无刷同步电动机智能全数字励磁系统研究

武汉科技大学 硕士学位论文 第55页摘 要同步电机由于具有功率因数高、运行效率高的优点，在工业领域得到广泛的应用。尤其是近年来水利、冶金、化工等行业的迅速发展，使得同步电机的市场需求很大。励磁系统是同步电机正常工作的核心部件。工业的发展要求同步电机的励磁系统有更好的性能，要求励磁系统具有限制、报警、监控、保护等功能。励磁系统的发展方向是数字化、智能化。其主要体现在励磁调节器和功率单元的数字化上。基于国内同步电机的励磁发展现状，本文介绍了一种无刷同步机智能全数字励磁系统的设计。在无刷励磁同步电动机励磁系统的智能控制中，将模糊控制和神经网络算法引入同步电动机功率因数控制系统，从而构成了模糊神经控制器，实现电机启动阶段的控制。当电机转速达到给定值后，由PID调节器起作用，实现无差控制，输出西门子6RA70整流器电流的给定值，以控制励磁发电机的励磁电流。模糊控制和神经网络相结合，充分利用了二者优势互补的特点，进一步提高了系统的动态性能和鲁棒性。传统PID的控制，保证了稳态时系统的无差控制。将模糊神经控制器与传统的PID调节器结合起来调节功率因数，使系统具有更好的动态性能和稳态性能。关键词：同步电机；无刷励磁；PID；模糊控制；神经网络；S7-300PLCAbstractBecause of its advantages by high power factor and efficiency, synchronous motor to be widely used in industrial areas. Particularly, water conservancy, metallurgy, chemical industry is developing rapidly in recent years , the market demand of synchronous motor is great. The excitation system of Synchronous motor is the core components for its normal work. The development of Industra demand the excitation system a better performance ,and demand it has restrictions, alarm, protection, and other functions. This is reflected in the development of digital, intelligent, and it main reflected in the digital excitation regulator and power units.Based on the situation of excitation of synchronous motor in our country, this paper for a brushless synchronous digital excitation system-wide intelligent design. Algoirthms of fuzzy control and neural network have been introduced to the power factor control system of the synchromotor, so as to form the fuzzy-neural controller to force control during its starting stage in the intelligent control of the brushless excitation system of the synchromotor. When the speed reaches its rated value of the motor, the PID controller will activate to force zero error control to bring the given current value to SIEMENS 6RA70 rectifier,which will control the excitation curent of the generator. The combination of fuzzy control and neural network takes full advantage of the specialty which offsets each other to improve the dynamic and robust performance of the system further.The traditional PID control assures no error control in stable. Key words:Synchronous motor;Brushless excitation;PID;Fuzzy control;Neural network; S7-300PLC目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 引言11.2 无刷励磁同步电动机的工作原理及其发展情况11.2.1 无刷励磁同步电动机的工作原理11.2.2 无刷励磁同步电动机在国内外的发展情况21.3 本课题研究的主要目的、需要解决的主要问题以及主要研究内容31.3.1 课题研究的主要目的31.3.2 课题需要解决的主要问题31.3.3 课题的主要研究内容4第二章 同步电动机无刷励磁系统的概述与分析52.1 