专利名称：一种同步电动机的晶闸管在线监测方法
技术领域：
本发明涉及一种同步电动机的晶闸管在线监测方法。
背景技术：
同步电动机晶闸管励磁装置广泛应用于各种类型的同步电动机上，它采用 晶闸管等电子元器件组成无触点电路控制励磁电流，省去了励》兹发电机、特殊 励磁接触器，与励磁发电机比较，其励磁系统的可靠性、投励成功率、励磁效
率有了极大的提高；同步电动机的运行过程按运行状态可划分为起动、运行、 停车三个过程。在设计中，起动过程中采用两个数字量输入信号亚同步信号 (转子转速未达亚同步/达到亚同步)与转子感应电压极性信号；输出信号有灭 磁控制信号、投励控制信号。运行过程中励磁装置的输入信号有同步信号、励 磁输出电流反馈信号和同步电动机运行时的功率因数信号，同步信号是数字量， 励磁输出电流反馈信号需要处理的唯一的一个模拟量；运行过程中励磁装置的 输出信号有移相、触发脉冲；移相就是以控制角对应的时间定时，定时时间达 到的时刻，发出触发脉沖。停车过程分为逆变停车和非逆变停车，逆变停车过 程中励磁装置的输入信号是同步信号电压过零时刻的开关量；输出信号则是把 移相角设定为逆变状态，发出触发脉冲。 一般多采用非逆变停车过程，仅考虑 输出信号，即灭磁晶闸管的触发信号，使停车过程的感应电流经放电电阻泄放。
一般的励磁装置，其所有环节普遍都是为实现对整流晶闸管进行有效控制 而设置的。但是在静态检测时，由于工作人员调节励磁电压电流的操作和系统 的闭环控制掩盖了故障的现象，使得整流晶闸管的失效、损坏很难被发现；励 磁装置中的状态不稳定的晶闸管对同步电动机有很大的影响，为维持所需的励 磁电压电流，必须使正常的晶闸管的移相角前移，以便用来补充因晶闸管损坏 而不能提供的电压电流，此时即会造成电压波形不对称、瞬间电压过高、励磁 电流波动、对电网造成不平衡的影响的状况，长期持续则会烧坏同步电动机。 因此，倘若励磁装置具有对晶闸管的实时在线监测及状态显示功能，则可保证同步电动^L的正常运^f亍，从而也维护了整个系统。
另外，在晶闸管整流桥的所有晶闸管必须全部都处于完好的情况下，励磁
装置才能够采取逆变停车方式进行停车；否则，在停车过程期间，如果有任何 一个晶闸管使用不佳或已损坏，则采取逆变停车方式必然导致逆变颠覆，立即 烧毁其余全部的晶闸管，以至产生上下桥臂短路而烧坏电机的现象。因此，利 用现有技术而采取逆变停车的方式，存在着较大的风险且达不到良好的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步电动机的晶闸管在线监测方法，具有晶闸管 在线实时监测及状态显示功能和晶闸管预检测功能，以'便在同步电动机起动运 行之前即可以检测出晶闸管的好坏，以克服现有技术不能较早的发现晶闸管故 障、易造成励磁装置带病运行、不能及时检修、逆变停车不稳定的不足。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现
一种同步电动机的晶闸管在线监测方法，包括以下步骤在每个触发脉冲 发出时刻的前后，各测取一个电压值，然后进行比较、运算，判定相应的晶闸 管是否被有效触发；如果晶闸管触发脉沖发出时刻之前测取的电压小于在晶闸 管触发脉冲发出时刻之后测取的电压值，表明晶闸管被触发后有效开通；如果 晶闸管触发脉冲发出时刻之前测取的电压大于在晶闸管触发脉冲发出时刻之后 测取的电压值，说明晶闸管被触发后未有效开通。例如在每个20ms周期的电压 波形图上对应的位置，对励磁电压采样12次，晶闸管触发脉沖发出时刻之前， 测取电压值V12,在晶闸管触发脉冲发出时刻之后，再测取一个电压值V21,然 后将电压值V12、 V21相比较，如果V2DV12，表明晶闸管被触发后有效开通； 如果V21〈V12，说明晶闸管被触发后未有效开通；依次检测完六个晶闸管，然 后才艮据这六个晶闸管的状态判断出晶闸管正常或损坏。
