CN1039687A - 同步电机的多功能微机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种同步电机的多功能微机控制系统，它是由调磁和调汽两部分组成。它的功角测定技术可取得同步电机许多重要的运行情况信号。它的调磁技术可以提高功率因数、控制动态无功，在近同步区它可加速进入同步，还能控制系统振荡并促其复原。它的调汽技术能使调汽动作与调磁动作协调。它还能统一汽调、磁调的操作，从而高度地加强了电力系统的稳定性。本发明的主要技术可移植于水轮发电机的控制系统。

Description

本发明属于电工技术领域的同步电机控制系统，是用以改善同步电动机、汽输发电机组及水输发电机组的运行性能的方案，它的作用是多方面的。

本方案从功角测定出发，以理论延伸入各个方面，参与研究者中包括对许多方面有丰富知识、经验的教授、高级工程师们，都未见过类似的资料，所要解决的问题仍普遍存在于所知的学术和生产实践中。

本方案有失步保护和重整步问题、所见的最新资料是我国发明专利申请号：85    1    00958，名称：《同步电动机失步保护装置》，其内容和所引用的对比资料都是从完全不同的出发点和途径展开的，从而其效果的准确、灵敏、可靠、简单等方面都大不相同，此外本发明的目的，主要还在于提高功率因数、控制动态无功、加速进入并稳定于同步值和控制系统振荡并促其复原等等。所以与上述专利本质上是不同的。

本发明是通过微机控制同步电动机，汽轮发电机、水轮发电机等的调磁和调汽（水）过程，其主要技术特点在于以功角测定为依据，用以控制磁场而取得同步机的功率因数、效率、动态无功的可控;近同步区的性能可控;系统振荡的可控，其次是调汽（水）的动作可以跟上调磁的需要，并进而把原动机和发电机的调节统一起来，从而为节能，同步机出力挖潜、系统稳定、安全、供电质量提高等大问题的开发创造了必要条件。

以下分述各方面问题

一、原理

以隐极同步电机为例，忽略定子电阻时，其功角特性如图一，它的各参数间关系为：

P＝EUSinδ/X_d（1）

Q＝（EUCOSδ-U²）/X_d（2）

式中：P为电机有功功率，Q为电机无功功率，U为定子电压，E为转子电势，δ为功角，X_d为直轴同步电抗。

当同步电动机运行时，令L为电动机负载，则：P＞L时，转子向旋方向加速，δ减小。如此时δ在小于90°处，则P下降以趋于新的稳定点，反之，如δ在大于90°处，则δ下降，P上升，原方向的加速亦增大，δ再下降，可知δ所在点的斜率方向及δ的大小均在影响调节效果。

同步机为凸极式时，功角特性较复杂而原理相似。因此调磁技术的准确掌握，及时测知δ值应是必要条件之一。

测定δ值后的用途是多方面的，本说明只侧重于以下的几个问题。

二、措施

1.δ角的测定

将同步电机转子d轴和定子指定相绕组二者的中线对准，如指定相电压在正半波内所产生的磁场方向与转子磁场方向相同，则不计定子电阻影响的指定相电压由负到正的过0点时δ为90°。

在转子轴上固定一园盘，在盘上直径为D₁的圆周上每360°电角钻一孔，将每个孔通过的光脉冲转变成的电脉冲定名为M₁，并使其发生电脉冲时恰是上述两个中线的对准点，再在上述园盘直径为D₂的圆周上每隔40°电角钻一孔，每9个孔中有一个与D₁上的孔在一直径上，D₂上的孔通过的光脉冲转换成的电脉冲定名为M₂。

设J₁、J₂两个计数器，J₁用以每当指定相电压由负到正过0点，将存数清“0”再对频率为1兆赫的时钟脉冲计数，令其瞬间数值为n₁。J₂用以对M₂计数，但每当M₁到达一次自身清“0”，重计，令其瞬间数值为n₂由于在工频时每度电角对应1兆赫的时钟脉冲数为55.56，故在任一个n₂到达时有下式关系：