同步电动机的结构及特点52.1.1 同步电动机的结构52.1.2 同步电动机的特点52.2 同步电动机无刷励磁系统的概述与分析62.2.1 励磁系统的概述62.2.2 同步电动机无刷励磁系统的结构62.3 无刷励磁系统的工作原理及特点82.3.1 无刷励磁的工作原理82.3.2 无刷励磁系统的特点82.4 同步电动机无刷励磁系统的分析82.4.1 以模拟量控制为控制单元，采用晶体三极管、分立元件触发的无刷励磁系统82.4.2 以模拟量控制、PID调节器为控制单元，采用分立元件、集成移相、触发器触发的无刷励磁系统92.4.3 以模拟量控制、数字控制(8位或16位单片机)为控制单元，采用数字式触发器触发的无刷励磁系统112.5 本章小节14第三章 PID控制概述153.1 模拟PID153.2 数字PID17第四章 模糊控制理论204.1 模糊控制系统的基本结构及控制原理204.1.1 模糊化过程214.1.2 知识库214.1.3 模糊推理224.1.4 精确化过程224.2 基本模糊控制器的设计234.3 模糊控制的优缺点及解决措施27第五章 神经网络理论285.1 神经网络的结构285.2 神经元模型295.3 神经元网络的学习方法315.4 神经元网络的实现325.5 神经元网络的特点及在控制领域的应用335.6 BP神经网络345.6.1 BP神经元网络结构345.6.2 BP神经网络的学习345.7 RBF神经网络365.7.1 RBF神经网络的结构365.7.2 RBF神经网络的学习方法375.8 基于神经网络的模型辨识385.9 本章小节39第六章 同步电动机无刷励磁系统的设计406.1 无刷励磁系统的设计406.1.1 主回路设计406.1.2 PID控制器设计426.1.3 控制模块设计436.1.3.1 控制模块的功能436.1.3.2 稳压电源模块436.1.3.3 频率检测投励模块446.1.3.4 灭磁控制电路446.2 系统硬件电气原理图456.3 系统实现框图476.4 励磁系统的PLC程序设计476.4.1 励磁系统的PLC程序设计流程476.4.2 励磁系统编程的实现486.4.3 系统I/O分配496.5 S7300PLC与6RA70的PROFIBUS-DP通信506.6 同步电动机的电气保护506.6.1 励磁回路的电气保护506.6.2 定子主回路的电气保护51结束语52参考文献53致谢55第一章 绪论1.1 引言自从直流电机出现后，电机不断朝大容量方向发展，由于直流电机的结构限制（换向器）,交流电机得到较大的发展。随着交流变频技术和矢量控制技术的研究与应用，交流电机在运行特性上已可与直流电机相比。但由于大量异步电机的使用，使得交流电网的功率因数普遍偏低。为改善这一状况，同步电机逐渐开始得到发展。同步电动机采用可控硅励磁，虽然在我国已取得了普遍应用，并有了成套、定型的产品，但绝大多数是有刷励磁。在化工行业具有可燃性气体，为防止产生爆炸的危险，就不能有火花存在，火花是可燃性气体爆炸的主要因素之一，而滑环又是产生火花的主要原因。对有刷同步电动机来说，电刷与滑环需要经常维护，检修。在潮湿，粉尘及有腐蚀性气体的环境中工作容易发生故障，而在化工等要求防爆的场所，采取的防爆措施是将电动机滑环密封，在密封罩内通以正压空气，密封罩制作较为困难，为保持正压，风机就不能停转，从而要求可靠的电源，此外还要求有风压的检测报警手段。而无刷同步电动机取消了集电装置，即没有集电环和电刷的同步电动机，解决了有刷同步电动机存在的滑环打火问题，省却了复杂的防护，无刷同步电动机的励磁方式是把电接触变为磁祸合的励磁方式。主电机、交流励磁机装在同一轴上一起旋转，不会因电网电压波动而影响主电机的励磁，从而保证了主电机的可靠运行，交流励磁机与硅励磁装置同时安装在传动机轴上，总占地面积可以减少。由于以上原因，在化工、机械冶金、水利等领域，无刷同步电动机得到了广泛的应用。1.2 无刷励磁同步电动机的工作原理及其发展情况1.2.1 无刷励磁同步电动机的工作原理起动是同步电动机的特殊问题。同步电动机一般采用异步起动，起动过程中其转子阻尼笼中感应电流，产生起动转矩。到达亚同步速(一般为同步速的95%左右)后，给转子励磁绕组加上直流励磁(称为投励)，电机即牵入同步运行。同步电动机在起动过程中其励磁绕组通常串联一定数值的电阻(一般是5至10倍励磁绕组电阻)短接，以限制励磁绕组的感应过电压和单轴转矩。投励后，励磁绕组串联的起动电阻即被切除。投励装置的作用就是在起动过程中将励磁绕组通过电阻短接，在投励后将电阻切除。对同步电动机无刷励磁有下述基本技术要求：（1）同步电动机启动时，转子绕组绝缘不能承受开路时产生的感应过电压，转子回路应设置过电压消除电路。（灭磁）（2）同步电动机启动时，过早投励将产生较大的交变力矩而引起振荡，乃至不能进入同步运转。必须在亚同步转速投入励磁，电动机方能进入同步。（3）电动机进入同步后，转子回路接入的灭磁电阻应断开。（4）能调节励磁电压的大小，以改变同步电动机的无功输出改善电网的功率因数。（5）无刷励磁的各种元件装于旋转的整流环内，因此元件能承受高速运转。（6）无刷励磁设备与同步电动机转子构成一个整体，在结构上引出一系列问题，如动平衡、应力、扭矩等要进一步分析考虑。 1.2.2 无刷励磁同步电动机在国内外的发展情况 自上世纪六十年代以来，由于半导体工业的迅速发展，出现了一种无刷励磁新技术。因为无刷电机具有独特的优点，用途相当广泛。不少国家都就无刷励磁进行了广泛的研究，设计出50MW甚至1200MW的大型无刷汽轮发电机。早在上世纪七十年代，文献对无刷励磁系统作了深入的研究。如文献威廉森(Williamson)设计了低消耗率高效率的两极无刷励磁涡轮式发电机。据资料，英国GEC公司1979年生产的22台350MW汽轮发电机中有20台采用无刷励磁。