泵站電機(jī)交流勵(lì)磁調(diào)速的控制技術(shù)

1引言

為減少洪澇災(zāi)害，我國在大江大河流域建設(shè)了許多電力排灌站。一般電力排灌站設(shè)計(jì)為固定揚(yáng)程。在洪澇期間，外江水位超過設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)，泵站被迫停機(jī)，使內(nèi)河漬水不能及時(shí)排出，給國家和人民財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失。如果此時(shí)能使電機(jī)超同步運(yùn)行如提速5％，則水泵揚(yáng)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(jī)的問題，減少內(nèi)河澇災(zāi)損失。因此實(shí)現(xiàn)此類電機(jī)的超同步運(yùn)行具有很大的社會(huì)與效益。

由于泵用電動(dòng)機(jī)定子側(cè)供電電壓為高壓，在定子側(cè)采用變頻調(diào)速時(shí)，調(diào)速設(shè)備價(jià)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(jī)要求調(diào)速范圍有限（僅為±10％），變頻設(shè)備容量比在定子側(cè)調(diào)速要小得多，經(jīng)濟(jì)上合算。采用雙饋調(diào)速的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是：它從電網(wǎng)吸收的無功功率可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小及相位進(jìn)行調(diào)整，即電機(jī)的功率因數(shù)可調(diào)，還可進(jìn)相運(yùn)行。由于該類泵站機(jī)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(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)功率因數(shù)將起到重要作用。

交流勵(lì)磁雙饋調(diào)速電機(jī)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(yùn)行時(shí)性能優(yōu)于交直交變頻器，因此泵站電機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提出了以期望的功率因數(shù)為參數(shù)、對轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)時(shí)轉(zhuǎn)子電流幅值、相位等給定值的計(jì)算方法，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙饋調(diào)速系統(tǒng)由線繞電機(jī)M、勵(lì)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(jī)交流勵(lì)磁調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖2電機(jī)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(shí)現(xiàn)向電機(jī)轉(zhuǎn)子供電（超同步運(yùn)行）或?qū)⑥D(zhuǎn)子能量回饋到電網(wǎng)(低同步運(yùn)行)。為使轉(zhuǎn)子電流較為平滑、限制誤觸發(fā)瞬時(shí)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(yīng)實(shí)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(jì)算轉(zhuǎn)子供電頻率、電流幅值與相位的期望值，進(jìn)而確定各晶閘管的觸發(fā)角以實(shí)現(xiàn)對晶閘管的控制。實(shí)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(yùn)行。

對于既定形式的主電路，其參數(shù)可依據(jù)電機(jī)基本數(shù)據(jù)如額定功率、輸入電壓、轉(zhuǎn)子感應(yīng)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(shí)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(shè)ω1為同步轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源角頻率，ω為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電角頻率，ωS為轉(zhuǎn)子供電角頻率。則穩(wěn)態(tài)時(shí)有：

ωS=ω1－ω

當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速不同時(shí)，可調(diào)整轉(zhuǎn)子供電頻率使實(shí)際轉(zhuǎn)速向期望值靠擾。為使電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，采用下式計(jì)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(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速接近期望轉(zhuǎn)速時(shí)，可取α=1。

3?2轉(zhuǎn)子電流幅值與相位設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)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(fù)值，滯后為正）具有期望值φ＊，并在運(yùn)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(dāng)對速度進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)時(shí)，速度調(diào)節(jié)器的輸出可認(rèn)為是定子電流大小的期望值I1＊。為保證實(shí)際功率因素角φ=φ＊，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)子電流幅值與相位，使得對期望的I1＊及φ＊，電機(jī)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(dāng)φ＊=0時(shí)，定子只從電網(wǎng)吸收有功功率，在泵機(jī)提速時(shí)可充分利用電機(jī)容量。 

3?3三相轉(zhuǎn)子電流給定值計(jì)算由I2＊及θ＊易計(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(yīng)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整。

圖5軟件框圖

4控制電路的硬件、軟件實(shí)現(xiàn)

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

由交交變頻主電路圖可知，轉(zhuǎn)子繞組電流為正時(shí)，應(yīng)由正組晶閘管導(dǎo)通供電，反之由反組晶閘管導(dǎo)通供電。連接到同一相轉(zhuǎn)子繞組的正反組晶閘管不應(yīng)該同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)造成電源短路，損壞變流設(shè)備。因此應(yīng)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(shí)間，在轉(zhuǎn)子繞組電流過零時(shí)，應(yīng)封鎖該組的所有觸發(fā)脈沖。另外，當(dāng)檢測到過流等嚴(yán)重故障時(shí)，也應(yīng)封鎖觸發(fā)脈沖。為提高系統(tǒng)工作的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)從軟件、硬件兩方面實(shí)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(jī)存儲器，內(nèi)有多達(dá)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(jìn)行采樣處理。同時(shí)，檢測電路通過比較等形成轉(zhuǎn)子各相電流的過零與正負(fù)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(shè)計(jì)的核心是轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)，主要包括循環(huán)執(zhí)行的主程序與中斷程序設(shè)計(jì)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(jì)算、轉(zhuǎn)子電流控制器實(shí)現(xiàn)及晶閘管觸發(fā)角的計(jì)算等。并根據(jù)運(yùn)行按鈕的狀態(tài)來判斷是否終止程序的運(yùn)行。

中斷程序主要包括：

(1)軟件定時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)采用軟件定時(shí)器（HSO8）產(chǎn)生中斷，在每隔200μs一次的中斷程序中起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，利用A/D中斷對上述電量依次進(jìn)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(shí)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(shí)器2時(shí)鐘輸入端，利用定時(shí)器1溢出中斷讀取定時(shí)器2的記數(shù)，并復(fù)位定時(shí)器2，由主程序根據(jù)定時(shí)器2的記數(shù)計(jì)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(shí)刻與轉(zhuǎn)子A相電源的過零點(diǎn)密切相關(guān)。硬件設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)起動(dòng)延時(shí)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(jī)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(fù)載調(diào)速系統(tǒng)中具有廣闊應(yīng)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(yīng)用價(jià)值。