無刷同步電動機智能全數(shù)字勵磁系統(tǒng)研究

1、武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第I 頁摘 要同步電機由于具有功率因數(shù)高、運行效率高的優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其是近年來水利、冶金、化工等行業(yè)的迅速發(fā)展，使得同步電機的市場需求很大。勵磁系統(tǒng)是同步電機正常工作的核心部件。工業(yè)的發(fā)展要求同步電機的勵磁系統(tǒng)有更好的性能，要求勵磁系統(tǒng)具有限制、報警、監(jiān)控、保護等功能。勵磁系統(tǒng)的發(fā)展方向是數(shù)字化、智能化。其主要體現(xiàn)在勵磁調(diào)節(jié)器和功率單元的數(shù)字化上?；趪鴥?nèi)同步電機的勵磁發(fā)展現(xiàn)狀，本文介紹了一種無刷同步機智能全數(shù)字勵磁系統(tǒng)的設(shè)計。在無刷勵磁同步電動機勵磁系統(tǒng)的智能控制中，將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法引入同步電動機功率因數(shù)控制系統(tǒng)，從而構(gòu)成了模糊神經(jīng)控制

2、器，實現(xiàn)電機啟動階段的控制。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，由PID 調(diào)節(jié)器起作用，實現(xiàn)無差控制，輸出西門子6RA70整流器電流的給定值，以控制勵磁發(fā)電機的勵磁電流。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，充分利用了二者優(yōu)勢互補的特點，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性。傳統(tǒng)PID 的控制，保證了穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的無差控制。將模糊神經(jīng)控制器與傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)器結(jié)合起來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，使系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。關(guān)鍵詞：同步電機；無刷勵磁；PID ；模糊控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；S7-300PLC第II 頁 武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文AbstractBecause of its advantages by high powe

3、r factor and efficiency, synchronous motor to be widely used in industrial areas. Particularly, water conservancy, metallurgy, chemical industry is developing rapidly in recent years , the market demand of synchronous motor is great. The excitation system of Synchronous motor is the core components

4、for its normal work. The development of Industra demand the excitation system a better performance ,and demand it has restrictions, alarm, protection, and other functions. This is reflected in the development of digital, intelligent, and it main reflected in the digital excitation regulator and powe

5、r units.Based on the situation of excitation of synchronous motor in our country, this paper for a brushless synchronous digital excitation system-wide intelligent design. Algoirthms of fuzzy control and neural network have been introduced to the power factor control system of the synchromotor, so a

6、s to form the fuzzy-neural controller to force control during its starting stage in the intelligent control of the brushless excitation system of the synchromotor. When the speed reaches its rated value of the motor, the PID controller will activate to force zero error control to bring the given cur

7、rent value to SIEMENS 6RA70 rectifier,which will control the excitation curent of the generator. The combination of fuzzy control and neural network takes full advantage of the specialty which offsets each other to improve the dynamic and robust performance of the system further.The traditional PID

8、control assures no error control in stable.Key words:Synchronous motor;Brushless excitation;PID;Fuzzy control;Neural network; S7-300PLC武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第III 頁目 錄摘 要 . . I Abstract . II第一章 緒論 . . 11.1 引言 . . 11.2 無刷勵磁同步電動機的工作原理及其發(fā)展情況 . . 11.3 本課題研究的主要目的、需要解決的主要問題以及主要研究內(nèi)容 . . 3第二章 同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)的概述與分析 . . 5

9、2.1 同步電動機的結(jié)構(gòu)及特點 . . 52.2 同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)的概述與分析 . . 62.3 無刷勵磁系統(tǒng)的工作原理及特點 . . 82.4 同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)的分析 . . 8. . 8觸發(fā)的無刷勵磁系統(tǒng) . . 9器觸發(fā)的無刷勵磁系統(tǒng) . . 112.5 本章小節(jié) . . 14第三章 PID 控制概述 . 153.1 模擬PID . 153.2 數(shù)字PID . 17第四章 模糊控制理論 . . 20第IV 頁 武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文4.1 模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及控制原理 . . 204.2 基本模糊控制器的設(shè)計 . . 234.3 模糊控制的優(yōu)缺點及解決措施 . . 2

10、7第五章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論 . . 285.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) . . 285.2 神經(jīng)元模型 . . 295.3 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法 . . 315.4 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn) . . 325.5 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的特點及在控制領(lǐng)域的應(yīng)用 . . 335.6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) . . 345.7 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) . 365.8 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型辨識 . . 385.9 本章小節(jié) . . 39第六章 同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)的設(shè)計 . . 406.1 無刷勵磁系統(tǒng)的設(shè)計 . . 406.2 系統(tǒng)硬件電氣原理圖 . . 456.3 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖 . . 476.4 勵磁系統(tǒng)的PLC 程序設(shè)計 . 47武漢科技大學(xué)