在其它发达国家，无刷励磁技术也得到了广泛应用。如美国的西屋公司在容量包括50MW到735MW的汽轮发电机上就采用了无刷励磁系统。目前，国内无刷励磁系统的研究和应用也在向前发展。广东大亚弯核电900MW汽轮发电机组和四川江油发电厂330MW汽轮发电机均己采用无刷励磁系统。在这方面，北京重型电机厂更是走在了国内同行业的最前列。北京重型电机厂曾经设计、生产过100MW发电机及以下容量发电机的无刷励磁机。而该厂于1999年研制成功的200MW汽轮发电机的无刷励磁机在国内则属首创。该机试制成功，标志着北京重型电机厂设计制造水平又上了一个新台阶。国内励磁装置发展主要经历了4个过程，见表1.1。表1.1 国内励磁装置发展过程项目20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代21世纪初主桥带续流二极管三相半控桥，全国统一设计三相全控桥三相半控桥，三相全控桥三相半控桥，三相全控桥三相半控桥，三相全控桥控制单元模拟量控制模拟量控制，PID调节器模拟量控制，数字控制（8位或16位单片机）32位单片机，PLC（32位CPU）触发电路单元晶体三极管，分立元件分立元件，集成移相，触发器数字式触发器多功能数字式触发器故障率很高一般较低趋向零从国内外生产厂家在我国现运行的各种励磁装置来看，技术特点还是基本相同的，主要有以下几点： （1）随着微电子技术、计算机技术、电力电子器件的进步，数字化技术不同程度地应用于各类励磁装置中。数字化励磁装置已经成为各类老机组设备改造和新机组设备选型的必然结果。（2）自动化系统的应用，无人值守逐渐成为变电站运行管理的基本模式，变电站设备运行计算机监控系统、变电站经济运行计算机管理系统以及电网稳定运行计算机自动化调度系统都对励磁装置提出了新的要求。（3）去掉旋转励磁机而采用静止励磁方式，已经成为同步电机励磁方式的主流。许多相关技术如干式励磁变压器、非线性电阻、热管散热技术等被大量采用。（4）大型机组因可靠性、控制特性的高标准而要求励磁装置的进步明显加快，这一领域基本都是高端产品的天下。该类产品侧重于性能和可靠性，对产品价格不做重点考虑。（5）目前10万kW以上机组的成套设备包括励磁在内，绝大部分是购买外国产品。这一产品的开发，在国内以主机制造厂为主。从励磁技术看，国内有实力的厂家都能制造，主要是缺乏经验和机会。（6）中小型电站占绝大多数，从现在的市场情况看，这一领域主要是国产励磁装置的天下。老机组改造任务与新建项目各占一半。这部分产品要求的特点是，具备各项基本功能、运行可靠、调试容易、价格低廉、维护方便。通过对国内外励磁技术发展动态的观察和描述，有理由相信在同步电机的运行中采用无刷励磁技术是今后该行业发展的主要方向。1.3 本课题研究的主要目的、需要解决的主要问题以及主要研究内容1.3.1 课题研究的主要目的本课题研究的主要目的，就是将模糊控制和神经网络相结合，充分利用二者优势互补的特点，根据电磁理论的分析和计算，以国内外先进电机的励磁系统为参照，设计出符合各项相关标准，具有高可靠性、高精度的鲁棒性较好的无刷励磁同步电动机的励磁系统。1.3.2 课题需要解决的主要问题大型电机的无刷化是电机发展的重要方向之一。无刷励磁同步电动机最核心、最关键的组成部分，也是最有发展前途的部分是其无刷励磁系统。现阶段，我国励磁系统的可靠性指标还不能满足电机的安全运行要求。励磁系统故障相当频繁，占电机故障的一半以上，励磁系统故障仍是电机故障停机和非计划停运的主要原因。提高励磁系统可靠性仍是运行现场的迫切要求，而励磁调节装置是其重要的组成部分，其可靠性的好坏直接关系到励磁控制系统的可靠性。近年来，随着微电子制造技术的突飞猛进，计算机和控制理论的长足进步，计算机用于自动化控制取得了很好的效果。目前，大多数同步电动机都采用异步启动的方法，即先使同步电动机在异步转矩的作用下转动起来，待转速上升到亚同步转速时，再给励磁绕组通以直流励磁电流，使转子建立磁场，依靠定子、转子磁场相互作用所产生的电磁转矩，将转子牵入同步。因此，同步电动机励磁系统的性能将直接影响到同步电动机启动、运行的可靠性与稳定性。励磁系统的控制要求如下：（1）对无刷同步电动机的励磁系统进行分析与设计，在电机启动过程中，能自动检测转子滑差，并能实现顺极性自动投励。（2）动态响应好，励磁电流能够及时跟随负载变化。（3）要有较强的负载能力，即要求励磁系统容量足够大，特别是在承受冲击性负荷时电机应不失步。（4）具有阻容灭磁、零励磁保护及失步保护等功能，同时对于电机和励磁装置要有完善的电气保护功能。（5）通过实验对所计算的结果给予验证。 1.3.3 课题的主要研究内容文章详细介绍了无刷励磁系统的原理及特殊性、分类、控制方式及其各自的优缺点，重点分析了基于S7-300PLC和PROFIBUS-DP现场总线技术，利用先进的西门子6RA70整流器实现同步电动机励磁系统的智能控制。并将模糊控制和神经网络相结合，充分利用二者的优势互补特点，由PID调节器的无差控制作用，输出西门子6RA70整流器电流的给定值。第二章 同步电动机无刷励磁系统的概述与分析2.1 同步电动机的结构及特点2.1.1 同步电动机的结构同步电机结构如图2.1所示： 图2.1 同步电机结构图如图所示，同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。定子由定子铁心、定子绕组组成。定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组，图中为对称三相绕组AX，BY，CZ；A，B，C为始端，X，Y，Z为末端。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。定子绕组有两种联接电源的方法：星型联接和三角形联接。