δ_F＝n₁/55.56-40n₂+90 （3）

式（3）中的δ为实测值，以后名为δ_F，上述之时钟脉冲频率及D₂圆周上的孔数均为举例，例中能得到的δ_F的精度为0.018°，测定周期为2.22毫秒。

当系统频率变化时，可从M₁每次清“0”时的存数算出实际频率值，除以360之得数取代式（3）中的55.56即可及时纠正频率差之影响。

2.磁场电势计算

式（1）、（2）中的参数说明了隐极同步电机的基本性能特微，其中Xd可由制造厂提供，δ_F由式（3）算出，U_F、E_F二者可用现有技术测得。于是可以先用式（1）算出P_F，然后，根据对运行中功率因数及无功功率的要求，规定Q值，并以P_F，U_F，X_d，Q为已知数代入式（1）、（2）联解得调节后应达到的δ及E值整理后得：

δ＝tan^-1P_FX_d/（QX_d+U²） （4）

E＝P_FX_d/U_FSinδ_F（5）

式（5）所得的E便是本发明中调节的主要目标。

3.磁场电势的自动控制

在自动控制中，上面提到的E_f即是转子电势的反馈量，式（5）中的E为给定量，可以通用的比例积分调节器原理来处理本发明的问题。

首先是用微机技术取代常用的运算放大器，这只要我们根据系统情况计算出积分时间常数τ_n和比例系数K_p，便可运用微机技术了。

还可用微机技术处理更多的问题：一是参照陈伯时《自动控制系统》第五章：当ΔE（＝E-E_F）大时取h＝4，小时取h＝5来调节τ_n及K_p本身的参数，借以避免超调又无损于快速，二是当负荷或系统的GD²变化时也据以变更K_p值，三是以图一为例，当我们要将δ角从90°以内调到90°以上时，只有式（4）、（5）是不够的，反之δ从90°以上调到90°以下时也必需辅以其他办法，例如：令P＞L（即同步电动机的输出转短＞阻力矩）以让δ从90°以上下降到90°以下，反之，P＜L则δ从90°以下上升到90以上，过了九十度关后，再按式（5）规律调到预定的E及δ值，四是E与励磁电压间非线性关系，可以用查表法找出对应于E的V（励磁电压）值，五是计算速度问题，可用查表代算、放弃某些不必要的精度，以对数加、减代自然数乘、除等压缩计算周期。

4.功角特性的改变

隐极同步机的功角曲线为正弦半波，凸极式同步机为三个不同波长正弦半波的合成曲线，如果在需要的区域加入一个人工作成的线段，它将与该处原有线段合成一个适合特定需要的特性功角线，在图二中的δ为a₀到b的区域加入一个线段ab，则在原有功角线的相应处获得一个a′b′线段，这一段的改变后的P′值与原有P值的关系式为：

P′＝P[1+f（δ）]    （6）

式中当δ值在图二的δ为a₀与b的范围外时f（δ）为0，对应于式（6）我们将E的调节量改为

E′＝E[1+f（δ）]    （7）

5.励磁电路

图三为从整流变压器二次侧到同步机转子励磁绕组的主电路，作为示例，它只以三相“0”式作为整流单元，但主要是用它的“反并联”和“可逆”性能，其中SCR₁、SCR₂为正、反两组可控硅，L₁为一个连续的电感绕组从中点抽头而成，取其总电感为任一半个绕组电感的4倍以限环流和每一半绕组的电感以滤波（本文不申论进一步限环流问题）。

运行方式为两组可控硅间总是一整流、一逆变、同时导通、电压绝对值约相等。因而电压调节的快速性好、电流过0点无先断流延时，再反向的间断，可立即控制过电压，消磁时能将磁场储能反回系统等。电流变化的过程，以电流从0开始，电压则自始为某一恒值的条件，描述它的规律得：

