泵站電機交流勵磁調(diào)速的控制技術(shù)

1引言

為減少洪澇災害，我國在大江大河流域建設了許多電力排灌站。一般電力排灌站設計為固定揚程。在洪澇期間，外江水位超過設計揚程時，泵站被迫停機，使內(nèi)河漬水不能及時排出，給國家和人民財產(chǎn)帶來嚴重損失。如果此時能使電機超同步運行如提速5％，則水泵揚程可提高10％左右，這可在很大程度上解決水泵因外江水位過高而被迫停機的問題，減少內(nèi)河澇災損失。因此實現(xiàn)此類電機的超同步運行具有很大的社會與效益。

由于泵用電動機定子側(cè)供電電壓為高壓，在定子側(cè)采用變頻調(diào)速時，調(diào)速設備價格昂貴，且升速受供電電壓限制。如采用雙饋調(diào)速，則因泵機要求調(diào)速范圍有限（僅為±10％），變頻設備容量比在定子側(cè)調(diào)速要小得多，經(jīng)濟上合算。采用雙饋調(diào)速的另一個重要優(yōu)點是：它從電網(wǎng)吸收的無功功率可通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小及相位進行調(diào)整，即電機的功率因數(shù)可調(diào)，還可進相運行。由于該類泵站機組數(shù)量大，所以采用此技術(shù)以后，對節(jié)約電能及改善當?shù)仉娋W(wǎng)功率因數(shù)將起到重要作用。

交流勵磁雙饋調(diào)速電機轉(zhuǎn)子變頻器既可選用交直交變頻器，也可選用交交（AC/AC）變頻器。由于交交變頻器低頻運行時性能優(yōu)于交直交變頻器，因此泵站電機雙饋調(diào)速采用交交變頻是十分合適的[1][2][3]。本文介紹采用三相零式交交變頻、以16位單片機為控制核心并采用現(xiàn)場可編程芯片作為存儲器與邏輯電路實現(xiàn)的調(diào)速系統(tǒng)設計方案，提出了以期望的功率因數(shù)為參數(shù)、對轉(zhuǎn)速進行反饋調(diào)節(jié)時轉(zhuǎn)子電流幅值、相位等給定值的計算方法，給出了系統(tǒng)的軟硬件設計。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙饋調(diào)速系統(tǒng)由線繞電機M、勵磁變壓器T、交交變頻器及控制電路等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1泵站雙饋電機交流勵磁調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖2電機矢量關(guān)系

圖3兩相到三相矢量變換示意圖

交交變頻主電路在控制電路作用下實現(xiàn)向電機轉(zhuǎn)子供電（超同步運行）或?qū)⑥D(zhuǎn)子能量回饋到電網(wǎng)(低同步運行)。為使轉(zhuǎn)子電流較為平滑、限制誤觸發(fā)瞬時短路電流，主電路中加入了平衡電抗器LP。

控制電路主要完成定子功率因數(shù)、轉(zhuǎn)子電流及轉(zhuǎn)速等檢測，并依據(jù)給定轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)與相應實際值的差別，根據(jù)反饋控制的基本思想，按照一定的控制算法，計算轉(zhuǎn)子供電頻率、電流幅值與相位的期望值，進而確定各晶閘管的觸發(fā)角以實現(xiàn)對晶閘管的控制。實現(xiàn)系統(tǒng)在給定轉(zhuǎn)速（ω＊）和給定功率因數(shù)角（φ＊）附近的穩(wěn)定運行。

對于既定形式的主電路，其參數(shù)可依據(jù)電機基本數(shù)據(jù)如額定功率、輸入電壓、轉(zhuǎn)子感應電勢，及調(diào)速范圍要求等來確定。

3控制方法

如前所述，改變轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的供電參數(shù)來實現(xiàn)的，即通過控制轉(zhuǎn)子的供電頻率、轉(zhuǎn)子電流的幅值與相位來調(diào)速。

3?1轉(zhuǎn)子供電頻率

設ω1為同步轉(zhuǎn)速對應的電源角頻率，ω為電機實際轉(zhuǎn)速對應的電角頻率，ωS為轉(zhuǎn)子供電角頻率。則穩(wěn)態(tài)時有：

ωS=ω1－ω

當實際轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速不同時，可調(diào)整轉(zhuǎn)子供電頻率使實際轉(zhuǎn)速向期望值靠擾。為使電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，采用下式計算轉(zhuǎn)子供電頻率的給定值ωS＊：

ωS＊=ω1－αω＊－(1－α)ω

這里0<α≤1,α可隨轉(zhuǎn)速變化有所改變，特別是當實際轉(zhuǎn)速接近期望轉(zhuǎn)速時，可取α=1。

3?2轉(zhuǎn)子電流幅值與相位設穩(wěn)態(tài)時定子電壓空間矢量為，定子電流空間矢量為，轉(zhuǎn)子電流空間矢量為，不記定子電阻影響，有[4](1)

如果控制系統(tǒng)的功率因素角φ（超前φ記為負值，滯后為正）具有期望值φ＊，并在運行中保持不變，則調(diào)節(jié)定子電流大小即可調(diào)節(jié)輸出有功大小，從而也可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。反過來，當對速度進行反饋調(diào)節(jié)時，速度調(diào)節(jié)器的輸出可認為是定子電流大小的期望值I1＊。為保證實際功率因素角φ=φ＊，應選擇轉(zhuǎn)子電流幅值與相位，使得對期望的I1＊及φ＊，電機矢量關(guān)系式（1）成立。

