专利名称：同步电动机励磁恒功角θ闭环自动调节方法及其调节装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种同步电动机励磁恒功角θ闭环自动调节方法及其调节装置。
背景技术：
同步电动机励磁自动调节方式大多采用以下几种恒流调节、恒功率因数调节、恒无功功率调节以及随定子电压波动无级强励调节等。上述调节方式在不同领域中的应用，对提高同步电动机运行的稳定性，起到了一定的作用。但由于上述调节方式应用原理的局限，所以具体到某一种调节方式来说，它只适用于某一种干扰(如拖动负载的突变)，而对于其它干扰(如定子电压突降)却无能为力，所以它们的调节作用是单一的，局部的。
目前最常用的调节方式是恒流调节作为内环，功率因数调节作为外环的双闭环调节方式。它的优点是内环可以提高励磁系统调节的快速性，在励磁电压其一次电压波动时可以迅速调节励磁。外环可充分保证在电机负载波动或电网电压波动时功率因数恒定运行。应该说这是一个比较优秀的调节方式。但它有一个致命的弱点，就是当同步电动机定子电压突降瞬间，由于功率因数的更加超前，在外环的作用下，励磁电流将有一个减小的过程，这无疑是雪上加霜，对同步电动机的稳定度将产生不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对影响同步电动机稳定运行的所有干扰因素都起作用的同步电动机励磁恒功角θ闭环自动调节方法及其调节装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案
一、一种同步电动机励磁恒功角θ闭环自动调节方法(1)输入步骤把同步电动机额定运行时的励磁功角θ0按初始化方法输入调节器中的单片机，以作为比较基准；(2)数据采集步骤由微处理器实时采集经模数转换器变换后的由定子电压传感器和定子电流传感器获取的定子电压U和定子电流I的数字信号(3)励磁功角θ的计算步骤由微处理器用傅立叶算法或者按下述公式(G)算出励磁功角θ； 式中，为定子电压U与定子电流I的夹角，K＝U/I；(4)由调节器中的单片机按偏差Δθ＝θ-θ0改变调节器的输出和执行电路中的整流桥中可控硅的控制角α角，从而改变同步电动机转子励磁电流。
二、实现本发明方法的专用装置本发明的自动调节装置由定子电压传感器、定子电流传感器、模数转换器、微处理器、调节器、执行电路组成，模数转换器的两个输入端分别接定子电压传感器和定子电流传感器的输出端，模数转换器的输出端接微处理器的输入端，微处理器的输出端接调节器的输入端，调节器的输出端与执行电路相连接，执行电路的输出端与同步电动机转子励磁绕组相连接。
本发明的有益效果如下(1)它克服了目前最常用的“双闭环调节方式”存在的缺点，不论是拖动负载的突变，还是电网电压的突变，其调节方向都是增加同步电动机稳定度。
(2)它是一种对影响同步电动机稳定运行的所有干扰因素都起作用的全方位的调节方式，从而实现全方位的提高同步电动机运行的稳定性。
图1为本发明的原理框图。
图2为励磁功角θ的采集及计算的电路原理图。
图3为调节器的电路原理图。
图4为执行电路的电路原理图。
图5为同步电动机(隐极机)等值电路图。
图6为方程式(1)的电势向量图。
具体实施例方式
一、同步电动机励磁恒功角θ闭环自动调节方法(1)输入步骤把同步电动机额定运行时的励磁功角θ0按初始化方法输入调节器中的单片机，以作为比较基准；(2)数据采集步骤由微处理器实时采集经模数转换器变换后的由定子电压传感器和定子电流传感器获取的定子电压U和定子电流I的数字信号(3)励磁功角θ的计算步骤由微处理器用傅立叶算法或者按下述公式(G)算出励磁功角θ； 式中，为定子电压U与定子电流I的夹角，K＝U/I；(4)由调节器中的单片机按偏差Δθ＝θ-θ0改变调节器的输出和执行电路中的整流桥中可控硅的控制角α角，从而改变同步电动机转子励磁电流。