晶闸管的在线监测用同一个单片机来完成，在每个脉冲发出时刻的前后， 通过励磁电压采样电路测取两个励磁电压值，经模数电路转换后，送入单片机 运算，检测出所有晶闸管的状态；用单片机中的一个8位数据寄存器记录晶闸 管的好坏状态，数据寄存器的第l位至第6位分别记录每个晶闸管的好坏状态，正常状态下将该位置于l,反则将该位置于o。
在同步电动机开车之前测试励磁装置的灭》兹和投励环节，人工扳动 一个开
关或按动一个按钮，使JC端点产生一个高电平指令；根据这个指令使单片机发 出晶闸管触发脉冲，并4企测励磁电压，从而冲企测出晶闸管的好坏。
本发明有益效果为具有对全控桥整流晶闸管的实时在线监测功能及晶闸 管状态显示功能；在无需增加任何附加设施或^l喿作程序的情况下，即可在开车 前对整流晶闸管的状况进行预检测，以杜绝厉加兹装置带病投入运行；同步电动 机的起动过程由单片计算机控制灭磁晶闸管，使转子感应电压正负两半波完全 对称，无振荡转矩；停车方式可自动切换，避免发生逆变颠覆，有效的保护了 整流晶闸管。
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述的数控励^磁装置的原理方框图2是本发明实施例所述的灭磁电路原理图3是本发明实施例所述的亚同步转速冲企测电路原理图4是本发明实施例所述的过零信号检测电路原理图5是本发明实施例所述的触发电路原理图6-1是本发明实施例所述正常状态晶闸管励石兹输.出电压的波形测点图； 图6-2是本发明实施例所述的非正常状态晶闸管励磁输出电压的测点图； 图7是本发明实施例所述的晶闸管在线实时监测电路原理图； 图8是本发明实施例所述的功率因数检测电路原理图。
具体实施方式
如图6-1与6-2所示，本发明实施例所述的同步电动机的晶闸管在线监测 方法，主要包括在每个触发脉冲发出时刻的前后，各测取一个电压值，然后 进行比较、运算，判定相应的晶闸管是否被有效触发。图6-1中，在每个周期 (20ms)的电压波形图上对应的位置，对励/磁电压采样12次；如果全部的晶闸 管都处于正常状态，由图6-1中可见，必然存在这样的比值关系V21〉V12， V31〉V22, V41〉V32, V51〉V42， V61〉V52， V11〉V62;如果存在状态不良的晶闸管， 即为如图6-2所示的情况。例如，在晶闸管SCR2触发脉冲发出时刻之前，测取 电压值V12，在SCR2触发脉沖发出时刻之后，再测取一个电压值V21，然后将 电压值V12、 V21相比较，如果V21〉V12，表明SCR2被触发后有效开通；如果 V2KV12，说明V21取在V13处，SCR2被触发后没有有效开通，SCR2的波形丟 失，测取的不是SCR2的波形电压，而是SCR1的波形延续；依次检测完六个晶 闸管，根据这六个晶闸管的状态，通过软件运算以及波形情况，判断出哪个晶 闸管正常，哪个晶闸管损坏。
如图7所示，在晶闸管在线实时监测电路中，单片机的右部连接模数转换 器，模数转换器的右部连接同步电机，同步电动机工作时，用单片机中的一个 8位数据寄存器记录晶闸管的好坏状态；每个晶闸管的触发时刻在程序中可以 直接使用，不用另加电路；在每个脉冲发出时刻的前后，通过AD转换测取两个 励磁电压值，送入单片机运算，检测出所有晶闸管的状态。