11、 碩士學(xué)位論文 第V 頁6.5 S7300PLC 與6RA70的PROFIBUS-DP 通信 . 506.6 同步電動機的電氣保護 . . 50結(jié)束語 . . 52參考文獻(xiàn) . . 53致謝 . . 55武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第1頁第一章 緒論1.1 引言自從直流電機出現(xiàn)后，電機不斷朝大容量方向發(fā)展，由于直流電機的結(jié)構(gòu)限制（換向器）, 交流電機得到較大的發(fā)展。隨著交流變頻技術(shù)和矢量控制技術(shù)的研究與應(yīng)用，交流電機在運行特性上已可與直流電機相比。但由于大量異步電機的使用，使得交流電網(wǎng)的功率因數(shù)普遍偏低。為改善這一狀況，同步電機逐漸開始得到發(fā)展。同步電動機采用可控硅勵磁，雖然在我國已取得了普遍

12、應(yīng)用，并有了成套、定型的產(chǎn)品，但絕大多數(shù)是有刷勵磁。在化工行業(yè)具有可燃性氣體，為防止產(chǎn)生爆炸的危險，就不能有火花存在，火花是可燃性氣體爆炸的主要因素之一，而滑環(huán)又是產(chǎn)生火花的主要原因。對有刷同步電動機來說，電刷與滑環(huán)需要經(jīng)常維護，檢修。在潮濕，粉塵及有腐蝕性氣體的環(huán)境中工作容易發(fā)生故障，而在化工等要求防爆的場所，采取的防爆措施是將電動機滑環(huán)密封，在密封罩內(nèi)通以正壓空氣，密封罩制作較為困難，為保持正壓，風(fēng)機就不能停轉(zhuǎn)，從而要求可靠的電源，此外還要求有風(fēng)壓的檢測報警手段。而無刷同步電動機取消了集電裝置，即沒有集電環(huán)和電刷的同步電動機，解決了有刷同步電動機存在的滑環(huán)打火問題，省卻了復(fù)雜的防護，無刷同

13、步電動機的勵磁方式是把電接觸變?yōu)榇诺満系膭畲欧绞?。主電機、交流勵磁機裝在同一軸上一起旋轉(zhuǎn)，不會因電網(wǎng)電壓波動而影響主電機的勵磁，從而保證了主電機的可靠運行，交流勵磁機與硅勵磁裝置同時安裝在傳動機軸上，總占地面積可以減少。由于以上原因，在化工、機械冶金、水利等領(lǐng)域，無刷同步電動機得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 無刷勵磁同步電動機的工作原理及其發(fā)展情況起動是同步電動機的特殊問題。同步電動機一般采用異步起動，起動過程中其轉(zhuǎn)子阻尼籠中感應(yīng)電流，產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。到達(dá)亞同步速(一般為同步速的95%左右 后，給轉(zhuǎn)子勵磁繞組加上直流勵磁(稱為投勵 ，電機即牽入同步運行45。同步電動機在起動過程中其勵磁繞組通常串聯(lián)一定

14、數(shù)值的電阻(一般是5至10倍勵磁繞組電阻 短接，以限制勵磁繞組的感應(yīng)過電壓和單軸轉(zhuǎn)矩。投勵后，勵磁繞組串聯(lián)的起動電阻即被切除。投勵裝置的作用就是在起動過程中將勵磁繞組通過電阻短接，在投勵后將電阻切除。對同步電動機無刷勵磁有下述基本技術(shù)要求6：（1）同步電動機啟動時，轉(zhuǎn)子繞組絕緣不能承受開路時產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓，轉(zhuǎn)子回路應(yīng)設(shè)置過電壓消除電路。（滅磁）（2）同步電動機啟動時，過早投勵將產(chǎn)生較大的交變力矩而引起振蕩，乃至不能進(jìn)入同步運轉(zhuǎn)。必須在亞同步轉(zhuǎn)速(0. 95n 0 投入勵磁，電動機方能進(jìn)入同步。（3）電動機進(jìn)入同步后，轉(zhuǎn)子回路接入的滅磁電阻應(yīng)斷開。第2頁 武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文（4）能調(diào)節(jié)

15、勵磁電壓的大小，以改變同步電動機的無功輸出改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。（5）無刷勵磁的各種元件裝于旋轉(zhuǎn)的整流環(huán)內(nèi)，因此元件能承受高速運轉(zhuǎn)。（6）無刷勵磁設(shè)備與同步電動機轉(zhuǎn)子構(gòu)成一個整體，在結(jié)構(gòu)上引出一系列問題，如動平衡、應(yīng)力、扭矩等要進(jìn)一步分析考慮。自上世紀(jì)六十年代以來，由于半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一種無刷勵磁新技術(shù)。因為無刷電機具有獨特的優(yōu)點，用途相當(dāng)廣泛。不少國家都就無刷勵磁進(jìn)行了廣泛的研究，設(shè)計出50MW 甚至1200MW 的大型無刷汽輪發(fā)電機。早在上世紀(jì)七十年代，文獻(xiàn)對無刷勵磁系統(tǒng)作了深入的研究。如文獻(xiàn)威廉森(Williamson設(shè)計了低消耗率高效率的兩極無刷勵磁渦輪式發(fā)電機。據(jù)資料，英國