本发明的自动调节方法的工作原理同步电动机运行稳定性不论是静态稳定、暂态稳定还是动态稳定都是与同步电动机励磁功角θ(即同步电动机定转子磁极中心线之间夹角)有着密切关系。同步电动机在额定运行时，θ角通常在30°电角度左右，当运行中的同步电动机受到某种干扰，比如电网电压瞬间降低或者工艺负载突然增加时，电动机的励磁功角θ也随之增大，当隐极同步电动机的θ角超过90°，凸极同步电动机的θ角超过60°～70°时，如不采取强有力的措施，同步电动机就必然失步。所以稳定同步电动机运行的关键点说是要稳定θ角。如果在θ角变化的同时给电动机的转子励磁予以适当的补偿以提高电动机的电势，这对稳定同步电动机运行具有十分重要的意义。由隐极同步电动机公式PT＝(m×U×E0/XC)×sinθ可知(式中，m为相数， 为定子电压， 为电动机空载电势，XC为同步电抗)，若因电网电压U下降，要保持电动机功率PT不变，如果自动提高空载电势E0，就可保证θ角基本不变。在同步电机运行时，实时检测θ角并输入微处理器经运算处理后反馈到调节器的输入端与给定θ0进行比较，其偏差Δθ将改变调节器的输出和整流桥可控硅的控制角α角，从而改变电动机转子的励磁电流。实现电动机励磁功角θ的自动调节(见图1)。
要实现励磁功角θ的自动调节，关键是如何对运行中同步电动机的功角θ进行实时检测。本发明采用的是间接测量方法。根据隐极同步电动机的等值电路(见图5)，可以得到下述电势方程(1)。
U·=E·0+jI·XC---(1)]]>式中 定子电压 定子电流 电动机空载电势XC同步电抗XC＝XS+XAXS定子漏抗XA电枢反应电抗。
上述方程(1)的电势向量图为图6。
在图6中， 与 之间的夹角为电动机励磁功角θ，通过对同步电动机定子运行电流I和定子电压U进行交流采样后再经A/D转换、傅立叶算法就可算得θ角。
在图6中， 与 之间的夹角为功率因数角，由微处理器的单片机U1可直接算出实时的角，在通过上述公式(G)算出励磁功角θ。
二、本发明的自动调节装置的实施例本自动调节装置由定子电压传感器、定子电流传感器、模数转换器、微处理器、调节器、执行电路组成，模数转换器的两个输入端分别接定子电压传感器和定子电流传感器的输出端，模数转换器的输出端接微处理器的输入端，微处理器的输出端接调节器的输入端，调节器的输出端与执行电路相连接，执行电路的输出端与同步电动机转子励磁绕组相连接。
本实施例的定子电压传感器由电流互感器PT1、变压器PT2、电阻R1、电位器RW1组成，电流互感器PT1的初级接与同步电动机定子TD1相连接的电网的B′相和C′相，变压器PT2的初级与电阻R1串联后与电流互感器PT1的次级并联，电位器RW1与变压器PT2的次级并联；定子电流传感器由电流互感器CT1、变压器CT2、电位器RW2组成，电流互感器CT1按常规方法与定子TD1的进线A′相相连接，变压器CT2的初级与电流互感器CT1并联，电位器RW2与变压器CT2的次级并联；模数转换器由集成块U5组成，集成块U5的输入端1、2脚分别接电位器RW2和RW1的动臂。
本实施例的微处理器由单片机U1及其外围元件晶体X1、电容C1-C3、电阻R2、数据锁存器U2、程序存储器U3、地址锁存器U4、非门U6D-U6F、或门U7A-U7D组成；单片机U1、数据锁存器U2、程序存储器U3、地址锁存器U4、模数转换器U5之间通过总线相连接；单片机U1的输出端46脚经非门U6D接程序存储器U3的20脚；单片机U1的输出端61脚分别接程序存储器U3的22脚、或门U7C的9脚、或门U7B的5脚；单片机U1的62脚接数据锁存器U2的11脚；单片机U1的输出端45脚经非门U6F分别接或门U7A的1脚和U7D的13脚；数据锁存器U2的6脚分别接非门U6E的11脚、或门U6D的12脚；非门U6E的输出端10脚接或门U7A的2脚；或门U7A的输出端3脚接或门U7B的4脚；或门U7B的输出端6脚接地址锁存器U4的1脚；或门U7D的输出端11脚分别接或门U7C的10脚和模数转换器U5的7脚；或门U7C的输出端8脚分别接地址锁存器U4的11脚和模数转换器U5的6脚。
