同步电动机励磁系统微机控制

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1989.02.027 第11卷第2期 北京科技大学学报 Vo1.11No.2 1989年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,1989 同步电动机励磁系统微机控制 倪忠远宁久瑞张国林李秀志 (自动化系) (计算机系) 摘要：本文采用MCS-51系列单片机构成同步电动机品闸管动磁系统的门动投础 检测，电压负反货强勋磁及品闸管三相全控桥触发电路的硬件、款件实现方法，实毁带果长 明：工作可靠，系统大大简化，有推广价值。 关键词：单片机，同步电动机，品闸管，强励磁 Microprocessor-Based Control for Magnet Exiciting System of Synchronous Machines Ni Zhongyuan Ning Jiurui Zhang Guolin Li Xiazhi ABSTRACT:This paper introduces a realization method of microprocessor- based control for magnet exciting system of synchronous machines.The automatic measurement of magnetizing of the thyristor excitation,the sirong magnet excitation by voltage feedback and the trigger of the thyristor gating circuit of three-phases controlled rectifier bridge are all monitroed by singe- chip microprocessors known as MCS-51 series.This method greatly simplifies the whole system.Experiments show that the method is very reliable. KEY WORDS:single-chip microprocessor,synchronois machine,thyristor, magnet excitation 为了改善电网的功率因数，维持恒定转速，矿山球磨机，气体压缩机等生产机械通常采 用同步电动机拖动。同步电动机转子励磁采用晶闸管三相全控整流桥（或三相半控桥）固接 励磁线路，实现按同步机转子滑差，顺极性自动投磁；同步机异步起动后转速到达亚同步速 时，按转差为5~4%时投入励磁，使同步机拖入同步运行。 1987一10一23收稿 153

第 卷第 期 自 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 火 同步 电动机励磁 系统微机控 制 倪忠远 自动 化 系 宁久瑞 · 张国林 算 机 李 秀志 系 摘 要 本文 采用 一 系 列单 片机 构成 同 步 电动 机 晶闸管 动磁索 统的 自动 投 磁 检 测 ， 电压 负反 馈强励磁及 晶闸管三相 全控桥触 发 电路 的硬 件 、 软 件实现 方法 实 验 给 粱 丧 明 工 作可 靠 ， 系统大大简化 ， 有推广价值 。 关键词 单 片机 ， 同 步 电动机 ， 晶 闸管 ， 强 励磁 一 、 气 夕夕 夕 “ 。 ‘ 夕 ‘ ￡ ‘ ‘ ，、 厂 ， ， 龙 又 犷 一 认 · 一 ， 五 卜 手 ， 、 · 一 ， 。 笼 ， ， 为 了改 善 电网 的功 率 因数 ， 维持 恒定转速 ， 矿 山球 磨机 ， 气体压缩机 等生产机械通常采 用 同步 电动机拖动 。 同步 电动机转子励磁采用 晶’ 管三相全控整流桥 或 三相半控桥 固接 励 磁 线路 ， 实现按 同步机 转 子滑差 ， 顺极性 自动投磁 同步机 异 步起 动后转速 到达 亚 同步速 时 ， 按转差 为 一 时 投 入 励 磁 ， 使 同步 机 拖入 同步 运行 。 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．02．027

