王　智，甘朝暉，段宗勝

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北武漢　430081)

0　引言

同步電動機是一種將電能轉化為機械能的設備，因其具有功率因數(shù)高、穩(wěn)定性好、效率高、轉速與負載大小無關的優(yōu)點而廣泛應用于石油、化工、煤炭、冶金、電力、水利、城市供水、供氣等諸多領域中[1]。同步電動機勵磁裝置的發(fā)展主要經(jīng)歷過幾個階段：第一階段為晶體管分立器件勵磁裝置，其產(chǎn)品受溫漂影響較大，會造成實際運行技術指標下降，可靠性降低。第二階段為集成電路勵磁裝置。由于采用的是集成運算放大器等集成電路，降低了產(chǎn)品的溫漂影響，但硬件電路非常復雜，在一定程度上降低了產(chǎn)品的可靠性。第三階段為數(shù)字式微機勵磁裝置[2-3]。數(shù)字式微機勵磁裝置采用的是全數(shù)字邏輯，克服了前兩個階段的不足。目前，國內同步電動機機勵磁裝置的設計多數(shù)是以多個單片機或單片機與PLC的組合控制器作為同步電動機勵磁裝置的主控單元，但隨著用戶對同步電動機勵磁裝置的調控功能提出更高的要求，市面上以單片機、PLC等微控制器為主控單元的主流做法，在實際工作中逐漸暴露出其不夠穩(wěn)定，速度受到制約的缺點。

為了克服以上所述的缺點，文中在對同步電動機勵磁裝置進行詳細分析研究的基礎上，介紹一種全新的同步電動機勵磁裝置設計方案。該方案采用具有可重復編程、高集成度、高速和高可靠性的FPGA芯片作為勵磁裝置的核心控制單元來完成勵磁裝置的所有功能。該方案設計的同步電動機勵磁裝置能實現(xiàn)同步電動機的自動全壓投勵，并且具有開環(huán)和閉環(huán)兩種工作方式來實現(xiàn)同步電動機的恒角、恒流、恒功率控制等功能。該方案實現(xiàn)的整個系統(tǒng)，硬件電路簡單，調試維護方便，系統(tǒng)可靠性較高。經(jīng)實驗驗證該方案可行且效率更高。

1　同步電動機勵磁裝置的工作原理

現(xiàn)在，同步電動機普遍采用他勵式靜止可控硅勵磁裝置來進行控制[1]。其工作方式主要有以下3種：

(1)恒給定開環(huán)(恒α角)運行方式；

(2)恒勵磁電流閉環(huán)運行方式；

(3)恒功率因數(shù)閉環(huán)運行方式。

恒給定開環(huán)運行方式主要用于調試，正常運行時一般不用這種方式。恒勵磁電流閉環(huán)運行方式在同步電動機運行時，自動投勵并控制勵磁電流保持恒定不變。恒功率因數(shù)閉環(huán)運行方式在同步電動機運行時，根據(jù)同步電動機負載和系統(tǒng)參數(shù)的變化及時調整觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角α，調整同步電動機的勵磁電流來保證設定的功率因數(shù)不變。

同步電動機的起動是一個復雜的過程。首先同步電動機在異步運行時，勵磁裝置實時檢測同步電動機轉子的轉速，直至轉速達到亞同步速時(一般為同步電動機轉速的95%)，解除脈沖封鎖，轉子勵磁繞組和直流勵磁電源接通。轉子磁場和定子磁場相互作用使轉子跟著定子旋轉磁場以同步轉速旋轉，即牽入同步。

在同步電動機正常停車時，同步電動機勵磁裝置的三相全控整流橋從整流工作狀態(tài)轉入有源逆變狀態(tài)，使電能回饋電網(wǎng)，并保證同步電動機順利滅磁。

2　同步電動機勵磁裝置硬件設計

FPGA以其獨特的并行工作方式突破了單片機、PLC的串行工作模式，具有速度快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。FPGA電路是真正的可編程硬件電路，不存在CPU程序跑飛的問題，可最大限度減少穩(wěn)定性方面出現(xiàn)問題的可能性。另外，F(xiàn)PGA芯片本身就嵌套了并行加法器、移位乘法器、鎖相環(huán)等宏功能模塊，在做算法處理時，可直接調用相應的IP核，簡單方便，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，而且FPGA集成度高，可以縮小系統(tǒng)的規(guī)模，提高系統(tǒng)的可靠性。

2．1勵磁裝置功率電路

同步電動機勵磁裝置的功率部分由三相全控整流橋及其保護裝置等構成[1]。同步電動機勵磁裝置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?，給同步電動機勵磁繞組供電。三相橋全控整流電路移相角度為0～150°，并接有滅磁回路，除能完成整流任務以外，正常停車或故障跳閘時還能將存儲在電機繞組磁場中的能量經(jīng)全控整流橋迅速反饋回交流電源[4-5]。