本实施例的调节器由单片机U8及其外围元件晶体X2、电容C4-C6、电阻R9、可控硅触发电路、滑差信号输入电路、零压灭磁信号输出电路组成；单片机U8的输入端21脚接单片机U1的输出端18脚；可控硅触发电路由施密特触发器U9A-U9F、光电耦合器U10A-U10F及其外围元件电阻R10-R15、运算放大器U11、脉冲变压器B1-B6及其外围元件二极管D1-D18、电阻R3-R8组成；施密特触发器U9A-U9F的输入端分别接单片机U8的输出端28、29、34、35、26、27脚，施密特触发器U9A-U9F的输出端分别接光电耦合器U10A-U10F的发光二极管的负极，光电耦合器U10A-U10F的发光二极管的正极分别经电阻R10-R15接+5V，光电耦合器U10A-U10F的发射极输出分别接运算放大器U11的输入端7、6、5、4、3、2脚，光电耦合器U10A-U10F的集电极分别接+7V；运算放大器U11的输出端10-15脚分别接脉冲变压器B1-B6的初级的一端，脉冲变压器B1-B6的另一端接+7V，脉冲变压器B1-B6的次级正向输出端分别依次串接有一个二极管和一个电阻后分别接输出端Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9；滑差信号输入电路由光电耦合器U12A、电阻R16-R18、电容C7、C8、二极管D19、稳压二极管DW1组成；滑差信号的输入端Z11依次经二极管D19、电阻R18、R17接光电耦合器U12A的发光二极管的正极，滑差信号的输入端Z12接光电耦合器U12A的发光二极管的负极，稳压二极管DW1与电容C8并联后接在电阻R17与R18的节点与Z12之间，光电耦合器U12A的集电极输出接单片机U8的25脚，光电耦合器U12A的发射极接地，光电耦合器U12A的集电极经电阻R16接+5V；零压灭磁信号输出电路由光电耦合器U12B、晶体管U13、继电器J1、J2、电阻R19、续流二极管D20组成；光电耦合器U12B的发光二极管的负极接单片机U8的24脚，光电耦合器U12B的发光二极管的正极经电阻R19接+5V，晶体管U13的基极接光电耦合器U12B的发射极，晶体管U13的发射极接地，晶体管U13的集电极经继电器J1接光电耦合器U12B的集电极，光电耦合器U12B的集电极接+7V；继电器J2与继电器J1的常开触点J1-1串联后接～220V；继电器J2的常开触点J2-1、J2-2分别控制滑差投励信号的输出端Z13与Z16以及Z14与Z15的通断。
本实施例的执行电路由可控硅主回路及其保护电路、灭磁电路组成，可控硅主回路及其保护电路由三相变压器B0、可控硅1KG-6KG、电阻R24-R32、电容C11-C19组成；可控硅1KG-6KG组成三相可控硅整流桥，三相可控硅整流桥的输出端接同步电动机转子励磁绕组TD2，三相可控硅整流桥的输入端接三相变压器B0的次级；可控硅1KG-6KG的控制极Z1、Z3、Z5、Z6、Z8、Z9分别接脉冲变压器B1-B6的正向输出端Z1、Z3、Z5、Z6、Z8、Z9；可控硅1KG、3KG、5KG的阴极接脉冲变压器B1、B3、B5的负向共同输出端Z2，可控硅4KG、6KG、9KG的阴极分别接脉冲变压器B2、B6、B4的负向输出端Z7、Z10、Z4；灭磁电路由可控硅7KG、8KG、灭磁电阻RF1、RF2、电阻R20-R23、电位器RW3、RW4、电容C9、C10、二极管D21-D23、稳压二极管DW2、DW3、联动灭磁开关AN1、AN2组成的常规灭磁电路；灭磁电阻RF2、可控硅8KG、7KG、灭磁电阻RF1依次串联后与同步电动机转子励磁绕组TD2并联，电阻R21、电位器RW4、电阻R20、电位器RW3依次串