星型联接时，三个末端在一起，三个始端接三相电源；三角形联接时，始末端相连，联成闭合的三角形，三个联接端接三相电源。定子绕组通以三相交流电后，将产生旋转磁场。转子由转子铁心和转子励磁绕组组成。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组。转子绕组为两相，通以直流励磁电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)，此时，可将转子等效为一块磁铁。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。2.1.2 同步电动机的特点同步电机主要有以下特点：（1）同步电机的功率因数是可以超前的，这有利于改善电网的功率因数。电机运行稳定性较高。（2）同步电机的过载能力更强。异步电机的转矩与定子端电压的平方成正比，而同步电机在励磁电流一定的情况下，转矩与端电压的一次方成正比，因此，同步电机在电网波动时转矩变化相比异步电机较小。另外，当电网电压突然下降到额定值的80%或85%时，同步电机的励磁系统一般能通过自动调节实行强励来保证同步电机的稳定运行。（3）同步电机的转速不随负载变化。只要定子电源频率一定，同步电机的转速是于定子旋转磁场同步的。负载的变动只改变同步电机的功率因数角。功率因数超过极限时，同步电机就会失步。（4）同步电机的功率因数高，其运行效率较高。因为同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，使用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，变频调速技术使小型同步电动机开始得到较多地应用。 同步电机还可以作为电网的同步补偿机，这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。目前，同步电机主要有以下几种应用形式：（1）常规的有刷和无刷励磁型同步电机，如电排站水泵、空气压缩机等，这类最为常见。（2）采用变频技术的同步电机。这类主要应用于大型工矿企业的大容量机组中，如钢厂的轧机传动系统、抽水储能泵站的发电、电动机组等。2.2 同步电动机无刷励磁系统的概述与分析2.2.1 励磁系统的概述励磁系统是用来给同步电机转子励磁。励磁系统性能的好坏直接影响到电机及电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性。同步电动机的励磁装置主要有三个方面的作用，一是完成同步机的异步启动并牵人同步运行；二是在牵入同步以后励磁电流的调节控制；三是监控系统故障，确保同步机安全运行。在异步启动的过程中，励磁装置保证启动回路具有良好的异步驱动特性，避免异步启动过程中所存在的脉振现象，满足带载起动及再整步要求。达到亚同步速时，准角度投励，励磁绕组产生同步力矩，使电机尽早进入同步。同步电机在正常运行过程中，不可避免地会受到各种各样的扰动，就会引起电机失步，造成生产中断和设备损坏的严重事故。励磁装置能检测，同步机的失步，识别后判断是报警还是再整步运行，既保障设备的安全性，又保持运行连续性。同样，励磁装置在正常运行过程中，自身也会受到各种干扰，造成可控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁电流超限等故障。当出现上述故障，励磁装置识别后报警或跳闸，以保证励磁装置的安全运行。2.2.2 同步电动机无刷励磁系统的结构同步电动机无刷励磁系统的结构如图2.2所示，主要包括以下几个部分： 图2.2 同步电动机系统示意图（1）静态励磁装置由于电子元件的发展，现在的无刷励磁同步电动机采用可控硅静止励磁装置向交流励磁机定子励磁绕组提供直流电。（2）交流励磁机一般采用旋转电枢式同步电动机，其功率、电压及功率因数取决于电动机的最大励磁电流及其相应的励磁电压（强励要求）和整流回路的接线方式。而频率可任意选择，频率越高，时间常数越小，反应快速性好。但频率决定于转速、极数和电动机使用特性的要求。交流励磁机的磁场激磁可由外电源供给，但在众多的大中型无刷同步电动机中为了提高运行的可靠性，不受外电源的影响往往由静态励磁装置供给。（3）旋转整流器旋转整流器系指由硅整流元件连同散热器，有时还包括相应的整流桥。多数采用三相全波整流桥。半波整流桥除了输出脉动分量大以外，并有直流分量通过交流励磁机电枢而加大了交流励磁机的容量。两者各有其特点。旋转整流器是无刷励磁系统中最重要的部分，必须保证其工作在正常状态。旋转整流器如遇过电压、过电流及其它非正常情况，虽然能得机组保护装置的保护（保护动作只有在事故发生后才能动作），但功率二极管仍可能遭到损坏。如果旋转整流器二极管损坏就应立即报警，尤其是一管短路故障危害更为严重，必须立即根除。但是由子取消了滑环和炭刷，旋转整流器的电压、电流不可能直接测量，使其监视与保护十分困难。（4）灭磁电阻同步电动机起动动时如同感应电动机，起动时如果转子开路将在转子中感应出极高的电压，一般可达几千伏，因此起动时在激磁绕组上并联一灭磁电阻，其阻值一般为5-10倍的激磁绕组电阻。在电动机失步时此电阻起到保护旋转整流器免受过电压。2.3 无刷励磁系统的工作原理及特点2.3.1 无刷励磁的工作原理无刷励磁的原理图如图2.3所示。交流励磁机为异步发电机，其定子由静态励磁装置供电，励磁机转子绕组与同步电动机转子同轴。为保证同步电动机四象限运行时有足够的励磁裕量，可令励磁机定子电压的相序始终与同步电动机的相序保持相反。图2.3 无刷励磁系统的原理图与主轴一起旋转的励磁机转子绕组发出三相交流电，该三相交流电经整流桥整流后供给同步电动机转子绕组，产生励磁电流。调节交流发电机定子的励磁电流，就可使励磁发电机的转子所发出的三相交流电压得到调整，从而改变同步电动机励磁绕组的励磁电流。