中压无换向器电机励磁控制技术研究

论文摘要

在中压大功率交流传动系统中,电励磁同步电动机由于可以自由调节功率因数、运行效率高而得到了广泛的应用。在钢铁、水力、冶金、化工等行业中,无换向器电机是一种常用的同步电机。其定子电压的频率随转速同步上升,从根本上避免了起动中失步的危险。本课题旨在配合同步电动机自控变频软起动项目,研究无换向器电机的励磁控制技术。本课题主要研究无换向器电机在起动、并网和运行过程中的励磁控制问题,同时也对同步电机异步起动技术中的励磁控制进行了理论分析。常用的励磁控制方法主要有三种:恒励磁电流、恒功率因数、恒给定开环控制。在自控变频软起动过程中采用恒励控制。基于无换向器电机的调速公式,利用在并网时励磁配合调速环在一定范围内微调进行协同锁相的控制方法,可以加快锁相的进程,缩短并网所需要的时间。之后通过励磁电流对定子电压的调节满足并网所需要的三个条件,完成无换向器电机的并网过程。在电机运行过程中励磁电流保证系统的功率因数恒定,可以在负载变化的情况下维持电机的稳定运行,在必要时还可以通过调励对电网进行无功补偿。在异步起动方面介绍了最新的无传感器定子电量法实现最佳顺极性投励的原理,论证了其先进性与可行性。本文设计了以三相全控桥为主电路拓扑的硬件电路,并绘制了电路板。采用智能晶闸管整流桥模块代替分立元件,提高了可靠性。以DSP2812为控制核心,采用了带死区和积分分离算法的数字PID算法,编制了相关的软件程序,进行了系统的调试。设计了人机交互单元便于显示和修改参数,同时设计了相关的保护算法使整个系统安全可靠。实验结果表明,该励磁控制器除了能保证很高的稳态精度外,还具有较好的动态性能,并能在协同锁相过程中能够加快锁相的速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 同步电动机起动技术的发展
• 1.2.2 同步电动机励磁装置的发展
• 1.2.3 同步电动机励磁调节器的发展
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第2章 无换向器电机的工作原理
• 2.1 同步电动机的数学模型
• 2.1.1 同步电动机各绕组的方程
• 2.1.2 同步电动机的电压和磁链方程
• 2.1.3 同步电动机的电磁转矩方程
• 2.2 无换向器电机的工作原理
• 2.2.1 无换向器电机的结构
• 2.2.2 无换向器电机的工作原理
• 2.3 无换向器电机的调速原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 同步电机励磁控制原理
• 3.1 异步起动的励磁控制
• 3.1.1 异步起动的原理
• 3.1.2 投励极性分析
• 3.1.3 转子电量法
• 3.1.4 定子电量法
• 3.2 自控变频起动的励磁控制
• 3.3 无换向器电机并网的励磁控制
• 3.4 同步电机的功率因数控制
• 3.5 无换向器电机过载能力分析
• 3.6 无换向器电机运行过程的励磁控制
• 3.7 同步电机的失步保护
• 3.8 本章小结
• 第4章 励磁控制系统硬件设计
• 4.1 系统整体设计
• 4.2 主回路设计
• 4.2.1 主回路结构设计
• 4.2.2 主回路器件选择
• 4.3 智能晶闸管整流模块
• 4.4 DSP 主控单元设计
• 4.4.1 电源模块设计
• 4.4.2 在线仿真测试接口设计
• 4.4.3 SCI 通讯模块设计
• 4.4.4 CAN 通讯模块设计
• 4.5 检测与信号调理单元设计
• 4.5.1 定子侧幅值及过零点检测电路
• 4.5.2 励磁电流幅值检测电路
• 4.5.3 手动励磁给定幅值检测电路
• 4.6 频压转换单元设计
• 4.7 人机交互单元设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 系统软件设计及实验结果
• 5.1 励磁控制的数学模型分析
• 5.1.1 励磁绕组的传函
• 5.1.2 励磁电流环的结构设计
• 5.1.3 励磁调速环分析
• 5.2 数字PID 及其改进算法
• 5.2.1 位置式与递推式数字PID 算法
• 5.2.2 积分饱和与积分分离法
• 5.2.3 不完全微分法与带死区PID 法
• 5.3 相关程序设计及实验结果
• 5.3.1 主程序设计
• 5.3.2 恒励磁电流实验
• 5.3.3 调频锁相实验
• 5.3.4 调压实验
• 5.4 液晶显示及保护算法设计
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