当电网电压波动时，由电压负反馈进行突加强励自动保持恒定励磁。同步机起动与停车 时自动灭磁，并在同步电动机异步运行时接有灭磁保护环节。手动调节励磁电流、电压可进 行功率因数调整。 以往上述功能都是采用模拟电路来实现的。由于大量硬件线路降低了系统的可靠性，调 整也很不方便。微型机的出现，不仪替代过去的硬件线路成为现实，而且使系统大大简化。 1系统硬件构成 系统原理框图见图1。其中触发器、电压负反馈、比例放大器、投磁环节均由单片机的 最小系统代替。 ~380V Reetiformer SC'R Synchronous motor Power amplifier Extinguish magnetics set Synchronous power transformation Trg熙er一气 Throw magnetics set Voltage negative Propotional amplifier feedback (iiven phase 用1系统原理框图 Fig,1 System block diagram 图2示出了单片机及其硬件接口电路框图。包括灭磁及投磁检测电路，8031单片机，地 址锁存器(74LS373)、程序存贮器(2732)/O扩展器(8155)，A/D转换器(0809)，三相同步 电源状态检测电路及间隔60°同步脉冲形成电路、脉冲光电隔离及功率放大电路(PAC)等。 由于晶闸管的主变压器和同步变压器均接成△/Y-11,为使同步电源电压滞后50°，所以 加RC阻容滤波，同时也去掉了交流电源电压波形上的毛刺使波形整齐。过零检测器是把三相 互差120°的交流波形变为方波，一路送到031P,口的P,0、P,1、P,.2引脚作为电源状态 检测信号，另一路经2个异或门(LS86)加到波缘检测器(ED),其输出为间隔60°的同步尖脉 冲再加到8031的1NTO引脚作为外部中断O的启动信号。8155是作为1/O扩展T,它的B口， P.。~PB,5引脚为脉冲输出，再经光电隔离(TIL113)和整形放大(LS14)后加到功放电路。 波缘检测器线路、光电隔离及功放电路详图见文欲〔1)。 作异步起动过程中转子感应电压（见图2）在A端为正半周时，经GZ二级管短接，在B端 为正半周时，感应电压达到一定值KGZO导通经R放电，随着转速的升高，转子感应电压 的频率由刚起动时的50H?逐渐降低，当达到同步速时此频率为0。图3示出了同步电动机 异步起动时转子电压的波形变化情况。取BA两端交流电压经波形变换器变成方波，再经过 光电隔离送到8031单片机的P:,1脚，检测方波宽度。当频率为2.5~3Hz时，由8155的B 口PB,引脚输出一个脉冲，再经过光电隔离及放大后触发KGZP,这样主回路的晶闸管才能 开放，励磁方可投人。 为了尽量减小电磁干扰对装置的影响，在士接触器的线圈两端并联1个压敏电阻吸收分 闸合闸时产生的浪诵电压。另外主回路还接有过压及过流保护线路。 154

当电网 电压波 动时 ， 由电压 负反 馈进 行突加 强励 自动保持恒定 励磁 。 同步机 起 动与 停车 时 自动 灭磁 ， 并在 同步 电动机 异步 运行时 接 有 灭磁保护 环节 。 手 动调 节励磁电流 、 电压可 进 行 功 率 因数调整 。 以往 上述功能 都是 采用 模拟电 路来实现 的 。 由于大 量硬 件 线路降 低 了系统 的可 靠性 ， 调 整 也很 不 方便 。 微 型机 的出 现 ， 不 仅替 代过 去 的硬 件 线路 成 为现 实 ， 而 几使系 统 大大 简化 。 系统硬件构成 系 统 原理框 图 见图 。 其中触 发器 、 电压 负反 馈 、 比例放 大 器 、 投磁环节 均 由单片 机 的 最 小系 统 代替 。 改 们 们 一 、泊 了 图 系 统 原 理 框图 图 示出 了单片机 及其硬 件接 口 电路框 图 。 包 括灭磁 及 投 磁检测 电路 ， 单 片机 ， 地 址锁存 器 、 程序存贮 器 了 扩展 器 ， 转 换器 ， 三相 同步 电源状 态检测 电路 及间 隔 。 同步脉 冲形 成 电路 、 脉 冲光 电隔 离及 功 率放大 电路 等 。 由于晶闸管 的主 变压 器 和 同 步 变压 器均接 成△ 一 ， 为使 同 步 电源 电压滞后沁 。 ， 所以 加 阻 容滤波 ， 同 时也去 掉了交流 电源 电压 波形 上的毛刺使 波 形整齐 。 过 零检侧器是 把 三相 互差 。 的交流波 形变 为方波 ， 一路 送 到 ， 口 的 、 。 、 尸 、 、 、 尸 ， 引 脚作为电源状态 检测 信 号 ， 另一路 经 · 个异 或 门 加 到 波 缘检测 器 ， 其输出 为间隔 。 的同步尖脉 冲再加 到 的 引 脚 作为外部 中断 的 启动信 号 。 是 作 为 扩展 ， 它 的 口 ， 尸 。 。 尸 。 。 引脚 为脉 冲输 出 ， 再经 光 电隔 离 和整形 放 大 后加 到功放 电路 。 波 缘检 测 器线路 、 光 电 隔 离及 功 放 电路 详图见文献 〔 〕 。 在 异步起 动过 程 中转 感 应 电压 见 图 在 端为 正半周 时 ， 经 二 级管短接 ， 在 端 为 正半 周 时 ， 感 应 电压 达 到 一定 谊 导通 经 ， 放 电 ， 随 着转 速 ‘ 的升高 ， 转子感 应 电压 的频率 由刚起动 卜全的 逐渐 降低 ， 当达到 同步 速 时 此频 率为 。 。 图 示 出了同 步电动机 异步起 动时转 子 电压 的波形 变化情况 。 取 两端交流 电压 经波形 变换器 变成 方波 ， 再 经过 光电 隔离送到 单片 机 的 。 引脚 ， 检 方波 宽度 。 当频 率为 一 长 时 ， 由 的 口 。 引 脚输 出一 个脉 冲 ， 再 经过 光电隔 离及放 大 后触发 ， 这 样主 回 路 的晶闸管 才能 开 放 ， 励 磁 方可 投 入 。 为 尽 量减小 电磁 干扰 对装 置 的影响 ， 在主接 触器 的线 圈 两端 并联 个压 敏 电阻 吸收分 闸合闸 时产生 的浪 涌电压 。 另外 主回路还 接有过压 及过流保护线路