联后接在节点H1和节点H2之间，节点H1为灭磁电阻RF2与可控硅8KG的节点，节点H2为可控硅7KG与灭磁电阻RF1的节点，电位器RW4的动臂接可控硅8KG的阴极；稳压二极管DW3与二极管D22串联后接在电阻R21与电位RW4的节点与可控硅8KG的控制极之间，稳压二极管DW2与二极管D21串联后接在电阻R20与电位器RW3的节点与可控硅7KG的控制极之间，电位器RW3的动臂接节点H2，灭磁电阻RF1的两端Z11、Z12为滑差信号输出端；电阻R22与灭磁开关AN1串联后接在可控硅7KG的阳极和稳压二极管DW2的正极之间；电阻R23与灭磁开关AN2串联后接在可控硅8KG的阳极和稳压二极管DW3的正极之间；续流二极管D23接在节点H1与H2之间；零压灭磁信号的输入端Z14、Z15与灭磁开关AN1并联，零压灭磁信号的输入端Z13、Z16与灭磁开关AN2并联。
本发明的自动调节装置的工作原理如下定子电压互感器和定子电流互感器把采集到的定子电压U和定子电流I送到模数转换器U5，经A/D转换后送入微处理器的单片机U1，经傅立叶算法得出功角θ；微处理器的单片机U1通过串行口通讯将功角θ值送至调节器的单片机U8(U1的输出端18脚至U8的输入端21脚，见图2、3)。
调节器的单片机U8将实时采集到的θ与给定的θ0进行比较，其偏差Δθ＝θ-θ0。将改变单片机U8的输出，U8的输出端28、29、34、35、26、27脚共六路输出分别经施密特触发器U9A-U9F整形后，在分别依次经光电耦合器U10A-U10F、运算放大器U11、脉冲变压器B1-B6，最后分别对整流桥的可控硅1KG-6KG的控制极进行控制。
由于根据Δθ实时改变可控硅1KG-6KG的控制角α角，从而改变了同步电动机转子励磁绕组TD2的励磁电流，实现电动机励磁功角θ的自动调节。
灭磁电路的工作过程如下同步电动机起动后至投励前的这一段时间内，整流桥中的可控硅1KG-6KG处于阻断状态，在起动过程中，转子励磁绕组TD2所感应出的交变电压，开始时此电压未达到灭磁可控硅7KG、8KG的导通电压值，相当于励磁绕组开路启动，感应电压急剧上升，当感应电压瞬间值上升至灭磁可控硅7KG、8KG的导通电压时，7KG、8KG导通工作，接入灭磁电阻RF1、RF2。直至此半波结束时，灭磁可控硅阳极电压过零而自行关断。
电位器RW3、RW4的作用是改变7KG、8KG导通电压值。联动灭磁开关AN1、AN2的功能为在较低的直流输出电压下，按下此开关，灭磁可控硅7KG、8KG导通，用于检测灭磁环节是否正常。
同步电动机在启动的整个过程中，其转子励磁绕组TD2感应可变电压的频率随转子的加速而降低。单片机U8通过Z11、Z12采集转子感应的交变电压的频率信号(即滑差信号)，当其满足一定条件后，单片机U8发出触发脉冲，从而投入励磁，将电动机拖入同步运行。
继电器J1、J2的作用当电动机启动时，单片机U8控制继电器J1、J2吸合，进行零压灭磁；当采集到滑差信号时，单片机U8断开继电器J1、J2，然后进行滑差投励。
权利要求
1.一种同步电动机励磁恒功角θ闭环自动调节方法，其特征在于(1)输入步骤把同步电动机额定运行时的励磁功角θ0按初始化方法输入调节器中的单片机，以作为比较基准；(2)数据采集步骤由微处理器实时采集经模数转换器变换后的由定子电压传感器和定子电流传感器获取的定子电压U和定子电流I的数字信号；(3)励磁功角θ的计算步骤由微处理器用傅立叶算法或者按下述公式(G)算出励磁功角θ； 式中，为定子电压U与定子电流I的夹角，K＝U/I；(4)由调节器中的单片机按偏差Δθ＝θ-θ0改变调节器的输出和执行电路中的整流桥中可控硅的控制角α角，从而改变同步电动机转子励磁电流。
