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大中型同步电动机逆变式励磁装置的控制系统设计 赵 阳 廖冬初 丁稳房 席自强 章 穗 （湖北工学院电气工程与计算机科学系） 摘 要：在大中型同步电动机逆变式励磁装置主电路拓扑形式的基础上，讨论控制系统的设计。针对主电路的模块并联形式，控制电路采用了分层结构——主控电路和辅控驱动电路。辅控驱动电路中采用SG3525进行电流的控制；主控电路以80C196KC和PSD813F1为核心，完成模块输出电流给定、状态监控、参数显示等功能。 关键词：同步电动机励磁装置 逆变电源 控制 单片机 1 引 言 目前，大部分泵站同步电动机的励磁装置仍然采用三相全控桥式整流励磁装置，该装置体积庞大，效率低，水位低时功率因素低，且易出故障，维护费用高。因此对大中型同步电动机的励磁装置进行技术改造是十分必要的。本文以泵站大中型同步电动机励磁电源为对象，讨论逆变式励磁装置控制系统的设计。由于开关电源技术具有节能省材等显著特点，在励磁装置中引入开关电源技术，可望使体积和重量降低，效率提高，动态响应特性良好。本文首先介绍系统主电路的框图，在此基础上，讨论了控制系统结构，分别介绍了硬件及软件设计，最后，给出了励磁装置的实验结果并对结果进行了分析。 2 系统结构 如前所述，励磁装置的技术改造首先集中在对主电路的改造上。下面介绍本装置主电路的拓扑形式。如图1所示，该电路采用了AC-DC-AC-DC形式。第一个变换环节——整流电路用三相不可控整流桥得到不可控的直流输出。第二个变换环节——逆变电路是主电路的核心部分，采用半桥式电路，它的抗直流偏磁能力比大功率逆变器广泛采用的全桥式电路强，其中的开关器件选用新型全控开关器件——IGBT。逆变电路的输出经高频变压器变压、隔离后给最后一个变换环节——二极管全波整流电路，从而得到可调的直流输出。本系统中同步电动机启动采用异步启动法，因此经过一个灭磁环节再接到转子绕组上。本装置运用电源模块并联技术，由四个电源模块并联而成，装置中三相整流桥为公共部分，逆变电路和全波整流电路构成电源模块，各电源模块的逆变电路输入和全波整流电路输出并联在一起。这样，不仅增加了电源容量、提高装置可靠性，还降低了逆变电路的制作难度。 3 控制电路设计 考虑到主电路结构中的电源模块并联形式，控制电路采取了分层结构——主控电路和四个辅控驱动电路。每个电源模块各含一个辅控驱动电路，它的任务有：1 驱动本电源模块的全控开关器件IGBT。2 按主控电路的给定值控制本电源模块的电流输出。3 保护本电源模块。主控电路则控制整个装置的输出电流，以及完成整个装置的保护、对用户按键的循回检测和显示等功能。 3.1 电流控制 同步电动机的励磁装置实际就是一个可以调节的直流电流源，对它的电流输出控制是控制电路要实现的一个重要功能，它是由辅控驱动电路和主控电路共同完成的。 励磁装置总的输出电流为四个电源模块输出电流的和。因此，电流的控制是分层完成的——各个电源模块的电流输出控制和装置总的电流控制。每个电源模块的电流输出由该电源模块的辅控驱动电路中硬件电路完成，主控电路则给出每个电源模块的电流给定值从而控制整个装置电流的输出。 由于对装置损耗要求不是过高，主电路中全控器件的开关方式为硬开关脉冲宽度调制（PWM）方式。为此，在辅控电路中选用了美国通用公司生产的硬开关PWM控制器——SG3525[文献3]。主控电路的给定值从SG3525的同相输入脚接入，本电源模块输出电流的检测值从它的反相输入脚接入，再运用SG3525中的放大器构成一个PID调节器。这样构成的电流控制闭环调节SG3525输出的PWM波形脉宽，从而控制电源模块输出电流大小。对SG3525而言， PWM波形的频率和死区时间可独立进行设计。本装置的开关频率设计为35KHZ左右，死区时间约3μS。 主控电路将用户按键设定的电流值除以4的结果作为每个电源模块的电流给定值，由于本装置实际为一电流源，采用以上的简单方法就可以完成电源的并联，同时也控制了装置电流总的输出。当电源模块或整个装置发生故障时，电源模块内部产生一个封锁信号，或整个装置发生故障时主控电路也发出封锁信号，此信号将封锁PWM脉冲，保护主电路。 下面用框架图2来说明电流的控制原理。 