楊彥杰， 盧淑明， 馬承先

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電工廠，天津 300130;2.河北工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院，天津 300130)

0 引言

同步電動機(jī)廣泛應(yīng)用于石油、化工、煤炭、冶金、電力、水利、城市供水、供汽等諸多領(lǐng)域中。一方面它為工業(yè)企業(yè)提供源源不斷的動力;另一方面它向電網(wǎng)發(fā)送無功功率，改善電網(wǎng)質(zhì)量。對同步電動機(jī)的控制，通過調(diào)節(jié)其勵磁裝置來完成。勵磁系統(tǒng)是同步電機(jī)的重要組成部分，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，可以改變同步電機(jī)的運(yùn)行性。同步電動機(jī)勵磁裝置的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于同步發(fā)電機(jī)，本文主要對同步電動機(jī)勵磁裝置進(jìn)行研究和設(shè)計。本勵磁調(diào)節(jié)器采用美國Microchip公司的16位數(shù)字信號控制器芯片(dsPIC30F6014a)作為控制單元，其基本功能就可以滿足硬件設(shè)計的要求，控制程序可以實時計算，利用內(nèi)部的捕捉單元可以很容易實現(xiàn)自動投勵、全壓投切電路。同時，通過控制晶閘管移相整流模塊的控制端電壓來控制整流模塊的輸出，使得整個系統(tǒng)硬件電路簡單，調(diào)試維護(hù)方便，系統(tǒng)性能較高。

1 同步電動機(jī)微機(jī)勵磁系統(tǒng)的原理

同步電動機(jī)微機(jī)勵磁裝置采用他勵式靜止可控硅勵磁方式。運(yùn)行方式有三種:一是恒功率因數(shù)閉環(huán)運(yùn)行方式，二是恒勵磁電流閉環(huán)運(yùn)行方式，三是恒給定開環(huán)(恒ɑ角)運(yùn)行方式。恒功率因數(shù)運(yùn)行方式(方式Ⅰ)在同步電動機(jī)運(yùn)行時，根據(jù)負(fù)荷及系統(tǒng)參數(shù)改變及時調(diào)整觸發(fā)脈沖的角度a，進(jìn)而調(diào)整可控硅整流橋輸出的勵磁電流來保證設(shè)定的功率因數(shù)不變;恒勵磁電流運(yùn)行方式(方式Ⅱ)是同步電動機(jī)運(yùn)行時，自動維持設(shè)定的勵磁電流不變，該運(yùn)行方式對由勵磁繞組和整流系統(tǒng)構(gòu)成的小環(huán)是閉環(huán)的;恒給定開環(huán)方式(方式Ⅲ)是一種供調(diào)試和備用的調(diào)節(jié)方式。正常運(yùn)行時一般不采用這種方式。

同步電動機(jī)起動過程可分為兩個階段。首先將同步電動機(jī)定子繞組與電源接通，此時同步電動機(jī)由于產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩而起動，轉(zhuǎn)速一般約可達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的95%的亞同步速。然后，將轉(zhuǎn)子勵磁繞組和直流勵磁電源接通(即投勵)。轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場相互作用而使轉(zhuǎn)子跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，即所謂牽入同步。根據(jù)同步電動機(jī)的容量、負(fù)載性質(zhì)和電網(wǎng)等情況的不同，同步電動機(jī)由異步起動至轉(zhuǎn)速達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速的過程中，可采用直接全電壓起動或降壓起動［1］。

在電動機(jī)正常停機(jī)時，全控整流橋從整流工作狀態(tài)立即轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，能夠保證電機(jī)的順利滅磁。

同步電動機(jī)微機(jī)勵磁裝置的硬件主要由勵磁功率部分和勵磁控制部分等組成。

2 勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)構(gòu)成

同步電動機(jī)微機(jī)勵磁裝置原理如圖1所示。勵磁功率部分主要由三相全控整流橋及其保護(hù)裝置、起動電阻回路等組成。同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)的主回路是勵磁系統(tǒng)的功率輸出部分，其主要作用是將交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，以供給電動機(jī)勵磁繞組。電動機(jī)勵磁系統(tǒng)功率輸出部分可由三相橋式不可控、半控或全控整流電路組成。由于三相半控橋和三相不可控整流電路需要續(xù)流二極管并聯(lián)在轉(zhuǎn)子繞組上，在電機(jī)起動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢為負(fù)半周時，通過續(xù)流二極管將會短接放電電阻，使單軸效應(yīng)顯著，減少同步電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩;三相全控橋則不存在這個問題，同步電動機(jī)在起動過程中，勵磁繞組感應(yīng)的交變電流的2個半周都將通過放電電阻，故電動機(jī)在起動過程中有足夠的起動轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩，完全保持同步電動機(jī)的固有特性，另外靈敏度、靜差和動態(tài)特性也較好。三相橋式全控整流電路移相角度為15°～150°，并接有滅磁環(huán)節(jié)，對于接在電動機(jī)勵磁回路中的三相全控橋式整流電路，除完成交、直流轉(zhuǎn)換任務(wù)外，正常停機(jī)或故障跳閘時還可將存儲在電機(jī)繞組磁場中的能量經(jīng)全控橋迅速反饋回交流電源，即進(jìn)行將直流變換為交流的逆變滅磁［2］。

