基于dsPIC6014A的同步电动机励磁装置

杨彦杰， 卢淑明， 马承先

(1.河北工业大学 电工厂，天津 300130;2.河北工业大学 电气学院，天津 300130)

0 引言

同步电动机广泛应用于石油、化工、煤炭、冶金、电力、水利、城市供水、供汽等诸多领域中。一方面它为工业企业提供源源不断的动力;另一方面它向电网发送无功功率，改善电网质量。对同步电动机的控制，通过调节其励磁装置来完成。励磁系统是同步电机的重要组成部分，通过调节励磁电流，可以改变同步电机的运行性。同步电动机励磁装置的发展远远落后于同步发电机，本文主要对同步电动机励磁装置进行研究和设计。本励磁调节器采用美国Microchip公司的16位数字信号控制器芯片(dsPIC30F6014a)作为控制单元，其基本功能就可以满足硬件设计的要求，控制程序可以实时计算，利用内部的捕捉单元可以很容易实现自动投励、全压投切电路。同时，通过控制晶闸管移相整流模块的控制端电压来控制整流模块的输出，使得整个系统硬件电路简单，调试维护方便，系统性能较高。

1 同步电动机微机励磁系统的原理

同步电动机微机励磁装置采用他励式静止可控硅励磁方式。运行方式有三种:一是恒功率因数闭环运行方式，二是恒励磁电流闭环运行方式，三是恒给定开环(恒ɑ角)运行方式。恒功率因数运行方式(方式Ⅰ)在同步电动机运行时，根据负荷及系统参数改变及时调整触发脉冲的角度a，进而调整可控硅整流桥输出的励磁电流来保证设定的功率因数不变;恒励磁电流运行方式(方式Ⅱ)是同步电动机运行时，自动维持设定的励磁电流不变，该运行方式对由励磁绕组和整流系统构成的小环是闭环的;恒给定开环方式(方式Ⅲ)是一种供调试和备用的调节方式。正常运行时一般不采用这种方式。

同步电动机起动过程可分为两个阶段。首先将同步电动机定子绕组与电源接通，此时同步电动机由于产生异步转矩而起动，转速一般约可达到同步转速的95%的亚同步速。然后，将转子励磁绕组和直流励磁电源接通(即投励)。转子磁场和定子磁场相互作用而使转子跟着定子旋转磁场以同步转速旋转，即所谓牵入同步。根据同步电动机的容量、负载性质和电网等情况的不同，同步电动机由异步起动至转速达到亚同步转速的过程中，可采用直接全电压起动或降压起动［1］。

在电动机正常停机时，全控整流桥从整流工作状态立即转入有源逆变状态，能够保证电机的顺利灭磁。

同步电动机微机励磁装置的硬件主要由励磁功率部分和励磁控制部分等组成。

2 励磁调节器系统构成

同步电动机微机励磁装置原理如图1所示。励磁功率部分主要由三相全控整流桥及其保护装置、起动电阻回路等组成。同步电动机励磁系统的主回路是励磁系统的功率输出部分，其主要作用是将交流电源变为直流电源，以供给电动机励磁绕组。电动机励磁系统功率输出部分可由三相桥式不可控、半控或全控整流电路组成。由于三相半控桥和三相不可控整流电路需要续流二极管并联在转子绕组上，在电机起动过程中，当转子感应电势为负半周时，通过续流二极管将会短接放电电阻，使单轴效应显著，减少同步电动机的起动转矩;三相全控桥则不存在这个问题，同步电动机在起动过程中，励磁绕组感应的交变电流的2个半周都将通过放电电阻，故电动机在起动过程中有足够的起动转矩和牵入转矩，完全保持同步电动机的固有特性，另外灵敏度、静差和动态特性也较好。三相桥式全控整流电路移相角度为15°～150°，并接有灭磁环节，对于接在电动机励磁回路中的三相全控桥式整流电路，除完成交、直流转换任务外，正常停机或故障跳闸时还可将存储在电机绕组磁场中的能量经全控桥迅速反馈回交流电源，即进行将直流变换为交流的逆变灭磁［2］。

图1 同步电动机微机励磁装置原理图

整流电路的阻容吸收电路为三相五线式阻容吸收电路，吸收效果明显，能有效抑制操作过电压和换相过电压，可靠保护晶闸管。

起动电阻回路主要由晶闸管、二极管、起动电阻及晶闸管触发电路组成，也称之为跨接器。在电机的起动及失步再整步过程中，晶闸管由专用单元产生触发脉冲导通，当满足投励条件后阻塞触发脉冲，晶闸管截止，起动电阻切除，起动完成。当转子回路有过电压产生时，晶闸管由过电压触发电路打通，有效保护转子免受损害。

励磁控制部分主要包括主控单元及其外围附加电路，模拟量适配单元、模拟量输入单元、有功/无功变换器、脉冲放大单元、跨接器触发脉冲单元、转差测量单元，实现人机接口所必需的开关量输入输出单元和液晶显示键盘输入单元［3］。为适应现代管理的需要，本装置新增加了串行通信功能，可以很方便地实现与上级控制系统信息传递。为了使微机励磁装置具有更高的可靠性，励磁控制部分设计了两个完全相同的通道，互为备用，并且可以进行平稳切换。励磁装置系统原理图如图2所示。

