dsp00005 同步机恒流励磁电控系统的设计

摘要

同步电动机具有结构简单、便于安装、方便维护、机械特性硬、过载能力强、效率高且功率因数可调等优点,因此广泛应用在工业上作为电动机和改善电网的无功补偿机，同步电动机的励磁电流是同步电动机稳定运行、实现功率因数可调的决定性因素，本文所研究的同步电动机励磁装置是实现同步电动机准确励磁的关键。

当前我国同步电动机励磁系统处于第一代晶体管分立器件励磁装置，第二代集成电路励磁装置，第三代数字式励磁装置并存状态。第一、第二代励磁装置都存在着硬件电路比较复杂、温漂、可靠性差的缺点, 因而急需更新换代。数字式励磁装置因其可靠性高、稳定性好、在线修改参数方便、具有多种调节控制规律选择等优点而被广泛采用。本文的研究重点就是要设计一套同步电动机的数字式励磁装置。

本文详尽的分析了励磁装置的软件和硬件设计过程，选用了高性能的数字信号处理器（DSP）TMS320C28035。用C语言和汇编语言开发，主要完成数据的采集和闭环控制等功能。利用数字滤波等数字信号处理算法，对采样数据进行实时处理，并对励磁变流器进行了实时的闭环控制，达到恒流励磁的目的。

关键词 同步电动机；异步起动；励磁电流调节；DSP

1.3 本文研究的主要内容

本文从同步电动机励磁控制系统的研究现状出发，分析了同步电机运行特性，以及启动特性。并研究研究励磁控制系统的控制过程，设计同步电机励磁装置，以 DSP 为控制核心，以PID算法为控制规律，完成了系统的硬件设计和软件设计，并通过仿真和实验验证了该方案，实现了系统预期的功能。具体的研究内容包括：

(1) 深入研究目前常用的同步电动机运行特性，分析同步电机功率可调原理以及失步保护原理，分析了同步电机异步起动特性，并提出异步启动策略。

(2) 设计同步电机励磁系统主电路以及信号采集电路。并以DSP为控制核心，设计了励磁系统软件流程。

(3)设计了励磁系统的恒流调节器，实现对同步电动机的投励以及励磁调节控制， (4) 对励磁系统进行了仿真验证。

第二章 同步电机励磁系统方案的确定

众所周知，同步电动机与异步电动机相比较,在运行特性方面具有明显的技术优势和经济效益。然而，大多数工厂和设计部门目前仍存在着应该或可能采用同步电动机而并未采用的现状，其原因主要是：

    (l)同步电动机价格较贵,一次性投资费用大；

    (2)同步电动机运行控制(启动、投励等)操作技术要求较高,且维护、检修要麻烦；

    (3)用户对节约能源的观念不强或不够重视，而对运行中节能和提高生产效率获得的经济效益缺乏分析比较。

由于这些原因，迄今同步电动机的应用仍然不够广泛。根据对某些工业比较集中地区的用电情况调查统计，在无功功率总需求量中，异步电动机约占60%—70%，变压器占20%"自然功率因数约为0.6—0.7，显然不能符合供电部门的要求，因此采取了人工补偿办法来提高功率因数。诸如静止电容补偿器、调相机、异步电动机(线绕式)同步化运行等，然而这些都是治标的办法，从根本上讲，还是要尽量采用同步电动机。同步电动机在运行性能和生产效益方面都优于异步电动机，在拖动系统中采用同步电动机具有以下优点：

    (l)同步电动机拖动生产机械，可以在过励磁情况下运行(或进相运行)，功率因数超前,向电网提供容性无功功率。

    (2)同步电动机运行功率因数，可以在从滞后到超前的广阔范围内，根据需要作连续、平滑地调节,且不会产生过补偿。

    (3)同步电动机的转矩与电压的一次方成正比，过载能力强。当供电电网电压波动时,同步电动机运行的稳定性较异步电动机好,而且具有恒转速特性,生产效率可以提高s%(这里s为异步电动机的转差率)。如果生产需要亦可通过变频调节转速。

