一种用于无刷励磁系统的数字控制系统及方法与流程

1.本发明涉及数字控制领域，特别是关于一种用于无刷励磁系统的数字控制系统及方法。


背景技术：

2.无刷励磁系统是目前国际上已广泛应用的动力拖动设备，具有结构紧凑、电路简单、运行可靠、控制方便和维护量小等优点，相对于有刷励磁同步电动机而言优势明显，彻底杜绝了因碳刷和滑环接触不良、碳刷长期磨损而发生的各种电机故障，尤其是取消了需定期维护更换且易产生拉弧、电火花的碳刷和滑环结构，使无刷励磁系统能够在有防爆、防尘、防腐蚀等要求的特殊场合使用，多用于矿山选矿、石油、化工等行业中。控制模块是无刷励磁系统中整流器的核心控制器件，用于完成无刷励磁系统的启动投励，输出触发脉冲，开通功率模块，并控制启动模块对启动电阻的投入与切除。
3.旋转励磁控制器是无刷励磁系统内十分重要的部分，其故障率比静态励磁部分更高，然而，目前现有技术中无刷励磁系统的无刷励磁旋转控制模块主要存在以下问题和缺点：1)现有的无刷励磁旋转控制模块为模拟电路，内部运行情况一无所知。2)发电机输入电源频率为40～68.7hz，现有的无刷励磁旋转控制模块温度适用范围窄，产品通用性差。3)滑差投励时间合计时投励时间为固定值无法修改。4)触发脉冲为一恒定电压高电平，功率大发热量大。5)无刷励磁旋转控制模块的设计需要确定主电机励磁电压，根据不同电压的进行设计，控制盒不能互换，电压工作范围窄。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种产品通用性高且投励时间可修改的用于无刷励磁系统的数字控制系统及方法。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种用于无刷励磁系统的数字控制系统，包括：
6.控制信号处理单元，用于基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，接收无刷励磁系统的直流回路信号以及附加电阻带电的检测信号，并分别进行调理后得到对应的模拟信号；
7.同步信号处理单元，用于接收无刷电机的交流励磁机转子发送的三相交流电压并发送至主控制单元，为该数字控制系统的各用电部件供电；
8.模拟量信号调理单元，用于测量无刷电机的参数并进行调理后得到对应的模拟信号；
9.ad处理单元，用于将所述模拟量信号调理单元调理的模拟信号转化为数字信号；
10.高低通处理单元，用于基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，根据无刷励磁系统的直流回路信号以及附加电阻带电的检测信号，确定向无刷励磁系统的启动可控硅提供的触发脉冲信号；
11.时钟复位单元，用于提供运行时钟信号和复位信号；
12.所述主控制单元，用于基于运行时钟信号和复位信号以及无刷励磁系统中无刷电机的工况，根据得到的模拟信号、数字信号和触发脉冲信号以及预先设定的滑差值，确定控制信号；
13.输出控制单元，用于根据控制信号，向无刷励磁系统的三相主桥整流回路的可控硅以及启动回路的启动可控硅提供触发脉冲信号。
14.进一步地，该数字控制系统还包括：
15.数据读取仿真单元，用于读取停机后的设备参数；
16.数据存储记录单元，用于存储设备参数。
17.进一步地，向无刷励磁系统的三相主桥整流回路的可控硅提供的触发脉冲信号ag、bg、cg分别在交流电压a、b、c正半波的自然换相点输出；触发脉冲信号ag、bg、cg相互间保持1200相位差。
18.进一步地，所述无刷励磁系统中无刷电机的工况包括异步启动工况、失步再整步工况、停机工况和kq误开通工况。
19.进一步地，所述高低通处理单元包括：
20.低通分压回路，用于当无刷电机在停机、异步启动或失步再整步工况下，根据无刷励磁系统的直流回路信号之间的电压，确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号；
21.高通分压回路，用于当无刷电机或电网故障产生的谐波电压幅值超过高通设定值时，确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号。
22.进一步地，当所述主控制单元检测到滑差达到预先设定的滑差值时，所述输出控制单元按照反极性末尾过零投励方式，依次输出触发脉冲信号至三相主桥整流回路对应的可控硅。