74LS37 B 8031 2732 R KGZO INGiven value 00 -Fcecback value 08r.9 CLK e OE STRT \LE \11 control bridge 尚中 1S86 ED +5Vv1 8155 KGZP IST B.7 B.0 图2单片机及其接口电路 Fig.2 Single-chip microprocessor and its interface circuit GE forward voltage Rotator's Magnetizing influence pulse ivoltage 图3异步起动时转子电压波形 Fig.3 Rotator's voltage curve for asynchronous initiation 2软件实现 系统的软件是在外围接口硬件支持下进行的，软件设计是采用模块化的结构，这样请 晰，调整方便。 2.1主程序 主程序包括初始化程序，调投磁检测子程序，调AD转换子程序及中断等待等；框图如 155

、 尸 一 、 一 … 牛 一 通 买 · 〕 ， 岑 巨 一 飞 里牙 ’ ’ ， ”韶 · 《〕 ‘ 、丫 习 口一 二二二 习 只 ‘ ， ‘ ’ 义厂 戛 户二 宁 叫 · ，叫 ’ 日 日 曰 · 呻网 日 川 卜 、 图 单 片机及其接 口 电路 一 入 万乙 助 笋 。 、 、 图 ’ 、 异 步起动 时 转 子 电压波 形 软件实现 系 统 的软 件是 在 外围接 口 硬件 支 持 下进行 的 ， 软 件 设 计是 采 用模 块 化 的 结 构 ， 这 样 清 调 整方 便 。 晰 ， ﹄， ，乍 主程序 主程 序 包括 初始化程序 ， 调投磁检测子 程序 ， 调 了 转 换子 程 序及 中断等待 等 框 图如

图4所示。 为了使同步电动机在异步启动过程中未达 Main 到亚同步以前，励磁不能投入，因此必须准确 Initiali∠tol 可靠地检测出亚同步的时刻，然后才能进行励 磁的控制，这一点就是由投磁检测子程序来实 Call routine of throw makneties test 现的。 L nlock interrupt n (cxternal ('PL) 为了防止电网电压下降时引起同步机的失 步，必须加电压负反喷。当电网电压下降时，此 Interrupt 环节起强励作用，自动保持同步机恒定励磁。 To cxternal interrupt 0 电压负反馈信号取自三相同步变压器经整流后 N 加到A/D转换器0809的1N1引脚与1N。引脚给 ('all A/D routitie 定信号进行比较，其偏差经过一个比例放大器 后作放在特殊功能寄在器DPTR的低8位DPL 及高8位DPH的来4位里，从而形成时间常数 (iven -fcedback 的12位地址，再由查表法可求得相应的时间常 数，也就决定晶闸管的控制角a的大小。 Y Unlock interrupt (T CPU) 主程序框图中有2个中断等待，第一个中 断等待是等待同步脉冲；第2个中断等待是等 Waiting interrupt 待定时时间。1/D转换子程序有256μs的延时 图上程序框用 时间，可正好起到αm:.的保护作用。 Fig.1 Main program block diagram 2,2中断服务程序 电源状态的检测，触发脉冲的产生、移相及脉冲分配都是由中断服务程序实现的，也就 是完成数字触发器的全部功能。数字触发器的方案很多，参考文献〔1)根据提供同步脉冲的 方法不同分为3种结构形式。另外还可根据硬件和软件所占的比例义可分为： (1)以钦件为上，硬件：为副的设计方案 该方案对于单片机只需一个定时器即可，参考文献〔2〕给出这种方案详细框图。由于它 要检测判断α角区间范出，在60°和120°的地方处理不好容易丢尖脉冲，使波形不整齐。 (2)以硬件为上，钦件为副的设计方案 该方案铁件设计简单，占用CPU的时间也很短。对于单片机需要3个定时器，通过打展 8253可方便实现这个要求。本系统采用第1种方案，小断服务程序的上要内容包括如下方 面。 首先将定时器T:停止定时并关中断，接着置P:川为输人状态，耳从PI取电源状态， 并拆敲掉P:高可位，博山电源状念字查脉冲准地址，可以进行地址区间判断：由脉冲地址： 表查出脉冲宁，然山55B1输出脉冲字，冉进行脉冲宽度延时，每输出一次脉神还要褙 脉冲。山a角人小查出延时时常数送到定时器T,最后中断返回。注意T,是出外部中断 O启动的，外部中断是由山间附60°的同步脉冲下降沿动。 156