这种由励磁发电机转子发电，整流器在旋转状态下进行整流供给同步电动机转子励磁的方式，就不再需要有静止部分和转动部分之间的相互接触导电，完全省去了电刷和滑环的接触。即为无刷励磁。2.3.2 无刷励磁系统的特点无刷励磁同步电动机与有刷励磁同步电机相比，具有如下一些优点：（1）消除了由电刷与滑环引起的故障，延长了同步电动机的连续运转时间，增加了电机的安全性。（2）在系统电压波动时，比外置可控硅励磁装置具有较高的稳定性。（3）交流励磁机安装在电动机转轴上，总占地面积可以减少。（4）取消外部励磁设备，无刷同步电动机同笼型电机一样，只需简单的控制。2.4 同步电动机无刷励磁系统的分析2.4.1 以模拟量控制为控制单元，采用晶体三极管、分立元件触发的无刷励磁系统KGLF励磁装置的投励电路如图2.4所示，该装置的投励是通过检测转子感应电势的频率实现的。图2.4 励磁装置的投励电路图三极管18BG1在线路中起开关作用，其工作状态由基极回路的同步电动机转子感应电势极性决定。当三极管截止时，18C2经18R5充电，当充电电压达到单结晶体管18BG2的峰点电压，18C2即放电，脉冲变压器的负边就发出脉冲。当三极管饱和时，18C2因被18R4旁路而无法充电，18BG2不会导通，因此无脉冲发出。启动开始时，转子感应电势频率较高，三级管T的开关速度较高，18C2充电电流一定，当充电电压还没达到单结晶体管18BG2的峰点电压时，三极管18BG1开通，18C2开始放电。只有当同步机加速到亚同步转速，转子频率=2.5Hz时（时间为0.02s），且当G1极性为正、G2极性为负(顺极性)，18C2才有足够的充电时间，充电电压达到电压单结晶体管18BG2的峰点电压，18C2放电而发出脉冲。可见，该电路投励时间由18R5, 18C2充电时间常数决定。18C2充电时间的整定，关系到投励插件在同步电动机转速为多少时才发出投励信号脉冲。缺点是：此类投励线路通常采用三极管、电容器和单结晶体管配合方式实现，由于模拟线路元件受温度变化和电源波动的影响大，易老化，参数整定困难，可靠性差，故障率很高。随着电力电子技术的发展和半导体电力器件可靠性的提高，以模拟量控制、PID调节器为控制单元，采用分立元件、集成移相、触发器触发的无刷励磁系统得到了发展。2.4.2 以模拟量控制、PID调节器为控制单元，采用分立元件、集成移相、触发器触发的无刷励磁系统该励磁装置的投励电路图如图2.5所示。图2.5 励磁装置投励电路图启动投励控制器是该励磁装置的关键部件，它是实现主电动机自启动、自动投励、自动灭磁及快速失步保护的协调控制枢纽。由频率检测集成电路（U）及各种电子元器件组成。图中旋转整流器由硅整流器（D1-D6）、散热器（盘）、滑差检测灭磁保护和投励控制单元（VC7-U）、灭磁保护和投励磁控制的无触点开关、灭磁电阻R7、R8等组成。硅整流器采用三相全桥整流电路，并用旋转大功率晶闸管VC7作同步无触点开关。VC7把旋转整流器与励磁绕组隔开，控制旋转整流器与励磁绕组之间的阻断或导通，并由滑差检测投励控制单元自动控制晶闸管VC7的投励时刻，达到最佳相位自动投励。滑差检测的灭磁保护和投励单元具有异步起动的灭磁保护和最佳相位自动投励控制功能，同时在运行过程中，同步电动机产生失步状态时，具有失步再整步的功能.无刷励磁同步电动机在异步起动瞬间，转子励磁绕组所感应的滑差频率为。由于励磁主回路所串联的旋转大功率管VC7把旋转整流器与励磁绕组隔断，励磁绕组处于开路状态。其感应电压可达数千伏，将超过整流元件正向转折电压，造成元件正向穿通或反向击穿而使励磁绕组绝缘破坏。因此，在起动时必须在励磁绕组两端并联灭磁保护电阻R7、R8，其值约为励磁绕组电阻的10倍。同时在灭磁保护电阻R7、R8的并联电路再串联一旋转大功率管VC8（负极性）和晶闸管VC9、VC10（正极性）作异步无触点开关。组成灭磁保护主控制电路。灭磁保护单元在异步起动瞬间，励磁绕组两端X1、X2所感应的电压，当正半波电流时，X1为负，X2为正，硅二极管VC8导通并接通灭磁电阻R7、R8，在负半波电流时，X1为正，X2为负，VC8阻断。同时，晶闸管VC9、VC10承受正向电压被触发导通（因为灭磁保护单元的稳压二极管触发电路中的稳压管V1、V4上的电压超过稳定电压，稳压管立即反向击穿而导通产生脉冲触发电流触发晶闸管VC9、 VC10）。稳压二极管V3、V6是为了防止晶体管VC9、VC10的控制极产生过电压的保护。随着异步加速，励磁绕组感应的滑差频率逐渐降低，当滑差频率为额定频率的10%时，励磁主回路的灭磁保护单元的晶闸管VC9、VC10由于感应的交变电压过零为负半波电流时，而自动关断，VC9、VC10虽承受正向电压，但仍处于阻断状态。励磁系统由灭磁保护阶段进入最佳投励阶段。当滑差频率减小到S=0.05 时，将于转子感应电流由负变正过零后，由检测滑差电流相角的电流过零检测单元产生一个出发脉冲，触发导通主回路投励开关(晶闸管)，对转子绕组进行励磁，使同步电动机顺极性牵入同步运行。缺点是:此类电路仍然依赖于晶闸管、二极管等模拟元件，其寿命和可靠性取决于产品的设计、材料以及制造工艺，工作性能不是很理想，电路故障率为一般。随着微机技术水平的不断提高和工程自动化技术的广泛应用，WKLF-41微机无刷同步电动机励磁系统应运而生，它适应现代化生产的技术要求，操作简单，维护方便，工作可靠，运行平稳，在新建和改造工程中日益得到广泛应用。2.4.3 以模拟量控制、数字控制（8位或16位单片机）为控制单元，采用数字式触发器触发的无刷励磁系统WKLF41微机无刷同步电动机励磁系统的投励电路如图2.4所示。该装置由主回路和控制回路组成。主回路包括三相半控桥式整流电路和起动回路。起动回路由起动可控硅、二极管及起动电阻组成。