同步发电机无传感器转速测量方法及应用

　　同步发电机的转速直接影响输出电压和频率,而电压值与频率是电源质量的重要指标,因此测量或监视转速有着重大意义.不论采用测速发电机还是采用磁电式的转速传感器都会给安装和调试带来不便,增加系统成本,并需要与之配套的接口电路,这给电路的设计也带来麻烦.事实上,当发电机正处于发电工作时,对转速的测量或监视才更有意义,为此,可利用单片机通过测量发电机输出电压的周期,然后根据同步发电机的极数换算出转速,换算公式为n=60 f/p(p为电机的极对数,f为频率).

　　晶闸管自励恒压小型交流同步发电机有着广泛的应用前景,其励磁控制部分具有体积小、重量轻、动态响应快、成本低的优点,在空载和负载时都能根据设定电压将输出稳定在一定的范围内,并具有一定的强励能力[1],其工作框图见图1所示.其中,虚线框内为励磁调节器.工作原理为:由手动调整设定电压,励磁调节器从发电机的输出电压获得取样电压(反馈电压),与设定电压进行比较,比较结果和同步电压(确定电压过零点时刻)一起送入移相控制装置,获得触发脉冲的相位,再经触发脉冲形成电路产生可驱动晶闸管的触发脉冲,送到由晶闸管构成的可控整流电路调节励磁电流,从而控制发电机的输出电压,这是一个闭环负反馈控制.可见,当动力机转速下降时,输出电压随之下降,励磁调节器为了保持输出电压稳定在设定点,必将加大励磁电流,这时很容易造成晶闸管因过流而损坏.所以,它对开机时的起励和关机前的灭磁有一定的要求,有时因为操作不慎、动力机因断油停机或动力机故障就会一段时间甚至较长时间处于低速励磁状态,这时若不切断励磁电流,晶闸管将过流工作,这是晶闸管损坏的主要原因之一.传统的保护方法是在励磁回路上安装电流继电器和保险丝,但这两种方法都是利用电流的热效应作为保护依据,因此,反应速度较慢,有时因为电流保护的设定点不恰当或换用额定容量过大的保险丝,使得保护并不可靠.如果在此基础上增加一片单片机自动监控动力机的转速,则可防止低速励磁的发生,系统的可靠性将得到较大的提高,同时可以简化电路,省去转速传感器,从而降低系统成本.

　　1　工作原理

　　如果直接检测动力机的转速,一般来说需要转速传感器,需要专业安装调整,并且需要专用的外围接口电路,从而增加成本.然而可通过检测同步发电机输出的相电压的周期来间接判断动力机的转速,从而判断出是否需要切断励磁电流.

　　我们采用美国MICROCHIP公司生产的8位单片机PIC16C57作为检测和控制芯片,PIC16C57内置一个8位的RTCC实时时钟/计数寄存器,利用其I/O口RA的RA.0位作为取样电压的输入口,RA.2位作为输出口控制励磁电流的通断.端口结构如图2所示,每个I/O端口有两个箝位二极管作为超压保护,能将输入端口的电压箝位在VSS-0.7V～VCC+0.7V之间,220V的相电压作为频率取样信号经过一个限流电阻(取5 MΩ)直接接入I/O口,这时最大电流也不超过几十个微安,完全处于运行的安全范围内,这种方法既省去了转速传感器又比使用电容或变压器来作为频率取样的方法更加简单和可靠.利用PIC16C57的实时时钟RTCC作为定时器来检测相电压的正半波的时间宽度,可计算出频率,从而换算出动力机转速,用这种方法可以有较高的反应速度,因为在输出电压的半个周期内就可以完成控制算法.