2.2勵磁裝置控制電路

同步電動機勵磁裝置的勵磁控制電路如圖1所示。主要包括主控單元及其外圍電路：同步電路、轉差檢測電路、數(shù)據(jù)采集電路、故障指示電路、觸發(fā)電路、實現(xiàn)人機交互的串口通信電路等。

圖1　勵磁電路控制電路

2．2．1同步電路

同步電路由兩部分電路構成，如圖2所示。同步電路的輸入端接三相同步變壓器的輸出端，第一部分電路將變壓后的三相交流電經(jīng)過整流二極管、比較器、光隔轉換成高低電平不對稱的TTL信號輸出給FPGA用來檢測三相交流電在工作過程中是否缺相。第二部分電路將同步變壓器輸出的三相交流電壓經(jīng)分壓、比較器、光隔調理成一個方波信號輸入到FPGA中做為三相電源的同步參考點。

圖2　同步電路

2．2．2轉差檢測電路

轉差檢測電路如圖3所示。同步電動機異步起動時，會在轉子繞組里感應交流電壓，其幅值和頻率隨同步電動機轉速的上升逐漸衰減。該電壓通過限幅、放大、光電隔離將交流電壓轉換成方波信號，其正半周和負半周分別輸入FPGA．通過計算正半周和負半周的時間，即可得到轉子感應的交流電壓的頻率，當檢測到該頻率達到設定值時，勵磁裝置就投勵。

同時，該電壓通過半波整流、放大電路變成一個直流電壓，其幅值與轉子繞組里感應的交流電壓成比例。該電壓與電位器設定的電壓進行比較，其結果通過光隔輸出給FPGA．

同步電動機異步起動時轉子繞組感應的交流電壓在幅值和頻率上隨時間逐漸衰減，直至感應交流電的幅值小于電位器的設定值時，光隔的輸出端會出現(xiàn)由高電平到低電平的變化。頻率檢測與幅值檢測是投勵的兩種方式，在時間上是同時進行的，任意一種方式滿足設定條件，則進行投勵。

圖3　轉差電路

2．2．3數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路結構如圖4所示。其作用是將勵磁電流、電壓、功率因數(shù)的實際值檢測出來。為確保芯片可以安全正常地工作，在模數(shù)轉換器芯片ADS7841的電源處添加了去耦電容，在需要用到的3路采集通道上增加了限幅穩(wěn)壓管。

圖4　數(shù)據(jù)采集電路

2．2．4觸發(fā)電路

觸發(fā)電路如圖5所示。其作用是將FPGA產(chǎn)生的6路脈沖信號通過2個與門芯片74LVC08輸出給放大電路。從勵磁裝置上電開始，位于觸發(fā)電路的電源和地之間的電容開始充電，正常情況下脈沖信號經(jīng)與運算輸出。如果突然斷電，電容中存儲的能量通過續(xù)流二極管反饋給電源，而不致瞬間斷電燒壞器件。

圖5　脈沖觸發(fā)電路

2．2．5故障指示電路

故障指示電路由7個共陽發(fā)光LED構成，主要用于指示故障信號，如缺相、失磁、失步、過流、失壓等故障。

2．2．6串口通信電路

主控單元與上位機通過串口RS232進行通信。上位機是一個觸摸屏MT506。其通信協(xié)議為主從通信協(xié)議。MT506為主機，主控單元為從機。下位機和上位機通信時，下位機要先通過RS232將地址發(fā)送給上位機，上位機收到請求后，允許下位機的數(shù)據(jù)上傳至上位機對應的地址空間里。這個過程即是下位機的“寫”操作。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，上位機檢測“寫” 操作的協(xié)議是否正確，正確則反饋以下數(shù)據(jù)給下位機0x87、0x50、0xb3、0x07、0x00、校驗和、0x33，錯誤則只反饋兩個字節(jié)0x87 和0x05給下位機。如果下位機需要進行“讀”操作，只需對觸摸屏對應的地址單元進行操作即可，如在地址MS_LW 10 上設置0x1100，即將0x1100發(fā)送給下位機的寄存器，該寄存器必須是對應著上位機的地址MS_LW 10。如果上位機檢測到“讀”操作的協(xié)議正確，則MT506發(fā)送如下數(shù)據(jù)給下位機：0x87、0x50、讀取的數(shù)據(jù)、0x00、校驗和、0x33，錯誤則發(fā)送0x87、0x05給下位機。

3　勵磁調節(jié)器軟件設計

軟件代碼與硬件資源相結合，才能使勵磁調節(jié)器具有較高的技術性能。系統(tǒng)軟件設計以從上到下的設計理念，將系統(tǒng)劃分為多個主功能模塊，并在主功能模塊下繼續(xù)劃分多個基本功能模塊。

軟件的主功能模塊如下：

(1)系統(tǒng)的頂層模塊。其作用在于例化所有的主功能模塊，使所有模塊的功能能夠串聯(lián)起來，以滿足設計需要。

(2)恒功率因數(shù)給定值產(chǎn)生模塊。此模塊用于功率因數(shù)的給定。當恒功率因數(shù)功能投入時，按增、減按鍵更改恒定功率因數(shù)的給定值。當恒功率因數(shù)不投入時，此時功率因數(shù)給定值不起作用。