圖1 同步電動機(jī)微機(jī)勵磁裝置原理圖

整流電路的阻容吸收電路為三相五線式阻容吸收電路，吸收效果明顯，能有效抑制操作過電壓和換相過電壓，可靠保護(hù)晶閘管。

起動電阻回路主要由晶閘管、二極管、起動電阻及晶閘管觸發(fā)電路組成，也稱之為跨接器。在電機(jī)的起動及失步再整步過程中，晶閘管由專用單元產(chǎn)生觸發(fā)脈沖導(dǎo)通，當(dāng)滿足投勵條件后阻塞觸發(fā)脈沖，晶閘管截止，起動電阻切除，起動完成。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路有過電壓產(chǎn)生時，晶閘管由過電壓觸發(fā)電路打通，有效保護(hù)轉(zhuǎn)子免受損害。

勵磁控制部分主要包括主控單元及其外圍附加電路，模擬量適配單元、模擬量輸入單元、有功/無功變換器、脈沖放大單元、跨接器觸發(fā)脈沖單元、轉(zhuǎn)差測量單元，實現(xiàn)人機(jī)接口所必需的開關(guān)量輸入輸出單元和液晶顯示鍵盤輸入單元［3］。為適應(yīng)現(xiàn)代管理的需要，本裝置新增加了串行通信功能，可以很方便地實現(xiàn)與上級控制系統(tǒng)信息傳遞。為了使微機(jī)勵磁裝置具有更高的可靠性，勵磁控制部分設(shè)計了兩個完全相同的通道，互為備用，并且可以進(jìn)行平穩(wěn)切換。勵磁裝置系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 勵磁裝置的系統(tǒng)原理圖

勵磁調(diào)節(jié)器硬件通道各部分主要功能如下:(1)模擬量處理。包括模擬量適配單元、模擬量輸入單元、有功/無功變換器。它們的作用是將勵磁電流、有功/無功、定子電壓等信號變換為滿足主控單元要求的輸入信號。勵磁電流量則采用以霍爾效應(yīng)為基礎(chǔ)的LEM電流變換器，采樣快速，精度高。量測信號經(jīng)二階有源濾波電路后輸出至主控單元的A/D輸入端，供微控制器采樣處理。定子電壓經(jīng)整流濾波后輸出至主控單元的A/D采樣回路。模擬量處理單元還包括同步電壓的濾波及變換電路。由同步變壓器來的三相同步信號首先經(jīng)過采樣保持電路去除由晶閘管換相缺口造成的同步信號干擾，然后經(jīng)過RC濾波電路濾波，最后經(jīng)過變換電路變?yōu)榉讲ㄐ盘?，輸出至主控單元?2)開關(guān)量輸入輸出。開關(guān)量輸入經(jīng)過兩級光電耦合輸入至主控單元，由主控單元產(chǎn)生的開關(guān)量信號經(jīng)光電耦合和繼電器隔離后輸出。(3)脈沖放大及檢測。實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的放大及丟失脈沖報警的功能。(4)滑差測量單元。測量電動機(jī)的轉(zhuǎn)差，在電機(jī)起動時判斷投全壓及投勵時刻，正常運(yùn)行時監(jiān)視電機(jī)的失步。(5)跨接器觸發(fā)脈沖單元。在起動和滅磁時發(fā)出觸發(fā)脈沖，使跨接器導(dǎo)通。(6)主控單元。主要完成模擬量信號的采集、開關(guān)量狀態(tài)的輸入、實現(xiàn)控制規(guī)律的算法，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖及各種保護(hù)和監(jiān)控。采用Microchip Technology(美國微芯科技公司)推出的80引腳16位高性能數(shù)字信號控制器dsPIC6014A進(jìn)行控制。它包含 I/O 端口，Timer1、Timer2/3、Timer4/5模塊，SPI模塊，I2C模塊，CAN模塊，輸入捕捉模塊，輸出比較模塊，帶有通用異步收發(fā)器(UART)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口(DCI)模塊，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊。

3 勵磁調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計

軟件程序與硬件資源相結(jié)合，使裝置具有較高的技術(shù)性能。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，整個程序由主循環(huán)、顯示、模數(shù)轉(zhuǎn)換和鍵盤輸入、后臺程序組、中斷服務(wù)程序組和各個子程序等組成［4］。在主程序中調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換、顯示和鍵盤輸入等程序。當(dāng)外部中斷時，程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。后臺程序組的級別最低，主要進(jìn)行參數(shù)的顯示和修改。中斷服務(wù)程序組分為定時中斷、高速輸入輸出中斷和串行輸入輸出中斷。

