CN109539960A - 一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统及控制方法 - Google Patents

一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，采用全数字化的控制方法，控制精确、功能完善，集合码盘信号的采集计算、盘车电机的控制、感应电压的检测、转子初始位置角的计算、输出高压开关柜控制、励磁控制等功能于一体，所获得的转子初始位置角的准确性非常高，而且该转子初始定位控制系统可靠性高、实用性很强，具有可推广性，适用于所有超大容量励磁同步电机。

Description

一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统及控制 方法
技术领域
本发明属于电力电子及交流传动技术领域，特别是提供了一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统及控制方法。
背景技术
上万千瓦的超大容量励磁同步电机目前广泛应用于抽水蓄能电站、军工、船舶推进等高压大功率场合。超大容量励磁同步电机由于体积巨大，构造复杂且检修维护较难，所以，一台超大容量励磁同步电机都会配有一台小型盘车电机与其同轴相连。而且，超大容量励磁同步电机的额定电压非常高，为6kV或10kV的电压等级，所以在控制超大容量励磁同步电机运转时要有输出高压开关柜。
超大容量励磁同步电机在启动时，如果转子初始定位不准确，会造成超大容量励磁同步电机堵转、无法正常启动，并且产生的极大的电流，会给电网和拖动变流器都带来极大的危险，因此，超大容量励磁同步电机启动的关键就是有一套控制精确的、功能完善的转子初始定位控制系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统及控制方法，采用全数字化的控制方法，所获得的转子初始位置角的准确性非常高，而且该转子初始定位控制系统可靠性高、实用性很强，具有可推广性，适用于所有超大容量励磁同步电机。
本发明超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，包括CPU板、模数转换板、数字量输入输出板、数模转换板和码盘信号光电转换板。
所述CPU板用于采集转子位置角，转子初始位置角计算以及输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜等设备的合闸控制、感应电压等模拟量的采集转换。
模数转换板用于是将感应电压模拟量信号转换成数字量信号。
数字量输入输出板用于向输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜发出合闸命令，并采集输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜的已合闸状态反馈信号。
数模转换板用来向励磁控制功率柜发出模拟量给定信号，为超大容量励磁同步电机提供空载励磁电流。
码盘信号光电转换板用来将超大容量励磁同步电机轴上安装码盘的光纤接入光信号转换成电信号，再由CPU板通过VME总线对码盘信号光电转换板进行读操作，最后在CPU板上完成转子初始位置角的计算。
本发明的优点在于:
1、本发明超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，采用全数字化的控制方法，控制精确、功能完善，集合码盘信号的采集计算、盘车电机的控制、感应电压的检测、转子初始位置角的计算、输出高压开关柜控制、励磁控制等功能于一体，所获得的转子初始位置角的准确性非常高。
2、本发明超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统及控制方法，可靠性高、实用性很强，并具有可推广性，适用于所有超大容量励磁同步电机。
附图说明
图1为本发明超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，如图1所示，是一个基于VME总线的具有21个插槽的控制机箱，控制机箱的插槽内插有五块板卡，包括CPU板、模数转换(AD)板、数字量输入输出(IO)板、数模转换(DA)板和码盘信号光电转换板；控制机箱内的所有板卡均通过机箱背板的VME总线交互数据。
