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高压无换向器电机及其控制技术研究

作　者: 杜海江
导　师: 陈志业；石新春
学　校: 华北电力大学（河北）
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 无换向器电机转子位置检测相序相位自适应晶闸管阀有限状态机
分类号: TM344
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文以采用三相桥式电流型变换器的无换向器电机为研究对象,吸收近年来微电子和微处理器领域的最新技术成果,对无换向器电机控制系统的若干薄弱环节进行研究,并取得了一定成果。通过分析有关有限状态机(FSM)的文献,设计了改进的有限状态机方法(IFSM),作为小型嵌入式系统的软件分析工具。IFSM 的分析结果可以很方便的转换为软件设计阶段的N-S 盒图,利用盒图编制软件可以保证软件的结构化并易于维护。在开发无换向器电机时,利用改进的有限状态机方法,不但分析设计了全程时域仿真模型,还利用盒图和C 语言,在实际装置中,实现了主控制器、转子位置检测器、晶闸管阀故障监测等软件。这些子系统功能不同,但具有相同的软件结构,维护和调试都很方便。首先建立了无换向器电机的传递函数模型,对双闭环调速系统的控制器参数进行设计。然后以Matlab 软件提供的一套电力系统工具箱为基础,建立无换向器电机主回路模型,并利用Matlab 语言编制控制软件,将两者结合,建立了全范围动态过程的仿真模型,称之为全程时域仿真模型。最后利用此仿真平台,研究了电机低速断流运行特性,以及无换向器电机端电压的变化规律,为研究转子电气位置检测方法以及直流平波电抗器选型提供了理论依据。为了解决高压无换向器电机相控整流器繁琐的安装调试问题,重新对相控技术进行了研究。根据三相变压器的接线组原理,揭示出电网不同等级电压的内在联系,而后对感性负载电压电流的相位关系进行分析。得出结论,可以把电网任一低压交流电源,如控制回路的供电电源,作为同步信号源,利用软件方法推算出整流器交流侧电源的相序相位关系,最终形成一套相序相位自动识别算法,并应用到无换向器电机控制系统中。该方法不需要高压电压互感器,降低了装置成本,并大大简化了相控整流器的调试过程。由于电机转速从零速到额定转速宽范围调节,电机端电压幅值和频率变化非常大,波形也严重畸变,所以全程式的转子电气位置检测器很受重视,但这一问题始终没有很好地解决。无换向器电机在低速时段,一直沿用机械式(如光电式)转子位置检测器,高速时段才切换为电气位置检测器。本文利用一系列特别设计的方法,解决了转子位置从零速到额定转速的检测问题,并且只使用定子侧的三相电压为观测量,可称为全程式转子电气位置检测器。该检测方法与电机极对数无关而且可以实现电机全程闭环控制,在实验电机上获得了良好效果。