控制回路由主控模块和电源模块组成，电机起动后，电源模块为主控模块提供稳定的工作电源。主控模块由单片机软件编程完成。图2.6 励磁装置的投励电路1 旋转励磁工作原理WKLF-41旋转励磁系统主回路包括三相半控桥式整流电路和起动回路。整流电路由三只ZL型旋转整流功率模块组成，它有三种工作状况：在电机起动及再整步异步驱动时为截止工况，在投励后转为整流工况，相当于三相桥式整流电路，在起动回路误开通时短时工作于失控工况以关断起动回路。三种工况在ZK41旋转主控制模块的控制下自动切换。起动回路由一只QD型旋转功率模块和八只QM型旋转起动灭磁电阻组成，受控于ZK41旋转主控制模块，在电机起动和再整步异步驱动过程中，QD模块的可控硅导通阀值为低定值，便于QM起动电阻完全接入电动机转子回路，在电机正常运行中，QD模块的可控硅导通阀值被设定为高定值，使QM电阻退出回路而避免长时间带电发热，当转子回路出现过电压且峰值超过QD模块可控硅的高定值时，起动回路将重新接入电机转子回路，通过QM电阻器吸收过电压。在起动回路出现误开通时，ZK41模块的检测环节动作，通过控制逻辑使整流电路工作于失控工况，利用其续流时刻将起动可控硅关断。控制回路由ZK41旋转主控制模块、DY12S旋转电源模块组成。ZK41模块控制三相半控桥式整流电路的工作状况。同时设有滑差投励和零压计时投励检测环节。在电机起动和再整步过程中把握最恰当时机投励。DY12S模块为ZK41模块提供稳定的工作电源。2 控制原理为了提高同步电机及机组的动态稳定性，减少电机由于电网或负载等突然波动而导致电机失步的机率，确保工艺生产的连续性与稳定性，在WKLF-41型静态励磁装置如图2.7中，引入了励磁电流负反馈与定子功率因数负反馈相结合的双闭环调节系统。从而使整机的性能指标大大提高，具体表现在：（1）供给励磁系统的低压380V电源发生波动时励磁调节器内环（电流环）能迅速作出反应，使励磁电流基本保持恒定。（2）同步电机定子供电电源和负载发生波动时，励磁调节器的外环（功率因数环）迅速作出反应，自动加大或减小励磁电流，在一定的范围内（电机不长时间超额运行）保持同步电机功率因数的恒定。图2.7 静态励磁原理图在装置的主机箱面板上，设有开/闭环控制钮，当旋转钮置于开环位置时，外环退出运行，励磁调节器为恒励磁电流调节，当旋钮置于闭环位置时，功率因数环和电流环同时投入，只是在某些故障状态时（如PT回路断线）功率因数闭环自动退出运行。在开、闭环状态下，控制方法不同。控制图如图2.8、2.9所示： 图2.8 开环运行示意图 图2.9 功率因数闭环运行示意图以上均为全数字式闭环调节，并引入了比例积分（PI）和比例积分微分（PID）调节器，使系统在保持良好的稳定性的同时，具有较好的动态性能。PI、PID调节器的参数除可理论计算外，还可通过励磁装置的辅件加长一读写控制器进行在线修改，调试十分简便。为了实现双闭环励磁调节，需要可控硅整流主回路，触发脉冲形成及放大电路，单片机及其外围电路，信号测取电路等硬件的支撑，同时还需要合理配置保护类软件、测量运算类软件、控制类软件等软件程序。本装置主要特点表现在:1、具有励磁电流负反馈与定子功率因数负反馈相结合的双闭环调节回路，使励磁电流及同步电动机功率因数基本保持恒定，其工作均用微机软件完成。2、装置起动无脉振、投励无冲击，能迅速准确捕捉到滑差，准确投励。3、设有零压计时投励，作为后备投励。4、整机智能化微机控制，具有测量保护及事故预告及音响等多种报警信号，中文界面操作、显示，操作维护方便。5、本装置具有两套微机控制系统，一套工作，一套热备用，具有高可靠性。6、该装置以数字电路为基础，励磁调节和控制采用微机处理器，消除了模拟电位器调整的烦琐和由于温度变化带来的励磁漂移。大部分功能软件化，减少了硬件品种和数量。7、结构化软件设计。功能的增减可方便地通过修改软件而实现。8、励磁电流由霍尔元件、定子电压电流分别由小PT、小CT隔离，输入输出开关量均通过继电器、光藕隔离，提高了装置的抗干扰能力。9、装置工作电源采用交直流同时供电，两套独立电源，任意单套电源故障都不会导致跳闸停机。10、智能化的故障检测、定位及显示.装置对电源故障、硬件故障及软件故障具有自动检测功能，软件故障可自行恢复。故障信息显示在主机箱面板上，并可通过读写器读出如同步信号、PT、CT、A/O、CPU、RAM、ROM等详细故障信息。故障插件可在线更换。该装置的无刷励磁系统是在20世纪90年代后，以单片机为代表的全数字化技术逐渐成为主流的背景下产生的设计方案，其故障率较低。近年来随着网络技术的发展，许多高端用户开始对设备的通信能力提出了很多新的技术要求。如大型企业的企业资源计划(ERP)管理需要对励磁装置进行实时监控、数据动态采集和为提高控制可靠性而要求的冗余设计等，都需要通信技术的支持。因此，基于PLC，结合现代控制理论的无刷励磁系统的智能化控制便应运而生，得到了非常广泛的应用，给国民经济的发展带来了巨大的利润。这一典型设计方案将在后面的章节给予详细的介绍与分析。2.5 本章小节无刷励磁系统诞生以来，有许多设计方案，本章仅根据其投励电路所采取的控制和触发方式进行了分类说明，对各自的原理进行了介绍，指出了各电路的优缺点及其导致的故障率的情况。按时间的顺序，从技术发展的角度阐述了无刷励磁同步电动机励磁系统的控制方式的不断改进与控制效果的优化。无刷励磁系统投励总的设计原则是按照“准角强励整步”，要求具有强励整步的功能，使电动机拉入同步的过程平滑、快速、可靠、无冲击。第三章 PID控制概述控制系统的设计归根到底是调节器的设计。就工程实现的方法而言，PID调节器可分为模拟PID调节器和数字PID调节器。模拟PID调节器主要应用于早期的调节回路中，由无源网络或有源校正装置实现。3.1 模拟PID数字PID调节器是基于模拟PID调节器发展起来的，下面先主要对模拟PID控制原理进行阐述。