16、GEC 公司1979年生產(chǎn)的22臺350MW 汽輪發(fā)電機中有20臺采用無刷勵磁。在其它發(fā)達(dá)國家，無刷勵磁技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。如美國的西屋公司在容量包括50MW 到735MW 的汽輪發(fā)電機上就采用了無刷勵磁系統(tǒng)7。目前，國內(nèi)無刷勵磁系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也在向前發(fā)展。廣東大亞彎核電900MW 汽輪發(fā)電機組和四川江油發(fā)電廠330MW 汽輪發(fā)電機均己采用無刷勵磁系統(tǒng)。在這方面，北京重型電機廠更是走在了國內(nèi)同行業(yè)的最前列。北京重型電機廠曾經(jīng)設(shè)計、生產(chǎn)過100MW 發(fā)電機及以下容量發(fā)電機的無刷勵磁機。而該廠于1999年研制成功的200MW 汽輪發(fā)電機的無刷勵磁機在國內(nèi)則屬首創(chuàng)。該機試制成功，標(biāo)志著北京重型電

17、機廠設(shè)計制造水平又上了一個新臺階。國內(nèi)勵磁裝置發(fā)展主要經(jīng)歷了4個過程，見表1.18。表1.1 國內(nèi)勵磁裝置發(fā)展過程 從國內(nèi)外生產(chǎn)廠家在我國現(xiàn)運行的各種勵磁裝置來看，技術(shù)特點還是基本相同的，主要有以下幾點：（1）隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、電力電子器件的進(jìn)步，數(shù)字化技術(shù)不同程度地應(yīng)用于各類勵磁裝置中。數(shù)字化勵磁裝置已經(jīng)成為各類老機組設(shè)備改造和新機組設(shè)備選型的武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第3頁 必然結(jié)果。（2）自動化系統(tǒng)的應(yīng)用，無人值守逐漸成為變電站運行管理的基本模式，變電站設(shè)備運行計算機監(jiān)控系統(tǒng)、變電站經(jīng)濟運行計算機管理系統(tǒng)以及電網(wǎng)穩(wěn)定運行計算機自動化調(diào)度系統(tǒng)都對勵磁裝置提出了新的要求。（3）去

18、掉旋轉(zhuǎn)勵磁機而采用靜止勵磁方式，已經(jīng)成為同步電機勵磁方式的主流。許多相關(guān)技術(shù)如干式勵磁變壓器、非線性電阻、熱管散熱技術(shù)等被大量采用。（4）大型機組因可靠性、控制特性的高標(biāo)準(zhǔn)而要求勵磁裝置的進(jìn)步明顯加快，這一領(lǐng)域基本都是高端產(chǎn)品的天下。該類產(chǎn)品側(cè)重于性能和可靠性，對產(chǎn)品價格不做重點考慮。（5）目前10萬kW 以上機組的成套設(shè)備包括勵磁在內(nèi)，絕大部分是購買外國產(chǎn)品。這一產(chǎn)品的開發(fā)，在國內(nèi)以主機制造廠為主。從勵磁技術(shù)看，國內(nèi)有實力的廠家都能制造，主要是缺乏經(jīng)驗和機會。（6）中小型電站占絕大多數(shù)，從現(xiàn)在的市場情況看，這一領(lǐng)域主要是國產(chǎn)勵磁裝置的天下。老機組改造任務(wù)與新建項目各占一半。這部分產(chǎn)品要求的特

19、點是，具備各項基本功能、運行可靠、調(diào)試容易、價格低廉、維護方便。通過對國內(nèi)外勵磁技術(shù)發(fā)展動態(tài)的觀察和描述，有理由相信在同步電機的運行中采用無刷勵磁技術(shù)是今后該行業(yè)發(fā)展的主要方向。1.3 本課題研究的主要目的、需要解決的主要問題以及主要研究內(nèi)容本課題研究的主要目的，就是將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，充分利用二者優(yōu)勢互補的特點，根據(jù)電磁理論的分析和計算，以國內(nèi)外先進(jìn)電機的勵磁系統(tǒng)為參照，設(shè)計出符合各項相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠性、高精度的魯棒性較好的無刷勵磁同步電動機的勵磁系統(tǒng)。大型電機的無刷化是電機發(fā)展的重要方向之一。無刷勵磁同步電動機最核心、最關(guān)鍵的組成部分，也是最有發(fā)展前途的部分是其無刷勵磁系統(tǒng)?，F(xiàn)

20、階段，我國勵磁系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)還不能滿足電機的安全運行要求。勵磁系統(tǒng)故障相當(dāng)頻繁，占電機故障的一半以上，勵磁系統(tǒng)故障仍是電機故障停機和非計劃停運的主要原因。提高勵磁系統(tǒng)可靠性仍是運行現(xiàn)場的迫切要求，而勵磁調(diào)節(jié)裝置是其重要的組成部分，其可靠性的好壞直接關(guān)系到勵磁控制系統(tǒng)的可靠性。近年來，隨著微電子制造技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計算機和控制理論的長足進(jìn)步，計算機用于自動化控制取得了很好的效果。目前，大多數(shù)同步電動機都采用異步啟動的方法，即先使同步電動機在異步轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動起來，待轉(zhuǎn)速上升到亞同步轉(zhuǎn)速時，再給勵磁繞組通以直流勵磁電流，使轉(zhuǎn)子建立磁場，依靠定子、轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子牽入同步