全文目录

中文摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章引言  14-21
  1.1 研究目的和意义  14-16
  1.2 课题研究现状及存在问题  16-19
    1.2.1 无换向器电机的过载能力  16
    1.2.2 电流型变流器的谐波问题  16
    1.2.3 无换向器电机自动控制系统与仿真  16-17
    1.2.4 无换向器电机的转子位置检测  17-18
    1.2.5 无换向器电机的整流桥移相控制  18
    1.2.6 无换向器电机的控制系统  18-19
    1.2.7 无换向器电机控制系统开发的工程方法  19
  1.3 本文的主要工作  19-21
第二章直流无换向器电机的工作原理  21-27
  2.1 引言  21
  2.2 电枢磁动势  21-22
  2.3 电磁转矩  22-24
  2.4 逆变桥晶闸管的换流方法  24-25
    2.4.1 反电势换流法  24-25
    2.4.2 电流断续换流法  25
  2.5 转子位置检测  25-26
  2.6 调速控制系统  26-27
第三章小型嵌入式系统开发的工程方法  27-36
  3.1 引言  27
  3.2 小型嵌入式系统开发的步骤  27-29
    3.2.1 建立硬件结构图  28
    3.2.2 建立系统模型  28
    3.2.3 建立仿真模型进行仿真分析  28
    3.2.4 硬件系统接线图  28
    3.2.5 控制系统原理图及电路板图设计、制板与调试  28-29
    3.2.6 软件系统分析  29
    3.2.7 软件设计  29
    3.2.8 使用软件开发工具实现软件编程和调试  29
    3.2.9 在实验室对软件和硬件联合调试  29
    3.2.10 试运行和各种规格试验  29
  3.3 小型嵌入式系统软件分析工具—I F S M  29-31
    3.3.1 小型嵌入式系统的特点  29-30
    3.3.2 IFSM 方法  30-31
    3.3.3 按键处理过程示例  31
  3.4 盒图作为系统设计的描述工具以及 IFSM 向盒图的变换  31-32
  3.5 IFSM 功能的完备性  32-34
    3.5.1 分层  32
    3.5.2 并行  32-33
    3.5.3 同步与约束  33
    3.5.4 约束关系的设计与实现  33-34
  3.6 应仔细考虑的几个问题  34-35
    3.6.1 软件结构  34
    3.6.2 事件分析  34
    3.6.3 定时周期  34
    3.6.4 中断分配与中断嵌套  34-35
    3.6.5 关于实时内核的使用  35
  3.7 小结  35-36
第四章无换向器电机传递函数模型及调节器设计  36-47
  4.1 引言  36
  4.2 无换向器电机传递函数模型  36-39
  4.3 双闭环调速系统参数设计  39-41
  4.4 调速性能分析  41-42
  4.5 调速系统的改进  42-45
    4.5.1 积分饱和抑制  42-45
    4.5.2 现代控制理论应用  45
    4.5.3 转速测量干扰的抑制  45
  4.6 双闭环调节器的数字化  45-46
  4.7 小结  46-47
第五章无换向器电机全程时域仿真模型  47-56
  5.1 引言  47
  5.2 仿真模型建立过程  47-51
    5.2.1 电机模块  47-49
    5.2.2 功率变换回路  49
    5.2.3 信号测量回路  49-50
    5.2.4 控制回路及控制算法  50-51
      5.2.4.1 整流桥移相控制  50
      5.2.4.2 逆变桥控制  50-51
      5.2.4.3 控制算法的 IFSM 描述  51
  5.3 仿真模型结构  51-52
  5.4 平波电抗器选型及向负载换流方式切换的转速阈值确定  52-53
  5.5 仿真分析与实验验证  53-55
  5.6 小结  55-56
第六章相序相位自适应相控整流器原理分析及实现  56-65
  6.1 引言  56
  6.2 基于软件控制的传统相控整流器分析  56-58
  6.3 桥式整流器三相电压相位关系  58-59
  6.4 同步信号产生电路  59
  6.5 感性负载电压电流相位关系分析  59-60
  6.6 整流器主回路相序相位的第一种推算算法  60-61
  6.7 整流器主回路相序相位的第二种推算算法  61-62
  6.8 考虑相序相位自适应的相控整流器算法  62
  6.9 在高压无换向器电机中的应用  62-64
  6.10 小结  64-65
第七章转子电气位置检测方法的分析与实现  65-77
  7.1 引言  65-66
  7.2 转子电气位置检测的基本原理  66-67
  7.3 电机端电压波形分析  67-71
  7.4 端电压取样电路设计  71-72
  7.5 转子初始定位方法  72-73
  7.6 确定第一个端电压过零点  73-74
  7.7 确定第二个端电压过零点  74
  7.8 低速 A/D 采样方式端电压过零点判断过程  74-75
  7.9 中高速时端电压过零点的推算过程  75
  7.10 实现及框图  75-76
  7.11 小结  76-77
第八章无换向器电机控制系统的研制及应用  77-91
  8.1 引言  77
  8.2 无换向器电机电气接线图  77-78
  8.3 控制系统硬件分析  78-84
    8.3.1 微处理器选型  78-79
    8.3.2 接地与隔离方式设计  79-81
    8.3.3 信号屏蔽与低阻抗传输  81-82
    8.3.4 控制电源设计  82
    8.3.5 电路板布板时采取的抗干扰措施  82-84
  8.4 控制系统软件分析  84-85
  8.5 实验结果  85-87
  8.6 控制系统硬件电路板图  87-88
  8.7 实验室同步电动机及负载  88-89
  8.8 工业装置构成  89-90
  8.9 小结  90-91
第九章中压晶闸管阀系统研制  91-100
  9.1 引言  91
  9.2 晶闸管阀的构成  91-92
  9.3 功率回路  92-93
  9.4 晶闸管电子电路(TE)  93-95
  9.5 信号传送通道  95
  9.6 低压控制电路  95-99
    9.6.1 触发电源  95-98
    9.6.2 触发脉冲光纤发送模块  98
    9.6.3 晶闸管故障检测模块  98
    9.6.4 低压控制回路控制电源  98-99
  9.7 小结  99-100
第十章结论与展望  100-103
  10.1 结论  100-101
  10.2 工作展望  101-103
参考文献  103-109
致谢  109-110
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果  110-111

高压无换向器电机及其控制技术研究

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