定時中斷程序組按模塊的執(zhí)行間隔級別不同分為三組，即5 ms程序組、20 ms程序組、100 ms程序組。在5 ms組內(nèi)包括門控單元，PI調(diào)節(jié)器，恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，A/D采樣和濾波。這些程序模塊每5 ms執(zhí)行一次，即觸發(fā)脈沖的計算和調(diào)節(jié)等每5 ms完成一次。20 ms程序組主要包括開關(guān)量輸入輸出，投勵邏輯，給定值產(chǎn)生等模塊。100 ms程序組主要包括通道切換邏輯，增減磁邏輯等功能模塊。高速輸入輸出中斷用于測量同步電動機(jī)機(jī)端電壓頻率和轉(zhuǎn)子的滑差信號。串行輸入輸出中斷完成與上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的信號傳輸?shù)取?/p>

軟件的主要功能模塊如下:(1)恒功率因數(shù)給定值產(chǎn)生模塊。此功能模塊主要決定功率因數(shù)的給定值。當(dāng)恒功率因數(shù)功能投入時，增減磁按鈕可改變給定值的大小。當(dāng)恒功率因數(shù)功能不投入時，此給定值自動跟蹤系統(tǒng)的工況以便實現(xiàn)無干擾切換。給定值的變化速度可以調(diào)節(jié)。(2)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)單元。本單元根據(jù)電流有功分量的大小，自動調(diào)節(jié)勵磁電流的大小來改變無功分量的大小，從而維持功率因數(shù)不變。(3)恒電流給定值產(chǎn)生。此單元決定勵磁輸出電流的大小。當(dāng)運(yùn)行于方式Ⅰ時，增減磁開關(guān)按鈕控制此給定值的大小;當(dāng)運(yùn)行于方式Ⅱ時，恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)的差值決定了此給定值的大小。給定值的變化速度可調(diào)。(4)恒ɑ角方式給定值產(chǎn)生。當(dāng)運(yùn)行于方式Ⅲ時，增減磁按鈕可改變此給定值的大小，方式Ⅲ一般僅用于調(diào)試。(5)給定值綜合。在本單元內(nèi)給定值的大小可由低電壓強(qiáng)勵功能改變。當(dāng)定子電壓低于80%時，自動產(chǎn)生強(qiáng)勵給定值，強(qiáng)勵給定值維持一定時間后降至額定值。當(dāng)電壓升高后，給定值退回原位。(6)PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)給定值和實測值的差值產(chǎn)生控制信號給門控單元。PI調(diào)節(jié)器的直流增益，比例增益和積分時間常數(shù)可在線修改。(7)門控單元，根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的控制信號或恒ɑ角方式給定值來產(chǎn)生定時器值。定時器由同步信號觸發(fā)，定時器定時到產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。雙脈沖的產(chǎn)生在可編程器件內(nèi)完成。觸發(fā)角的精度為20 000碼/180。(8)測頻單元，主要用于測量電源的頻率，以便門控單元精確控制脈沖觸發(fā)角。(9)串行通信單元，主要處理與上位機(jī)有關(guān)的信號傳輸?shù)取?10)監(jiān)視單元，用于監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)情況產(chǎn)生必要的報警信號。(11)投勵邏輯單元，根據(jù)合閘、復(fù)位、投勵等邏輯信號控制運(yùn)行方式和逆變滅磁。在復(fù)位期間使ɑ角處于逆變角，投勵后自動運(yùn)行于方式Ⅱ。

4 結(jié)語

本文介紹的微機(jī)勵磁裝置硬件結(jié)構(gòu)上采用雙通道，滿足對可靠性要求較高的用戶需求。實現(xiàn)同步電動機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的微機(jī)化，與模擬式調(diào)節(jié)器相比，大大簡化了硬件，同時同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)的智能控制，實現(xiàn)了電機(jī)起動過程中轉(zhuǎn)子滑差自動檢測、自動投勵、準(zhǔn)確的阻容滅磁、零勵磁保護(hù)、失步保護(hù)等功能，具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，控制精確，自動化程度高，現(xiàn)場使用、維護(hù)方便等優(yōu)點。

［1］楊嗣彭.同步電機(jī)運(yùn)行方式的分析［M］.成都:成都科技大學(xué)出版社，1989.

［2］劉忠源.同步可控硅勵磁系統(tǒng)［M］.鄭州:華北水利水電學(xué)院，1992.

［3］馬利鴻.同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.中國有色冶金，2005(5):77-80.

［4］張志軍，楊惠文.一種新型的全數(shù)字同步電動機(jī)勵磁裝置［J］.冶金動力，2007(4):13-17.