23.进一步地，所述主控制单元内设置有用于更改参数的窗口，所述更改的参数包括三相交流电压的线电压区间、滑差投励设定时间、计时投励设定时间、高通设定值和低通设定值。
24.另一方面，提供一种用于无刷励磁系统的数字控制方法，包括：
25.在无刷励磁系统中无刷电机的启动过程中，接收无刷电机的交流励磁机转子发送的三相交流电压，为各用电部件供电；
26.测量无刷电机的参数并进行调理和ad处理后得到对应的数字信号；
27.基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，接收无刷励磁系统的直流回路信号以及附加电阻带电的检测信号，并分别进行调理后得到对应的模拟信号；
28.基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，根据无刷励磁系统的直流回路信号以及附加电阻带电的检测信号，确定向无刷励磁系统的启动可控硅提供的触发脉冲信号；
29.基于运行时钟信号和复位信号以及无刷励磁系统中无刷电机的工况，根据得到的模拟信号、数字信号和触发脉冲信号以及预先设定的滑差值，向无刷励磁系统的三相主桥整流回路的可控硅以及启动回路的启动可控硅提供触发脉冲信号。
30.进一步地，当无刷励磁系统中无刷电机在异步启动工况下：
31.当主控制单元确定无刷电机的滑差达到预先设定的滑差值时，主控制单元基于无
刷励磁系统中整流回路的相位要求，按照反极性末尾过零投励方式，依次输出脉冲信号至三相主桥整流回路对应的可控硅；
32.高低通处理单元的低通分压回路根据无刷励磁系统的直流回路信号之间的电压，确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号；
33.无刷电机启动结束进入同步正常运行，启动回路的启动可控硅保持关断状态。
34.进一步地，当无刷励磁系统中无刷电机在停机工况下：
35.当无刷电机或电网故障产生的谐波电压幅值超过高通设定值时，高低通处理单元的高通分压回路确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号，主控制单元根据确定的触发脉冲信号，确定输出控制单元的控制信号，输出控制单元根据控制信号向启动回路的启动可控硅提供触发脉冲信号，使得无刷励磁系统的启动回路接入附加电阻。
36.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
37.1、本发明的滑差和计时投励时间可以设定，频率自动适应，具有通用性、可靠性，且操作简单方便。
38.2、本发明的主控制单元连接数据存储记录单元，在设备停机后可用数据读取设备读出停机前的运行数据，以分析旋转励磁产生故障。
39.3、本发明的各部件采用耐高温器件，能够优化功率单元和触发脉冲部分，降低数字模块设备功耗。
40.综上所述，本发明可以广泛应用于数字控制领域中。
附图说明
41.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
42.图1是本发明一实施例提供的数字控制系统的结构示意图；
43.图2是本发明一实施例提供的数字控制系统与无刷励磁系统主回路的接线示意图。
具体实施方式
44.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
45.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
46.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
47.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
48.本发明实施例提供的用于无刷励磁系统的数字控制系统及方法，能够基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，向无刷励磁系统的三相主桥整流回路的可控硅提供触发脉冲信号ag、bg、cg以及向启动回路的启动可控硅提供触发脉冲信号kqg。
49.实施例1
50.如图1、图2所示，本实施例提供一种用于无刷励磁系统的数字控制系统，安装在无刷励磁系统中无刷电机本体的旋转整流器的密闭空间内，包括电路板，电路板上设置有主控制单元1、控制信号处理单元2、同步信号处理单元3、模拟量信号调理单元4、ad处理单元5、高低通处理单元6、时钟复位单元7、输出控制单元8、数据读取仿真单元9和数据存储记录单元10。
