張 鵬, 蘇建徽
(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
交直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置是自動(dòng)化專業(yè)、電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備,目前市場(chǎng)上交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的控制器一般采用的是專用集成電路,或采用進(jìn)口整機(jī)集成構(gòu)成,如上海天威教學(xué)儀器設(shè)備有限公司的GSY-740L交直流調(diào)速實(shí)訓(xùn)裝置,主要組件有歐陸514C直流調(diào)速器和西門(mén)子M440變頻器;上海上益教學(xué)儀器有限公司的變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置采用日本三菱公司FR-A4540-1.5K型變頻調(diào)速器(380V、1.5kW)為主機(jī),這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器在可靠性和穩(wěn)定型方面有保障,但實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性和靈活性較弱,在實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)、加載和控制等方面還存在不便之處(如需要負(fù)載箱、滑線變阻器、調(diào)壓器等),且系統(tǒng)一般為單機(jī),難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載和穩(wěn)定的四象限運(yùn)行。本文全數(shù)字化交直流電封閉調(diào)速實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置特點(diǎn)如下:
(1)原有的交流電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)不變化。主電路采用交直流電封閉設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)交直流電機(jī)的四象限運(yùn)行,可以省去以前裝置中的能耗電阻,節(jié)約大量電能。
(2)在單臺(tái)裝置中可同時(shí)完成交流PWM實(shí)驗(yàn)和直流PWM[1]實(shí)驗(yàn),彌補(bǔ)以前單臺(tái)裝置只能完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)的缺陷。
(3)主控制芯片采用電機(jī)專用的DSP,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,可避免模擬裝置中由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器因溫漂而產(chǎn)生的運(yùn)算誤差。而且還可以只需升級(jí)軟件便可驗(yàn)證不同的控制策略,更具開(kāi)放性、靈活性。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行組合。
系統(tǒng)機(jī)組由一臺(tái)鼠籠異步電機(jī)和一臺(tái)直流電機(jī)同軸連接組成,可以實(shí)現(xiàn)直流母線的電封閉加載,其電能、機(jī)械能走向如圖1所示。系統(tǒng)加載實(shí)驗(yàn)方便,可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的四象限運(yùn)行,節(jié)約大量電能。
圖1中,M1為交流電機(jī),M2為直流電機(jī),均可以做發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。交流PWM單元為交流電機(jī)控制系統(tǒng);直流PWM斬控單元為直流電機(jī)控制系統(tǒng),兩者的直流母線相連,其電能通過(guò)直流母線封閉,電網(wǎng)只是補(bǔ)充系統(tǒng)的電能損耗(如機(jī)械摩擦損耗、銅損、鐵損等)。當(dāng)M1處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),機(jī)械能經(jīng)過(guò)連接軸傳遞給 M2,M2處于發(fā)電狀態(tài),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,經(jīng)直流母線又傳遞給M1。
圖1 直流母線電封閉原理示意圖
由于交流PWM單元和直流PWM單元采用的是不可控整流,為了防止慣性制動(dòng)能量導(dǎo)致直流母線電壓泵升過(guò)高,2個(gè)單元內(nèi)均增加了能耗制動(dòng)控制電路,但一般加載情況下,該電路不會(huì)動(dòng)作。
系統(tǒng)硬件電路分成功率主電路部分和控制電路部分(包含檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)電路)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2中,主電路1和控制電路1構(gòu)成交流調(diào)速單元,主電路采用典型交—直—交電壓源型結(jié)構(gòu)形式;主電路2和控制電路2構(gòu)成直流調(diào)速單元,主電路采用交—直—直電壓源型結(jié)構(gòu)形式。功率元件采用ASIPM智能IPM模塊,替代以前裝置中的單管,其性能更加可靠。
