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1、具有功率因数恒值调节功能的同步电动机可控硅励磁装置-对法国“F1-022”电器设备的分析淮南市煤矿电子应用技术研究所一九九一五1具有功率因数恒值调节功能的同步电动机可控硅励磁装置-对法国“F1-022”电器设备的分析本装置为同步电动机可控硅励磁控制设备，它具有功率因数恒值调节功能。只要功率因数给定值一定，无论负荷如何变化，可以维持功率因数不变。励磁电源主电路采用三相全控桥。调节电路采用双闭环，即闭环及电sin流闭环。励磁电流具有最大值和最小值限制，以保证同步电动机的可靠运行，励磁装置还具有励磁功能，以防电网电压突降太多而引起同步电动机失步。一、一、整流器主电路整流器主电路整流主电路由整流变压器
2、和三相全控桥组成。整流变压器联接组别为/Y接法。三相全控桥控制角的允许移相范围为 10-150。整流主电路还设置过电压保护电路和短路保护电路。1、过电压保护电路（1）交流侧过电压保护电路交流侧过电压保护电路为整流桥式阻容网络，原理从略。主要是抑制交流侧操作过电压。（2）元件侧过电压保护电路每个可控硅元件并联一个 RC 网络，以抑制换向过电压。（3）直流侧过电压保护电路直流侧过电压保护电路由对接的硒堆构成，用以抑制直流侧产生的过电压。2、短路保护在整流桥的交流侧串接快熔，对短路进行保护。2另外，整流桥的直流侧还接有续流电阻（200/300W） ，用以消除在没投励时，直流电压表上虚假电压。二、二、
3、触发电路触发电路本装置触发电路采用移相电压为锯齿波的触发电路。原理图如图 2 所示（参见 CPTR 板） 。1、锯齿波形成电路以 A 相为例来分析锯齿波形成电路。来自电网的 380V 交流电经 481降压，二次侧输出 3.5V（UA） 。经运放 4312和 4314整流后变成负电压，如图 4 所示，在 UAOV 时，运放 4314的输出为+14V（饱和值） ，D1截止，4312的输出为负电压，放大倍数为-1；时 UAOV，4314的输出为-14V，则 4312的同相输出端为-13V 左右，因为运放 4312的同相输入端电位比反向输入端电位还低，而使 4312的输出电压为负值。4312输出的副脉
4、动电压在经由 4311组成的比较器，倒相后输出频率为 100HZ 的方波（UB） 。UB方波经由运放 4322构成的积分器输出锯齿波 UD。在 UB为正时，经 W1分压输出的约+7V 电压经 390K 电阻对 0.22uf 电容进行正向恒流充电充电，从+10V 线性下降。当 UB为负电压时，0.022uf 电容反向线性充电，反向充电时间常数（10K22n）远小于正向充电时间常数（390K22n） ，故 UD为锯齿波如图 4 所示。当 UD1OV 时，运放 4321输出正饱和值，将 UC箝制在+10V。0.01uf 和 20K 阻容网络的作用是在锯齿波 UD的上下波顶迭加尖脉冲，以防移相控制电路
5、失控。2、移相控制环节UE锯齿波与触发电路控制电压 UC在运放 4324的输入端进行比较，在 UEUD3时，运放 4324输出 UF=-14V，在 UEUO时，UF由-14V 跳变成+14V，经后面的电路形成触发脉冲，此正跳变对应于脉冲的前沿。UC增加，脉冲前移，当 UC=10V 时，10左右；UC减小，脉冲后移， 增加，当 UC=0V 时，150，即 min=30，初始相位的整定是通过电位器 K 来实现的。因为 K1可调整锯齿波的斜率，而斜率的调整就可以改变UC=0V 时的 角。3、脉冲形成方波 UF（如图 4 所示）经 RC 微分电路在 G 点形成尖脉冲，经由运放 4323构成的同相放大器
