專利名稱：一種同步電動機的晶閘管在線監測方法
技術領域：
本發明涉及一種同步電動機的晶閘管在線監測方法。
背景技術：
同步電動機晶閘管勵磁裝置廣泛應用于各種類型的同步電動機上，它采用 晶閘管等電子元器件組成無觸點電路控制勵磁電流，省去了勵》茲發電機、特殊 勵磁接觸器，與勵磁發電機比較，其勵磁系統的可靠性、投勵成功率、勵磁效
率有了極大的提高；同步電動機的運行過程按運行狀態可劃分為起動、運行、 停車三個過程。在設計中，起動過程中采用兩個數字量輸入信號亞同步信號 (轉子轉速未達亞同步/達到亞同步)與轉子感應電壓極性信號；輸出信號有滅 磁控制信號、投勵控制信號。運行過程中勵磁裝置的輸入信號有同步信號、勵 磁輸出電流反饋信號和同步電動機運行時的功率因數信號，同步信號是數字量， 勵磁輸出電流反饋信號需要處理的唯一的一個模擬量；運行過程中勵磁裝置的 輸出信號有移相、觸發脈沖；移相就是以控制角對應的時間定時，定時時間達 到的時刻，發出觸發脈沖。停車過程分為逆變停車和非逆變停車，逆變停車過 程中勵磁裝置的輸入信號是同步信號電壓過零時刻的開關量；輸出信號則是把 移相角設定為逆變狀態，發出觸發脈沖。 一般多采用非逆變停車過程，僅考慮 輸出信號，即滅磁晶閘管的觸發信號，使停車過程的感應電流經放電電阻泄放。
一般的勵磁裝置，其所有環節普遍都是為實現對整流晶閘管進行有效控制 而設置的。但是在靜態檢測時，由于工作人員調節勵磁電壓電流的操作和系統 的閉環控制掩蓋了故障的現象，使得整流晶閘管的失效、損壞很難被發現；勵 磁裝置中的狀態不穩定的晶閘管對同步電動機有很大的影響，為維持所需的勵 磁電壓電流，必須使正常的晶閘管的移相角前移，以便用來補充因晶閘管損壞 而不能提供的電壓電流，此時即會造成電壓波形不對稱、瞬間電壓過高、勵磁 電流波動、對電網造成不平衡的影響的狀況，長期持續則會燒壞同步電動機。 因此，倘若勵磁裝置具有對晶閘管的實時在線監測及狀態顯示功能，則可保證同步電動^L的正常運^f亍，從而也維護了整個系統。
另外，在晶閘管整流橋的所有晶閘管必須全部都處于完好的情況下，勵磁
裝置才能夠采取逆變停車方式進行停車；否則，在停車過程期間，如果有任何 一個晶閘管使用不佳或已損壞，則采取逆變停車方式必然導致逆變顛覆，立即 燒毀其余全部的晶閘管，以至產生上下橋臂短路而燒壞電機的現象。因此，利 用現有技術而采取逆變停車的方式，存在著較大的風險且達不到良好的效果。
發明內容
本發明的目的是提供一種同步電動機的晶閘管在線監測方法，具有晶閘管 在線實時監測及狀態顯示功能和晶閘管預檢測功能，以'便在同步電動機起動運 行之前即可以檢測出晶閘管的好壞，以克服現有技術不能較早的發現晶閘管故 障、易造成勵磁裝置帶病運行、不能及時檢修、逆變停車不穩定的不足。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現
一種同步電動機的晶閘管在線監測方法，包括以下步驟在每個觸發脈沖 發出時刻的前后，各測取一個電壓值，然后進行比較、運算，判定相應的晶閘 管是否被有效觸發；如果晶閘管觸發脈沖發出時刻之前測取的電壓小于在晶閘 管觸發脈沖發出時刻之后測取的電壓值，表明晶閘管被觸發后有效開通；如果 晶閘管觸發脈沖發出時刻之前測取的電壓大于在晶閘管觸發脈沖發出時刻之后 測取的電壓值，說明晶閘管被觸發后未有效開通。例如在每個20ms周期的電壓 波形圖上對應的位置，對勵磁電壓采樣12次，晶閘管觸發脈沖發出時刻之前， 測取電壓值V12,在晶閘管觸發脈沖發出時刻之后，再測取一個電壓值V21,然 后將電壓值V12、 V21相比較，如果V2DV12，表明晶閘管被觸發后有效開通； 如果V21〈V12，說明晶閘管被觸發后未有效開通；依次檢測完六個晶閘管，然 后才艮據這六個晶閘管的狀態判斷出晶閘管正常或損壞。