图 所示 。 为 厂使 同步 电 动机 在异 步 启动过 程 中未达 到 亚 同步以 前 ， 励 磁 不能投 入 ， 因此必须准 确 可 靠地 检测 出亚 同 步 的时刻 ， 然 后 才能 进 行励 磁 的控 制 ， 这一 点就 是 由投 磁 检测 子程序来 实 现 的 。 为 了防止 电 网 电压 下降 时 引起 同步机 的失 步 ， 必 须 加 电压 负反 溃 。 当电 网 电压 下降 时 ， 此 环 节起 强 励 作用 ， 自动保持 司步机 恒定 励 磁 。 电压 负反 溃信 号取 自三相 同 步 变压 器经 整流 后 加 到 转 换 器 的 引 脚 与 。 引脚 给 定 信号 进 行 比较 ， 其偏 趋经 过 一 个 比例放 大 器 后 存放 在 特 殊 功 能寄 存器 尺的低 位 及 高 位 的未 位 里 ， 从 而 形 成时间常 数 的 位 地 址 ， 再 由 查 表法可 求 得相 应 的时 间 常 数 ， 也就 决定 晶闸管 的控 制角 的大小 。 主程 序框 图中有 个 中断 等待 ， 第一 个 中 断 等待是 等待同步脉 冲 第 个 中断 等待是 等 待定 时 时 间 。 转 换 子程 序 有 哪 的延 时 时间 ， 可 正 好起到 。 。 的保护 作 川 。 图 毛 上 程 序框 图 毛 中断 服 务 程序 电源状态 的检测 ， 触 发脉 冲的产生 、 移 相及 脉 冲分 配都是 由 ‘卜断 服 务程 序实现 的 ， 也就 是 完成数 字触 发 器 的全 部功能 。 数字触发 器 的 方案很 多 ， 参 考 文献 〔 〕 根据提供 同 步脉 冲的 方法 不 同分 为 种 结 构形式 。 另 外还 可根 据硬 件 和软 件 所 占的 比例 又 可分 为 以软 件为 上 ， 硬 件为 副 的 设 计方 案 该 方 案对 于单 片机 只 需一 个定 时器 即 可 ， 参 考 文献 〔 〕 给 出这 种 方案 详细 框 图 。 由于它 需 要 检测 判断 角区间范 围 ， 在 。 和 。 的地 方处 理 不好容易丢 失脉 冲 ， 使 波 形 不整齐 。 以 硬 件 为 ， 软 件 为 副 的 设 计方 案 该方 案软 件 设 计简单 ， 占用 的时 间 也 很短 。 对 于单 片 机需 要 个定 时器 ， 通 过 扩展 叮方 便实现这 个要 求 。 本系 统 采 用 第 种 方案 ， ，卜断 服 务程 序 的 要 内 容 包 括如 下方 面 。 首 先将定 ‘讨器 ， 停止 定 时 并 关 中断 ， 接 着置尸 日 为输 人状 态 ， 再从尸 ， 日 取 电源状 态 ， 卜屏 蔽 掉 ， 、 一 石 · ， 再山一七源状 态 泞 查 脉 科 ，准 地 址 ， 可以 进 行地 址 区间判 断 由脉 冲地址 农 查 出脉 冲字 ， 然 后 山。 “ 日 输 出脉 冲 ‘ 补 ， 再进 行脉 冲宽 度 延 时 ， 每输 出一 次 脉 冲还 要清 脉 ，卜 。 耳一 ‘，角人 小查 老 延 一 ， 、」 一 ，’数 送 至】定 时 器 ’ ’ ， ， 址 后 ， ，断 返 、， 。 注 意 ，是 白外部 ， ，断 启 动 的 ， 外 部 ， ‘ 断是 山 ， 俩 。 的 」步脉 。 下降 沿 ’ 动