6、的 H 点，形成脉冲信号，UH的频率为 100HZ。如图 4 所示。UH脉冲经与非门元件 4413、4412且由 UM、UN控制，形成频率为 50HZ 的脉冲信号 UI、UK。UH脉冲信号经三极管 411和脉冲变压器 491构成功率放大及输出电路输出大功率脉冲，去触发 1 号桥臂的可控硅元件。4、双脉冲形成电路三相全控桥要求触发脉冲为双窄脉冲。以 1 号触发电路（即+A 相）为例，在 I 点输出正脉冲时，411导通，在 6 号触发电路（即-B 相）发出脉冲时，411也导通。即是说，在一个周期中，411导通两次，491输出两个窄脉冲，这两个窄脉冲的间隔是 60，前一个脉冲为主脉冲，后一个脉冲为补
7、脉冲。5、脉冲封锁电路脉冲封锁信号 U 封由非门电路 4611输出。当 U 封为低电位时，I、K 的脉冲被封锁，整流器无输出电压。当 U 封为高电位时，解除对触发电路的封锁，整流器无输出电压。当 U 封为高电位时，解除对触发电路的封锁。6、同步配合4同步变压器的联结组别为/Y-1，同步变压 A 相输出电压 UTa比主电路 A相电压 UA1滞后 30，波形分析如图 4 所示。7、触发电路的移相特性触发电路移相特性如图 5 所示。8、触发整流电路特性根据触发电路移相特性，可得如图 6 所示的触发整流电路特性。1.35cosmin1.35 180 cos10240UdmUuV1.35cosmax1.
8、35 180 cos30210UdmUuV三、三、电流闭环调节系统电流闭环调节系统电流闭环调节电路如图 2 所示。电流检测环节由图一中的交流电流互感器和整流桥组成，电流反馈信号取Ufi正极性。加到 CPTR 板中的 18 号端。电流环的给定电压Ugi为正极性（由调节电路发出） ，加到 CPTR 板中的 22 号端。正极性的Ufi1经由运放 4382构成的反相放大器，变成负极性，Ufi=Id，式中 为电流反馈系数，通过电位器 K2来调整。正极性定的 Ugi与负极性的Ufi在运放 4372的输入端比较，之后经由运放 4373构成的惯性调节器输出 UC。电压 UC即为触发电路的控制电压，UC的范围为
9、 0+10V，在 UC=05V 时，整流器工作在逆变状态，在 UC=010V 时，整流器工作在整流状态。惯性调节器 GT 的放大倍数为：110100M KKpg电流环静态结构图如图 7 所示：图中：RD为同步电动机励磁绕组的直流电阻。521.35cos10485LVVdKsVc，为电流反馈系数。fiVId根据图 7，可求出 Id=f（Vgi）特性1 111D gigiDKpgKsRIdVVKpgKsR 上式表面整个电流环相当于一个放大器，这个放大器的输入量为 Vgi，输出量为 Id。通常 Vgi=010V，在 Vgi=0V 时，Id=0A，在 Vgi=10V 时，Id达到系统所需的最大电流。从
10、而也可求出所需的 值。亦说明通过调整 来调节 Idm。值是通过图 2 中的 K2（原图 CPTR 中的 171电位器）电位器来调整的。 为电流反馈系数。四、四、励磁电流的给定控制励磁电流的给定控制励磁电流的给定控制电路如图所示（见原图 REGAL 和 3AI） 。在同步电动机启动时，继电器 42、41闭合，通过电位器 K1 的滑动端输出一个正电压 Vg，此 Vg经由运放 291、244、243、361、3716构成的惯性调节器，输出电压 Vgi，以作为电流环的给定电压。惯性调节器动态器结构图如图 8 所示。根据图 8 可得此小闭环的传递函数121212( )111 ( )110.02211gi
11、gVSKpSKp VSKpSKpSSKpKp 式中：1002 22200.22KufmsS 为积分时间常数，由运放 361构成积分器，由运放 291构成比例放大器115200M KKp6，由运放 3716构成同相放大器22020220KK KKp对于此环节的静特性，显然惯性调节器的静态放大系数为 1，即为Vgi=Vg。在励磁电流给定控制电路中，还设置最大值和最小值限制环节， ，如图 3所示。当正极性的 Vgi（由原图 REGAL 板中的 19 端输出）超过最大设定值（假定为 10V）时，稳压管 2 反向击穿，于是就有较大的正向反馈电流加到运放361的输入端，使运放 361的正极性输出电压减小，