由圖2可知：

xmI2sinθ=x1I1cosφ

U1－x1I1cosφ=xmI2cosθ故選轉(zhuǎn)子電流幅值、與夾角θ的期望值分別為：I2＊=θ＊=arcsin

當φ＊=0時，定子只從電網(wǎng)吸收有功功率，在泵機提速時可充分利用電機容量。

3?3三相轉(zhuǎn)子電流給定值計算由I2＊及θ＊易計算出轉(zhuǎn)子電流期望值在dq軸分量：=I2＊cosθ＊=－I2＊sinθ＊

已知定子供電角頻率為ω1，期望的轉(zhuǎn)子電流角頻率為ωs＊，采用兩相到三相的旋轉(zhuǎn)變換，如圖3所示可求得轉(zhuǎn)子三相電流的給定值ia＊、ib＊、ic＊：式中：λ=ωs＊t。

采用反饋控制方法，可實現(xiàn)實際轉(zhuǎn)子電流的跟蹤控制。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可采用常用的比例積分調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)響應現(xiàn)場進行調(diào)整。

圖5軟件框圖

4控制電路的硬件、軟件實現(xiàn)

由于控制電路需要對轉(zhuǎn)子電流幅值、相位進行非線性計算，采用計算機控制是適宜的?？紤]到計算量較大且要求計算速度快，因此控制電路采用Intel公司的16位單片機80C196KC[5]為控制核心來實現(xiàn)。

由交交變頻主電路圖可知，轉(zhuǎn)子繞組電流為正時，應由正組晶閘管導通供電，反之由反組晶閘管導通供電。連接到同一相轉(zhuǎn)子繞組的正反組晶閘管不應該同時導通，否則會造成電源短路，損壞變流設備。因此應根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組電流的極性來輸出或封鎖正反組晶閘管的觸發(fā)脈沖。同理，由于晶閘管關(guān)斷需要一定時間，在轉(zhuǎn)子繞組電流過零時，應封鎖該組的所有觸發(fā)脈沖。另外，當檢測到過流等嚴重故障時，也應封鎖觸發(fā)脈沖。為提高系統(tǒng)工作的可靠性，設計時從軟件、硬件兩方面實現(xiàn)了脈沖封鎖邏輯。

現(xiàn)場可編程器件PSD813F1內(nèi)含128k的主快閃存儲器，32k的電可擦除存儲器及2k隨機存儲器，內(nèi)有多達72根輸入線的可編程邏輯陣列及其他硬件。使用一片PSD813F1即可滿足控制電路對多種類型存儲器及主要邏輯功能的要求[6]。

檢測電路將定子電壓、定子電流及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流經(jīng)隔離、濾波與變換后，變成0～5V的電壓信號，由80C196進行采樣處理。同時，檢測電路通過比較等形成轉(zhuǎn)子各相電流的過零與正負極性信號，這些信號直接送PSD813F1，經(jīng)其內(nèi)部可編程的與或邏輯操作，完成對晶閘管觸發(fā)脈沖的輸出與封鎖控制。

液晶顯示與鍵盤輸入由一片89C51控制，89C51與80C196KC之間采用串行通信聯(lián)系。

控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

系統(tǒng)軟件設計的核心是轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制的實現(xiàn)，主要包括循環(huán)執(zhí)行的主程序與中斷程序設計兩部分。軟件框圖如圖5所示。

在主程序中完成采樣數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)速控制器的程序?qū)崿F(xiàn)、轉(zhuǎn)子供電參數(shù)給定值的計算、轉(zhuǎn)子電流控制器實現(xiàn)及晶閘管觸發(fā)角的計算等。并根據(jù)運行按鈕的狀態(tài)來判斷是否終止程序的運行。

中斷程序主要包括：

(1)軟件定時及模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷

80C196KC中A/D轉(zhuǎn)換一次只需約20μs微秒，間隔200μs可保證將定子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子兩相電流采樣一遍。程序設計時采用軟件定時器（HSO8）產(chǎn)生中斷，在每隔200μs一次的中斷程序中起動A/D轉(zhuǎn)換，利用A/D中斷對上述電量依次進行采樣，保存采樣結(jié)果，由主程序處理采樣數(shù)據(jù)。

（2）定時器1溢出—轉(zhuǎn)速測量中斷

轉(zhuǎn)速測量使用光電編碼器，編碼器輸出的脈沖信號經(jīng)整形后直接送80C196KC的定時器2時鐘輸入端，利用定時器1溢出中斷讀取定時器2的記數(shù)，并復位定時器2，由主程序根據(jù)定時器2的記數(shù)計算轉(zhuǎn)速。（3）HSI?HSO輸出觸發(fā)脈沖中斷

晶閘管觸發(fā)脈沖的輸出時刻與轉(zhuǎn)子A相電源的過零點密切相關(guān)。硬件設計時將轉(zhuǎn)子A相電源的過零信號送HSI2輸入端，電源過零觸發(fā)HSI中斷，在HSI中斷程序中完成A組晶閘管觸發(fā)脈沖的輸出，同時起動延時3.3ms的HSO中斷，再在中斷程序中依次完成B、C組晶閘管觸發(fā)脈沖的輸出。

5結(jié)語

由于雙饋調(diào)速所用變頻器的容量與轉(zhuǎn)差率成正比，因此雙饋調(diào)速在電機功率大、調(diào)速范圍窄的場合具有明顯優(yōu)勢，特別是在泵類負載調(diào)速系統(tǒng)中具有廣闊應用前景。本文提出的方案綜合了速度與無功調(diào)節(jié)的需要，控制結(jié)構(gòu)簡明，具有推廣應用價值。