2.一种同步电动机励磁恒功角θ闭环自动调节装置，其特征在于它由定子电压传感器、定子电流传感器、模数转换器、微处理器、调节器、执行电路组成，模数转换器的两个输入端分别接定子电压传感器和定子电流传感器的输出端，模数转换器的输出端接微处理器的输入端，微处理器的输出端接调节器的输入端，调节器的输出端与执行电路相连接，执行电路的输出端与同步电动机转子励磁绕组相连接。
3.根据权利要求2所述的调节装置，其特征在于定子电压传感器由电流互感器PT1、变压器PT2、电阻R1、电位器RW1组成，电流互感器PT1的初级接与同步电动机定子TD1相连接的电网的B′相和C′相，变压器PT2的初级与电阻R1串联后与电流互感器PT1的次级并联，电位器RW1与变压器PT2的次级并联；定子电流传感器由电流互感器CT1、变压器CT2、电位器RW2组成，电流互感器CT1按常规方法与定子TD1的进线A′相相连接，变压器CT2的初级与电流互感器CT1并联，电位器RW2与变压器CT2的次级并联；模数转换器由集成块U5组成，集成块U5的输入端1、2脚分别接电位器RW2和RW1的动臂。
4.根据权利要求3所述的调节装置，其特征在于微处理器由单片机U1及其外围元件晶体X1、电容C1-C3、电阻R2、数据锁存器U2、程序存储器U3、地址锁存器U4、非门U6D-U6F、或门U7A-U7D组成；单片机U1、数据锁存器U2、程序存储器U3、地址锁存器U4、模数转换器U5之间通过总线相连接；单片机U1的输出端46脚经非门U6D接程序存储器U3的20脚；单片机U1的输出端61脚分别接程序存储器U3的22脚、或门U7C的9脚、或门U7B的5脚；单片机U1的62脚接数据锁存器U2的11脚；单片机U1的输出端45脚经非门U6F分别接或门U7A的1脚和U7D的13脚；数据锁存器U2的6脚分别接非门U6E的11脚、或门U6D的12脚；非门U6E的输出端10脚接或门U7A的2脚；或门U7A的输出端3脚接或门U7B的4脚；或门U7B的输出端6脚接地址锁存器U4的1脚；或门U7D的输出端11脚分别接或门U7C的10脚和模数转换器U5的7脚；或门U7C的输出端8脚分别接地址锁存器U4的11脚和模数转换器U5的6脚。
5.根据权利要求4所述的调节装置，其特征在于调节器由单片机U8及其外围元件晶体X2、电容C4-C6、电阻R9、可控硅触发电路、滑差信号输入电路、零压灭磁信号输出电路组成；单片机U8的输入端21脚接单片机U1的输出端18脚；可控硅触发电路由施密特触发器U9A-U9F、光电耦合器U10A-U10F及其外围元件电阻R10-R15、运算放大器U11、脉冲变压器B1-B6及其外围元件二极管D1-D18、电阻R3-R8组成；施密特触发器U9A-U9F的输入端分别接单片机U8的输出端28、29、34、35、26、27脚，施密特触发器U9A-U9F的输出端分别接光电耦合器U10A-U10F的发光二极管的负极，光电耦合器U10A-U10F的发光二极管的正极分别经电阻R10-R15接+5V，光电耦合器U10A-U10F的发射极输出分别接运算放大器U11的输入端7、6、5、4、3、2脚，光电耦合器U10A-U10F的集电极分别接+7V；运算放大器U11的输出端10-15脚分别接脉冲变压器B1-B6的初级的一端，脉冲变压器B1-B6的另一端接+7V，脉冲变压器B1-B6的次级正向输出端分别依次串接有一个二极管和一个电阻后分别接输出端Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9；滑差信号输入电路由光电耦合器U12A、电阻R16-R18、电容C7、C8、二极管D19、稳压二极管DW1组成；滑差信号的输入端Z11依次经二极管D19、电阻R18、R17接光电耦合器U12A的发光二极管的正极，滑差信号的输入端Z12接光电耦合器U12A的发光二极管的负极，稳压二极管DW1与电容C8并联后接在电阻R17与R18的节点与Z12之间，光电耦合器U12A的集电极输出接单片机U8的25脚，光电耦合器U12A的发射极接地，光电耦合器U12A的集电极经电阻R16