泵站电机交流励磁调速的控制技术

    摘要：针对农用电力排灌站电动机调速改造问题，讨论了采用交流励磁和交交变频实现超/低同步调速的控制方法，给出了以16位单片机及现场可编程集成电路为核心的控制系统软硬件设计。

    关键词：交流调速  交交变频  计算机控制

1 引言

为减少洪涝灾害，我国在大江大河流域建设了许多电力排灌站。一般电力排灌站设计为固定扬程。在洪涝期间，外江水位超过设计扬程时，泵站被迫停机，使内河渍水不能及时排出，给国家和人民财产带来严重损失。如果此时能使电机超同步运行如提速5％，则水泵扬程可提高10％左右，这可在很大程度上解决水泵因外江水位过高而被迫停机的问题，减少内河涝灾损失。因此实现此类电机的超同步运行具有很大的社会与效益。

由于泵用电动机定子侧供电电压为高压，在定子侧采用变频调速时，调速设备价格昂贵，且升速受供电电压限制。如采用双馈调速，则因泵机要求调速范围有限（仅为±10％），变频设备容量比在定子侧调速要小得多，经济上合算。采用双馈调速的另一个重要优点是：它从电网吸收的无功功率可通过调节励磁电流的大小及相位进行调整，即电机的功率因数可调，还可进相运行。由于该类泵站机组数量大，所以采用此技术以后，对节约电能及改善当地电网功率因数将起到重要作用。

交流励磁双馈调速电机转子变频器既可选用交直交变频器，也可选用交交（AC/AC）变频器。由于交交变频器低频运行时性能优于交直交变频器，因此泵站电机双馈调速采用交交变频是十分合适的[1][2][3]。本文介绍采用三相零式交交变频、以16位单片机为控制核心并采用现场可编程芯片作为存储器与逻辑电路实现的调速系统设计方案，提出了以期望的功率因数为参数、对转速进行反馈调节时转子电流幅值、相位等给定值的计算方法，给出了系统的软硬件设计。

2 系统结构

双馈调速系统由线绕电机M、励磁变压器T、交交变频器及控制电路等构成。系统结构如图1所示。

交交变频主电路在控制电路作用下实现向电机转子供电（超同步运行）或将转子能量回馈到电网(低同步运行)。为使转子电流较为平滑、限制误触发瞬时短路电流，主电路中加入了平衡电抗器LP。

控制电路主要完成定子功率因数、转子电流及转速等检测，并依据给定转速、功率因数与相应实际值的差别，根据反馈控制的基本思想，按照一定的控制算法，计算转子供电频率、电流幅值与相位的期望值，进而确定各晶闸管的触发角以实现对晶闸管的控制。实现系统在给定转速（ω＊）和给定功率因数角（φ＊）附近的稳定运行。

对于既定形式的主电路，其参数可依据电机基本数据如额定功率、输入电压、转子感应电势，及调速范围要求等来确定。

3 控制方法

如前所述，改变转速是通过调节转子的供电参数来实现的，即通过控制转子的供电频率、转子电流的幅值与相位来调速。

3.1 转子供电频率

设ω1为同步转速对应的电源角频率，ω为电机实际转速对应的电角频率，ωS为转子供电角频率。则稳态时有：

ωS=ω1－ω

当实际转速和期望转速不同时，可调整转子供电频率使实际转速向期望值靠扰。为使电机转速平稳变化，采用下式计算转子供电频率的给定值ωS＊：

    这里0<α≤1,α可随转速变化有所改变，特别是当实际转速接近期望转速时，可取α=1。

3.2 转子电流幅值与相位

    设稳态时定子电压空间矢量为，定子电流空间矢量为，转子电流空间矢量为，不记定子电阻影响，有[4]

    如果控制系统的功率因素角φ（超前φ记为负值，滞后为正）具有期望值φ＊，并在运行中保持不变，则调节定子电流大小即可调节输出有功大小，从而也可调节转速。反过来，当对速度进行反馈调节时，速度调节器的输出可认为是定子电流大小的期望值I1＊。为保证实际功率因素角φ=φ＊，应选择转子电流幅值与相位，使得对期望的I1＊及φ＊，电机矢量关系式（1）成立。