所述CPU板具有Vxworks操作系统和奔腾M处理器，主频是2.4G，内存为128M，具有1个10/100M以太网口，该以太网口用于应用程序的下载和实时监控，此外，CPU板上还配有2G的CF卡，用于存储应用程序。CPU板是核心控制板，由CPU板进行读写操作。CPU板主要完成转子位置角的采集；转子初始位置角计算；输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜等设备的合闸控制、感应电压等模拟量的采集转换。为保证CPU板对模数转换(AD)板、数字量输入输出(IO)板、数模转换(DA)板和码盘信号光电转换板通过VME总线进行数据读写操作时不造成数据冲突，控制机箱内除CPU板外的四块板卡都有与自身匹配的硬件地址，且各不相同，来保证控制系统能正常、稳定的运行。
所述模数转换(AD)板是一块具有16个采样通道的16位高精度的将模拟量转换为数字量的板卡，用于是将感应电压模拟量信号转换成数字量信号。具体连接方式为：模数转换(AD)板上的输入端口P3通过一根25针的带屏蔽层的并口电缆与超大容量励磁同步电机的模拟量接口板上的输出端口P3相连；超大容量励磁同步电机的模拟量接口板上的输入端口P1通过一根四芯的屏蔽电缆与安装在超大容量励磁同步电机的A相定子绕组的分压电阻器上的A相电压传感器相连；超大容量励磁同步电机的模拟量接口板上的输入端口P2通过一根四芯屏蔽电缆与安装在超大容量励磁同步电机的B相定子绕组的分压电阻器上的B相电压传感器相连。模数转换(AD)板通过上述连接方法，将采集到的超大容量励磁同步电机的感应电压模拟量信号转成感应电压的数字量信号后，再由CPU板通过控制系统的VME背板总线对模数转换板进行读操作，CPU板读入转换好的感应电压数字量信号，用于转子初始位置角的计算。本发明中模数转换板寻址范围是0x7000到0x7500。
所述数字量输入输出(IO)板是一块具有32个带隔离的输入通道和32个带隔离的输出通道的高可靠性板卡，用于向输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜发出合闸命令，并采集输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜的已合闸状态反馈信号。具体连接方式为：数字量输入输出(IO)板的输入端口P4与输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜的已合闸状态反馈端口用一根四芯屏蔽电缆相连；数字量输入输出(IO)板的输出端口P5与输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜的合闸端口用一根四芯屏蔽电缆相连。本发明中数字量输入输出(IO)板的寻址范围是0x8000到0x8500。
所述数模转换(DA)板是一块具有32个相互独立的将数字量转换成模拟量信号并输出的板卡，可输出0V～+10V或－10V～+10V信号，输出电压范围可选，每个通道为12位的转换精度，用来向励磁控制功率柜发出模拟量给定信号，为超大容量励磁同步电机提供空载励磁电流。具体连接方式为：数模转换(DA)板上模数转换输出接口P6与励磁控制功率柜用一根四芯屏蔽电缆相连。本发明中数模转换(DA)板寻址范围是0x9000到的0x9500。
所述码盘信号光电转换板的控制芯片为ALTREA的FPGA，用来将超大容量励磁同步电机轴上安装码盘的光纤接入光信号转换成电信号，再由CPU板通过VME总线对码盘信号光电转换板进行读操作，最后在CPU板上完成转子初始位置角的计算。具体连接方式为：码盘信号光电转换板的光纤接口与超大容量励磁同步电机轴上安装的码盘上的光纤接口之间用两根光纤相连。本发明的码盘信号光电转换板的寻址范围是0xA000到的0xA500。
