無刷勵磁同步電機無位置傳感器起動控制

胡建波 黃清林

【摘 要】社會經濟在不斷發展與進步，根據同步電機的勵磁方式不同，將其分為有刷同步電機與無刷同步電機。無刷勵磁的優點是：結構緊湊，運行可靠等。當前大型的進口同步電機勵磁和調節控制系統都比較復雜。國內工礦企業多選擇無刷勵磁控制系統，當前同步電機的運用廣泛，已成為國內大型軟啟動廠家的助攻方向。基于此，本文主要對無刷勵磁同步電機無位置傳感器起動控制進行了簡要的分析。

【關鍵詞】無刷勵磁；同步電機；無位置傳感器；起動控制

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A

引言

同步電機因其效率和功率因數高的優點，在電動和發電方面應用較為廣泛。常規有刷電勵磁同步電機存在電刷和滑環裝置，易產生電火花，其應用領域受到一定限制。人們在關注電機性能的同時對輕量化和低成本的需求日益突出，由于永磁電機成本高于電勵磁同步電機，因此無刷電勵磁同步電機受到了越來越多學者的關注。

1無刷勵磁特性

同步機中的無刷勵磁技術也是首次運用，充分轉變了傳統形式下的同軸勵磁機的制造方式，采用的是更加先進的勵磁技術，通過交流發電機來對整流模塊進行調整。具體的運行狀況和特點為：在該工程中的立式同步電動機當中的勵磁系統，通過交流發電機和旋轉模塊所組成的無刷勵磁系統。同軸交流電發電機和一般的發電機存在不同，在轉子正常組合與常用發電機之間是一種反向的狀況，電子可以為交流發電機提供電樞繞組，交流發電機可以作為一種感應磁場的存在，通過改變勵磁電流的大小，實現對交流發電機輸出功率的控制。通過靜態勵磁原理來有效調節定子勵磁，該工作原理通常在可控硅系統當中已經存在，在該工程當中，主要是以發電子轉子作為功率輸出繞組，通過對ZL型旋轉模塊、QD整流功率模塊以及ZK控制單元等共同構成了同步電動機啟動。

2同步電動機的運行控制方式

正常情況下同步電機的主要運行方式分為三種：作為補償機、發電機和電動機運行，現在新田車間球磨機是10kV電源直接驅動點機恒速運行的電動機運行方式。對恒速運行，通過PLC控制柜，也可通過DCS（車間規定：一、二段磨由中控室操作員用DCS系統啟、停操作），甚至在緊急情況下手動操作斷路器，電機將在10kV母線上直接起動。當直接起動斷路器閉合后，勵磁控制裝置將在預先設定的時間內自動施加勵磁，將電機牽入同步。電機達到同步后，通過嚙合離合器來起動磨機。通過斷開離合器來使磨機停止，但電機將繼續運行以備磨機下次被起動。通過斷開恒速斷路器，使電機單獨停轉。通過同時立即斷開恒速斷路器和打開離合器來實現緊急停車，磨機將在沒有電機慣性下較快停止。如果保持離合器斷開，電機將由于摩擦力慢慢停止。

3無刷勵磁同步電機無位置傳感器起動控制

3.1控制系統電路設計

本文以40.5kV高壓真空斷路器為研究對象，設計了新型無刷電勵磁電機操動機構控制系統。控制系統以數字信號處理器DSP28335為核心，輔以電源模塊、整流模塊、功率變換器模塊、及信號采集模塊等共同組成。圖1所示為控制系統原理框圖。整個控制系統原理如圖所示：三相交流電通過整流橋再經過電容模塊進行濾波、儲能后給電機三相繞組進行供電；電機轉子位置、轉速以及三相電流通過信號采集模塊把信號傳輸給DSP處理器，DSP根據轉子位置信息輸出對應相的PWM信號到驅動模塊，驅動功率變換器各個開關器件的導通與關斷狀態，完成電機對應相的控制；DSP根據檢測到電機轉速和電流信息，以及系統給定轉速對PWM脈沖信號的占空比作出調整，從而實現控制系統對新型無刷電勵磁電機操動機構的運動控制。

3.2功率變換器模塊

功率變換器模塊是整個控制系統非常重要的組成部分，電機換相需要依靠功率變換器模塊來實現。本文設計了三相半橋不對稱功率變換器，三相半橋不對稱功率變換模塊對應與樣機的勵磁；繞組相連，三個橋臂分別對應電機的三相勵磁繞組，每個橋臂由兩個開關及兩個續流二極管組成。以一相繞組為例，若控制K1、K2導通，則VD1、VD2處于截止狀態，則A相繞組通電，若A相關斷即K1、K2不導通，此時VD1、VD2處于續流狀態，起到了保護電路的作用。

3.3信號采集模塊

信號采集模塊包括增量式旋轉編碼器、霍爾電流傳感器、直線位移傳感器等。旋轉編碼器由光柵盤和光電檢測裝置構成，光柵盤通過連軸器與轉軸相連，隨之一起運動。增量式旋轉編碼器采集的電壓信號輸入給DSP的eQEP模塊，DSP通過計算固定時間內旋轉編碼器采集的脈沖個數來確定電機轉速，同時由于旋轉編碼器確定了電機初始位置，而隨著旋轉編碼器不斷的脈沖反饋，可以采集電機從°0～°360轉過的角度位置。三相繞組電流是通過霍爾電流傳感器采集電壓信號然后進過濾波后輸送到DSP的ADC模塊來計算得出。DSP通過比較電機轉速和繞組電流來調節占空比進而達到調速的目的。直線位移傳感器是通過將直線機械位移量轉換成電信號來計算其行程曲線。

3.4聯機試驗

以40.5kV高壓斷路器為試驗對象搭建新型無刷電勵磁電機操動機構聯機試驗平臺。包括新型無刷電勵磁電機樣機本體、40.5kV高壓斷路器樣機、三相調壓器、三相整流橋、電容電阻、核心數字信號處理器DSP28335、功率變換器模塊、信號采集模塊、IGBT驅動芯片、升壓芯片以及電源模塊等。三相繞組電流通過霍爾傳感器采集電壓信號之后傳輸到示波器上顯示。對新型無刷電勵磁電機操動機構進行合閘操作試驗，電容器組的充電電壓為250V、電容器組的容量為132000uf、PWM占空比為90%。動觸頭行程為25mm，B點為剛合點，動觸頭運行至剛合位置B的時間是30.45ms。B之前為開距階段，B之后為超距階段，可以看出在超距階段，由于彈簧反力的增大及觸頭接觸碰撞導致行程曲線波動。合閘速度是剛合位置之前3/4行程內的平均速度，所以合閘速度是1m/s，聯機負載試驗比仿真結果稍有延時，但合閘操作仍在50ms內完成。試驗結果滿足40.5kV高壓斷路器的合閘技術要求，證明了新型無刷電勵磁電機操動機構的可行性。

結束語

本文對無刷勵磁同步電機進行了簡要的分析，希望可以為相關人員提供一定的參考。

參考文獻：

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（作者單位：陽江核電有限公司）