如图1-2所示，在起动过程中，其灭磁环节中增加两个光电耦合器Qll、 Q12，光电耦合器由单片机控制。通过调整电位器的阻值，可使灭磁晶闸管(7SCR、 8SCR)在不同的感应电压下导通，根据整流装置额定电压的不同来整定灭^f兹晶闸 管的开放电压，灭磁晶闸管在起动过程中作为二极管，由于同步电动机转子回 路的有效电阻对电机的异步转矩特性影响很大，励磁绕组回路的放电电阻是按 最佳值配置的，异步起动特性最好；当转子感应电流顺.时针流动时，在灭磁晶 闸管未开通阶段，转子回路增加了电阻R,使电机的异步转矩特性变坏；而灭 磁晶闸管开通以后，以及在感应电流逆时针流动时，电阻R又被短接，使异步 转矩特性改善从起动方面考虑，灭磁晶闸管的开放电压整定得越低越好，如同 二极管，励磁回路就不再串接电阻R。从运行方面考虑，灭磁晶闸管的开放电压整定得越高越好，使灭^兹晶闸管完全截止，如同开路一样。因此，把灭磁晶
闸管开放电压的瞬时值确定在额定电压的2. 5-2. 8倍较为理想；在同步电动机 起动时，单片机发出触发信号，通过光电耦合器Qll、 Q12来接通Sl、 S2,在 转子感应电压4艮低的情况下，能触发灭,兹晶闸管7SCR、 8SCR,此触发信号一直 维持到招:励时刻；当转子感应电压G1〉G2时，晶闸管7SCR、 8SCR因一直存在触 发电压，使得转子回路中仅接入了放电电阻Rfdl、Rfd2;当转子感应电压G1〈G2 时，晶闸管7SCR、 8SCR因电流反向而截止，转子回路感应电流通过二极管GZ, 则仅接入了放电电阻。因此，转子感应电压电流两半波是完全对称的，起动过 程中不存在异步转矩波动，从而改善了起动性能。当电机转速达到亚同步时， 单片机发出投励指令，同时关闭晶闸管7SCR、 8SCR的触发脉冲。
如图3所示，在数控励磁装置中，检测电动机转速是否达到亚同步转速的 方法通常是检测电机转子感应交变电压的极性变化，同步电动机起动过程中， Gl、 G2的感应电压达数百伏，而当电动机转速接近亚同步转速时，Gl、 G2的感 应电压又非常低，难以;险测到。为此，可用一个电阻和一个稳压管降压，测取 稳压管两端的电压，最大值才是稳压管的击穿电压；再选用一个电压比较器集 成电5各LM339，测取亚同步信号，LM339的失调电压为2mv，能测出才及低的电位 差，光电藕合器Q21用来隔离单片机与同步电动机的电气联系，74LS04两次反 相，以增大电压比较器的驱动能力，该电路能准确检测出亚同步状态。同步电 动机起动时，转子励磁绕组产生的感应交变电压的频率接近50Hz,如果把同步 电动机正常转速的95°/"见为亚同步转速，即转子感应电压的频率降至2. 5Hz为 亚同步转速，此时转子感应电压的周期为400ms,转子感应G2端电压通过电压 比较器被转变成方波信号，依次经过反相器放大、光电耦合器Q21隔离、送入 单片机计时，随着电动机转速的加快，方波的宽度逐渐加宽，当检测到G2端方 波高电平的宽度达到200ms时，同步电动机的转速就达到了亚同步转速。根据 励磁装置的工作原理，投励就是在同步电动机加速至亚同步转速时刻，开放三 相全控整流桥晶闸管的触发脉冲；用单片机设计的数控励磁装置，发送投励信 号不需要专门的插件，仅在控制软件中设置一条指令既可完成投励操作。为满 足顺极性投励，在同步电机的转速达到了亚同步的时候，还要检测此刻转子的 感应电压是否满足顺极投励的条件，即转子感应电压的极性是否满足G2 > Gl,仍采用检测G2端方波信号的极性的方法；取G2端信号检测亚同步与顺极性条 件，可以优化硬软件设计，G2〉G1期间为顺极性，灭磁晶闸管关断，G2〉G1持 续200ms的时刻，既是达到亚同步信号，也是满足顺极性条件的信号，可立即 投励；因此，用4企测G2端信号的方法同时完成亚同步检测与顺极性检测；顺极