21、。因此，同步電動機勵磁系統(tǒng)的性能將直接影響到同步電動機啟動、運行的可靠性與穩(wěn)定性。勵磁系統(tǒng)的控制要求如下9：第4頁 武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文（1）對無刷同步電動機的勵磁系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計，在電機啟動過程中，能自動檢測轉(zhuǎn)子滑差，并能實現(xiàn)順極性自動投勵。（2）動態(tài)響應(yīng)好，勵磁電流能夠及時跟隨負(fù)載變化。（3）要有較強的負(fù)載能力，即要求勵磁系統(tǒng)容量足夠大，特別是在承受沖擊性負(fù)荷時電機應(yīng)不失步。（4）具有阻容滅磁、零勵磁保護及失步保護等功能，同時對于電機和勵磁裝置要有完善的電氣保護功能。（5）通過實驗對所計算的結(jié)果給予驗證。文章詳細(xì)介紹了無刷勵磁系統(tǒng)的原理及特殊性、分類、控制方式及其各自的優(yōu)缺點，重點

22、分析了基于S7-300PLC 和PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線技術(shù)，利用先進(jìn)的西門子6RA70整流器實現(xiàn)同步電動機勵磁系統(tǒng)的智能控制。并將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，充分利用二者的優(yōu)勢互補特點，由PID 調(diào)節(jié)器的無差控制作用，輸出西門子6RA70整流器電流的給定值。武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第5頁第二章 同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)的概述與分析2.1 同步電動機的結(jié)構(gòu)及特點同步電機結(jié)構(gòu)如圖2.1所示： 圖2.1 同步電機結(jié)構(gòu)圖如圖所示，同步發(fā)電機和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子由定子鐵心、定子繞組組成。定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的

23、三相對稱交流繞組，圖中為對稱三相繞組AX ，BY ，CZ ；A ，B ，C 為始端，X ，Y ，Z 為末端。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。定子繞組有兩種聯(lián)接電源的方法：星型聯(lián)接和三角形聯(lián)接。星型聯(lián)接時，三個末端在一起，三個始端接三相電源；三角形聯(lián)接時，始末端相連，聯(lián)成閉合的三角形，三個聯(lián)接端接三相電源。定子繞組通以三相交流電后，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子勵磁繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組。轉(zhuǎn)子繞組為兩相，通以直流勵磁電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場(也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場 ，此時，

24、可將轉(zhuǎn)子等效為一塊磁鐵。氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內(nèi)部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。同步電機主要有以下特點：（1）同步電機的功率因數(shù)是可以超前的，這有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。電機運行穩(wěn)定性較高。（2）同步電機的過載能力更強。異步電機的轉(zhuǎn)矩與定子端電壓的平方成正比，而同步電機在勵磁電流一定的情況下，轉(zhuǎn)矩與端電壓的一次方成正比，因此，同步電機在電網(wǎng)波動時轉(zhuǎn)矩變化相比異步電機較小。另外，當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80%或85%時，第6頁 武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 同步電機的勵磁系統(tǒng)一般能通過自動調(diào)節(jié)實行強勵來保證同步電機的穩(wěn)定運行。（3）同步電機的轉(zhuǎn)速不隨負(fù)

25、載變化。只要定子電源頻率一定，同步電機的轉(zhuǎn)速是于定子旋轉(zhuǎn)磁場同步的。負(fù)載的變動只改變同步電機的功率因數(shù)角。功率因數(shù)超過極限時，同步電機就會失步。（4）同步電機的功率因數(shù)高，其運行效率較高。因為同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，使用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，變頻調(diào)速技術(shù)使小型同步電動機開始得到較多地應(yīng)用。 同步電機還可以作為電網(wǎng)的同步補償機，這時電機不帶任何機械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。目前，同步電機主要有以下幾種應(yīng)用形式：（1）常規(guī)的有刷和無刷勵磁型同步電機，如電排站水泵、空氣壓

26、縮機等，這類最為常見。（2）采用變頻技術(shù)的同步電機。這類主要應(yīng)用于大型工礦企業(yè)的大容量機組中，如鋼廠的軋機傳動系統(tǒng)、抽水儲能泵站的發(fā)電、電動機組等。2.2 同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)的概述與分析勵磁系統(tǒng)是用來給同步電機轉(zhuǎn)子勵磁。勵磁系統(tǒng)性能的好壞直接影響到電機及電力系統(tǒng)運行的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。同步電動機的勵磁裝置主要有三個方面的作用，一是完成同步機的異步啟動并牽人同步運行；二是在牽入同步以后勵磁電流的調(diào)節(jié)控制；三是監(jiān)控系統(tǒng)故障，確保同步機安全運行。在異步啟動的過程中，勵磁裝置保證啟動回路具有良好的異步驅(qū)動特性，避免異步啟動過程中所存在的脈振現(xiàn)象，滿足帶載起動及再整步要求。達(dá)到亞同步速時，準(zhǔn)角