由图2可知：

xmI2sinθ=x1I1cosφ

U1－x1I1cosφ=xmI2cosθ

故选转子电流幅值、与夹角θ的期望值分别为：

    当φ＊=0时，定子只从电网吸收有功功率，在泵机提速时可充分利用电机容量。

3.3 三相转子电流给定值计算

    由I2＊及θ＊易计算出转子电流期望值在dq轴分量：=I2＊cosθ＊=－I2＊sinθ＊

    已知定子供电角频率为ω1，期望的转子电流角频率为ωs＊，采用两相到三相的旋转变换，如图3所示可求得转子三相电流的给定值ia＊、ib＊、ic＊：

    式中：λ=ωs＊t。

采用反馈控制方法，可实现实际转子电流的跟踪控制。

转速调节器可采用常用的比例积分调节器，调节器参数可根据系统响应现场进行调整。

4 控制电路的硬件、软件实现

由于控制电路需要对转子电流幅值、相位进行非线性计算，采用计算机控制是适宜的。考虑到计算量较大且要求计算速度快，因此控制电路采用Intel公司的16位单片机80C196KC[5]为控制核心来实现。

由交交变频主电路图可知，转子绕组电流为正时，应由正组晶闸管导通供电，反之由反组晶闸管导通供电。连接到同一相转子绕组的正反组晶闸管不应该同时导通，否则会造成电源短路，损坏变流设备。因此应根据转子绕组电流的极性来输出或封锁正反组晶闸管的触发脉冲。同理，由于晶闸管关断需要一定时间，在转子绕组电流过零时，应封锁该组的所有触发脉冲。另外，当检测到过流等严重故障时，也应封锁触发脉冲。为提高系统工作的可靠性，设计时从软件、硬件两方面实现了脉冲封锁逻辑。

现场可编程器件PSD813F1内含128k的主快闪存储器，32k的电可擦除存储器及2k随机存储器，内有多达72根输入线的可编程逻辑阵列及其他硬件。使用一片PSD813F1即可满足控制电路对多种类型存储器及主要逻辑功能的要求[6]。

检测电路将定子电压、定子电流及转速、转子电流经隔离、滤波与变换后，变成0～5V的电压信号，由80C196进行采样处理。同时，检测电路通过比较等形成转子各相电流的过零与正负极性信号，这些信号直接送PSD813F1，经其内部可编程的与或逻辑操作，完成对晶闸管触发脉冲的输出与封锁控制。

液晶显示与键盘输入由一片89C51控制，89C51与80C196KC之间采用串行通信联系。

控制电路结构框图如图4所示。

系统软件设计的核心是转速、转子电流闭环控制的实现，主要包括循环执行的主程序与中断程序设计两部分。软件框图如图5所示。

在主程序中完成采样数据处理、转速控制器的程序实现、转子供电参数给定值的计算、转子电流控制器实现及晶闸管触发角的计算等。并根据运行按钮的状态来判断是否终止程序的运行。

中断程序主要包括：

(1)软件定时及模数转换中断

80C196KC中A/D转换一次只需约20μs微秒，间隔200μs可保证将定子电压、定子电流、转子两相电流采样一遍。程序设计时采用软件定时器（HSO8）产生中断，在每隔200μs一次的中断程序中起动A/D转换，利用A/D中断对上述电量依次进行采样，保存采样结果，由主程序处理采样数据。

（2）定时器1溢出—转速测量中断

转速测量使用光电编码器，编码器输出的脉冲信号经整形后直接送80C196KC的定时器2时钟输入端，利用定时器1溢出中断读取定时器2的记数，并复位定时器2，由主程序根据定时器2的记数计算转速。

（3）HSIHSO输出触发脉冲中断

晶闸管触发脉冲的输出时刻与转子A相电源的过零点密切相关。硬件设计时将转子A相电源的过零信号送HSI2输入端，电源过零触发HSI中断，在HSI中断程序中完成A组晶闸管触发脉冲的输出，同时起动延时3.3ms的HSO中断，再在中断程序中依次完成B、C组晶闸管触发脉冲的输出。

5 结语

由于双馈调速所用变频器的容量与转差率成正比，因此双馈调速在电机功率大、调速范围窄的场合具有明显优势，特别是在泵类负载调速系统中具有广阔应用前景。本文提出的方案综合了速度与无功调节的需要，控制结构简明，具有推广应用价值。