性投励对单灭磁晶闸管电路非常重要，若不满足顺极#:情况而投励后，由于总
是存在G1〉G2的直流电压，灭磁晶闸管无法关断，则使同步电机不能正常工作。
如图4所示，在投励之后同步电动机被牵入同步运行，同步电动机正常运 行的条件是为三相全控桥晶闸管按一定的控制角、每隔60°触发一个相应的晶 闸管，触发脉冲必须与主电路同步，本装置以电源的A相过零时刻作为同步信 号，同步信号通过光电隔离器转变成方波信号，送入单片机处理。移相角由两 部分组成移相角给定值和电动机运行状态的调节值；本装置的参数采用的是 电压信号，即用一个电位器调节，然后将此电压信号经单片机的A/D转换器转 换成移相角，再由单片机运算；电动机运行状态的调节值分为两种情况恒电 流控制方式和恒功率因数控制方式；当恒电流控制方式时，励磁电流发生波动， 控制系统就根据电流波动值的大小调节移相角，使励磁电流维持稳定；当恒功 率因数控制方式时，功率因数发生波动，控制系统就根据功率因数波动值的大 小调节移相角，使功率因数维持稳定。
如图5所示，采用双脉冲触发方式，双脉冲在脉冲变压接线电路上实现。 触发脉冲由单片机中的定时器TO、 Tl中断产生，经反相驱动集成电路输出，取 得电源A相过零信号之后，以控制角对应的时间值定时，启动定时器；在定时 器发生中断时，每间隔60°则依次触发+A、 -C、 +B、 -A、 +C、 -B六个整流晶闸 管。本触发脉沖是由传统励磁装置的从由六个脉冲插件发出，改进为由一片单 片机发出，有效的解决了脉冲插件之间的不协调。
如图8所示，在无功补偿环节中，同步电动机从三相电源中吸取电流的大 小和相位不仅与负载大小有关，还与转子励^兹电流的强弱有关，在电动机的电 源电压恒定，而且负载不变的情况下，改变转子励^磁电流的大小，可以改变定 子电流的大小和相位COSO,从而改变供电网路的功率因数；当转子励磁电流等于额定厉水磁电流时，定子电流最小，C0S①-1，电流与电厚相位相同，此时同
步电动机对电网来说相当于一个电阻负载，从电网吸取的都是有功功率。如果 减少转子励磁电流，则定子电流增加，且相位落后，此时电动机对电网来说相 当于一个感性负载；如果增加转子励i兹电流4吏其大于额定值，则定子电流增加， 电流相位超前于电压，是容性电流。拖动有冲击负载的同步电动机，当负载增
加时，如果保持恒定励-兹，电动机的功率因数降低；当负载超过额定负载时，
功率因数降低幅度加大。功率因数检测电路的输出引脚接入单片机，单片机进 行移相角的运算，改变励磁电流的大小，使同步电动机的功率因数保持稳定， 从而实现无功功率补偿。
在同步电动机起动之前，需要测试励磁装置的灭磁和投励环节，励磁装置
在测试投励操作时，可检测出全部晶闸管的使用状态，可发现损坏的晶闸管； 此外，系统所受的干扰一般来自电源、空间电》兹、输入输出通道等途径，可用 开关电源解决电源干扰；在控制程序中采取软件抗干扰方式，并且由金属罩隔 离，可用来抗空间电》兹干扰；励-兹感应交变电压^r测、电源电压过零4全测、停 车信号、断电信号均为开关量，全用光电隔离器隔离来消除输入通道干扰；输 出通道千扰则采用全控整流桥晶闸管的触发脉冲，由光电隔离器和功率。