27、度投勵，勵磁繞組產(chǎn)生同步力矩，使電機盡早進(jìn)入同步。同步電機在正常運行過程中，不可避免地會受到各種各樣的擾動，就會引起電機失步，造成生產(chǎn)中斷和設(shè)備損壞的嚴(yán)重事故。勵磁裝置能檢測，同步機的失步，識別后判斷是報警還是再整步運行，既保障設(shè)備的安全性，又保持運行連續(xù)性。同樣，勵磁裝置在正常運行過程中，自身也會受到各種干擾，造成可控整流器缺相或失控、滅磁晶閘管誤導(dǎo)通、熔斷器故障、勵磁電流超限等故障。當(dāng)出現(xiàn)上述故障，勵磁裝置識別后報警或跳閘，以保證勵磁裝置的安全運行。同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，主要包括以下幾個部分：武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第7頁機架主電機旋轉(zhuǎn)整流器交流勵磁機 圖2.2

28、同步電動機系統(tǒng)示意圖（1）靜態(tài)勵磁裝置由于電子元件的發(fā)展，現(xiàn)在的無刷勵磁同步電動機采用可控硅靜止勵磁裝置向交流勵磁機定子勵磁繞組提供直流電。（2）交流勵磁機一般采用旋轉(zhuǎn)電樞式同步電動機，其功率、電壓及功率因數(shù)取決于電動機的最大勵磁電流及其相應(yīng)的勵磁電壓（強勵要求）和整流回路的接線方式。而頻率可任意選擇，頻率越高，時間常數(shù)越小，反應(yīng)快速性好。但頻率決定于轉(zhuǎn)速、極數(shù)和電動機使用特性的要求。交流勵磁機的磁場激磁可由外電源供給，但在眾多的大中型無刷同步電動機中為了提高運行的可靠性，不受外電源的影響往往由靜態(tài)勵磁裝置供給。（3）旋轉(zhuǎn)整流器旋轉(zhuǎn)整流器系指由硅整流元件連同散熱器，有時還包括相應(yīng)的整流橋。多數(shù)

29、采用三相全波整流橋。半波整流橋除了輸出脈動分量大以外，并有直流分量通過交流勵磁機電樞而加大了交流勵磁機的容量。兩者各有其特點。旋轉(zhuǎn)整流器是無刷勵磁系統(tǒng)中最重要的部分，必須保證其工作在正常狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)整流器如遇過電壓、過電流及其它非正常情況，雖然能得機組保護裝置的保護（保護動作只有在事故發(fā)生后才能動作），但功率二極管仍可能遭到損壞。如果旋轉(zhuǎn)整流器二極管損壞就應(yīng)立即報警，尤其是一管短路故障危害更為嚴(yán)重，必須立即根除。但是由子取消了滑環(huán)和炭刷，旋轉(zhuǎn)整流器的電壓、電流不可能直接測量，使其監(jiān)視與保護十分困難。（4）滅磁電阻同步電動機起動動時如同感應(yīng)電動機，起動時如果轉(zhuǎn)子開路將在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出極高的電壓，一般

30、可達(dá)幾千伏，因此起動時在激磁繞組上并聯(lián)一滅磁電阻，其阻值一般為5-10倍的激磁繞組電阻。在電動機失步時此電阻起到保護旋轉(zhuǎn)整流器免受過電壓。第8頁 武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文2.3 無刷勵磁系統(tǒng)的工作原理及特點無刷勵磁的原理圖如圖2.3所示10。交流勵磁機為異步發(fā)電機，其定子由靜態(tài)勵磁裝置供電，勵磁機轉(zhuǎn)子繞組與同步電動機轉(zhuǎn)子同軸。為保證同步電動機四象限運行時有足夠的勵磁裕量，可令勵磁機定子電壓的相序始終與同步電動機的相序保持相反。 圖2.3 無刷勵磁系統(tǒng)的原理圖與主軸一起旋轉(zhuǎn)的勵磁機轉(zhuǎn)子繞組發(fā)出三相交流電，該三相交流電經(jīng)整流橋整流后供給同步電動機轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生勵磁電流。調(diào)節(jié)交流發(fā)電機定子的勵磁電

31、流，就可使勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子所發(fā)出的三相交流電壓得到調(diào)整，從而改變同步電動機勵磁繞組的勵磁電流。這種由勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)電，整流器在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行整流供給同步電動機轉(zhuǎn)子勵磁的方式，就不再需要有靜止部分和轉(zhuǎn)動部分之間的相互接觸導(dǎo)電，完全省去了電刷和滑環(huán)的接觸。即為無刷勵磁。無刷勵磁同步電動機與有刷勵磁同步電機相比，具有如下一些優(yōu)點：（1）消除了由電刷與滑環(huán)引起的故障，延長了同步電動機的連續(xù)運轉(zhuǎn)時間，增加了電機的安全性。（2）在系統(tǒng)電壓波動時，比外置可控硅勵磁裝置具有較高的穩(wěn)定性。（3）交流勵磁機安裝在電動機轉(zhuǎn)軸上，總占地面積可以減少。（4）取消外部勵磁設(shè)備，無刷同步電動機同籠型電機一樣，只需簡單的控

