同步電動機勵磁控制系統(tǒng)的研究與設計

馬磊 黨嬌

摘要：本文針對同步電動機因其功率因數高的問題，通過分析同步電動機勵磁控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況，研究同步電動機勵磁控制系統(tǒng)原理，設計一款閉環(huán)調節(jié)的同步電動機勵磁控制系統(tǒng)，具有功率自動尋優(yōu)與實時調節(jié)功能。通過對實驗測試，這款勵磁控制系統(tǒng)可快速、精確的調節(jié)同步電動機功率因數達到0.98以上，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，達到設計要求。

關鍵詞：同步電動機;勵磁控制系統(tǒng);功率因數

根據國內統(tǒng)計，在電機組工作過程中，勵磁系統(tǒng)故障會對機組正常運行產生重大影響。因此設計制造一款控制精度高、可靠性好，具有功率因數自動尋優(yōu)的勵磁控制系統(tǒng)，將是今后的發(fā)展趨勢。本文通過對相關工作現場的同步電動機的現場運行工況進行調研，發(fā)現大多數同步電動機勵磁控制系統(tǒng)都采用的是手動開環(huán)控制，在運行時具有較低的功率因數，造成電能的大量浪費問題?；诖?，我們設計了一款以DSP為主控芯片的同步電動機勵磁控制系統(tǒng)，并且搭建了實驗平臺，進行了實際驗證。

一、同步發(fā)電機勵磁控制原理

同步電動機在運行時和異步電動機不同，同步電動機有3中運行方式，即同步電動機運行在感性狀態(tài)、阻性狀態(tài)和容性狀態(tài)。當同步電動機運行在感性狀態(tài)時，同步電動機需要從電網吸收有功功率和滯后的無功功率;當同步電動機運行在阻性狀態(tài)時，同步電動機只從電網吸收有功功率;當同步電動機運行在容性狀態(tài)時，同步電動機不僅從電網吸收有功功率，而且還向電網提供一部分超前的無功功率。以上三種狀態(tài)可以通過調節(jié)同步電動機勵磁電流的大小，來改變其運行狀態(tài)。在同步電動機運行時，總損耗來源于勵磁損耗、銅損，定子鐵心的磁滯損耗和渦流損耗等，而其中定子鐵心的磁滯損耗和渦流損耗是不變的，銅損是以定子線圈發(fā)熱損耗的，即電機發(fā)熱。當同步電動機長時間工作時，電動機的文勝不能超過額定溫升。因此，必須降低同步電動機的銅損，而通過調節(jié)勵磁電流可以減小定子電流，減小銅損，達到減少電機發(fā)熱，節(jié)能的效果。

二、同步電動機勵磁控制系統(tǒng)的總體方案設計

同步電動機勵磁控制系統(tǒng)具有合理分配無功功率、保證電能質量、提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的優(yōu)點，其對同步電動機的運行特性有著直接的影響，其也是同步電動機組的重要組成部分之一。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大及計算機技術和集成電路技術的迅猛發(fā)展，結合電力系統(tǒng)結構和運行方式的復雜性，使其對同步電動機勵磁控制系統(tǒng)有了更高的要求，可靠性、穩(wěn)定性，經濟性和靈活性也成為評判一款同步電動機勵磁控制系統(tǒng)性能的重要標尺。針對這種要求，本文設計了一款以DSP作為控制核心的同步電動機勵磁控制系統(tǒng)，使得同步電動機勵磁控制系統(tǒng)全數字化。設計過程中采用模塊化思想的進行硬件設計，功能模塊主要有電源模塊、信號采用及調理模塊、移相觸發(fā)回路及調理模塊、可控硅觸發(fā)脈沖的模塊、鍵盤及顯示模塊和電機模塊。通過模塊化思想，使得設計，調試有了極大的方便。勵磁控制系統(tǒng)的各模塊組成及功能：

（1）主控單元選擇。勵磁控制系統(tǒng)以TMS320LF2812作為控制核心，負責對采集的數據進行運算，處理和輸出控制信號。

（2）控制板的電源模塊。由變壓器及三端穩(wěn)壓管LM7815、LM7808、LM7805等組成，為同步電動機勵磁控制系統(tǒng)各模塊供電。

（3）數據采集模塊。由功率變送器，互感器，運放等組成，主要完成電壓，電流，功率因數等數據采集和處理。

（4）開關量輸入輸出模塊。用來完成同步電動機的增磁減磁過程中的手動輸入，以及司書三硅脈沖輸出與DSP的隔離。

（5）同步信號模塊。由t1p521-1，三極管等組成，用于過零點進行檢測。

（6）脈沖放大單元。由三極管，脈沖變壓器等組成，用于對DSP輸出的6路脈沖進行功率放大，用以控制晶閘管的導通。

三、同步電動機勵磁控制系統(tǒng)的軟硬件設計

通過對同步電動機勵磁控制系統(tǒng)總體結構的分析和相關功能分解，在總體結構的基礎上又完成了同步電動機勵磁控制系統(tǒng)的軟硬件設計。

同步電動機勵磁控制系統(tǒng)硬件主要包括以DSP芯片TMS320F2812為核心控制器、模擬量的輸入、電源、同步信號檢測及電網電壓頻率的檢測、鍵盤輸入、繼電器輸入及顯示等多個功能模塊。其中，模擬量的輸入用來完成同步電動機定子電壓電流的檢測和同步電動機轉子繞組電壓電流的檢測。

同步電動機勵磁控制系統(tǒng)的軟件主要包括：交流電壓、交流電流，勵磁電壓、勵磁電流、功率因數信號的采集及處理，同步信號的檢測程序，脈沖觸發(fā)電路程序，液晶顯示程序等等，其主要通過主程序和中斷服務程序完成所有功能。

四、測試結果分析

通過實驗測試，在變載或恒載情況下，此套同步電動機勵磁控制系統(tǒng)可以做到快速的功率因數自適應，且通過各模塊測試可以看出，此套系統(tǒng)控制時序正確，精度高，且功率因數自動尋優(yōu)效果明顯，具有很高的節(jié)能效果。

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基金項目：重慶電子工程職業(yè)學院科研項目，項目編號：XJZK201904。