51.主控制单元1分别连接控制信号处理单元2、同步信号处理单元3、ad处理单元5、高低通处理单元6、时钟复位单元7、输出控制单元8、数据读取仿真单元9和数据存储记录单元10，ad处理单元5还连接模拟量信号调理单元4。
52.控制信号处理单元2用于基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，接收无刷励磁系统的直流回路信号l1和l2以及附加电阻带电的检测信号rf，分别进行信号变换调理隔离后得到对应0～5v的模拟信号。
53.同步信号处理单元3用于接收无刷励磁系统中无刷电机的交流励磁机转子发送的三相交流电压a、b、c并发送至主控制单元1，为本发明的各用电部件供电。
54.模拟量信号调理单元4用于测量无刷电机的滑差、电压频率、整流后的电压和内部电参量等参数，并分别进行信号变换调理隔离后得到对应0～5v的模拟信号。
55.ad处理单元5用于将模拟量信号调理单元4调理的模拟信号转化为数字信号。
56.高低通处理单元6用于基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，根据无刷励磁系统的直流回路信号l1和l2以及附加电阻带电的检测信号rf，确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号kqg。
57.时钟复位单元7用于向主控制单元1提供运行时钟信号和复位信号。
58.主控制单元1用于基于运行时钟信号和复位信号以及无刷励磁系统中无刷电机的工况，根据控制信号处理单元2得到的模拟信号、ad处理单元5得到的数字信号、高低通处理单元6确定的触发脉冲信号kqg以及预先设定的滑差值，确定输出控制单元8的控制信号。
59.输出控制单元8用于根据控制信号，向无刷励磁系统的三相主桥整流回路的可控硅提供触发脉冲信号ag、bg、cg以及向启动回路的启动可控硅提供触发脉冲信号kqg。
60.数据读取仿真单元9用于读取停机后的设备参数，其中，设备参数包括计时以及无刷电机的滑差、电压频率、整流后的电压和内部电参量等，所有设备参数读出后可以通过电脑软件生成波形用于分析启动、运行和故障工况。
61.数据存储记录单元10用于存储设备参数。
62.需要说明的是，旋转整流器安装在无刷电机的本体，包括主控制模块、起动功率模块、整流功率模块和电阻模块。
63.在一个优选的实施例中，无刷电机的交流励磁机转子发送的三相交流电压a、b、c的最大幅值uin按照配套电机的额定励磁电压u
fe
确定，即uin＝u
fe
/1.35，其中，uin为线电压。由于各电机的额定励磁电压u
fe
不同，对应的最大幅值uin也不同。优选地，三相交流电压a、b、c不小于其配套电机对应的2uin。在2uin输入时，通过内部开关电源设计，本发明的数字控制系统需具备50秒而不损坏的短时过载能力。
64.具体地，无刷电机的交流励磁机转子发送的三相交流电压a、b、c的电源频率区间为40～68.7hz。
65.在一个优选的实施例中，无刷励磁系统中无刷电机的工况包括异步启动工况、失步再整步工况、停机工况和kq误开通工况。
66.在一个优选的实施例中，附加电阻带电的检测信号的输入条件为：
67.在异步启动工况下，无刷励磁系统的启动回路通过可控硅kq低通控制接入附加电阻(此时kq触发脉冲电源由转子感应电势提供)，随外部电源建立启动回路的电机滑差监测功能。
68.在失步再整步工况下：无刷电机失步时通过静态励磁柜停止交流励磁机供电灭磁，输出控制单元8为可控硅kq提供触发脉冲信号kqg，使得启动回路接入附加电阻，实现主机转子电枢辅助灭磁和电机转子的异步再加速。无刷电机再整步时，静态励磁柜因失步灭磁动作后，经延时5秒静态励磁柜再次投励，无刷电机异步带载加速至预先设定的滑差值，主控制单元1按照测量的滑差进行二次投励，完成失步再整步功能。
69.在停机工况下，根据无刷励磁系统中开关柜跳闸连锁，静态励磁柜跳闸停止向交流励磁机供电，输出控制单元8为可控硅kq提供触发脉冲信号kqg，使得启动回路接入附加电阻，实现主机转子电枢辅助灭磁，完成无刷电机停机过程。