（1）P 比例调节图3.1 比例控制器及其输入输出特性图调节信号的输出信号与偏差信号成比例，即： （3.1） 式中比例增益（视情况可设置为正负），其设定值不能太大，否则会影响调节效果。上式中的调节器输出实际是对其初始值的增量，因此当偏差为零时，即，此时没有调节意义，但调节器还是有输出,。当输入是阶跃输入时，输出是阶跃输出，只是大小和输入成一定的比例。比例调节的特点是有差调节，在工业过程运行中经常会发生负荷变化。被控制过程在进入稳态后，输入和输出自己总要达到平衡，如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节结束后，被调量不可能和设定值决定相等，一定有残差，这就是所谓的有差调节。（2）I积分调节图3.2 积分控制器及其输入输出特性图 由积分控制器可以推导出如下关系 （3.2） 式中积分时间常数，如果是阶跃函数，则按线形增长，每一时刻的大小和与横轴所包围的面积成正比，如图，只要，积分调节器输出就一直增长；只有达到时，才停止上升；不到，就不会下降。在这里，值得注意的是，当时，并不是零，而是一个恒定的终值，只是积分控制和比例控制最显著的区别，还有，比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史，虽然现在，只要历史上有过，其积分就一定有数值。积分控制的缺点是它具有滞后特性，并使系统阶次增加，作用太强还会使被控量动态特性恶化。（3）D微分调节微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性，因此可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强微分调节，会降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零，因此，在实际应用中，应慎用微分控制。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。PID调节是P、I、D组合调节形式的总称。包括PI调节，PD调节以及PID调节等形式。本文主要对PI、PID调节进行介绍：（1）比例积分调节PI调节 (a) PI调节器 (b) 输入波形 (c) 输出波形图3.3 比例积分调节控制器及其输入输出特性图PI调节就是在综合P、I两种调节器的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除静差。它的调节规律为 （3.3）在有、无静差方面，积分控制优于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。如果即要稳态精度高，又要动态响应快，就要把两种控制规律结合起来，这便是比例积分控制。如图3.3(a)，该图是一个带滤波环节的PI控制器。图3.3 (b)，(c)可以看出，图加输入信号时，由于电容两端电压不能突变，相当于两端瞬时短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻，相当于一个放大系数为的比例调节器，在输出端立即呈现电压，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。此后，随着电容被充电，输出电压开始积分，其数值不断增长直到稳态。稳态时，两端电压等于，已不起作用，又和积分调节器一样了，这时有能发挥积分控制的长处，实现了稳态无静差。由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，有克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能够迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求；作为矫正装置，它又能提高系统的稳定性。所以，PI调节器在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用。应当指出，PI控制引入积分动作带来消除系统静差的好处的同时，却降低了原有系统的动态品质，也就是说，PI控制是在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态控制。为保持控制系统原来的衰减率，PI调节器比例带必须适当加大。另外，PI调节也会常常出现饱和现象。具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停的变化。如果由于某种原因，被调量偏差一时无法消除，然而调节器还是试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器输出将进入一个深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。进入深度饱和的调节器，要等到被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。（2）比例积分微分调节PID调节从以上讨论可知，比例、积分、微分三种控制方式各有其独特的作用。比例控制是基本的控制方式，自始至终起着与偏差相应的控制作用；添入积分控制后，可以消除纯比例控制无法消除的余差；而添入微分控制，则可以在系统受到快速变化干扰的瞬间，及时加以抑制，增加系统的稳定程度。将三者结合在一起，就是比例积分微分控制。调节器的动作规律是： （3.4）比例积分微分控制器适用于被控对象负荷变化较大，容量滞后较大，干扰变化较强，工艺不允许有余差存在，且控制质量要求较高的场合。