胡建波 黃清林

【摘 要】社會經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)展與進(jìn)步，根據(jù)同步電機(jī)的勵(lì)磁方式不同，將其分為有刷同步電機(jī)與無刷同步電機(jī)。無刷勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠等。當(dāng)前大型的進(jìn)口同步電機(jī)勵(lì)磁和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)都比較復(fù)雜。國內(nèi)工礦企業(yè)多選擇無刷勵(lì)磁控制系統(tǒng)，當(dāng)前同步電機(jī)的運(yùn)用廣泛，已成為國內(nèi)大型軟啟動廠家的助攻方向?；诖耍疚闹饕獙o刷勵(lì)磁同步電機(jī)無位置傳感器起動控制進(jìn)行了簡要的分析。

【關(guān)鍵詞】無刷勵(lì)磁；同步電機(jī)；無位置傳感器；起動控制

中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

同步電機(jī)因其效率和功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，在電動和發(fā)電方面應(yīng)用較為廣泛。常規(guī)有刷電勵(lì)磁同步電機(jī)存在電刷和滑環(huán)裝置，易產(chǎn)生電火花，其應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制。人們在關(guān)注電機(jī)性能的同時(shí)對輕量化和低成本的需求日益突出，由于永磁電機(jī)成本高于電勵(lì)磁同步電機(jī)，因此無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注。

1無刷勵(lì)磁特性

同步機(jī)中的無刷勵(lì)磁技術(shù)也是首次運(yùn)用，充分轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)形式下的同軸勵(lì)磁機(jī)的制造方式，采用的是更加先進(jìn)的勵(lì)磁技術(shù)，通過交流發(fā)電機(jī)來對整流模塊進(jìn)行調(diào)整。具體的運(yùn)行狀況和特點(diǎn)為：在該工程中的立式同步電動機(jī)當(dāng)中的勵(lì)磁系統(tǒng)，通過交流發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)模塊所組成的無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。同軸交流電發(fā)電機(jī)和一般的發(fā)電機(jī)存在不同，在轉(zhuǎn)子正常組合與常用發(fā)電機(jī)之間是一種反向的狀況，電子可以為交流發(fā)電機(jī)提供電樞繞組，交流發(fā)電機(jī)可以作為一種感應(yīng)磁場的存在，通過改變勵(lì)磁電流的大小，實(shí)現(xiàn)對交流發(fā)電機(jī)輸出功率的控制。通過靜態(tài)勵(lì)磁原理來有效調(diào)節(jié)定子勵(lì)磁，該工作原理通常在可控硅系統(tǒng)當(dāng)中已經(jīng)存在，在該工程當(dāng)中，主要是以發(fā)電子轉(zhuǎn)子作為功率輸出繞組，通過對ZL型旋轉(zhuǎn)模塊、QD整流功率模塊以及ZK控制單元等共同構(gòu)成了同步電動機(jī)啟動。

2同步電動機(jī)的運(yùn)行控制方式

正常情況下同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式分為三種：作為補(bǔ)償機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)運(yùn)行，現(xiàn)在新田車間球磨機(jī)是10kV電源直接驅(qū)動點(diǎn)機(jī)恒速運(yùn)行的電動機(jī)運(yùn)行方式。對恒速運(yùn)行，通過PLC控制柜，也可通過DCS（車間規(guī)定：一、二段磨由中控室操作員用DCS系統(tǒng)啟、停操作），甚至在緊急情況下手動操作斷路器，電機(jī)將在10kV母線上直接起動。當(dāng)直接起動斷路器閉合后，勵(lì)磁控制裝置將在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)自動施加勵(lì)磁，將電機(jī)牽入同步。電機(jī)達(dá)到同步后，通過嚙合離合器來起動磨機(jī)。通過斷開離合器來使磨機(jī)停止，但電機(jī)將繼續(xù)運(yùn)行以備磨機(jī)下次被起動。通過斷開恒速斷路器，使電機(jī)單獨(dú)停轉(zhuǎn)。通過同時(shí)立即斷開恒速斷路器和打開離合器來實(shí)現(xiàn)緊急停車，磨機(jī)將在沒有電機(jī)慣性下較快停止。如果保持離合器斷開，電機(jī)將由于摩擦力慢慢停止。