70.在kq误开通工况下，无刷电机运行期间，主控制单元1通过附加电阻带电的检测信号rf判断启动回路的启动可控硅kq开通时，停止向三相主桥整流回路的可控硅提供触发脉冲信号ag、bg、cg；启动回路的启动可控硅kq关断时重新向三相主桥整流回路的可控硅提供触发脉冲信号ag、bg、cg，恢复正常运行。
71.在一个优选的实施例中，触发脉冲信号的触发峰值电流igm为igm＞200ma，上升沿(从0
→
0.9um)：《100us。
72.在一个优选的实施例中，触发脉冲信号ag、bg、cg分别在交流电压a、b、c正半波的自然换相点时输出，使得对应a相、b相、c相整流回路中tdr(整流功率模块)上的可控硅开通。触发脉冲信号ag、bg、cg相互间始终保持1200相位差，配套的电机不同，1200相位对应的时间长度也不同。
73.在一个优选的实施例中，当主控制单元1检测到滑差达到预先设定的滑差值时，例如：预先设定的滑差值为
△
t＝200ms时，输出控制单元8按照反极性末尾过零投励方式依次
输出触发脉冲信号ag、bg、cg至三相主桥整流回路对应a、b、c的tdr上的可控硅。主控制单元1投励后闭锁计时投励回路，防止二次投励。
74.在一个优选的实施例中，高低通处理单元6包括低通分压回路和高通分压回路。低通分压回路用于根据无刷励磁系统的直流回路信号l1和l2之间的电压u
l
，确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号kqg，以使可控硅kq开通。高通分压回路用于当无刷电机或电网故障产生的谐波电压幅值超过高通设定值时，确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号kqg，以使可控硅kq开通。
75.具体地，无刷电机在停机、异步启动和失步再整步工况下均为低通状态，启动过程保持低通的目的是接入附加电阻改善电机异步转矩特性。
76.具体地，可控硅kq高通的目的是为干扰谐波提供泄放通道，保护旋转模块。可控硅kq高通后，模拟量信号调理单元4获取附加电阻带电的检测信号rf，输出控制单元8停止输出ag、bg、cg，这样正常的整流波形会变成失控波形，利用失控波形的1200续流电动势来关断被误开通的kq，以此恢复附加电阻在投励后的同步运行中应有的不带电状态。
77.在一个优选的实施例中，为满足不同规格无刷电机运行的工况，主控制单元1内设置有用于更改参数的窗口，便于现场参数修订，参数更改后仍能可靠工作，其中，更改的参数包括三相交流电压a、b、c的线电压区间、滑差投励设定时间、计时投励设定时间、高通设定值和低通设定值。例如：三相交流电压a、b、c的线电压区间为25vac～350vac，滑差投励设定时间
△
t为200ms～500ms，计时投励设定时间t为2s～30s，高通设定值u
lg
为500v，低通设定值u
ld
为12～20v。
78.在一个优选的实施例中，投励后1.2秒将可控硅kq由低通切换为高通，停机灭磁后将可控硅kq由高通切换为低通。
79.在一个优选的实施例中，该数字控制系统适应的无刷电机转速为300～1000r/m。该数字控制系统安装在直径为1.2米以内的钢制盘体外圈上，能够承受正常转速及1.2ne超速试验的离心力作用下能带电工作。
80.在一个优选的实施例中，电路板及其上的各单元均设置在外壳内。
81.在一个优选的实施例中，电路板上所有不同电位的线路不小于1mm(电压≤400v回路)，电路板上所有不同电位的元器件间的间隙不小于4mm(电压≤1600v回路)。
82.在一个优选的实施例中，输入信号和输出信号的接线柱相互间及与外壳之间的电气间隙大于10mm，爬电距离大于20mm，接线柱的底座采用绝缘材料，所有接线柱短接后与外壳之间的绝缘电阻大于10mω、耐压不低于2000v。
83.在一个优选的实施例中，主控制单元1采用微机芯片，具有低电压小信号的性能特点。
84.在一个优选的实施例中，外壳和电路板均采用抗干扰屏蔽措施。
85.实施例2
86.本实施例提供一种用于无刷励磁系统的数字控制方法，包括以下步骤：
87.1)将数字控制系统安装在无刷励磁系统中无刷电机本体的旋转整流器的密闭空间内。
88.2)在无刷励磁系统中无刷电机的启动过程中，同步信号处理单元3接收无刷电机的交流励磁机转子发送的三相交流电压a、b、c并发送至主控制单元1，为本发明数字控制系
统的各用电部件供电。