(3)恒功率因數(shù)調節(jié)模塊。該模塊根據(jù)電流有功分量的大小，自動調整勵磁電流的大小改變無功分量的大小，從而維持功率因數(shù)不變。

(4)恒電流給定模塊。此功能模塊用于恒電流參數(shù)的給定。當恒電流功能投入時，按加大電流、減小電流按鍵更改給定值。當該模塊不投入時，此時恒電流給定值不起作用。

(5)恒電流調節(jié)模塊。該模塊使勵磁電流的輸出維持在給定值上，根據(jù)給定值的變化而變化。

(6)恒角給定模塊。該模塊應用于開環(huán)，直接給定α值，即可整定勵磁電流，僅用于調試，正常運行中不使用。

(7)頻率與幅值檢測模塊。此模塊在投勵之前實時檢測由轉差電路輸入至FPGA的方波信號的頻率，及邏輯開關量的變化。一旦轉子轉速達到亞同步時(轉差率為95%)，也即是方波信號頻率為2．5 Hz時，開始投勵?；蛘咴诖似陂g，檢測到邏輯開關量由高電平到低電平的變化，也開始投勵。

(8)強勵模塊。其功能是指頻率檢測和幅值檢測都失敗時，就投強勵。該模塊在收到開車信號后，延時一段時間，這個時間可以在人機交互界面上手動設置(1～20 s)，這里設置15 s，即在15 s之內，頻率檢測和幅值檢測都失敗時，投強勵。另外強勵維持時間和強勵值也可以在上位機上設置。強勵值一般為給定勵磁電流的1.4倍，強勵維持時間(1～5 s)，這里設為3 s．

(9)脈沖產(chǎn)生模塊。其作用是按照觸發(fā)角α值的改變，周期性產(chǎn)生6路脈沖。

(10)AD采集模塊。該模塊采集電流、電壓和功率因數(shù)的實際值，并將采集到的數(shù)據(jù)儲存在FPGA中。

(11)PID控制模塊。該模塊用于閉環(huán)控制，將上位機設置的恒流、恒壓給定值與實際勵磁電流、實際勵磁電壓進行比較運算，然后調用PID調節(jié)算法，將每次運算得到的結果輸出到寄存器中作為觸發(fā)角α值的給定，以控制整流裝置的輸出，最終實現(xiàn)勵磁電流的恒定輸出。

(12)故障檢測模塊。此模塊用來檢測故障信號，如失壓、熔斷、失步、失磁、過流、超時、掉相等信號，并驅動相應的LED燈報警。一旦故障停車，則馬上封鎖脈沖并合上滅磁開關。如果正常停車，將α值推到150°，延時5 s完成整流橋的逆變過程。

(13)通信模塊。該模塊包括RS232和RS485模塊。AD采集的數(shù)據(jù)和PID運算結果等參數(shù)由FPGA通過串口RS232反饋到觸摸屏，并在人機界面上顯示。上位機發(fā)送的恒電流、恒電壓、恒角、P、I、D、PID采樣周期、轉差率、強勵值、強勵時間等參數(shù)也是通過串口RS232發(fā)送給下位機。由

于上位機與下位機距離不足半米，RS232模塊完全可以勝任。RS485模塊則用于現(xiàn)場與控制室之間的通信。

4　實驗結果

文中設計的同步電動機勵磁裝置已經(jīng)完成樣機的測試。其實驗結果如下：

圖6顯示的參數(shù)包括：PID運算調節(jié)過程的曲線圖、實際電流反饋值、PID運算結果的增量和。PID運算調節(jié)的過程由圖中紅線表示，實際電流反饋值(147A)、PID運算結果的增量和(68120)、PID運算的曲線圖和PID運算結果的增量和是相對應的，一個是圖形顯示，一個是數(shù)值顯示。

圖6　PID運行曲線

圖7顯示的是勵磁電流設定值和實際值。由圖6顯示的PID曲線可知，電流實際值的初始狀態(tài)0A，與勵磁電流設定值147A之間存在差值，所以PID運行曲線第一段是陡增的直線，幾乎和橫坐標垂直，表示電流實際值經(jīng)過PID調節(jié)后突然增大，PID結果的增量和也一樣在增加。第二段曲線比較平緩，此時因為PID運算的增量和達到了限幅值，所以PID增量和在最大限幅值處維持短暫的時間，第三段曲線出現(xiàn)了一段下滑的過程，表示之前PID調節(jié)后，電流實際值大于設定值，這時PID運算的增量為負，所以PID的增量和減少，電流實際值也在降低，逐漸逼近勵磁電流設定值，第四段曲線幾乎和橫軸平行，說明電流實際值和勵磁電流設定值相等，之后一直維持此狀態(tài)。從實驗結果可知，文中設計的方案是可行的，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有較高的可靠性和實時性，具有良好的推廣前景。

圖7　勵磁電流的給定值和實際值

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