基于dsPIC6014A的同步電動機勵磁裝置

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，可以改變同步電機的運行性。同步電動機勵磁裝置的發(fā)展遠遠落后于同步發(fā)電機，本文主要對同步電動機勵磁裝置進行研究和設(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)試維護方便，系統(tǒng)性能較高。

1 同步電動機微機勵磁系統(tǒng)的原理

同步電動機微機勵磁裝置采用他勵式靜止可控硅勵磁方式。運行方式有三種:一是恒功率因數(shù)閉環(huán)運行方式，二是恒勵磁電流閉環(huán)運行方式，三是恒給定開環(huán)(恒ɑ角)運行方式。恒功率因數(shù)運行方式(方式Ⅰ)在同步電動機運行時，根據(jù)負荷及系統(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;恒勵磁電流運行方式(方式Ⅱ)是同步電動機運行時，自動維持設(shè)定的勵磁電流不變，該運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。正常運行時一般不采用這種方式。

同步電動機起動過程可分為兩個階段。首先將同步電動機定子繞組與電源接通，此時同步電動機由于產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩而起動，轉(zhuǎn)速一般約可達到同步轉(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)同步電動機的容量、負載性質(zhì)和電網(wǎng)等情況的不同，同步電動機由異步起動至轉(zhuǎn)速達到亞同步轉(zhuǎn)速的過程中，可采用直接全電壓起動或降壓起動［1］。

在電動機正常停機時，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)，能夠保證電機的順利滅磁。

同步電動機微機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

同步電動機微機勵磁裝置原理如圖1所示。勵磁功率部分主要由三相全控整流橋及其保護裝置、起動電阻回路等組成。同步電動機勵磁系統(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?，以供給電動機勵磁繞組。電動機勵磁系統(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，在電機起動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢為負半周時，通過續(xù)流二極管將會短接放電電阻，使單軸效應(yīng)顯著，減少同步電動機的起動轉(zhuǎn)矩;三相全控橋則不存在這個問題，同步電動機在起動過程中，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，正常停機或故障跳閘時還可將存儲在電機繞組磁場中的能量經(jīng)全控橋迅速反饋回交流電源，即進行將直流變換為交流的逆變滅磁［2］。

圖1 同步電動機微機勵磁裝置原理圖

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。測量電動機的轉(zhuǎn)差，在電機起動時判斷投全壓及投勵時刻，正常運行時監(jiān)視電機的失步。(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機端電壓頻率和轉(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勵功能改變。當(dāng)定子電壓低于80%時，自動產(chǎn)生強勵給定值，強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，投勵后自動運行于方式Ⅱ。

4 結(jié)語

本文介紹的微機勵磁裝置硬件結(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)同步電動機勵磁調(diào)節(jié)器的微機化，與模擬式調(diào)節(jié)器相比，大大簡化了硬件，同時同步電動機勵磁系統(tǒng)的智能控制，實現(xiàn)了電機起動過程中轉(zhuǎn)子滑差自動檢測、自動投勵、準確的阻容滅磁、零勵磁保護、失步保護等功能，具有運行穩(wěn)定、可靠，控制精確，自動化程度高，現(xiàn)場使用、維護方便等優(yōu)點。

［1］楊嗣彭.同步電機運行方式的分析［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)字同步電動機勵磁裝置［J］.冶金動力，2007(4):13-17.