同步电动机励磁控制系统的研究与设计
2020-09-10马磊党娇
马磊 党娇
摘要:本文针对同步电动机因其功率因数高的问题,通过分析同步电动机励磁控制系统的发展状况,研究同步电动机励磁控制系统原理,设计一款闭环调节的同步电动机励磁控制系统,具有功率自动寻优与实时调节功能。通过对实验测试,这款励磁控制系统可快速、精确的调节同步电动机功率因数达到0.98以上,系统稳定性好,达到设计要求。
关键词:同步电动机;励磁控制系统;功率因数
根据国内统计,在电机组工作过程中,励磁系统故障会对机组正常运行产生重大影响。因此设计制造一款控制精度高、可靠性好,具有功率因数自动寻优的励磁控制系统,将是今后的发展趋势。本文通过对相关工作现场的同步电动机的现场运行工况进行调研,发现大多数同步电动机励磁控制系统都采用的是手动开环控制,在运行时具有较低的功率因数,造成电能的大量浪费问题。基于此,我们设计了一款以DSP为主控芯片的同步电动机励磁控制系统,并且搭建了实验平台,进行了实际验证。
一、同步发电机励磁控制原理
同步电动机在运行时和异步电动机不同,同步电动机有3中运行方式,即同步电动机运行在感性状态、阻性状态和容性状态。当同步电动机运行在感性状态时,同步电动机需要从电网吸收有功功率和滞后的无功功率;当同步电动机运行在阻性状态时,同步电动机只从电网吸收有功功率;当同步电动机运行在容性状态时,同步电动机不仅从电网吸收有功功率,而且还向电网提供一部分超前的无功功率。以上三种状态可以通过调节同步电动机励磁电流的大小,来改变其运行状态。在同步电动机运行时,总损耗来源于励磁损耗、铜损,定子铁心的磁滞损耗和涡流损耗等,而其中定子铁心的磁滞损耗和涡流损耗是不变的,铜损是以定子线圈发热损耗的,即电机发热。当同步电动机长时间工作时,电动机的文胜不能超过额定温升。因此,必须降低同步电动机的铜损,而通过调节励磁电流可以减小定子电流,减小铜损,达到减少电机发热,节能的效果。
二、同步电动机励磁控制系统的总体方案设计
同步电动机励磁控制系统具有合理分配无功功率、保证电能质量、提高电力系统运行稳定性的优点,其对同步电动机的运行特性有着直接的影响,其也是同步电动机组的重要组成部分之一。随着电力系统规模的不断扩大及计算机技术和集成电路技术的迅猛发展,结合电力系统结构和运行方式的复杂性,使其对同步电动机励磁控制系统有了更高的要求,可靠性、稳定性,经济性和灵活性也成为评判一款同步电动机励磁控制系统性能的重要标尺。针对这种要求,本文设计了一款以DSP作为控制核心的同步电动机励磁控制系统,使得同步电动机励磁控制系统全数字化。设计过程中采用模块化思想的进行硬件设计,功能模块主要有电源模块、信号采用及调理模块、移相触发回路及调理模块、可控硅触发脉冲的模块、键盘及显示模块和电机模块。通过模块化思想,使得设计,调试有了极大的方便。励磁控制系统的各模块组成及功能:
(1)主控单元选择。励磁控制系统以TMS320LF2812作为控制核心,负责对采集的数据进行运算,处理和输出控制信号。
(2)控制板的电源模块。由变压器及三端稳压管LM7815、LM7808、LM7805等组成,为同步电动机励磁控制系统各模块供电。
(3)数据采集模块。由功率变送器,互感器,运放等组成,主要完成电压,电流,功率因数等数据采集和处理。
(4)开关量输入输出模块。用来完成同步电动机的增磁减磁过程中的手动输入,以及司书三硅脉冲输出与DSP的隔离。
(5)同步信号模块。由t1p521-1,三极管等组成,用于过零点进行检测。
(6)脉冲放大单元。由三极管,脉冲变压器等组成,用于对DSP输出的6路脉冲进行功率放大,用以控制晶闸管的导通。
三、同步电动机励磁控制系统的软硬件设计
通过对同步电动机励磁控制系统总体结构的分析和相关功能分解,在总体结构的基础上又完成了同步电动机励磁控制系统的软硬件设计。
同步电动机励磁控制系统硬件主要包括以DSP芯片TMS320F2812为核心控制器、模拟量的输入、电源、同步信号检测及电网电压频率的检测、键盘输入、继电器输入及显示等多个功能模块。其中,模拟量的输入用来完成同步电动机定子电压电流的检测和同步电动机转子绕组电压电流的检测。
同步电动机励磁控制系统的软件主要包括:交流电压、交流电流,励磁电压、励磁电流、功率因数信号的采集及处理,同步信号的检测程序,脉冲触发电路程序,液晶显示程序等等,其主要通过主程序和中断服务程序完成所有功能。
四、测试结果分析
通过实验测试,在变载或恒载情况下,此套同步电动机励磁控制系统可以做到快速的功率因数自适应,且通过各模块测试可以看出,此套系统控制时序正确,精度高,且功率因数自动寻优效果明显,具有很高的节能效果。
参考文献:
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基金項目:重庆电子工程职业学院科研项目,项目编号:XJZK201904。