无刷励磁同步电机无位置传感器起动控制

胡建波 黄清林

【摘 要】社会经济在不断发展与进步，根据同步电机的励磁方式不同，将其分为有刷同步电机与无刷同步电机。无刷励磁的优点是：结构紧凑，运行可靠等。当前大型的进口同步电机励磁和调节控制系统都比较复杂。国内工矿企业多选择无刷励磁控制系统，当前同步电机的运用广泛，已成为国内大型软启动厂家的助攻方向。基于此，本文主要对无刷励磁同步电机无位置传感器起动控制进行了简要的分析。

【关键词】无刷励磁；同步电机；无位置传感器；起动控制

中图分类号：TM341 文献标识码：A

引言

同步电机因其效率和功率因数高的优点，在电动和发电方面应用较为广泛。常规有刷电励磁同步电机存在电刷和滑环装置，易产生电火花，其应用领域受到一定限制。人们在关注电机性能的同时对轻量化和低成本的需求日益突出，由于永磁电机成本高于电励磁同步电机，因此无刷电励磁同步电机受到了越来越多学者的关注。

1无刷励磁特性

同步机中的无刷励磁技术也是首次运用，充分转变了传统形式下的同轴励磁机的制造方式，采用的是更加先进的励磁技术，通过交流发电机来对整流模块进行调整。具体的运行状况和特点为：在该工程中的立式同步电动机当中的励磁系统，通过交流发电机和旋转模块所组成的无刷励磁系统。同轴交流电发电机和一般的发电机存在不同，在转子正常组合与常用发电机之间是一种反向的状况，电子可以为交流发电机提供电枢绕组，交流发电机可以作为一种感应磁场的存在，通过改变励磁电流的大小，实现对交流发电机输出功率的控制。通过静态励磁原理来有效调节定子励磁，该工作原理通常在可控硅系统当中已经存在，在该工程当中，主要是以发电子转子作为功率输出绕组，通过对ZL型旋转模块、QD整流功率模块以及ZK控制单元等共同构成了同步电动机启动。

2同步电动机的运行控制方式

正常情况下同步电机的主要运行方式分为三种：作为补偿机、发电机和电动机运行，现在新田车间球磨机是10kV电源直接驱动点机恒速运行的电动机运行方式。对恒速运行，通过PLC控制柜，也可通过DCS（车间规定：一、二段磨由中控室操作员用DCS系统启、停操作），甚至在紧急情况下手动操作断路器，电机将在10kV母线上直接起动。当直接起动断路器闭合后，励磁控制装置将在预先设定的时间内自动施加励磁，将电机牵入同步。电机达到同步后，通过啮合离合器来起动磨机。通过断开离合器来使磨机停止，但电机将继续运行以备磨机下次被起动。通过断开恒速断路器，使电机单独停转。通过同时立即断开恒速断路器和打开离合器来实现紧急停车，磨机将在没有电机惯性下较快停止。如果保持离合器断开，电机将由于摩擦力慢慢停止。

3无刷励磁同步电机无位置传感器起动控制

3.1控制系统电路设计

本文以40.5kV高压真空断路器为研究对象，设计了新型无刷电励磁电机操动机构控制系统。控制系统以数字信号处理器DSP28335为核心，辅以电源模块、整流模块、功率变换器模块、及信号采集模块等共同组成。图1所示为控制系统原理框图。整个控制系统原理如图所示：三相交流电通过整流桥再经过电容模块进行滤波、储能后给电机三相绕组进行供电；电机转子位置、转速以及三相电流通过信号采集模块把信号传输给DSP处理器，DSP根据转子位置信息输出对应相的PWM信号到驱动模块，驱动功率变换器各个开关器件的导通与关断状态，完成电机对应相的控制；DSP根据检测到电机转速和电流信息，以及系统给定转速对PWM脉冲信号的占空比作出调整，从而实现控制系统对新型无刷电励磁电机操动机构的运动控制。

3.2功率变换器模块

功率变换器模块是整个控制系统非常重要的组成部分，电机换相需要依靠功率变换器模块来实现。本文设计了三相半桥不对称功率变换器，三相半桥不对称功率变换模块对应与样机的励磁；绕组相连，三个桥臂分别对应电机的三相励磁绕组，每个桥臂由两个开关及两个续流二极管组成。以一相绕组为例，若控制K1、K2导通，则VD1、VD2处于截止状态，则A相绕组通电，若A相关断即K1、K2不导通，此时VD1、VD2处于续流状态，起到了保护电路的作用。

3.3信号采集模块

信号采集模块包括增量式旋转编码器、霍尔电流传感器、直线位移传感器等。旋转编码器由光栅盘和光电检测装置构成，光栅盘通过连轴器与转轴相连，随之一起运动。增量式旋转编码器采集的电压信号输入给DSP的eQEP模块，DSP通过计算固定时间内旋转编码器采集的脉冲个数来确定电机转速，同时由于旋转编码器确定了电机初始位置，而随着旋转编码器不断的脉冲反馈，可以采集电机从°0～°360转过的角度位置。三相绕组电流是通过霍尔电流传感器采集电压信号然后进过滤波后输送到DSP的ADC模块来计算得出。DSP通过比较电机转速和绕组电流来调节占空比进而达到调速的目的。直线位移传感器是通过将直线机械位移量转换成电信号来计算其行程曲线。

3.4联机试验

以40.5kV高压断路器为试验对象搭建新型无刷电励磁电机操动机构联机试验平台。包括新型无刷电励磁电机样机本体、40.5kV高压断路器样机、三相调压器、三相整流桥、电容电阻、核心数字信号处理器DSP28335、功率变换器模块、信号采集模块、IGBT驱动芯片、升压芯片以及电源模块等。三相绕组电流通过霍尔传感器采集电压信号之后传输到示波器上显示。对新型无刷电励磁电机操动机构进行合闸操作试验，电容器组的充电电压为250V、电容器组的容量为132000uf、PWM占空比为90%。动触头行程为25mm，B点为刚合点，动触头运行至刚合位置B的时间是30.45ms。B之前为开距阶段，B之后为超距阶段，可以看出在超距阶段，由于弹簧反力的增大及触头接触碰撞导致行程曲线波动。合闸速度是刚合位置之前3/4行程内的平均速度，所以合闸速度是1m/s，联机负载试验比仿真结果稍有延时，但合闸操作仍在50ms内完成。试验结果满足40.5kV高压断路器的合闸技术要求，证明了新型无刷电励磁电机操动机构的可行性。

结束语

本文对无刷励磁同步电机进行了简要的分析，希望可以为相关人员提供一定的参考。

参考文献：

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（作者单位：阳江核电有限公司）