系统稳定性。 4 2p l d 简介 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路( 微处理器、存贮器以及标准逻辑 电路等1 广泛应用的社会。随着半导体技术和e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技 术的发展，传统的系统设计方法有了飞越性的进步。它由早期的电子管、晶体管、 小规模集成电路( 几十一几百门) 、中规模集成电路o v i s i c ，几百一几千门) 、大规模 集成电路( l s i c ，几千一几万门) 发展到超大规模集成电路( v l s i c ，几万门以上) 以 及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制 造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己 设计专用集成电路( a s i c ) ； 6 g 片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能的短，最好是在 实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了 现场可编程逻辑器件( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 和 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存 贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p 踟三种。由于结构的限制，他们只能 完成简单的数字逻辑功能，其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片既可 编程逻辑器件( p u ) ) ，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的p u i 由一个“与”门和 一个t 或”门阵列组成而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述t 东北犬学硕士学位论文 第四章励磁电流调节嚣的设计 一一一_-_h_-_-_-_一 所以，p l d 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。p a l 由 一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触 发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝 技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术等。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编 程逻辑阵列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面 的连接关系是可编程的。p l a 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在p l a 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑( g a l ，g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，它采用e e p r o m 工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它 的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。 这些早期的p l d 器件的一个共同特点就是可以实现速度特性较好的逻辑功能， 但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，8 0 年代中期，a j t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似于p a l 结构的扩展型e p l d ( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 年l l 与标准门阵列类似的f e g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这 两种器件兼容了p l d 和通用阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。 与门阵列等其它a s i c ( a 口p l i c a t i o ns p e c i f i c i c ) 相比，它们又具有设计开发周期短、 设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线 检验等优点，因此被广泛应用与产品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用 f p g a 和c p l d 器件。 f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p i d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器 件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等 相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。 尽管f p g a ，c p l d 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来，它 们是由三大部分组成的； ( 1 ) 逻辑单元：二维的逻辑块阵列构成了p l d 器件的基本逻辑； ( 2 ) i o 单元：基本的输入输出块： 东北大学硕士学位论文第四章励磁电流调节器的设计 ( 3 ) 互联：用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出模块之间的连线资源。 f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还 具有以下几个优点：随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不 断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模电越来 越大，其单片逻辑门数己达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也 可以实现系统集成。用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情 况下用不同软件就可实现不同的功能。f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和 仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内 就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。 4 3f p g a ，c p l d 的结构与工作原理 4 3 1 基于乘积项( p r o d u c t - t e r m ) 的p l d 结构 这种p l d 司- 分为三块结构：宏单元( m a r o e e l l ) ，可编程连线( p l a ) 幂n i o 控制块 宏单元是p l d 的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。m 4 1 中方框部分是多个 宏单元的集合。可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。i o 控制块负责输 入输出的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，三态输出等。 图4 1 基于乘积项( p r o d u c t t e r m ) 的p l d 结构 f i 9 41 t h ep l ds t r u c t u r eb a s e so np r o d u c t t e r m 查苎苎生翌型兰墅! 坚 苎里主丝壁垫堕塑堇墨塑堡苎 如图4 l 左上的i n p u t g c l k l ，i n p u t g c l r n ，1 n p u t o e l ，i n p u t 0 e 2 是全局 时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专用连线与p l d 中每个宏单元相连，信 号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。 宏单元具体结构如图4 2 ： 替础嚣：篇： 图4 2 宏单元具体结构 f i g 4 2 t h ec o n c r e t es 仃u c 嘶o f m a e r o e e l l 图4 2 中左侧是乘积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可 编程熔丝，如果导通就是实现“与”逻辑。后面的乘积项选择矩阵是一个“或” 阵列。两者一起完成组合逻辑。图右侧是一个可编程d 触发器，它的时钟，清零 输入都可以编程选择，可以使用专用的全局清零和全局时钟，也可以使用内部逻 辑( 乘积项阵列) 产生的时钟和清零。如果不需要触发器，也可以将此触发器旁 路，信号直接输给p i a 或输出到i o 脚。 4 3 2 乘积项结构p l d 的逻辑实现原理 下面我们以一个简单的电路为例具体说明p l d 是如何利用以上结构实现逻辑 的，电路如图4 3 ： 6 r 2 a 日 c d c l “ 图4 3 乘积项结构 f i g 43 t h ep r o d u c t t e r ms t r u c t u r e 1 9 东北大学硕士学位论文 第四章励磁电流调节器的设计 假设组合逻辑的输出( a n d 3 的输出) 为f ，则f = ( a + b ) 4 c + ( ! d ) = ( a + c + ! d ) + ( b + c + ! d ) ( 我们以 d 表示d 的“非”) p l d 将以下面的方式来实现组合逻辑础口图4 4 ： bcd 图44 逻辑组合 f i g 4 4 t h el o g i cc o m b i n a t i o n 气b ，c ，d 由p l d 芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列( p l a ) ，在内部会 产生气a 反，b ，b 反，c ，c 反，d ，d 反8 个输出。图4 4 中每