通过上述超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，获得转子初始位置角的具体方法为：首先由CPU板对数字量输入输出(IO)板的0x8001地址进行写操作，通过数字量输入输出(IO)板向输出高压开关柜发出合闸命令；之后CPU板对数字量输入输出(IO)板的地址0x8002进行读操作，将输出高压开关柜的已合闸状态反馈信号读入CPU板。当CPU板读到地址0x8002对应的输出高压开关柜已合闸的状态反馈由0变为1之后，则表示输出高压开关柜已经合闸。接着，由CPU板对数字量输入输出(IO)板的地址0x8003进行写操作，CPU板向励磁控制功率柜发出合闸指令，CPU板通过对数字量输入输出(IO)板的地址0x8004进行读操作，当CPU板读到地址0x8004对应的励磁控制功率柜已合闸的状态反馈由0变为1后，则表示励磁控制功率柜已经合闸。这时，通过CPU板对数模转换(DA)板的地址0x9001写入数值，该数值为超大容量励磁同步电机的空载励磁电流值。再由数模转换(DA)板向励磁控制功率柜发出此空载励磁电流值。之后，励磁控制功率柜的励磁就绪状态反馈信号会通过数字量输入输出(IO)板的地址0x8005返回，再由CPU板对数字量输入输出(IO)板进行读操作，当CPU读到地址0x8005由0变为1，则表示超大容量励磁同步电机的转子绕组通上了空载励磁电流。
在输出高压开关柜和励磁控制功率柜依次合闸，且超大容量同步电机的励磁绕组通上励磁电流之后，由CPU板向数字量输入输出(IO)板的地址0x8006进行写操作，向盘车电机控制功率柜发出合闸指令，盘车电机控制功率柜的已合闸状态反馈信号通过数字量输入输出(IO)板0x8007采集，并由CPU板对数字量输入输出(IO)板读操作，当读出盘车电机控制功率柜的已合闸状态反馈信号由0变为1后，说明盘车电机控制功率柜已经合闸。在盘车电机控制功率柜合上之后，盘车电机会以5转/分的极低的速度旋转，由于超大容量励磁同步电机与盘车电机同轴相连，此时，在超大容量励磁同步电机定子绕组上便会产生感应电压Ua和Ub，将感应电压Ua和Ub分别通过A相分压电阻器上的电压传感器和B相分压电阻器上的电压传感器采集，并将感应电压这两个模拟量信号Ua和Ub通过模数转换(AD)板转成数字量接入控制系统，通过CPU板对模数转换(AD)板的地址0x7001和0x7005进行读操作得到感应电压数字量并赋值变量UaData和变量UbData。与此同时，由于盘车电机在旋转，安装在与超大容量同步电机、盘车电机同一个轴上的码盘即会发出转子位置的光信号，通过远距离传输介质光纤，传入控制系统中的码盘信号光电转换板上，再由码盘信号光电转换板将此光信号转换成电信号，由CPU板对码盘信号光电转换板的地址0xA001进行读操作，将码盘信号读入并赋值变量Lamda，再将转子位置角Lamda与转子初始位置角变量Lamda0相加，转子初始位置角变量Lamda0的初始值赋值为0，在CPU板中使用变量Lamda和Lamda0计算出感应电压值并分别赋值变量UaJs和变量UbJs。CPU板将计算出的感应电压值与通过模数转换(AD)板采集转换的实际感应电压相减，即变量UaJs减去变量UaData，变量UbJs减去变量UbData，分别得到差值并赋值变量UaDelta和变量UbDelta，随后不断的增加或者减少Lamda0的值，直到电压差值变量UaDelta和变量UbDelta均等于0，此时Lamda0的数值即为转子初始位置角。由此可见，本发明超大容量励磁同步电机的转子初始位置角通过全数字化的控制系统准确获取。

Claims (5)

1.一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，其特征在于：包括CPU板、模数转换板、数字量输入输出板、数模转换板和码盘信号光电转换板；
所述CPU板用于采集转子位置角，转子初始位置角计算以及输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜等设备的合闸控制、感应电压等模拟量的采集转换；
模数转换板用于是将感应电压模拟量信号转换成数字量信号；
数字量输入输出板用于向输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜发出合闸命令，并采集输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜的已合闸状态反馈信号；
数模转换板用来向励磁控制功率柜发出模拟量给定信号，为超大容量励磁同步电机提供空载励磁电流；
码盘信号光电转换板用来将超大容量励磁同步电机轴上安装码盘的光纤接入光信号转换成电信号，再由CPU板通过VME总线对码盘信号光电转换板进行读操作，最后在CPU板上完成转子初始位置角的计算。