為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制電路硬件結(jié)構(gòu),提高可靠性、一致性和穩(wěn)定性,控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用全數(shù)字化控制方案,即多個(gè)參數(shù)的采樣、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)跟蹤控制、多路PWM的發(fā)生、通訊和各種保護(hù)等均由中央處理單元(CPU)完成[2-4],這些工作的實(shí)時(shí)性對(duì)CPU的運(yùn)算能力和速度提出了較高要求。專用的DSP數(shù)據(jù)處理單元為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案提供了選擇途徑和技術(shù)保障。本系統(tǒng)選用TI公司的電機(jī)專用DSP數(shù)據(jù)處理芯片TMS320LF28335做為控制核心,交流調(diào)速部分和直流調(diào)速部分的控制電路進(jìn)行兼容設(shè)計(jì),可節(jié)省線路板制作成本。
為便于操作和系統(tǒng)的管理,系統(tǒng)設(shè)置了鍵盤(pán)和液晶顯示單元作為人機(jī)接口,以RS485方式與DSP通訊。該單元采用飛利浦的P89C669單片機(jī)控制,減輕了DSP程序負(fù)擔(dān),具有良好的靈活性且擴(kuò)展性強(qiáng),該單元的主要功能有:實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)及采樣參數(shù),如電網(wǎng)電壓、交流電流、電樞電壓、直流電壓、溫度和報(bào)警信息等;在線設(shè)定各項(xiàng)參數(shù),如設(shè)定頻率、轉(zhuǎn)速環(huán)PI參數(shù)、電流環(huán)PI參數(shù)等。
以交流調(diào)速為例,系統(tǒng)的工作模式過(guò)程可簡(jiǎn)述如下:通過(guò)人機(jī)接口單元輸入頻率或從頻率輸入端口采樣頻率指令,經(jīng)過(guò)V/F曲線計(jì)算輸出電壓,再通過(guò)SVPWM的實(shí)時(shí)算法得出脈寬,最終PWM1~PWM6信號(hào)通過(guò)外圍的驅(qū)動(dòng)電路,轉(zhuǎn)化成能直接驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
本裝置交流調(diào)速部分和直流調(diào)速部分的控制電路進(jìn)行了兼容設(shè)計(jì),主電路部分也可進(jìn)行兼容設(shè)計(jì),在IPM的三相H橋部分,交流調(diào)速單元中3個(gè)橋臂均被使用,直流調(diào)速單元只用了前2個(gè)橋臂,即U、V兩相。如此,直流調(diào)速單元與交流調(diào)速單元可使用相同的硬件電路,互換性強(qiáng),便于維護(hù),2個(gè)單元的區(qū)別僅在于軟件控制策略不同。主電路如圖3所示。
圖3 兼容的主電路圖
由圖3可以看出,主電路包含:
(1)D1~D6構(gòu)成的三相不可控整流電路,將三相電網(wǎng)電壓整流成直流電壓。
(2)R1和繼電器 MC1構(gòu)成的軟啟動(dòng)電路,電網(wǎng)電壓整流后經(jīng)R1給直流側(cè)電容C1充電,當(dāng)C1達(dá)到電網(wǎng)線電壓峰值后,MC1閉合,短接R1。
(3)D7、T7和R2構(gòu)成制動(dòng)電路,防止慣性制動(dòng)能量導(dǎo)致直流母線電壓泵升過(guò)高。
(4)T1~T6構(gòu)成三相全橋逆變電路,作為交流調(diào)速單元用時(shí),逆變橋的輸出端子U、V、W接入交流電機(jī);作為直流調(diào)速單元用時(shí),逆變橋的輸出端子DA、DB接入直流電機(jī)。
(5)D8~D11構(gòu)成的兩相不可控整流電路,提供勵(lì)磁電壓。
直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性方程為:
其中,U為電樞電壓;Ia為電樞電流;R為電樞回路總電阻;Φ為每極磁通;Ce為電樞電動(dòng)勢(shì)系數(shù),與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān),是常數(shù)。
由(1)式可知,通過(guò)改變電樞電壓U、電樞電阻R和勵(lì)磁磁通Φ[5]3個(gè)電路參數(shù)可以對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
在負(fù)載不變的情況下,保持勵(lì)磁與電樞電阻不變,電樞電壓調(diào)速方法的調(diào)速范圍較大,且機(jī)械特性曲線硬度不變,電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性良好,能在低速下運(yùn)行,當(dāng)電源電壓平滑調(diào)節(jié)時(shí),還可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。本系統(tǒng)采用電樞電壓調(diào)速方法,直流調(diào)速的控制策略如圖4所示。
圖4 直流調(diào)速閉環(huán)控制策略框圖
由圖4可知,系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制。n*為轉(zhuǎn)速給定,n為測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)出的電機(jī)轉(zhuǎn)速。隨著電機(jī)控制的數(shù)字化,一些新的控制方式[6]如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模型參考自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、專家系統(tǒng)控制、模糊控制等也逐漸進(jìn)入電機(jī)控制領(lǐng)域,但各種數(shù)字控制技術(shù)各有長(zhǎng)短,在實(shí)踐中應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的成本、性能要求以及處理器的運(yùn)算能力,合理地選擇適當(dāng)?shù)目刂颇J?。?shù)字化PI調(diào)節(jié)器是目前應(yīng)用最廣泛、最為成熟的一項(xiàng)技術(shù),已在調(diào)速系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器和電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用的是該P(yáng)I調(diào)節(jié)器。