${\mathrm{i\; =I\; (1-e}}^{-\frac{r}{L}t}\mathrm{)\; (8)}$

式中i为电流瞬时值，I为稳态电流（＝E/R），L/R为电磁时间常数故调节器输出的直流电压与I成正比，在图中的外加电阻R₁处并联有双向可关断可控硅，后者用以适时投切R₁其用法是：设励磁绕组不能承受四倍额定电压，则投入与绕组内部电阻相等的R₁，同时，可控硅输出电压仍为4倍额定值，于是I将为2倍额定值同时电磁时间常数为原有之半，其电流变化速度将介于只施加4倍电压和只压缩电磁时间常数到原有1/4值之间。

6.汽阀的调节

考虑了两个类型：（1）.用三付步进电机带动三个齿轮油泵，每付的电机进（退）一步时送入（抽出）的油量比为1∶20∶400，每付每次活动范均在20步以内。故总调节量为8420精度为1/8420，（2）.用13付活塞式送（吸）油单元，每一单元的调油量比各为1.2.4.8......等二进式关系，每付只有送入（“1”位）或吸出（“0”位）两种状态，则总调节量为8191精度为1/8191，前者为步进式法，后者为二进制法，均由微机控制动作，其动作速度、精度均可跟上上述的调磁系统，其对调节量及精度的要求均可按需变化。

7.调汽与调磁的统一

发电机的电能输出与汽输机的热能输入间扣除了各自内部的损耗后，存在着平衡关系，可以找出损耗变化规律后到表示出它们间的关系。

同样的蒸汽量由于温度、压力等的变化它能变为机械能的数量也不同，也在同一表中示出其关系。

对此可用下表以示统一调汽，调磁方案的要义

表中电功率栏可以是前面措施部分第2条式（4）中的P_f值（在负荷基本平稳时），考虑到调汽、调磁各自的某些时间常数不同，对负荷急速变化的反应不同等，也可以是经微机作了某些预测性计算后给出的调节量。

表中的校正系数，是顾及蒸汽的温度压力变化，也可兼顾某些影响汽输机效率的因素（如凝汽系统的真空值）计算得出的校正系数，这个系数首先是用以校正蒸汽输入量，然后算出其相应的汽阀开启量注入表中而查表时则直接根据电功率输出以找出汽阀开启量。

表中的汽阀开启量，在用步进式法时，（由微机按表中应有的步数与实际的步数相较后向各个步进机分别给出其应进（退）的步数，在二进制法时直接向控制各活塞状态的二进制计数器置数。

调汽的原理可移植于水轮机的水阀开启量的调节，当将上表中的校正系数换为补偿水源压力，管道损失等水源参数的影响后，便可以用于调水与水轮发电机调磁的统一。

三、应用效益与开发

功角测定有以下直接用途：（1）.送入数字式或指针式仪表以显示δ角运行位置，（2）.近于失步状态时（如δ在0°或180°附近）发预报信号，（3）.进入失步状态时（如δ小于0°或大于180°一定量时）发出事故信号，（4）.准确控制投磁时间（参见高景德等著《电机过渡过程的基本理论及分析方法》下称《…分析方法》1982年版、第734页）。