2.如权利要求1所述一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，其特征在于：为基于VME总线实现数据交互。
3.如权利要求1所述一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，其特征在于：除CPU板外的四块板卡都有与自身匹配的硬件地址，且各不相同。
4.如权利要求1所述一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统，其特征在于：模数转换上的输入端口通过一根25针的带屏蔽层的并口电缆与超大容量励磁同步电机的模拟量接口板上的输出端口相连；超大容量励磁同步电机的模拟量接口板上的输入端口通过一根四芯的屏蔽电缆与安装在超大容量励磁同步电机的A相定子绕组的分压电阻器上的A相电压传感器相连；超大容量励磁同步电机的模拟量接口板上的输入端口通过一根四芯屏蔽电缆与安装在超大容量励磁同步电机的B相定子绕组的分压电阻器上的B相电压传感器相连；
数字量输入输出板的输入端口与输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜的已合闸状态反馈端口用一根四芯屏蔽电缆相连；数字量输入输出板的输出端口与输出高压开关柜、励磁控制功率柜和盘车电机控制功率柜的合闸端口用一根四芯屏蔽电缆相连；
数模转换板上模数转换输出接口与励磁控制功率柜用一根四芯屏蔽电缆相连；
码盘信号光电转换板的光纤接口与超大容量励磁同步电机轴上安装的码盘上的光纤接口之间用两根光纤相连。
5.如权利要求1所述一种超大容量励磁同步电机的转子初始定位控制系统的控制方法，其特征在于：首先由CPU板对数字量输入输出板进行写操作，通过数字量输入输出板向输出高压开关柜发出合闸命令；之后CPU板对数字量输入输出板进行读操作，将输出高压开关柜的已合闸状态反馈信号读入CPU板；当CPU板读到高压开关柜已合闸的状态后，由CPU板对数字量输入输出板进行写操作，向励磁控制功率柜发出合闸指令，CPU板通过对数字量输入输出板进行读操作，将励磁控制功率柜的已合闸状态反馈信号读入CPU板；当CPU板读到励磁控制功率柜已合闸的状态后，通过CPU板对数模转换板写入数值，该数值为超大容量励磁同步电机的空载励磁电流值；再由数模转换板向励磁控制功率柜发出此空载励磁电流值；之后，励磁控制功率柜的励磁就绪状态反馈信号会通过数字量输入输出返回，由CPU板对数字量输入输出板进行读操作；
在输出高压开关柜和励磁控制功率柜依次合闸，且超大容量同步电机的励磁绕组通上励磁电流之后，由CPU板向数字量输入输出板进行写操作，向盘车电机控制功率柜发出合闸指令，盘车电机控制功率柜的已合闸状态反馈信号通过数字量输入输出板采集，并由CPU板对数字量输入输出板读操作；
在盘车电机控制功率柜合闸之后，盘车电机旋转，在超大容量励磁同步电机定子绕组上便会产生感应电压Ua和Ub，将感应电压Ua和Ub分别通过A相分压电阻器上的电压传感器和B相分压电阻器上的电压传感器采集，并将感应电压这两个模拟量信号Ua和Ub通过模数转换(AD)板转成数字量接入控制系统，通过CPU板对模数转换(AD)板的地址0x7001和0x7005进行读操作得到感应电压数字量并赋值变量UaData和变量UbData；与此同时，安装在与超大容量同步电机、盘车电机同一个轴上的码盘即会发出转子位置的光信号，通过远距离传输介质光纤，传入控制系统中的码盘信号光电转换板上，再由码盘信号光电转换板将此光信号转换成电信号，由CPU板对码盘信号光电转换板进行读操作，将码盘信号读入并赋值变量Lamda，再将转子位置角Lamda与转子初始位置角变量Lamda0相加，在CPU板中使用变量Lamda和Lamda0计算出感应电压值并分别赋值变量UaJs和变量UbJs；CPU板将计算出的感应电压值与通过模数转换板采集转换的实际感应电压相减，即变量UaJs减去变量UaData，变量UbJs减去变量UbData，分别得到差值并赋值变量UaDelta和变量UbDelta，随后不断的增加或者减少Lamda0的值，直到电压差值变量UaDelta和变量UbDelta均等于0，此时Lamda0的数值即为转子初始位置角。
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