由于裝置采用DSP設(shè)計(jì)控制電路,對(duì)于實(shí)現(xiàn)前述先進(jìn)控制策略具有優(yōu)勢(shì),軟件設(shè)計(jì)上便于擴(kuò)展??紤]以后進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放性,可將調(diào)節(jié)器模塊的接口參數(shù)定義成公共變量,學(xué)生可編寫(xiě)不同控制策略的調(diào)節(jié)器程序,更深入了解各種控制策略對(duì)調(diào)速性能的影響。
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)限幅1后作為電流給定I*,為滿足系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)要求及過(guò)流保護(hù),設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán),電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)限幅2后作為PWM的占空比,PWM脈沖經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)主電路的T1~T4開(kāi)關(guān)管。圖5所示為相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形。
圖5 實(shí)驗(yàn)波形顯示
圖5a中,CH1對(duì)應(yīng)主電路中的T1功率管驅(qū)動(dòng),CH2對(duì)應(yīng)T2功率管驅(qū)動(dòng),兩者信號(hào)互補(bǔ)。圖5b中CH1為電樞電流,CH2為電機(jī)轉(zhuǎn)速。
異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為:
其中,fs為電機(jī)定子供電頻率;np為電機(jī)極對(duì)數(shù);s=(ns-n)/ns為轉(zhuǎn)差率,其中,ns=60fs/np為同步轉(zhuǎn)速。
由(2)式可知,如果均勻地改變異步電動(dòng)機(jī)的定子供電頻率fs,就可以平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。
三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值Es為:
其中,Ns為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù);Ks為定子基波繞組系數(shù);Φm為電機(jī)氣隙中每極合成磁通。
由于對(duì)于一定的電機(jī),Ns和Ks為常數(shù),由(3)式可知,當(dāng)定子頻率變化時(shí),若電動(dòng)勢(shì)不變化,則電機(jī)的磁通將會(huì)出現(xiàn)欠勵(lì)磁或磁飽和。在基頻以下,為了得到恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速要求,必須保證Φm恒定,即Es必須隨著頻率fs的變化而變化,即
由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Es難以檢測(cè)和控制,實(shí)際可用定子電壓來(lái)替代。因此,交流電機(jī)的變頻調(diào)速[7-11]不僅要求電機(jī)供電電壓為正弦波,而且要求電壓和頻率協(xié)調(diào)變化控制,即電壓U和頻率f要同時(shí)變化并滿足一定的規(guī)律,如U/f=C(常數(shù)),這樣才能保證異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通在變頻調(diào)速過(guò)程中保持恒定。交流調(diào)速的控制策略如圖6所示。
圖6 交流調(diào)速閉環(huán)控制策略框圖
轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器輸出作為異步電機(jī)頻率給定fs,該給定頻率經(jīng)過(guò)V/F曲線得到定子相電壓幅值給定Um,由fs和Um可以得出異步電機(jī)三相互差120°正弦相電壓的給定uU、uV、uW。對(duì)此三相正弦電壓采用空間電壓矢量(SVPWM)調(diào)制,產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,PWM脈沖經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)主電路的T1~T6開(kāi)關(guān)管。
交流調(diào)速控制部分主要包括電機(jī)的控制技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)[12],本裝置的脈寬調(diào)制技術(shù)采用空間電壓矢量(SVPWM)技術(shù)[13-15]??臻g電壓矢量調(diào)制算法是利用磁通正弦原理的一種PWM方法,與常規(guī)PWM相比直流電壓利用率有很大提高,減少了電流諧波失真,更易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。