图2 励磁装置的系统原理图

励磁调节器硬件通道各部分主要功能如下:(1)模拟量处理。包括模拟量适配单元、模拟量输入单元、有功/无功变换器。它们的作用是将励磁电流、有功/无功、定子电压等信号变换为满足主控单元要求的输入信号。励磁电流量则采用以霍尔效应为基础的LEM电流变换器，采样快速，精度高。量测信号经二阶有源滤波电路后输出至主控单元的A/D输入端，供微控制器采样处理。定子电压经整流滤波后输出至主控单元的A/D采样回路。模拟量处理单元还包括同步电压的滤波及变换电路。由同步变压器来的三相同步信号首先经过采样保持电路去除由晶闸管换相缺口造成的同步信号干扰，然后经过RC滤波电路滤波，最后经过变换电路变为方波信号，输出至主控单元。(2)开关量输入输出。开关量输入经过两级光电耦合输入至主控单元，由主控单元产生的开关量信号经光电耦合和继电器隔离后输出。(3)脉冲放大及检测。实现触发脉冲的放大及丢失脉冲报警的功能。(4)滑差测量单元。测量电动机的转差，在电机起动时判断投全压及投励时刻，正常运行时监视电机的失步。(5)跨接器触发脉冲单元。在起动和灭磁时发出触发脉冲，使跨接器导通。(6)主控单元。主要完成模拟量信号的采集、开关量状态的输入、实现控制规律的算法，产生触发脉冲及各种保护和监控。采用Microchip Technology(美国微芯科技公司)推出的80引脚16位高性能数字信号控制器dsPIC6014A进行控制。它包含 I/O 端口，Timer1、Timer2/3、Timer4/5模块，SPI模块，I2C模块，CAN模块，输入捕捉模块，输出比较模块，带有通用异步收发器(UART)模块，数据转换器接口(DCI)模块，12位模数转换器(ADC)模块。

3 励磁调节器软件设计

软件程序与硬件资源相结合，使装置具有较高的技术性能。系统软件设计采用模块化结构，整个程序由主循环、显示、模数转换和键盘输入、后台程序组、中断服务程序组和各个子程序等组成［4］。在主程序中调用A/D转换、显示和键盘输入等程序。当外部中断时，程序转入相应的中断服务子程序。后台程序组的级别最低，主要进行参数的显示和修改。中断服务程序组分为定时中断、高速输入输出中断和串行输入输出中断。

定时中断程序组按模块的执行间隔级别不同分为三组，即5 ms程序组、20 ms程序组、100 ms程序组。在5 ms组内包括门控单元，PI调节器，恒功率因数调节，A/D采样和滤波。这些程序模块每5 ms执行一次，即触发脉冲的计算和调节等每5 ms完成一次。20 ms程序组主要包括开关量输入输出，投励逻辑，给定值产生等模块。100 ms程序组主要包括通道切换逻辑，增减磁逻辑等功能模块。高速输入输出中断用于测量同步电动机机端电压频率和转子的滑差信号。串行输入输出中断完成与上位机监测系统的信号传输等。

软件的主要功能模块如下:(1)恒功率因数给定值产生模块。此功能模块主要决定功率因数的给定值。当恒功率因数功能投入时，增减磁按钮可改变给定值的大小。当恒功率因数功能不投入时，此给定值自动跟踪系统的工况以便实现无干扰切换。给定值的变化速度可以调节。(2)恒功率因数调节单元。本单元根据电流有功分量的大小，自动调节励磁电流的大小来改变无功分量的大小，从而维持功率因数不变。(3)恒电流给定值产生。此单元决定励磁输出电流的大小。当运行于方式Ⅰ时，增减磁开关按钮控制此给定值的大小;当运行于方式Ⅱ时，恒功率因数调节的差值决定了此给定值的大小。给定值的变化速度可调。(4)恒ɑ角方式给定值产生。当运行于方式Ⅲ时，增减磁按钮可改变此给定值的大小，方式Ⅲ一般仅用于调试。(5)给定值综合。在本单元内给定值的大小可由低电压强励功能改变。当定子电压低于80%时，自动产生强励给定值，强励给定值维持一定时间后降至额定值。当电压升高后，给定值退回原位。(6)PI调节器，根据给定值和实测值的差值产生控制信号给门控单元。PI调节器的直流增益，比例增益和积分时间常数可在线修改。(7)门控单元，根据PI调节器的控制信号或恒ɑ角方式给定值来产生定时器值。定时器由同步信号触发，定时器定时到产生触发脉冲。双脉冲的产生在可编程器件内完成。触发角的精度为20 000码/180。(8)测频单元，主要用于测量电源的频率，以便门控单元精确控制脉冲触发角。(9)串行通信单元，主要处理与上位机有关的信号传输等。(10)监视单元，用于监视系统的运行状态，根据情况产生必要的报警信号。(11)投励逻辑单元，根据合闸、复位、投励等逻辑信号控制运行方式和逆变灭磁。在复位期间使ɑ角处于逆变角，投励后自动运行于方式Ⅱ。

4 结语

本文介绍的微机励磁装置硬件结构上采用双通道，满足对可靠性要求较高的用户需求。实现同步电动机励磁调节器的微机化，与模拟式调节器相比，大大简化了硬件，同时同步电动机励磁系统的智能控制，实现了电机起动过程中转子滑差自动检测、自动投励、准确的阻容灭磁、零励磁保护、失步保护等功能，具有运行稳定、可靠，控制精确，自动化程度高，现场使用、维护方便等优点。

［1］杨嗣彭.同步电机运行方式的分析［M］.成都:成都科技大学出版社，1989.

［2］刘忠源.同步可控硅励磁系统［M］.郑州:华北水利水电学院，1992.

［3］马利鸿.同步电动机励磁系统的应用［J］.中国有色冶金，2005(5):77-80.

［4］张志军，杨惠文.一种新型的全数字同步电动机励磁装置［J］.冶金动力，2007(4):13-17.