3结 论 该装置在马鞍山钢铁公司动力厂250kW的空压机上进行3个月试运行。实验证明：设计 合理，完全可以满足生产要求，还可增加无功检测，无功调节，失步再整步及自检查和自诊 断等功能，使之产品化。 参考文献 1倪忠远等.电子技术应用，1987；2 2葛长荣译，电气传动自动化译丛，1985：(3)：56 3复旦大学，MCS-51单片微机原理与应用，1986年 鞍钢180t转炉整体焊接三点铰式 支承通水冷却托圈 鞍钢180t转炉整体焊接三点铰式支承通水冷却托图是由鞍钢设计院设计，我院运用空 间有限元法进行理论计算分析，鞍钢机械制造公司制造，安装使用在鞍钢第三炼钢厂180t转 炉上。该托圈在结构上采用了整体焊接结构，比老式的剖分式结构，具有强度大，刚度均 一，机械加工量小，耳轴同轴度高的优点。炉体在托圈上采用三点球铰式支承。各支承点载荷 均匀而确定，可消除由于炉壳相对托圈的膨胀与收缩而产生的附加应力。改善了炉壳及托圈的 受力状况。托圈还采用了合理的挡架一力矩块系统，保证安全可靠地传递倾动力矩。托图圈 的整体焊接箱形截面结构，有利于采用通水冷却。由于采取了通冷却措施，有效地减小托圈 各部位温度梯度，降低了导致托圈破坏的热应力值。 180t转炉托圈的理论计算分析，内容完整系统，结论正确，对设计工作有普遍指导意 义及实用性。该托圈结构先进，性能良好、工作安全可靠、工作寿命长，减少托圈及炉壳的 更换次数，减少停炉时间，为多生产钢创造了有利条件，完金满足炼钢生产的需要。经济效 益显著，年效益接近210万元。 180t转炉托圈技术对新建转炉或大型转炉改造具有广泛的推广应用价值。 A的於价染的於外映於於众价M价M於映A件价MM於价价价於於的决价快价於饮的的M快 157

结 论 该装置在 马鞍山 钢铁 公 司 动 力厂 的空压机 上进 行 个 月 试运行 。 实验 证明 设计 合理 ， 完全可 以 满 足生 产要 求 ， 还可增加 无 功检测 ， 无功调 节 ， 失步再 整步及 自检查 和 自诊 断等功 能 ， 使 之 产品 化 。 参 考 文 献 倪忠 远 等 电 子技术应 用 ， 葛长 荣译 电 气传 动 自动 化译 丛 ， 复旦 大 学 一 单 片微机 原理 与应 用 ， 年 鞍钢 转炉整体焊接 三点铰式 支承通水冷却托圈 鞍 钢 转炉 整 体焊接 三 点铰式 支承 通水冷却托圈是 由鞍 钢设 计院设 计 ， 我院 运 用 空 间有限 元法 进行 理论 计算分 析 ， 鞍 钢机械 制 造公 司制 造 ， 安 装使 用 在鞍 钢第 三炼 钢厂 转 炉上 。 该托圈在结 构上 采 用 了整体焊接结 构 ， 比老 式 的剖 分 式结 构 ， 具有强 度 大 ， 刚 度 均 一 ， 机械加工 量小 ， 耳轴同轴度高的优点 。 炉体在托 圈上采 用三点球铰式支 承 。 各支 承 点 载荷 均匀而 确定 ， 可 消除 由于 炉壳相对托 圈 的膨胀与收缩 而产生 的附 加应 力 。 改善 了炉壳 及托 圈的 受力状况 。 托 圈还采 用 了合 理的挡架 －力矩块 系统 ， 保 证安全可 靠地 传递 倾动 力矩 。 托圈 的整体焊接箱形截 面结 构 ， 有 利 于采用 通水冷 却 。 由于 采取 了通冷 却措施 ， 有效地减小托 圈 各部位温 度梯度 ， 降 低 了导致托 圈破坏 的 热 应力值 。 转 炉 托 圈的理 论 计 算分 析 ， 内容完 整系统 ， 结 论 正确 ， 对 设 计工 作有普遍指 导 意 义及 实用性 。 该 托圈结 构先进 ， 性能 良好 、 工作安全可 靠 、 工作寿 命长 ， 减少托 圈及 炉 壳 的 更换 次数 ， 减少 停炉 时 间 ， 为 多生 产 钢 创造 了有 利 条件 ， 完全满 足炼钢生产 的需 要 。 经 济 效 益 显著 ， 年效益 接 近 万 元 。 转 沪托 圈技术 对新 建转 炉 或大 型转 炉改 造具有广泛 的推广应 用 价值