晶閘管的在線監測用同一個單片機來完成，在每個脈沖發出時刻的前后， 通過勵磁電壓采樣電路測取兩個勵磁電壓值，經模數電路轉換后，送入單片機 運算，檢測出所有晶閘管的狀態；用單片機中的一個8位數據寄存器記錄晶閘 管的好壞狀態，數據寄存器的第l位至第6位分別記錄每個晶閘管的好壞狀態，正常狀態下將該位置于l,反則將該位置于o。
在同步電動機開車之前測試勵磁裝置的滅》茲和投勵環節，人工扳動 一個開
關或按動一個按鈕，使JC端點產生一個高電平指令；根據這個指令使單片機發 出晶閘管觸發脈沖，并4企測勵磁電壓，從而沖企測出晶閘管的好壞。
本發明有益效果為具有對全控橋整流晶閘管的實時在線監測功能及晶閘 管狀態顯示功能；在無需增加任何附加設施或^l喿作程序的情況下，即可在開車 前對整流晶閘管的狀況進行預檢測，以杜絕厲加茲裝置帶病投入運行；同步電動 機的起動過程由單片計算機控制滅磁晶閘管，使轉子感應電壓正負兩半波完全 對稱，無振蕩轉矩；停車方式可自動切換，避免發生逆變顛覆，有效的保護了 整流晶閘管。
下面根據附圖對本發明作進一步詳細說明。
圖1是本發明實施例所述的數控勵^磁裝置的原理方框圖2是本發明實施例所述的滅磁電路原理圖3是本發明實施例所述的亞同步轉速沖企測電路原理圖4是本發明實施例所述的過零信號檢測電路原理圖5是本發明實施例所述的觸發電路原理圖6-1是本發明實施例所述正常狀態晶閘管勵石茲輸.出電壓的波形測點圖； 圖6-2是本發明實施例所述的非正常狀態晶閘管勵磁輸出電壓的測點圖； 圖7是本發明實施例所述的晶閘管在線實時監測電路原理圖； 圖8是本發明實施例所述的功率因數檢測電路原理圖。
具體實施方式
如圖6-1與6-2所示，本發明實施例所述的同步電動機的晶閘管在線監測 方法，主要包括在每個觸發脈沖發出時刻的前后，各測取一個電壓值，然后 進行比較、運算，判定相應的晶閘管是否被有效觸發。圖6-1中，在每個周期 (20ms)的電壓波形圖上對應的位置，對勵/磁電壓采樣12次；如果全部的晶閘 管都處于正常狀態，由圖6-1中可見，必然存在這樣的比值關系V21〉V12， V31〉V22, V41〉V32, V51〉V42， V61〉V52， V11〉V62;如果存在狀態不良的晶閘管， 即為如圖6-2所示的情況。例如，在晶閘管SCR2觸發脈沖發出時刻之前，測取 電壓值V12，在SCR2觸發脈沖發出時刻之后，再測取一個電壓值V21，然后將 電壓值V12、 V21相比較，如果V21〉V12，表明SCR2被觸發后有效開通；如果 V2KV12，說明V21取在V13處，SCR2被觸發后沒有有效開通，SCR2的波形丟 失，測取的不是SCR2的波形電壓，而是SCR1的波形延續；依次檢測完六個晶 閘管，根據這六個晶閘管的狀態，通過軟件運算以及波形情況，判斷出哪個晶 閘管正常，哪個晶閘管損壞。
如圖7所示，在晶閘管在線實時監測電路中，單片機的右部連接模數轉換 器，模數轉換器的右部連接同步電機，同步電動機工作時，用單片機中的一個 8位數據寄存器記錄晶閘管的好壞狀態；每個晶閘管的觸發時刻在程序中可以 直接使用，不用另加電路；在每個脈沖發出時刻的前后，通過AD轉換測取兩個 勵磁電壓值，送入單片機運算，檢測出所有晶閘管的狀態。