3.2 驱动电路及模块保护电路 辅控驱动电路的另两个功能是本电源模块中全控开关器件的驱动和模块的保护。我们采用了日本富士公司生产的专用集成驱动器EXB840来驱动IGBT。电源模块的保护包括IGBT故障保护、过热保护及过流保护。 3.3 主控电路 主控电路采用了80C196KC[文献1]和PSD813F1[文献2]组成功能强大的双芯片系统。在选用主控芯片方面，目前国内在微机励磁系统设计中多采用8位CPU，运行速度和控制精度方面受到一定限制，为克服上述不足，本系统的主控电路拟采用Intel公司推出的16位单片机80C196KC为主控芯片。它采用了CHMOS工艺，因而具有更高的运算速度、更低的功耗，并增强了中断、A/D、DMA等功能，采用此单片机能组成高集成度、高性能的数据采集系统。本系统还拟用先进的外围可编程系统器件PSD813F1，以实现RAM、EPROM、I/O等的扩展，由此可大大提高控制系统的集成度，减少电路板布线，提高系统抗干扰能力。 图2 电流的控制原理框架图 图3 主控电路框架图 为了得到四个电源模块的电流给定值，选用具有四通道的8位DA转换器IDM7226，片选信号在/WR 为低、AD15为高时产生（当AD15为低时则选中PSD813F1），用AD8、AD9进行IDM7226四个通道的选择。装置的显示部分选用MAXIM7219芯片，它和80C196KC是串行接口，应用80C196KC的高 速输出口对其进行控制。 图3示出了主控电路的框架图。 4 程序流程图 本装置是实时控制系统，用户程序尽可能的做到简单、实用、可靠，以满足系统实时性和快速性的要求。所以本装置的用户程序比较简洁。程序包括主程序和中断程序两大部分。主程序中的 主循环对励磁装置输出电流进行实时控制、监控用户按键、系统状态及刷新显示。子程序完成其中的一些功能模块，主要有计算子程序、显示子程序和按键开关查询子程序。计算子程序对采样结果做进一步的处理，计算定子电流和定子电压的有效值、功率因素和定子侧输入功率；显示子程序通过80C196KC的高速输出口产生显示控制芯片MAXIM7219的脉冲、数据及片选信号；按键开关查询子程序对用户键入的电流给定值、各种开关的状态进行查询；设置了四种中断——外部中断、软件定时器中断、定时器1溢出中断和AD转换结束中断。当电源模块或系统发生故障时通过硬件电路将驱动脉冲封锁，还产生外部中断，在外部中断程序中设置一个故障标志，用于在主程序中进行故障查询。其它三种中断结合对采样及投励这两个问题的处理进行介绍。 本装置的模拟输入量有：四个电源模块输出电流、励磁电压、定子电流及定子电压。采用软件定时器中断实现周期性采样。进入主循环之前启动第一次软件定时器，软件定时器中断中启动下一次软件定时和AD转换。AD转换结束后产生AD转换结束中断，并在中断程序中进行采样值的滤波。 投励是通过对励磁电压启动时变化周期的判断来确定的。如图1的系统总结构图，启动时转子绕组感应电压为正（上正下负）时，通过灭磁绕组形成回路，感应电压为负则通过二极管短接，所以在主程序循环中，判断采样的励磁电压为正还是零，为正则启动定时器1中断开始计时，为零后停止计时，由于同步电动机的转速约为250转/分，当达到同步转速的95％时，转子绕组电压的变化周期的一半为2.4秒，计时时间就与这个时间值进行比较。若计时时间达到了规定时间，并检测到励磁电压为0，则发出投励信号。 图4示出了主程序流程图。 图4 主程序流程图 5 实验结果 本装置在实验调试过程中可以看到：逻辑控制达到预期效果；投励及各种故障报警信号安全可靠；PWM驱动脉冲调节的动态响应性能良好。 图5示出了额定稳定运行时高频变压器原边输出的电流波形、电压波形及负载电流波形。 图5 实验结果 参考文献： [1] 孙涵芳．Intel 16位单片机．北京航空航天大学出版社，1995 [2] 现场可编程外围芯片PSDXXX介绍软件．WSI公司，1998 [3] 王英剑，常敏慧，何希才编著．新型开关电源实用技术．电子工业出版社，1999 [4] 杨卫国．同步电动机晶闸管励磁系统的计算机控制．沈阳黄金学院学报，1995.12 [5] 叶建铁，黄崇明，胡贤伟，黄革新．单片机控制同步机励磁系统的关键技术．华中理工大学学报，1997.9 |