磁场调节有以下多种用途：（1）正常运用时用以使Q值超于0，便能提高功率因数，同时提高同步机的效率，避免它自身引起的动态无功量和区域电压波动;（2）功率因数提高，使同步机的潜在出力可以更多发挥;（3）当同步机的负荷较轻时可用以兼作区域无功功率和动态无功的补偿;（4）它可以δ角瞬间值为依据，使励磁电流的变化在近同步区的规律为：δ在0°-180°区，励磁电流加强，以提高脉振转矩：δ小于0°，大于180°区，励磁电流减弱以降低稳态异步平均转矩（见《…分析在》第491-492页）;在其近同步区，可以在δ趋近180°时进行将磁场方向反转的操作（甚近同步的标准是δ变化180°角的时间达到励磁电路电磁时间常数一定倍数，这个倍数由自动控制系统计算确定）。如δ还能从180增达到360°，再进行一次磁场反向，当δ角基本稳定时，在它通过图二中预定的变形线段时，投入式（7）的作用使之稳定于“∨”形槽内，然后以自动控制系统按式（4）、（5）的规律转入同步运行的正常状态中，这种技术既可用以加速进入并稳定于同步，也可用于失步后迅速返回同步，且均以微机自动完成。（5）当系统频率振荡时，电气传动方面的负荷随频率增减的规律就是抑制作用。如非振荡伴有无功功率波动，同步电动机也不必另采对应措施，但对于同步发电机，由于它的容易大，也有条件可以作出有效的贡献：这里只论及调磁部分，a.如电力系统没有总的要求，可以用δ测定时计算器J₁每次清“0”时的存数算出当时的频率，简化的作法是：记录下每个振荡周期的最高、最低频率及其同时的发电功率，再算出平均频率F_a作为我们要求稳定的频率目标;算出平均功率P_a作为我们控制的依据，于是瞬间的功率控制量P为：

P＝P_a（1+K·ΔF） （8）

此时P为指定值再结合其他要求从式（1）、（2）的基本关系中去求E的调节量，K值按需指定和自动调节。

式中K为比例系数由设计选定，ΔF＝F_a-F_f，其中F_f为J₁当时清“0”前的存数换算得的该一个工频周波的频率，ΔF为正时瞬间频率低于平均频率，式中P＞Pa反之P＞Pa，这便是抑制振荡的作用。b.如果电力系统有规定，则据以改变式（8）的Fa及Pa值，c.从发电机以兼控制系统振荡时的无功和无功动态问题也是较有条件的，必要时可以适当降低对功率因数的要求。

调汽的用途：（1）.本发明的调汽技术本身是用以使能与调磁的高速、高精度配合;（2）.它的最大目的还在可借以实现调汽、调磁的统一，最能体现统一调节作用的是在于系统负荷急剧变化之际。上面已提及的系统振荡，如果调汽不能与调磁统一并取得调节量和动作量的协调，前面的调磁所要求的功率变化就不能实现，振荡就不能抑制。这未赏不是迄今系统振荡时有发生不能迅速复原的重要原因之一。（3）.这调汽技术及调汽、调磁统一的方法，原则上也能移植于水轮发电机组，具体地便是对闸阀调节的快速与精确和原动机与发电机间能量平衡规律的运用都是相通的。

关于效益。主要是：（1）.它是从同步电机内部参数的控制来保证同步电机经常、稳定地运行于所要求的高功率因数，因而提高了同步机的效率也使之有可能发挥更大的出力，还因此可以省去从同步机外部为改善功率因数的投资，（2）.它为在近同步区加速进入同步和重态步创造了很好的条件，（3）.它为系统稳定运行，包括预防振荡和在既振荡后迅速复原创造了很好条件，这里面有技术经济效益（挖电机潜力，节电、提高供电质量）也有社会效益（促进生产发展，没有带来任何污染及其他有害影响）。

要达到上述种种目的，有的是较容易的，有的将是大量开发工作才能投入应用，但与它的效果相较，无疑是值得大力开发的。

附图说明：

图一，为忽略定子电阻时隐极同步电机的功角特性图，其中：δ为功角的度数，P为同步电机输出的功率量。

图二，为对图一的功角特性作人工改变的示意图，其中：δ、P同上，a₀b为功角δ线上的未改变前的功角线段，ab为人工加入功角线段，a′b′为被改变后的功角特性曲线。

图三，为同步电机所用由整流变压器二次侧至同步电机励磁绕组的电路主结线图。其中：SCR₁、SCR₂为整流及逆变用可控硅组，SCR₃为成反并联结线的可关断可控硅组，R₁为外加电阻，L₁为在中心点抽头的电感线圈，L₂为磁场绕组。