32、制。2.4 同步電動機無刷勵磁系統(tǒng)的分析KGLF 勵磁裝置的投勵電路如圖2.4所示11，該裝置的投勵是通過檢測轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的頻率實現(xiàn)的。武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第9頁 圖2.4 勵磁裝置的投勵電路圖三極管18BG1在線路中起開關(guān)作用，其工作狀態(tài)由基極回路的同步電動機轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢極性決定。當(dāng)三極管截止時，18C2經(jīng)18R5充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到單結(jié)晶體管18BG2的峰點電壓，18C2即放電，脈沖變壓器的負(fù)邊就發(fā)出脈沖。當(dāng)三極管飽和時，18C2因被18R4旁路而無法充電，18BG2不會導(dǎo)通，因此無脈沖發(fā)出。啟動開始時，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢頻率較高，三級管T 的開關(guān)速度較高，18C2充電電流一定，當(dāng)充電電

33、壓還沒達(dá)到單結(jié)晶體管18BG2的峰點電壓時，三極管18BG1開通，18C2開始放電。只有當(dāng)同步機加速到亞同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子頻率f 2=2.5Hz時（時間為0.02s ），且當(dāng)G1極性為正、G2極性為負(fù)(順極性 ，18C2才有足夠的充電時間，充電電壓達(dá)到電壓單結(jié)晶體管18BG2的峰點電壓，18C2放電而發(fā)出脈沖?？梢?，該電路投勵時間由18R5, 18C2充電時間常數(shù)決定。18C2充電時間的整定，關(guān)系到投勵插件在同步電動機轉(zhuǎn)速為多少時才發(fā)出投勵信號脈沖。缺點是：此類投勵線路通常采用三極管、電容器和單結(jié)晶體管配合方式實現(xiàn)，由于模擬線路元件受溫度變化和電源波動的影響大，易老化，參數(shù)整定困難，可靠性差，故障

34、率很高。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和半導(dǎo)體電力器件可靠性的提高，以模擬量控制、PID 調(diào)節(jié)器為控制單元，采用分立元件、集成移相、觸發(fā)器觸發(fā)的無刷勵磁系統(tǒng)得到了發(fā)展。該勵磁裝置的投勵電路圖如圖2.5所示12。第10頁 武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 A B C 圖2.5 勵磁裝置投勵電路圖啟動投勵控制器是該勵磁裝置的關(guān)鍵部件，它是實現(xiàn)主電動機自啟動、自動投勵、自動滅磁及快速失步保護的協(xié)調(diào)控制樞紐。由頻率檢測集成電路（U ）及各種電子元器件組成。圖中旋轉(zhuǎn)整流器由硅整流器（D1-D6）、散熱器（盤）、滑差檢測滅磁保護和投勵控制單元（VC7-U ）、滅磁保護和投勵磁控制的無觸點開關(guān)、滅磁電阻R7、R8等組成。

35、硅整流器采用三相全橋整流電路，并用旋轉(zhuǎn)大功率晶閘管VC7作同步無觸點開關(guān)。VC7把旋轉(zhuǎn)整流器與勵磁繞組隔開，控制旋轉(zhuǎn)整流器與勵磁繞組之間的阻斷或?qū)ǎ⒂苫顧z測投勵控制單元自動控制晶閘管VC7的投勵時刻，達(dá)到最佳相位自動投勵?；顧z測的滅磁保護和投勵單元具有異步起動的滅磁保護和最佳相位自動投勵控制功能，同時在運行過程中，同步電動機產(chǎn)生失步狀態(tài)時，具有失步再整步的功能. 無刷勵磁同步電動機在異步起動瞬間，轉(zhuǎn)子勵磁繞組所感應(yīng)的滑差頻率為50Hz 。由于勵磁主回路所串聯(lián)的旋轉(zhuǎn)大功率管VC7把旋轉(zhuǎn)整流器與勵磁繞組隔斷，勵磁繞組處于開路狀態(tài)。其感應(yīng)電壓可達(dá)數(shù)千伏，將超過整流元件正向轉(zhuǎn)折電壓，造成元件正

36、向穿通或反向擊穿而使勵磁繞組絕緣破壞。因此，在起動時必須在勵磁繞組兩端并聯(lián)滅磁保護電阻R7、R8，其值約為勵磁繞組電阻的10倍。同時在滅磁保護電阻R7、R8的并聯(lián)電路再串聯(lián)一旋轉(zhuǎn)大功率管VC8（負(fù)極性）和晶閘管VC9、VC10（正極性）作異步無觸點開關(guān)。組成滅磁保護主控制電路。滅磁保護單元在異步起動瞬間，勵磁繞組兩端X1、X2所感應(yīng)的電壓，當(dāng)正半波電流時，X1為負(fù)，X2為正，硅二極管VC8導(dǎo)通并接通滅磁電阻R7、R8，在負(fù)半波電流時，X1為正，X2為負(fù)，VC8阻斷。同時，晶閘管VC9、VC10承受正向電壓被觸發(fā)導(dǎo)通（因為滅磁保護單元的穩(wěn)壓二極管觸發(fā)電路中的穩(wěn)壓管V1、V4上的電壓超過穩(wěn)定電壓，