靜止坐標(biāo)系中的3個(gè)相電壓對(duì)應(yīng)1個(gè)空間電壓矢量U(U =Umejωt),其模為Um(相電壓峰值),以角速度ω在空中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。三相兩電平空間電壓矢量共有8個(gè),除2個(gè)零矢量外,其余6個(gè)非零矢量對(duì)稱均勻分布在復(fù)平面上。利用伏秒等效原理,對(duì)于任意給定的空間電壓矢量U,均可由8個(gè)空間電壓矢量合成。TMS320LF28xx的每個(gè)EV模塊都具有極大簡(jiǎn)化對(duì)稱空間矢量PWM波形產(chǎn)生的內(nèi)置硬件電路,使得用戶很方便地得到SVPWM波形。采用空間電壓矢量調(diào)制后,DSP的PWM1(對(duì)應(yīng)T1管)和PWM2(對(duì)應(yīng)T2管)驅(qū)動(dòng)經(jīng)RC濾波后的波形如圖7所示。
圖7 RC濾波后的U相橋臂上下管驅(qū)動(dòng)波形
圖8所示為裝置的照片,機(jī)柜上方是電表區(qū)域,即電壓表、電流表、頻率表等,可以方便直觀地顯示機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。電表下方是液晶按鍵單元,旁邊是控制電源開(kāi)關(guān)和電源指示燈;機(jī)柜中部是2組同樣硬件結(jié)構(gòu)的調(diào)速電源,由信號(hào)測(cè)量板、DSP控制板、勵(lì)磁板、主電路板組成;制動(dòng)電阻、散熱器安裝在背面;機(jī)柜下方是電源空開(kāi)及接線排。
本裝置在學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全方面做了如下考慮:
(1)系統(tǒng)的動(dòng)力供電與電網(wǎng)隔離,機(jī)柜在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行再接地處理。
(2)主電路、控制電路部分用透明的有機(jī)玻璃遮擋(圖8裝置照片上未安裝),既可讓學(xué)生看到實(shí)物,又能保證人身安全。
(3)為方便學(xué)生測(cè)量波形,將主電路原理圖繪制在一塊面板(測(cè)量板)上,主電路中的各個(gè)測(cè)量信號(hào)經(jīng)隔離,處理成弱電信號(hào),也標(biāo)注在面板上。
圖8 裝置照片
本裝置采用面板圖示結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)原理直觀、清晰,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)整個(gè)系統(tǒng)非常有利,其接線和操作也很方便,為配合課程教學(xué),本裝置可開(kāi)出以下7個(gè)實(shí)驗(yàn):
(1)直流調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)及基本操作,掌握直流斬控的原理。
(2)直流開(kāi)環(huán)脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn),測(cè)定直流PWM驅(qū)動(dòng)脈沖與電流波形,熟悉H型PWM變換器的各種控制方式的原理與特點(diǎn)。
(3)直流PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速試驗(yàn),掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試步驟、方法及調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。
(4)VVVF變頻調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)及基本操作實(shí)驗(yàn),掌握功能碼的設(shè)定及操作方法。
(5)VVVF變頻調(diào)速的開(kāi)環(huán)空載試驗(yàn),掌握基本的變壓變頻調(diào)速方法。
(6)VVVF變頻調(diào)速的開(kāi)環(huán)負(fù)載試驗(yàn),了解電封閉調(diào)速系統(tǒng)工作原理,掌握直流側(cè)加載及調(diào)節(jié)負(fù)載的方法,空載轉(zhuǎn)速頻率關(guān)系與負(fù)載轉(zhuǎn)速頻率關(guān)系比較,進(jìn)行交流電機(jī)的外特性實(shí)驗(yàn)。
(7)轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制試驗(yàn),了解交流電機(jī)轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制的基本原理,進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的外特性對(duì)比研究。
本實(shí)驗(yàn)裝置在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中,以學(xué)生為本,克服工業(yè)用變頻裝置在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足。該裝置主電路采用電封閉設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)交直流電機(jī)的四象限運(yùn)行,省去能耗電阻,可在單臺(tái)裝置中同時(shí)完成交流PWM實(shí)驗(yàn)和直流PWM實(shí)驗(yàn),采用DSP數(shù)字化設(shè)計(jì)以便于軟件擴(kuò)展等,是目前同類教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的先進(jìn)裝置。該裝置方便實(shí)驗(yàn)和教學(xué),適用于高校交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的有關(guān)實(shí)驗(yàn)。
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