    (4)同步电动机运行效率一般高于异步电动机。大功率、低转速的同步电动机尤为显著。

    (5)具有相同功率的生产机械，采用同步电动机拖动时，可调节励磁系统提高功率因数，降低供电系统的线路压降，减少线路损耗。总的来说，同步电动机在运行性能和生产效益方面都有许多优点。但由于控硕士学位论文第二章同步电动机运行特性的研究制、操作较异步电动机复杂，主要是指同步电动机的励磁调节和启动、投励与灭磁等。近年来,由于可控硅技术及微型计算机(特别是单片机)的应用，为解决这些问题提供了条件。

2.4系统方案的确定

2.4.1同步电机参数

选取同步电机型号 TDL325/36-10

额定功率         150kW

励磁电流         109A

励磁电压         65V

启动转矩         4.94

失步转矩         1.369

2.4.2系统主控制电路的选取

根据励磁电压大小65V，可以确定本系统采用降压拓扑结构。

选取同步Buck拓扑作为系统的主电路结构，同步Buck驱动简单，低压侧电流纹波较小，EMI较好，所以选择此电路作为主电路，电路结构如下图所示：

2.4.3系统整体结构设计

系统硬件结构框图如图下所示。系统输入配以EMI滤波器以减小干扰，三相不可控整流为直流电侧输入，后面一级为Buck变换器。系统以 DSP 为控制核心，还包括数据采集电路，功率管驱动电路，继电器驱动电路。

由于同步电机的励磁为直流励磁，所以首先，交流三相电网输入三相不可控整流将三相交流电整流为直流，然后通过Buck开关变换器恒流控制调节输出励磁电流。

   系统异步起动时，闭合K2接入短路电阻，通过检测励磁电流频率检测转速，检测50%同步转速后，断开K2切除短路电阻，通过电流传感器检测定子电流以确定是否达到95%同步转速，判断投励角度，最佳顺极性投励闭合K1。

    同步电动机被平稳拖入同步运行状态后，控制器不断检测线电压与相电流，计算出实际的功率因数值，并将功率因数期望值与被测功率因数之差作为控制器的输入信号，改变励磁电流的值，从而完成了功率因数的闭环控制；如果以励磁电流的给定值和测量值作为控制器的输入，进行闭环控制，则为恒励磁电流运行方式，应用在需要保证励磁恒定的场合，如起动投励中的励磁给定。在电动机正常停机时，将R2电阻接入，消耗励磁能量。

    控制系统主要包括以下部分：                                                                              

    (1) 主控单元。它是微机系统的核心部分，负责管理微机系统中的所有模块，并执行微机控制器的软件。本实验设计采用 TMS320LF2407 数字信号处理器为核心，拥有强大的运算能力和高速采样能力。    (2) AD 转换单元。用于直流和交流模拟信号转换成相应的数字量。    (3) 开关量输入单元。负责光隔离输入各项开关状态以及控制信号，如开机令、停机令、增磁、减磁信号等，采用光隔离技术，以避免外界电磁干扰。

 (4) 开关量输出单元。用于光隔离触发 6 个触发脉冲，以及其他信号，如各种励磁限制工作信号等。

(5) 同步信号单元。用于对同步信号 TV 来的交流信号进行降压、滤波、整形，其输出为与三相交流同步信号相对应的三相方波信号。

(6) 滤波与幅值检测单元。将 TV、TA 来的交流通过小 TV、小 TA 降压，再经低通滤波去除高次谐波，变成峰值为几伏的交流电压信号，以便于进入AD 转换单元。

(7) 过零比较单元。为防止正弦信号在过零点的毛刺使比较器误动作造成输出电压的抖动，采用滞回比较器的接法。

(8) PWM生成单元.通过电流调节器的输出与DSP内部三角载波作比较，生成控制开关管的PWM波。

(9)电源。为微机系统提供电能，要求其可靠性高，从整流输出取电，其输出一般为+5V，+3.3V，±12V 以及+24V，其中+5V，+3.3V为微机各模块供电， ±12V 主要用于 AD 转换，+24V 用于脉冲放大以及驱动信号继电器等。