如圖1-2所示，在起動過程中，其滅磁環節中增加兩個光電耦合器Qll、 Q12，光電耦合器由單片機控制。通過調整電位器的阻值，可使滅磁晶閘管(7SCR、 8SCR)在不同的感應電壓下導通，根據整流裝置額定電壓的不同來整定滅^f茲晶閘 管的開放電壓，滅磁晶閘管在起動過程中作為二極管，由于同步電動機轉子回 路的有效電阻對電機的異步轉矩特性影響很大，勵磁繞組回路的放電電阻是按 最佳值配置的，異步起動特性最好；當轉子感應電流順.時針流動時，在滅磁晶 閘管未開通階段，轉子回路增加了電阻R,使電機的異步轉矩特性變壞；而滅 磁晶閘管開通以后，以及在感應電流逆時針流動時，電阻R又被短接，使異步 轉矩特性改善從起動方面考慮，滅磁晶閘管的開放電壓整定得越低越好，如同 二極管，勵磁回路就不再串接電阻R。從運行方面考慮，滅磁晶閘管的開放電壓整定得越高越好，使滅^茲晶閘管完全截止，如同開路一樣。因此，把滅磁晶
閘管開放電壓的瞬時值確定在額定電壓的2. 5-2. 8倍較為理想；在同步電動機 起動時，單片機發出觸發信號，通過光電耦合器Qll、 Q12來接通Sl、 S2,在 轉子感應電壓4艮低的情況下，能觸發滅,茲晶閘管7SCR、 8SCR,此觸發信號一直 維持到招:勵時刻；當轉子感應電壓G1〉G2時，晶閘管7SCR、 8SCR因一直存在觸 發電壓，使得轉子回路中僅接入了放電電阻Rfdl、Rfd2;當轉子感應電壓G1〈G2 時，晶閘管7SCR、 8SCR因電流反向而截止，轉子回路感應電流通過二極管GZ, 則僅接入了放電電阻。因此，轉子感應電壓電流兩半波是完全對稱的，起動過 程中不存在異步轉矩波動，從而改善了起動性能。當電機轉速達到亞同步時， 單片機發出投勵指令，同時關閉晶閘管7SCR、 8SCR的觸發脈沖。
如圖3所示，在數控勵磁裝置中，檢測電動機轉速是否達到亞同步轉速的 方法通常是檢測電機轉子感應交變電壓的極性變化，同步電動機起動過程中， Gl、 G2的感應電壓達數百伏，而當電動機轉速接近亞同步轉速時，Gl、 G2的感 應電壓又非常低，難以;險測到。為此，可用一個電阻和一個穩壓管降壓，測取 穩壓管兩端的電壓，最大值才是穩壓管的擊穿電壓；再選用一個電壓比較器集 成電5各LM339，測取亞同步信號，LM339的失調電壓為2mv，能測出才及低的電位 差，光電藕合器Q21用來隔離單片機與同步電動機的電氣聯系，74LS04兩次反 相，以增大電壓比較器的驅動能力，該電路能準確檢測出亞同步狀態。同步電 動機起動時，轉子勵磁繞組產生的感應交變電壓的頻率接近50Hz,如果把同步 電動機正常轉速的95°/"見為亞同步轉速，即轉子感應電壓的頻率降至2. 5Hz為 亞同步轉速，此時轉子感應電壓的周期為400ms,轉子感應G2端電壓通過電壓 比較器被轉變成方波信號，依次經過反相器放大、光電耦合器Q21隔離、送入 單片機計時，隨著電動機轉速的加快，方波的寬度逐漸加寬，當檢測到G2端方 波高電平的寬度達到200ms時，同步電動機的轉速就達到了亞同步轉速。根據 勵磁裝置的工作原理，投勵就是在同步電動機加速至亞同步轉速時刻，開放三 相全控整流橋晶閘管的觸發脈沖；用單片機設計的數控勵磁裝置，發送投勵信 號不需要專門的插件，僅在控制軟件中設置一條指令既可完成投勵操作。為滿 足順極性投勵，在同步電機的轉速達到了亞同步的時候，還要檢測此刻轉子的 感應電壓是否滿足順極投勵的條件，即轉子感應電壓的極性是否滿足G2 > Gl,仍采用檢測G2端方波信號的極性的方法；取G2端信號檢測亞同步與順極性條 件，可以優化硬軟件設計，G2〉G1期間為順極性，滅磁晶閘管關斷，G2〉G1持 續200ms的時刻，既是達到亞同步信號，也是滿足順極性條件的信號，可立即 投勵；因此，用4企測G2端信號的方法同時完成亞同步檢測與順極性檢測；順極
