同步电动机励磁控制系统研究

论文摘要

同步电动机广泛应用在工农业生产恒速系统,具有自由调节功率因数、转速恒定,负载特性硬等特点。励磁系统是同步电动机的重要组成部分,直接影响电机的运行特性,而同步电动机的励磁控制有两个问题需要解决,一是在同步电动机的起动过程中如何控制励磁;另一个是在牵入同步以后在同步电动机的运行过程中励磁电流的调节。本文正是主要针对这两方面的问题进行励磁控制系统的研究和设计的。在起动投励方面,本文重点研究了异步起动的方式,同时硬件的设计兼顾了以后软启动方式的功能的扩展。针对当前异步起动主要采用的转子电量法投励方法存在的问题,即在接近同步转速时,励磁绕组在低转速气隙磁场切割下感应信号微弱,本文在详细分析同步电动机起动和投励过程的基础上,提出使用无转子位置传感器定子电量法投励,通过仿真和实验证明该投励方法具有可靠性好、牵入同步时间短、对电网冲击小、牵入同步容易等优点,很大程度上解决了目前同步电动机异步起动投励存在的问题。在励磁调节方面,本文设计了功率因数检测电路,不仅使系统具有恒励磁电流运行方式,还能够使其处于恒功率因数运行状态,提高了系统的性能。为适应当前励磁控制系统的发展要求,针对目前已投入实际使用的数字式励磁控制装置的控制核心多为传统的单片机,存在运算精度和速度有限,影响励磁控制系统的响应速度和准确性的问题,本文以DSP作为励磁控制器的核心,利用其强大的运算功能和丰富的软硬件资源,研究基于DSP的励磁控制系统的硬件电路实现及相关软件的设计。另外,移相触发电路是三相晶闸管电路的核心控制部分,针对传统的晶闸管整流系统模拟脉冲触发器器件参数较为分散,存在调试、使用不便和产生的脉冲对称性差等问题,并且鉴于CPLD强大的逻辑和时序功能以及在系统编程、调试方便的特点,文本设计了以CPLD为核心的双脉冲序列数字移相触发器,电路简单可靠,脉冲对称性好,抗干扰能力强,极大地减轻了处理器负担,调试方便,在电动机励磁控制领域有着广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 同步电动机的励磁控制系统的发展现状
• 1.2.1 同步电动机励磁装置的发展
• 1.2.2 同步电动机励磁控制器的发展
• 1.3 同步电动机的起动方式的发展现状
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 第2章 同步电动机励磁调节系统的控制过程
• 2.1 同步电动机异步起动过程中的励磁调节
• 2.1.1 同步电动机异步起动过程分析
• 2.1.2 同步电动机各投励方式分析
• 2.1.3 新型无传感器定子电量法最佳顺极性投励方法
• 2.2 同步运行过程中的励磁电流控制
• 2.2.1 同步电动机的功率因数可调原理
• 2.2.2 同步电动机运行时的励磁电流控制
• 2.3 同步电动机的失步保护
• 2.4 本章小结
• 第3章 同步电动机异步起动的仿真研究
• 3.1 同步电动机的状态方程
• 3.1.1 同步电动机的电压和磁链方程
• 3.1.2 同步电动机的电磁功率、电磁转矩及转子机械运动方程
• 3.1.3 同步电动机转速变化时的状态方程
• 3.2 同步电动机异步起动仿真模型的建立
• 3.2.1 凸极同步电动机异步起动过程的动态特性模型
• 3.2.2 凸极同步电动机异步起动的仿真算法
• 3.3 仿真结果及分析
• 3.3.1 无异步力矩的异步起动过程
• 3.3.2 无单轴力矩的异步起动过程
• 3.3.3 减弱单轴力矩（加限流电阻）的异步起动过程
• 3.3.4 合理利用单轴力矩（0.5s 时断开励磁绕组）的异步起动过程
• 3.4 本章小结
• 第4章 同步电动机励磁控制系统的硬件设计
• 4.1 同步电动机励磁控制系统的总体设计方案
• 4.2 励磁控制系统硬件主回路的设计
• 4.3 DSP 主控制单元的设计
• 4.3.1 电源管理模块的设计
• 4.3.2 SRAM 存储器的电路设计
• 4.3.3 SPI 串行外设接口模块的设计
• 4.3.4 CAN 通信模块的设计
• 4.4 数据采集电路的设计与实现
• 4.4.1 滤波电路
• 4.4.2 过零比较器
• 4.4.3 幅值检测电路
• 4.4.4 功率因数检测电路
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于CPLD 的晶闸管数字移相触发器的设计
• 5.1 触发脉冲及同步电路单元
• 5.2 脉冲隔离放大单元
• 5.3 数字移相触发脉冲的实现
• 5.4 实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 同步电动机励磁控制系统的软件设计
• 6.1 系统主程序的设计
• 6.2 异步起动最佳顺极性投励的软件设计
• 6.2.1 50%同步转速检测的软件设计
• 6.2.2 投励转速与投励角度检测的软件设计
• 6.3 数字式PID 控制器的设计
• 6.3.1 位置式PID 递推算法与积分分离法
• 6.3.2 励磁系统电流闭环PID 控制
• 6.3.3 实验结果及分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