接+5V；零压灭磁信号输出电路由光电耦合器U12B、晶体管U13、继电器J1、J2、电阻R19、续流二极管D20组成；光电耦合器U12B的发光二极管的负极接单片机U8的24脚，光电耦合器U12B的发光二极管的正极经电阻R19接+5V，晶体管U13的基极接光电耦合器U12B的发射极，晶体管U13的发射极接地，晶体管U13的集电极经继电器J1接光电耦合器U12B的集电极，光电耦合器U12B的集电极接+7V；继电器J2与继电器J1的常开触点J1-1串联后接～220V；继电器J2的常开触点J2-1、J2-2分别控制零压灭磁信号的输出端Z13与Z16以及Z14与Z15的通断。
6.根据权利要求5所述的调节装置，其特征在于执行电路由可控硅主回路及其保护电路、灭磁电路组成，可控硅主回路及其保护电路由三相变压器B0、可控硅1KG-6KG、电阻R24-R32、电容C11-C19组成；可控硅1KG-6KG组成三相可控硅整流桥，三相可控硅整流桥的输出端接同步电动机转子励磁绕组TD2，三相可控硅整流桥的输入端接三相变压器B0的次级；可控硅1KG-6KG的控制极Z1、Z3、Z5、Z6、Z8、Z9分别接脉冲变压器B1-B6的正向输出端Z1、Z3、Z5、Z6、Z8、Z9；可控硅1KG、3KG、5KG的阴极接脉冲变压器B1、B3、B5的负向共同输出端Z2，可控硅4KG、6KG、9KG的阴极分别接脉冲变压器B2、B6、B4的负向输出端Z7、Z10、Z4；灭磁电路由可控硅7KG、8KG、灭磁电阻RF1、RF2、电阻R20-R23、电位器RW3、RW4、电容C9、C10、二极管D21-D23、稳压二极管DW2、DW3、联动灭磁开关AN1、AN2组成的常规灭磁电路；灭磁电阻RF2、可控硅8KG、7KG、灭磁电阻RF1依次串联后与同步电动机转子励磁绕组TD2并联，电阻R21、电位器RW4、电阻R20、电位器RW3依次串联后接在节点H1和节点H2之间，节点H1为灭磁电阻RF2与可控硅8KG的节点，节点H2为可控硅7KG与灭磁电阻RF1的节点，电位器RW4的动臂接可控硅8KG的阴极；稳压二极管DW3与二极管D22串联后接在电阻R21与电位RW4的节点与可控硅8KG的控制极之间，稳压二极管DW2与二极管D21串联后接在电阻R20与电位器RW3的节点与可控硅7KG的控制极之间，电位器RW3的动臂接节点H2，灭磁电阻RF1的两端Z11、Z12为滑差信号输出端；电阻R22与灭磁开关AN1串联后接在可控硅7KG的阳极和稳压二极管DW2的正极之间；电阻R23与灭磁开关AN2串联后接在可控硅8KG的阳极和稳压二极管DW3的正极之间；续流二极管D23接在节点H1与H2之间；零压灭磁信号的输入端Z14、Z15与灭磁开关AN1并联，零压灭磁信号的输入端Z13、Z16与灭磁开关AN2并联。
全文摘要
本发明涉及一种同步电动机励磁恒功角θ闭环自动调节方法及其调节装置，本发明的自动调节方法是由微处理器采集定子电压和定子电流，并计算出励磁功角θ，再由调节器中的单片机按Δθ改变调节器的输出和整流桥中可控硅的控制角，从而改变同步电动机转子的励磁电流。本发明的自动调节装置由定子电压传感器、定子电流传感器、模数转换器、微处理器、调节器、执行电路组成，模数转换器的两个输入端分别接定子电压传感器和定子电流传感器的输出端，模数转换器的输出端接微处理器的输入端，微处理器的输出端接调节器的输入端，调节器的输出端与执行电路相连接，执行电路的输出端与同步电动机转子励磁绕组相连接。本发明的有益效果是它是一种对影响同步电动机稳定运行的所有干扰因素都起作用作方位的调节方式。
文档编号H02P9/14GK1734926SQ20051001272
公开日2006年2月15日 申请日期2005年8月8日 优先权日2005年8月8日
发明者王文友, 许强, 王书岩, 董兵贤, 刘新安, 丁川, 梁智圣, 徐晓亮 申请人:河北省电子信息技术研究院