性投勵對單滅磁晶閘管電路非常重要，若不滿足順極#:情況而投勵后，由于總
是存在G1〉G2的直流電壓，滅磁晶閘管無法關斷，則使同步電機不能正常工作。
如圖4所示，在投勵之后同步電動機被牽入同步運行，同步電動機正常運 行的條件是為三相全控橋晶閘管按一定的控制角、每隔60°觸發一個相應的晶 閘管，觸發脈沖必須與主電路同步，本裝置以電源的A相過零時刻作為同步信 號，同步信號通過光電隔離器轉變成方波信號，送入單片機處理。移相角由兩 部分組成移相角給定值和電動機運行狀態的調節值；本裝置的參數采用的是 電壓信號，即用一個電位器調節，然后將此電壓信號經單片機的A/D轉換器轉 換成移相角，再由單片機運算；電動機運行狀態的調節值分為兩種情況恒電 流控制方式和恒功率因數控制方式；當恒電流控制方式時，勵磁電流發生波動， 控制系統就根據電流波動值的大小調節移相角，使勵磁電流維持穩定；當恒功 率因數控制方式時，功率因數發生波動，控制系統就根據功率因數波動值的大 小調節移相角，使功率因數維持穩定。
如圖5所示，采用雙脈沖觸發方式，雙脈沖在脈沖變壓接線電路上實現。 觸發脈沖由單片機中的定時器TO、 Tl中斷產生，經反相驅動集成電路輸出，取 得電源A相過零信號之后，以控制角對應的時間值定時，啟動定時器；在定時 器發生中斷時，每間隔60°則依次觸發+A、 -C、 +B、 -A、 +C、 -B六個整流晶閘 管。本觸發脈沖是由傳統勵磁裝置的從由六個脈沖插件發出，改進為由一片單 片機發出，有效的解決了脈沖插件之間的不協調。
如圖8所示，在無功補償環節中，同步電動機從三相電源中吸取電流的大 小和相位不僅與負載大小有關，還與轉子勵^茲電流的強弱有關，在電動機的電 源電壓恒定，而且負載不變的情況下，改變轉子勵^磁電流的大小，可以改變定 子電流的大小和相位COSO,從而改變供電網路的功率因數；當轉子勵磁電流等于額定厲水磁電流時，定子電流最小，C0S①-1，電流與電厚相位相同，此時同
步電動機對電網來說相當于一個電阻負載，從電網吸取的都是有功功率。如果 減少轉子勵磁電流，則定子電流增加，且相位落后，此時電動機對電網來說相 當于一個感性負載；如果增加轉子勵i茲電流4吏其大于額定值，則定子電流增加， 電流相位超前于電壓，是容性電流。拖動有沖擊負載的同步電動機，當負載增
加時，如果保持恒定勵-茲，電動機的功率因數降低；當負載超過額定負載時，
功率因數降低幅度加大。功率因數檢測電路的輸出引腳接入單片機，單片機進 行移相角的運算，改變勵磁電流的大小，使同步電動機的功率因數保持穩定， 從而實現無功功率補償。
在同步電動機起動之前，需要測試勵磁裝置的滅磁和投勵環節，勵磁裝置
在測試投勵操作時，可檢測出全部晶閘管的使用狀態，可發現損壞的晶閘管； 此外，系統所受的干擾一般來自電源、空間電》茲、輸入輸出通道等途徑，可用 開關電源解決電源干擾；在控制程序中采取軟件抗干擾方式，并且由金屬罩隔 離，可用來抗空間電》茲干擾；勵-茲感應交變電壓^r測、電源電壓過零4全測、停 車信號、斷電信號均為開關量，全用光電隔離器隔離來消除輸入通道干擾；輸 出通道千擾則采用全控整流橋晶閘管的觸發脈沖，由光電隔離器和功率。在停 車過程與起動過程中均設有一滅磁電路，同步電動機正常停車或事故跳閘的情 況下，采用逆變停車方式時，由軟件控制使整流晶閘管的控制角調節到140° ; 采用非逆變停車方式時，由軟件控制關斷整流晶閘管觸發脈沖，同時觸發滅磁 晶閘管，使轉子感應交變電流通過附加電阻泄放。