3.2 数字PID数字PID调节器随着大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，数字计算机越来越小型化，价格愈来愈便宜，其极高的运算速度、强大的记忆能力和灵活的逻辑判断功能，使它不仅在数据处理、科学计算等方面得到广泛应用，而且在工业自动控制中也发挥越来越重要的作用。因此，现在的数字PID调节器均采用了计算机芯片，用软件实现PID控制规律的数字化，灵活多样的控制方式能满足工业生产过程中各式各样的要求。数字PID的控制原理与模拟PID一样，也是对偏差进行计算，再给出输出值，保持控制对象的稳定。只是给定与反馈都是数字量，且输出也是数字量。但系统中采样的是模拟量，输出的最后也要变成模拟量。因此，需要通过A/D、D/A通道进行转换。数字PID控制原理图如图3.4所示： 图3.4 数字PID控制原理图其中，T为采样开关。采样的给定值与反馈都经过A/D转换再送入数字调节器，调节器运算后将结果经D/A转换后输出，调节被控对象。数字PID的算法：由于数字PID是对数字量的运算，因此要先对给定、反馈进行采样、保持、量化、编码等。这些由模拟量接口去完成。得到偏差的数字量后，还是对其进行P、I、D三种运算，运算公式分别如下：P 比例调节： （3.5）I 积分调节： （3.6）D 微分调节： （3.7）将以上各式代入模拟PID算法公式中，可得数字PID算法公式： （3.8）这种算法称为位置型算法。事实上利用计算机实现位置型算法不很方便，因为积分作用是对偏差信号的累加，这不仅需要占用较多的存储单元，而且编程也不大方便，因此，实际上多采用其改进型算法：增量式算法。由位置式算法可知 （3.9）将与相减得 （3.10）其中，为比例增益，为积分增益，为微分增益。由于对应第个采样时刻阀门位置的增量，故称为增量型算法。因此第个采样时刻的实际控制量为 （3.11）第四章 模糊控制理论模糊控制是以模糊数学理论，即模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理等作为理论基础，以传感器技术、计算机技术和自动控制理论作为技术基础的一种新型自动控制理论和控制方法。模糊控制是控制理论发展的高级阶段的产物，属智能控制的范畴，而且也是人工智能控制的一种新类型。模糊控制研究的对象一般有三个方面的特点：（1）对象模型不确定，包括两层意思，一是模型未知或知之甚少；二是模型的结构和参数可能在很大范围内变化。（2）具有非线性特性。（3）对象具有复杂的任务和要求。例如，在复杂的工业过程控制系统中，除了要求对控制对象的被控物理量实现定值调节外，还要求能实现整个系统自动启停、故障自动诊断以及紧急情况的自动处理等功能，同时还要有将模糊控制理论以及神经网络相结合，实现高智能化控制的功能。总之，模糊控制是一种更加拟人化的方法，用模糊逻辑处理和分析现实世界问题，其结果往往更符合人的要求。用模糊控制更能容忍噪声干扰和元器件的变化，使系统适应性更好。模糊控制由于拥有众多的优点，其应用领域会更加广泛，应用前景会更加开阔。4.1 模糊控制系统的基本结构及控制原理模糊控制原本是一种自动控制，与传统自动控制相比，只是在所采用的控制方法上应用了模糊数学理论，但它所进行的仍然是确定性的工作；它不仅能成功地实现控制，而且还能模仿人的思维方法，对一些无法构造数学模型的被控过程进行有效控制。模糊控制系统是一种经过改造后的自动控制系统，而且还是一种智能自动控制系统。它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的、闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能功能的模糊控制器，这也是它与传统自动控制系统的根本区别之处。模糊控制系统与计算机数字控制的现代控制系统的根本区别是前者采用了模糊控制器，模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统性能的优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。一般模糊控制系统的基本结构如图4.1所示。从图中可以看出，模糊控制系统与一般计算机控制系统在整体结构上并没有什么差别，所不同的仅仅是以模糊控制器取代了传统的控制器。图4.1 一般模糊控制系统结构框图模糊控制器也称为模糊逻辑控制器。由于所采用的模糊控制规则是由模糊集合论中模糊条件语句来描述的，因此，模糊控制器是一种语言型控制器，故也被称为模糊语言控制器。一般模糊控制器的基本结构如图4.2所示，主要由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化等四个部分组成。 图4.2 一般模糊控制器的基本结构4.1.1 模糊化过程这部分的功能是将输入的精确量转换为模糊量（其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等），并将输入量惊醒处理，使其变成模糊控制器要求的输入量，接着进行尺度变换，使其变换到各次的论域范围，并进行模糊化处理，是原先精确的输入量变成模糊量，用相应的模糊集合表示。4.1.2 知识库知识库包括数据库和规则库，数据库提供必要的定义，包含了语言控制规则论域的离散化、量化和正则化以及输入空间的分区、隶属度函数的定义等。规则库根据控制目的和控制策略给出了一套由语言变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合。模糊控制设计的主要任务是以被控系统的性能指标作为设计和调节控制器参数的依据。一般来说，模糊控制器设计时需要考虑的参数有：采样频率（根据香农定理和被控过程的技术限制来选择）、量化等级（它严重影响系统的响应，如超调、上升时间和稳态精度等）、隶属度函数