3無刷勵(lì)磁同步電機(jī)無位置傳感器起動控制

3.1控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本文以40.5kV高壓真空斷路器為研究對象，設(shè)計(jì)了新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以數(shù)字信號處理器DSP28335為核心，輔以電源模塊、整流模塊、功率變換器模塊、及信號采集模塊等共同組成。圖1所示為控制系統(tǒng)原理框圖。整個(gè)控制系統(tǒng)原理如圖所示：三相交流電通過整流橋再經(jīng)過電容模塊進(jìn)行濾波、儲能后給電機(jī)三相繞組進(jìn)行供電；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速以及三相電流通過信號采集模塊把信號傳輸給DSP處理器，DSP根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息輸出對應(yīng)相的PWM信號到驅(qū)動模塊，驅(qū)動功率變換器各個(gè)開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，完成電機(jī)對應(yīng)相的控制；DSP根據(jù)檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流信息，以及系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速對PWM脈沖信號的占空比作出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動控制。

3.2功率變換器模塊

功率變換器模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)非常重要的組成部分，電機(jī)換相需要依靠功率變換器模塊來實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了三相半橋不對稱功率變換器，三相半橋不對稱功率變換模塊對應(yīng)與樣機(jī)的勵(lì)磁；繞組相連，三個(gè)橋臂分別對應(yīng)電機(jī)的三相勵(lì)磁繞組，每個(gè)橋臂由兩個(gè)開關(guān)及兩個(gè)續(xù)流二極管組成。以一相繞組為例，若控制K1、K2導(dǎo)通，則VD1、VD2處于截止?fàn)顟B(tài)，則A相繞組通電，若A相關(guān)斷即K1、K2不導(dǎo)通，此時(shí)VD1、VD2處于續(xù)流狀態(tài)，起到了保護(hù)電路的作用。

3.3信號采集模塊

信號采集模塊包括增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、霍爾電流傳感器、直線位移傳感器等。旋轉(zhuǎn)編碼器由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成，光柵盤通過連軸器與轉(zhuǎn)軸相連，隨之一起運(yùn)動。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器采集的電壓信號輸入給DSP的eQEP模塊，DSP通過計(jì)算固定時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器采集的脈沖個(gè)數(shù)來確定電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)編碼器確定了電機(jī)初始位置，而隨著旋轉(zhuǎn)編碼器不斷的脈沖反饋，可以采集電機(jī)從°0～°360轉(zhuǎn)過的角度位置。三相繞組電流是通過霍爾電流傳感器采集電壓信號然后進(jìn)過濾波后輸送到DSP的ADC模塊來計(jì)算得出。DSP通過比較電機(jī)轉(zhuǎn)速和繞組電流來調(diào)節(jié)占空比進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。直線位移傳感器是通過將直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號來計(jì)算其行程曲線。

3.4聯(lián)機(jī)試驗(yàn)

以40.5kV高壓斷路器為試驗(yàn)對象搭建新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動機(jī)構(gòu)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)平臺。包括新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)樣機(jī)本體、40.5kV高壓斷路器樣機(jī)、三相調(diào)壓器、三相整流橋、電容電阻、核心數(shù)字信號處理器DSP28335、功率變換器模塊、信號采集模塊、IGBT驅(qū)動芯片、升壓芯片以及電源模塊等。三相繞組電流通過霍爾傳感器采集電壓信號之后傳輸?shù)绞静ㄆ魃巷@示。對新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動機(jī)構(gòu)進(jìn)行合閘操作試驗(yàn)，電容器組的充電電壓為250V、電容器組的容量為132000uf、PWM占空比為90%。動觸頭行程為25mm，B點(diǎn)為剛合點(diǎn)，動觸頭運(yùn)行至剛合位置B的時(shí)間是30.45ms。B之前為開距階段，B之后為超距階段，可以看出在超距階段，由于彈簧反力的增大及觸頭接觸碰撞導(dǎo)致行程曲線波動。合閘速度是剛合位置之前3/4行程內(nèi)的平均速度，所以合閘速度是1m/s，聯(lián)機(jī)負(fù)載試驗(yàn)比仿真結(jié)果稍有延時(shí)，但合閘操作仍在50ms內(nèi)完成。試驗(yàn)結(jié)果滿足40.5kV高壓斷路器的合閘技術(shù)要求，證明了新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的可行性。

結(jié)束語

本文對無刷勵(lì)磁同步電機(jī)進(jìn)行了簡要的分析，希望可以為相關(guān)人員提供一定的參考。

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（作者單位：陽江核電有限公司）