图四，为微机控制磁场调节的示意图，其中：n₁为同步电机定子指定相的电压由负到正的过0点起对时钟脉冲计数所得的数值，n₂为同时对脉冲M₂计数所得的数值，[1]为式（3）之计算过程，δ_F为经[1]计算后输出的功角值，[2]为对δ_f作如下处理的过程，G为当δ近于设计规定的失步信号时，发出失步预报信号;H为当δ已进入设计规定的失步区域时发出的失步事故信号;J为全部δ值均送入仪表以显示δ之瞬时值，[3]为处理失步事故的执行机构，I_E为实测的励磁电流，[4]为查表过程以取出扣除磁饱和影响的转子电势，E_F为经[4]输出实测E值，Q为无功功率，U为定子电压，[5]为式（4）、式（5）之计算过程，E为经[5]计算后输出的转子电势，[6]为将E_F及E纳入作磁场调节量之计算。

图五为图四[6]的展开示意图，其中：[6-1]为ΔE＝E-E_F之计算过程，ΔE为经[6-1]计算后的转子电势值，[6-2]为用微机控制的比例积分调节器的调节过程，E′为经[6-2]后输出的转子电势，[6-3]为式（7）之计算过程，E″为经[6-3]计算后取得的对功角特性改形后的转子电势值，[6-4]为查表过程，以取得扣除磁场饱和影响的可控硅触发角，α为经[6-4]输出的可控硅触发角。

Claims (4)

1、一种同步电机的多功能微机控制系统，它是由同步电机的励磁电流调节和汽轮机的蒸汽输入量调节两个部分所组成，其特征在于，调磁是以快速测定的功角δ和其它已有方法测定的同步电机定子电压μ、转子电势E等为基础，计算并自动控制E的调节而成，调汽是从蒸汽输入与发电机电力输出二者间的能量平衡出发以建立电力输出与蒸汽阀开启量间的数学关系而成。

2、按照权利要求1所述的微机控制系统它的调磁部分的特征在于：

（1）.它有一个δ角测定环节，同时测定定子指定相的电角和转子的位置，并据以计算出δ角;

（2）.它有一个按同步电机运行特点的不同，以计算出同步电机各主要参数间的固有关系所决定的E的调节量的环节;

（3）.它有一个用微机技术取代模拟电路运算放大器的比例积分调节器，它的积分时间常数和比例系数都是可按需要自动调节的;

（4）.它有一个改变功角δ曲线形状的环节，在所要求调节其曲线形状的部分加入一个人为的线段并与原有曲线叠加而成需要的形状;

（5）.它有一个输出电压大小及方向均可调的励磁电路，其整流及逆变侧同时处于导通状态，它还增加了一个可以按照需要自动投入或切除的串联于磁路的电阻。

3、按照权利要求1所述的微机控制系统，它的调汽部分的特征在于：

（1）.它用汽轮发电机组的发电量输出和蒸汽量输入二者在所计算时间内的平衡关系（考虑到发电机和汽轮机的效率随负荷而变的影响，也顾及蒸汽压力、温度等变化对蒸汽需要量的影响）事先计算出发电机的电能输出与汽阀开启量间的数学关系，将结果作成数据关系表，用微机查表，并用微机直接操作汽阀开启量

（2）.它的汽阀调节，可用步进式法，即用多组步进电机带动不同容量的齿轮油泵并联运行，其油量调节可达8420单位以上，调节精度可达1/8420以上;

（3）.它的汽阀调节，也可用二进制法，即用多组不同容量的活塞式阀并联运行，其油量调节可达8191单位以上，调节精度可达1/8191以上。

4、按照权利要求1、2、3所述的微机控制系统，其特征在于，它的调磁部分可移植于水轮发电机的调磁部分，它的调汽方案可移植于水轮机的水量调节部分，它的调汽、调磁统一方案在把蒸汽压力、温度等参数变化引起的校正系数改为水源参数变化引起的校正系数后，亦可移植于水轮发电机的控制系统。

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