12、使 Vgi（由运放 361输出）减小，从而限制 Vgi的最大值。最大 Vgi值与稳压管 2 的反向击穿电压有关。当正极性的 Vgi小于最小设定值（对应同步电动机所需的最小励磁电流，本系统经测定为 58V）时，运放 3717输出负饱和值，于是就有较大的负向反馈电流加到运放 361的输入端，从而使运放 361的正输出电压增加，即使 Vgi增加。在停车时，继电器 44吸合，使 Vg=0V，经惯性调节器使 Vgi=0V，经惯性调节器使 Vgi=0V，从而使励磁电流迅速为 0。 五、五、sinsin 恒值调节系统恒值调节系统同步电动机启动后，41失电，断开 Vg信号，整个系统为sin恒值调节系统。闭环给
13、定值 VS与同步电动机的视在功率（S=3UI）成正比。视在功率的检测电路由运放 374、375、376构成，经交流互感器检测的电流信号在51 电阻上形成交流电压，此交流电压经由运放 374、375构成的整流器输出正极性电压，在经由运放 376构成的放大器就输出 VS1。无功检测信号 VfQ与同步电动机的无功分量 Q 成正比。无功检测电路由运7放 371、372构成的相整流电路构成。同步电动机的电流信号经相敏整流电路整流后再经由运放 373构成的放大器输出 UfQ。无功检测电路原理如下所述。若同步电动机的定子电流超前于定子电压，波形如图 9 所示。在图 9 中，电压 V 为同步电动机的定子线电压
14、 UBC，它比定子 A 相电压 UA滞后 90，电流 I 为与定子 A 相电流 iA成正比的电压信号。在 V 的（UBC）的正半周，图 3 中的 D 点电位 UD为高电位（即运放 371的输出电压） 。场效应管饱和导通，运放 372为反向放大器，Kp=-1，E 点电压 UE为-1（即-iA）信号；在 U 的（UBC）的负半周，UD为低电位，场效应管夹断，运放372为射极跟随器，E 点电压即为 I 信号，UE 波形如图 9 所示。此电压经滤波放大器放大后得到的 VfQ为正极性。在图 9 中，根据 I、U 波形可得出 UfQ与 之间的关系。213 2251 2251212sin()2sin() 2
15、2sinsin 2fQNNNUI K RwtdwtI K RwtdwtKKK RIK I 式中：KN为电流互感器电流比；R 为整流后的取样电阻，R=250（见原 T1A 板） ；K511为图 3 中由运放 373 构成的放大器的放大系数，由 K511得分压比确定。称为无功反馈系 12512 2NKKK R数，可由 511来调整。8sin 恒值调节系统的动态结构图如图 10 所示。各环节传递函数分析如下。在图 10 中，视在功率检测环节的传递函数为1( )1KWfs STosS式中： ， （I 为定子电流）1UsKI1001.50.15TosKufS无功检测环节的传递函数为2( )1KWfq S
16、Toq式中：，K2为无功电流反馈系数；2sin 1fQUKI Toq1001.50.15ToqKufS 角调节器 T 由运放 3712、3713、3716、361等组成，如图 11 所示。3712为 KP=1 的放大器，3713为 KP=KP2的放大器，KP2由 522来调整。361为积分器。传递函数为33( )( )111 ( )0.33( )DVSVo S Vc SisR C SSVc S根据运放的虚地原理，I0=If，因为 V0=VB 极性相反，所示1BDVVIoR那么 T 的输出电压 Vgi 为222 1BD gifDODVVVVIRVI RVRR因为 R1=R2=20K，所示92giBDDBDVVVVVV又因