37、穩(wěn)壓管立即反向擊穿而導(dǎo)通產(chǎn)生脈沖觸發(fā)電流觸發(fā)晶閘管VC9、 VC10）。穩(wěn)壓二極管V3、V6是為了防止晶體管VC9、VC10的控制極產(chǎn)生過電壓的保護。隨著異步加速，勵磁繞組感應(yīng)的滑差頻率逐漸降低，當(dāng)滑差頻率為額定頻率的10%時，武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第11頁勵磁主回路的滅磁保護單元的晶閘管VC9、VC10由于感應(yīng)的交變電壓過零為負(fù)半波電流時，而自動關(guān)斷，VC9、VC10雖承受正向電壓，但仍處于阻斷狀態(tài)。勵磁系統(tǒng)由滅磁保護階段進(jìn)入最佳投勵階段。當(dāng)滑差頻率減小到S=0.05 時，將于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流由負(fù)變正過零后，由檢測滑差電流相角的電流過零檢測單元產(chǎn)生一個出發(fā)脈沖，觸發(fā)導(dǎo)通主回路投勵開關(guān)(晶閘

38、管 ，對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵磁，使同步電動機順極性牽入同步運行。缺點是:此類電路仍然依賴于晶閘管、二極管等模擬元件，其壽命和可靠性取決于產(chǎn)品的設(shè)計、材料以及制造工藝，工作性能不是很理想，電路故障率為一般。隨著微機技術(shù)水平的不斷提高和工程自動化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，WKLF-41微機無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)應(yīng)運而生，它適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的技術(shù)要求，操作簡單，維護方便，工作可靠，運行平穩(wěn)，在新建和改造工程中日益得到廣泛應(yīng)用。WKLF 41微機無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)的投勵電路如圖2.4所示13。該裝置由主回路和控制回路組成。主回路包括三相半控橋式整流電路和起動回路。起動回路由起動可控硅、二極管及起動電阻組成?？刂苹芈?/p>

39、由主控模塊和電源模塊組成，電機起動后，電源模塊為主控模塊提供穩(wěn)定的工作電源。主控模塊由單片機軟件編程完成。 C B 電機轉(zhuǎn)子圖2.6 勵磁裝置的投勵電路1 旋轉(zhuǎn)勵磁工作原理WKLF-41旋轉(zhuǎn)勵磁系統(tǒng)主回路包括三相半控橋式整流電路和起動回路。整流電路由三只ZL 型旋轉(zhuǎn)整流功率模塊組成，它有三種工作狀況：在電機起動及再整步異步驅(qū)動時為截止工況，在投勵后轉(zhuǎn)為整流工況，相當(dāng)于三相橋式整流電路，在起動回路誤開通時短時工作于失控工況以關(guān)斷起動回路。三種工況在ZK41旋轉(zhuǎn)主控制模塊的控制下自動切換。起動回路由一只QD 型旋轉(zhuǎn)功率模塊和八只QM 型旋轉(zhuǎn)起動滅磁電阻組成，受控于ZK41第12頁 武漢科技大學(xué) 碩

40、士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)主控制模塊，在電機起動和再整步異步驅(qū)動過程中，QD 模塊的可控硅導(dǎo)通閥值為低定值，便于QM 起動電阻完全接入電動機轉(zhuǎn)子回路，在電機正常運行中，QD 模塊的可控硅導(dǎo)通閥值被設(shè)定為高定值，使QM 電阻退出回路而避免長時間帶電發(fā)熱，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路出現(xiàn)過電壓且峰值超過QD 模塊可控硅的高定值時，起動回路將重新接入電機轉(zhuǎn)子回路，通過QM 電阻器吸收過電壓。在起動回路出現(xiàn)誤開通時，ZK41模塊的檢測環(huán)節(jié)動作，通過控制邏輯使整流電路工作于失控工況，利用其續(xù)流時刻將起動可控硅關(guān)斷?？刂苹芈酚蒢K41旋轉(zhuǎn)主控制模塊、DY12S 旋轉(zhuǎn)電源模塊組成。ZK41模塊控制三相半控橋式整流電路的工作狀況。同時設(shè)

41、有滑差投勵和零壓計時投勵檢測環(huán)節(jié)。在電機起動和再整步過程中把握最恰當(dāng)時機投勵。DY12S 模塊為ZK41模塊提供穩(wěn)定的工作電源。2 控制原理為了提高同步電機及機組的動態(tài)穩(wěn)定性，減少電機由于電網(wǎng)或負(fù)載等突然波動而導(dǎo)致電機失步的機率，確保工藝生產(chǎn)的連續(xù)性與穩(wěn)定性，在WKLF-41型靜態(tài)勵磁裝置如圖2.7中13，引入了勵磁電流負(fù)反饋與定子功率因數(shù)負(fù)反饋相結(jié)合的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。從而使整機的性能指標(biāo)大大提高，具體表現(xiàn)在：（1）供給勵磁系統(tǒng)的低壓380V 電源發(fā)生波動時勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）能迅速作出反應(yīng)，使勵磁電流基本保持恒定。（2）同步電機定子供電電源和負(fù)載發(fā)生波動時，勵磁調(diào)節(jié)器的外環(huán)（功率因數(shù)環(huán)）