89.3)模拟量信号调理单元4测量无刷电机的滑差、电压频率、整流后的电压和内部电参量，分别进行信号变换调理隔离后得到对应0～5v的模拟信号，ad处理单元5将上述模拟信号转化为数字信号后发送至主控制单元1。
90.4)控制信号处理单元2基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，接收无刷励磁系统的直流回路信号以及附加电阻带电的检测信号，并分别进行调理后得到对应的模拟信号后发送至主控制单元1。
91.5)高低通处理单元6基于无刷励磁系统中无刷电机的工况，根据无刷励磁系统的直流回路信号以及附加电阻带电的检测信号，确定向无刷励磁系统的启动可控硅提供的触发脉冲信号，并发送至主控制单元1。
92.6)主控制单元1基于运行时钟信号和复位信号以及无刷励磁系统中无刷电机的工况，根据接收的模拟信号、数字信号、触发脉冲信号以及预先设定的滑差值，确定输出控制单元8的控制信号。
93.7)输出控制单元8根据控制信号，向无刷励磁系统的三相主桥整流回路的可控硅以及启动回路的启动可控硅提供触发脉冲信号。
94.上述步骤4)至6)中，当无刷励磁系统中无刷电机在异步启动工况下：
95.a)当主控制单元1确定无刷电机的滑差达到预先设定的滑差值时，主控制单元1基于无刷励磁系统中整流回路a、b、c的相位要求，按照反极性末尾过零投励方式，依次输出脉冲信号ag、bg、cg至三相主桥整流回路对应a、b、c的tdr上的可控硅。
96.具体地，主控制单元1投励后闭锁计时投励回路，防止二次投励。
97.进一步地，无刷电机启动过程中，主控制单元1从同步信号处理单元3接收到三相交流电压a、b、c开始计时，当达到预先设定的计时投励参数时，若滑差投励未动作，则主控制单元1采用计时投励，投励后闭锁投励回路。
98.b)高低通处理单元6的低通分压回路根据无刷励磁系统的直流回路信号l1和l2之间的电压u
l
，确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号kqg。
99.c)无刷电机启动结束进入同步正常运行，启动回路的启动可控硅保持关断状态。
100.上述步骤4)至6)中，当无刷励磁系统中无刷电机在失步再整步工况下：
101.a)无刷电机失步时，通过静态励磁柜停止交流励磁机供电灭磁，输出控制单元8根据控制信号向启动回路的启动可控硅提供触发脉冲信号kqg，使得启动回路接入附加电阻，实现主机转子电枢辅助灭磁和电机转子的异步再加速。
102.b)无刷电机再整步时，静态励磁柜因失步灭磁动作后，经延时5秒静态励磁柜再次投励，无刷电机异步带载加速至预先设定的滑差值，主控制单元1按照测量的滑差进行二次投励，完成失步再整步功能。
103.c)失步再整步工况下，高低通处理单元6的低通分压回路根据无刷励磁系统的直流回路信号l1和l2之间的电压u
l
，确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号kqg，主控制单元1根据确定的触发脉冲信号kqg，确定输出控制单元8的控制信号。
104.上述步骤4)至6)中，当无刷励磁系统中无刷电机在停机工况下：
105.i)根据无刷励磁系统中开关柜跳闸连锁，静态励磁柜跳闸停止向交流励磁机供电。
106.ii)当无刷电机或电网故障产生的谐波电压幅值超过高通设定值时，高低通处理单元6的高通分压回路确定向启动回路的启动可控硅提供的触发脉冲信号kqg，主控制单元1根据确定的触发脉冲信号kqg，确定输出控制单元8的控制信号，以使输出控制单元8根据控制信号向启动回路的启动可控硅提供触发脉冲信号kqg，使得无刷励磁系统的启动回路接入附加电阻，实现主机转子电枢辅助灭磁，完成无刷电机停机过程。
107.上述步骤4)至6)中，当无刷励磁系统中无刷电机在kq误开通工况下：
108.具体地，主控制单元1根据控制信号处理单元2得到的附加电阻带电的检测信号rf对应0～5v的模拟信号，判断启动回路的启动可控硅kq开通时，发送控制信号至输出控制单元8，停止向三相主桥整流回路的可控硅提供触发脉冲信号ag、bg、cg；当启动回路的启动可控硅kq关断时，主控制单元1发送控制信号至输出控制单元8，重新向三相主桥整流回路的可控硅提供触发脉冲信号ag、bg、cg，恢复正常运行。
109.上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。