在停 车过程与起动过程中均设有一灭磁电路，同步电动机正常停车或事故跳闸的情 况下，采用逆变停车方式时，由软件控制使整流晶闸管的控制角调节到140° ; 采用非逆变停车方式时，由软件控制关断整流晶闸管触发脉沖，同时触发灭磁 晶闸管，使转子感应交变电流通过附加电阻泄放。同步电动机工作时，单片机 一直对整流晶闸管进行在线实时监测，并用单片才几中的一个8位数据寄存器记 录晶闸管的状态，其中第l位至第6位分别记录每个晶闸管的好坏状态，正常 状态下将该位置于l,反则将该位置于0;在停车时，单片机检测晶闸管的好坏 状态寄存器，如果该寄存器为0，则全部晶闸管完好，可以进行逆变停车，立 即将触发脉冲的控制角放到逆变角区域，进行逆变停牟；如果晶闸管的好坏状 态寄存器不为0,则表示某个晶闸管有故障，不可以进行逆变停车，立即关闭 晶闸管触发脉冲，运行一般停车方式。
权利要求
1、一种同步电动机的晶闸管在线监测方法，其特征在于包括以下步骤在每个触发脉冲发出时刻的前后各测取一个电压值，然后进行比较、运算，判定相应的晶闸管是否被有效触发；如果晶闸管触发脉冲发出时刻之前测取的电压小于在晶闸管触发脉冲发出时刻之后测取的电压值，表明晶闸管被触发后有效开通；如果晶闸管触发脉冲发出时刻之前测取的电压大于在晶闸管触发脉冲发出时刻之后测取的电压值，说明晶闸管被触发后未有效开通；依次检测完六个晶闸管，根据这六个晶闸管的状态判断出晶闸管正常或损坏。
2、 根据权利要求1所述的同步电动机的晶闸管在线监测方法，其特征在于 在每个20ms周期的电压波形图上对应的位置，对励^磁电压采样12次；晶闸管 触发脉冲发出时刻之前，测取电压值V12,在晶闸管触发脉冲发出时刻之后， 再测取一个电压值V21,然后将电压值V12、 V21相比较，如果V21〉V12，表明 晶闸管被触发后有效开通；如果V2KV12,说明晶闸管被触发后未有效开通。
3、 根据权利要求1或2所述的同步电动机的晶闸管在线监测方法，其特征 在于晶闸管的在线监测用同一个单片机来完成，在每个脉冲发出时刻的前后， 通过励磁电压采样电路测取两个励磁电压值，经模数电路转换后，送入单片机 运算，检测出所有晶闸管的状态；用单片机中的一个8位数据寄存器记录晶闸 管的好坏状态，数据寄存器的第l位至第6位分别记录每个晶闸管的好坏状态， 正常状态下将该位置于l,反则将该位置于0。
4、 根据权利要求1或2所述的同步电动机的晶闸管在线监测方法，其特征 在于在同步电动机开车之前测试励磁装置的灭,兹和投励环节，人工扳动一个 开关或按动一个按钮，使JC端点产生一个高电平指令；才艮据这个指令使单片机 发出晶闸管触发脉冲，并检测励磁电压，从而检测出晶闸管的好坏。
全文摘要
本发明涉及一种同步电动机的晶闸管在线监测方法，包括以下步骤在每个触发脉冲发出时刻前后各测取一个电压值，然后进行比较、运算，判定相应的晶闸管是否被有效触发；如果晶闸管触发脉冲发出时刻之前测取的电压小于在晶闸管触发脉冲发出时刻之后测取的电压值，表明晶闸管被触发后有效开通；如果晶闸管触发脉冲发出时刻之前测取的电压大于在晶闸管触发脉冲发出时刻之后测取的电压值，说明晶闸管被触发后未有效开通；依次检测完六个晶闸管，根据这六个晶闸管的状态判断出晶闸管正常或损坏。本发明有益效果为具有对全控桥整流晶闸管的实时在线监测、状态显示及预检测功能；可在开车前对整流晶闸管的状况进行预检测，以杜绝励磁装置带病投入运行。
文档编号G01R31/02GK101295003SQ20071009793
公开日2008年10月29日 申请日期2007年4月23日 优先权日2007年4月23日
发明者王三汉 申请人:北京顺北方科技有限公司