42、迅速作出反應(yīng)，自動加大或減小勵磁電流，在一定的范圍內(nèi)（電機不長時間超額運行）保持同步電機功率因數(shù)的恒定。 圖2.7 靜態(tài)勵磁原理圖在裝置的主機箱面板上，設(shè)有開/閉環(huán)控制鈕，當(dāng)旋轉(zhuǎn)鈕置于開環(huán)位置時，外環(huán)退出運行，勵磁調(diào)節(jié)器為恒勵磁電流調(diào)節(jié)，當(dāng)旋鈕置于閉環(huán)位置時，功率因數(shù)環(huán)和電流環(huán)同時投入，只是在某些故障狀態(tài)時（如PT 回路斷線）功率因數(shù)閉環(huán)自動退出運行。在開、閉環(huán)狀態(tài)下，控制方法不同?？刂茍D如圖2.8、2.9所示：武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 第13頁 圖2.8 開環(huán)運行示意圖 圖2.9 功率因數(shù)閉環(huán)運行示意圖以上均為全數(shù)字式閉環(huán)調(diào)節(jié)，并引入了比例積分（PI ）和比例積分微分（PID ）調(diào)節(jié)器，使

43、系統(tǒng)在保持良好的穩(wěn)定性的同時，具有較好的動態(tài)性能。PI 、PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)除可理論計算外，還可通過勵磁裝置的輔件加長一讀寫控制器進(jìn)行在線修改，調(diào)試十分簡便。為了實現(xiàn)雙閉環(huán)勵磁調(diào)節(jié)，需要可控硅整流主回路，觸發(fā)脈沖形成及放大電路，單片機及其外圍電路，信號測取電路等硬件的支撐，同時還需要合理配置保護類軟件、測量運算類軟件、控制類軟件等軟件程序。本裝置主要特點表現(xiàn)在:1、具有勵磁電流負(fù)反饋與定子功率因數(shù)負(fù)反饋相結(jié)合的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，使勵磁電流及同步電動機功率因數(shù)基本保持恒定，其工作均用微機軟件完成。2、裝置起動無脈振、投勵無沖擊，能迅速準(zhǔn)確捕捉到滑差，準(zhǔn)確投勵。 3、設(shè)有零壓計時投勵，作為后備投勵

44、。4、整機智能化微機控制，具有測量保護及事故預(yù)告及音響等多種報警信號，中文界面操作、顯示，操作維護方便。5、本裝置具有兩套微機控制系統(tǒng)，一套工作，一套熱備用，具有高可靠性。 6、該裝置以數(shù)字電路為基礎(chǔ)，勵磁調(diào)節(jié)和控制采用微機處理器，消除了模擬電位器調(diào)整的煩瑣和由于溫度變化帶來的勵磁漂移。大部分功能軟件化，減少了硬件品種和數(shù)量。7、結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計。功能的增減可方便地通過修改軟件而實現(xiàn)。8、勵磁電流由霍爾元件、定子電壓電流分別由小PT 、小CT 隔離，輸入輸出開關(guān)量均通過繼電器、光藕隔離，提高了裝置的抗干擾能力。9、裝置工作電源采用交直流同時供電，兩套獨立電源，任意單套電源故障都不會導(dǎo)致跳閘停機。

45、10、智能化的故障檢測、定位及顯示. 裝置對電源故障、硬件故障及軟件故障具有自動第14頁 武漢科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文 檢測功能，軟件故障可自行恢復(fù)。故障信息顯示在主機箱面板上，并可通過讀寫器讀出如同步信號、PT 、CT 、A/O、CPU 、RAM 、ROM 等詳細(xì)故障信息。故障插件可在線更換。該裝置的無刷勵磁系統(tǒng)是在20世紀(jì)90年代后，以單片機為代表的全數(shù)字化技術(shù)逐漸成為主流的背景下產(chǎn)生的設(shè)計方案，其故障率較低。近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，許多高端用戶開始對設(shè)備的通信能力提出了很多新的技術(shù)要求。如大型企業(yè)的企業(yè)資源計劃(ERP管理需要對勵磁裝置進(jìn)行實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)動態(tài)采集和為提高控制可靠性而要求的冗余設(shè)計等，都需要通信技術(shù)的支持。因此，基于PLC ，結(jié)合現(xiàn)代控制理論的無刷勵磁系統(tǒng)的智能化控制便應(yīng)運而生，得到了非常廣泛的應(yīng)用，給國民經(jīng)濟的發(fā)展帶來了巨大的利潤。這一典型設(shè)計方案將在后面的章節(jié)給予詳細(xì)的介紹與分析。 2.5 本章小節(jié)無刷勵磁系統(tǒng)誕生以來，有許多設(shè)計方案，本章僅根據(jù)其投勵電路所采取的控制和 觸發(fā)方式進(jìn)行了分類說明，對各