同步電動機工作時，單片機 一直對整流晶閘管進行在線實時監測，并用單片才幾中的一個8位數據寄存器記 錄晶閘管的狀態，其中第l位至第6位分別記錄每個晶閘管的好壞狀態，正常 狀態下將該位置于l,反則將該位置于0;在停車時，單片機檢測晶閘管的好壞 狀態寄存器，如果該寄存器為0，則全部晶閘管完好，可以進行逆變停車，立 即將觸發脈沖的控制角放到逆變角區域，進行逆變停牟；如果晶閘管的好壞狀 態寄存器不為0,則表示某個晶閘管有故障，不可以進行逆變停車，立即關閉 晶閘管觸發脈沖，運行一般停車方式。
權利要求
1、一種同步電動機的晶閘管在線監測方法，其特征在于包括以下步驟在每個觸發脈沖發出時刻的前后各測取一個電壓值，然后進行比較、運算，判定相應的晶閘管是否被有效觸發；如果晶閘管觸發脈沖發出時刻之前測取的電壓小于在晶閘管觸發脈沖發出時刻之后測取的電壓值，表明晶閘管被觸發后有效開通；如果晶閘管觸發脈沖發出時刻之前測取的電壓大于在晶閘管觸發脈沖發出時刻之后測取的電壓值，說明晶閘管被觸發后未有效開通；依次檢測完六個晶閘管，根據這六個晶閘管的狀態判斷出晶閘管正常或損壞。
2、 根據權利要求1所述的同步電動機的晶閘管在線監測方法，其特征在于 在每個20ms周期的電壓波形圖上對應的位置，對勵^磁電壓采樣12次；晶閘管 觸發脈沖發出時刻之前，測取電壓值V12,在晶閘管觸發脈沖發出時刻之后， 再測取一個電壓值V21,然后將電壓值V12、 V21相比較，如果V21〉V12，表明 晶閘管被觸發后有效開通；如果V2KV12,說明晶閘管被觸發后未有效開通。
3、 根據權利要求1或2所述的同步電動機的晶閘管在線監測方法，其特征 在于晶閘管的在線監測用同一個單片機來完成，在每個脈沖發出時刻的前后， 通過勵磁電壓采樣電路測取兩個勵磁電壓值，經模數電路轉換后，送入單片機 運算，檢測出所有晶閘管的狀態；用單片機中的一個8位數據寄存器記錄晶閘 管的好壞狀態，數據寄存器的第l位至第6位分別記錄每個晶閘管的好壞狀態， 正常狀態下將該位置于l,反則將該位置于0。
4、 根據權利要求1或2所述的同步電動機的晶閘管在線監測方法，其特征 在于在同步電動機開車之前測試勵磁裝置的滅,茲和投勵環節，人工扳動一個 開關或按動一個按鈕，使JC端點產生一個高電平指令；才艮據這個指令使單片機 發出晶閘管觸發脈沖，并檢測勵磁電壓，從而檢測出晶閘管的好壞。
全文摘要
本發明涉及一種同步電動機的晶閘管在線監測方法，包括以下步驟在每個觸發脈沖發出時刻前后各測取一個電壓值，然后進行比較、運算，判定相應的晶閘管是否被有效觸發；如果晶閘管觸發脈沖發出時刻之前測取的電壓小于在晶閘管觸發脈沖發出時刻之后測取的電壓值，表明晶閘管被觸發后有效開通；如果晶閘管觸發脈沖發出時刻之前測取的電壓大于在晶閘管觸發脈沖發出時刻之后測取的電壓值，說明晶閘管被觸發后未有效開通；依次檢測完六個晶閘管，根據這六個晶閘管的狀態判斷出晶閘管正常或損壞。本發明有益效果為具有對全控橋整流晶閘管的實時在線監測、狀態顯示及預檢測功能；可在開車前對整流晶閘管的狀況進行預檢測，以杜絕勵磁裝置帶病投入運行。
文檔編號G01R31/02GK101295003SQ20071009793
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月23日 優先權日2007年4月23日
發明者王三漢 申請人:北京順北方科技有限公司