具有諧波測控功能的電動機控制器的設(shè)計

陳堅偉 楊道馳 程燈亮

(安徽信息工程學(xué)院 信息工程系，安徽 蕪湖 241000)

?

具有諧波測控功能的電動機控制器的設(shè)計

陳堅偉 楊道馳 程燈亮

(安徽信息工程學(xué)院 信息工程系，安徽 蕪湖 241000)

電網(wǎng)的諧波對電動機的正常運行有一定的危害?，F(xiàn)有的電動機控制器常規(guī)功能中沒有諧波測量功能，當電動機長時間運行在有較大諧波分量的供電場所，會造成電動機線圈繞組過熱，影響電動機使用壽命，也可能使得電動機模塊出現(xiàn)力矩振蕩，引發(fā)機械共振，影響電動機的正常運行，甚至導(dǎo)致電動機設(shè)備損壞。本電動機控制器在實現(xiàn)電動機控制器常有功能的基礎(chǔ)上，增加了3-31次諧波的測控功能，當檢測到較大諧波分量時，如果長時間沒有消除，要及時停止電動機運行，保證電動機正常運行，延長電動機的使用壽命。

電動機； 控制器； 諧波測控； 保護

近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，電力電子裝置在運行中會在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量諧波，這對作為電網(wǎng)主要負荷的電動機的正常運行產(chǎn)生了危害。

1 電網(wǎng)諧波對電動機運行的危害

1.1 電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的磁場使電動機產(chǎn)生異步附加轉(zhuǎn)矩

電動機在諧波電流的作用下要產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，但并不是所有的高次諧波磁場都會產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，只有在定轉(zhuǎn)子磁場中，極對數(shù)相同，同轉(zhuǎn)速同方向旋轉(zhuǎn)的磁場才有可能產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩。當不同次諧波進入到定子繞組中時，其感應(yīng)出的轉(zhuǎn)子電流就會形成異步轉(zhuǎn)矩，由于其諧波的頻率不同，導(dǎo)致其產(chǎn)生一些附加轉(zhuǎn)矩，從而影響電動機的正常運行。

1.2 電網(wǎng)諧波會使電動機的溫度升高

電網(wǎng)中的諧波電流進入電動機的轉(zhuǎn)子繞組時，會使得繞組中的銅耗增大。較高頻率的諧波也使得集膚效應(yīng)更加明顯，定子雙層繞組中沿槽高度的上層線棒內(nèi)的銅耗可能比下層導(dǎo)線內(nèi)高幾倍以上。

以上兩種情況會使繞組發(fā)熱增加。異步電動機的絕大多數(shù)轉(zhuǎn)子是用硅鋼片疊加而成，諧波通過硅鋼片會引起鐵耗增加。損耗增大使繞組的溫度上升，影響其絕緣強度，降低其使用壽命。

1.3 諧波電流對電動機機械運行的影響

當同步發(fā)電機的定子繞組中流過正序電流和負序諧波電流時，它們所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子分別以成(n-1)倍數(shù)的方向正轉(zhuǎn)和(n+1)倍的方向反轉(zhuǎn)，同時產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩，還會引起電動機以(n-1)或(n+1)的基波頻率進行振動，如果該頻率接近電動機的固有振蕩頻率時，還會引起電動機的強烈共振。

我國現(xiàn)在大量使用的電動機保護器不具有諧波測量功能，因而無法解決諧波對運行中的電動機所造成的危害。本控制器不僅具有傳統(tǒng)的電動機保護器所有的一般功能，而且?guī)в兄C波檢測功能。當電網(wǎng)中諧波分量大到一定值，在規(guī)定時間內(nèi)得不到消除，則自動停止電動機的運行，以防止造成電氣設(shè)備的損壞，大大提高了電動機的使用壽命，將此運用到實際工作場所中，將會具有很大的市場前景和經(jīng)濟效益。

2 設(shè)計原理

2.1 諧波測量方案

諧波測量的工作原理是：采用ATT7022D計量芯片配合傳感器對電網(wǎng)電壓和電流進行實時采樣，將采樣得到的原始數(shù)據(jù)傳送給ARM7 LPC2136進行數(shù)據(jù)分析，以得到電機所在電網(wǎng)的諧波狀況。

諧波測量硬件主要由互感器、ATT7022D計量芯片、ARM7 LPC2136、RS485接口模塊、顯示模塊、存儲器及電源等部分組成。系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)框圖,如圖1所示。

圖1 諧波測量硬件結(jié)構(gòu)框圖

控制器以ARM7 LPC2136為控制核心，運算速度快，可以在高幅值諧波出現(xiàn)后短時間內(nèi)完成檢測和控制。而電動機本身可以承受短時1.3倍額定電壓。因此，控制器可以滿足瞬態(tài)時間要求。

ATT7022D 模塊可以實現(xiàn)對電網(wǎng)電能各個參數(shù)的測量。該芯片是一款高性能的專用三相電能計量芯片，集成了七路二階sigma delta ADC(對輸入的模擬信號，進行反混頻濾波，然后輸入到sigma-delta調(diào)制器調(diào)制成低精度高采樣率的數(shù)字信號，然后通過抽樣濾波器變?yōu)榈筒蓸勇矢呔鹊臄?shù)字信號)、功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，它內(nèi)部還集成了一個240個字節(jié)的緩存區(qū)，用以實時保存原始采樣數(shù)據(jù)，供進一步分析和處理。

由于ATT7022D進行電能參數(shù)測量時，ADC輸入通道最大的正弦信號有效值是1 V，所以在與外部電網(wǎng)連接時，要先將電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)過電壓互感器和電流互感器轉(zhuǎn)換成有效值在1 V以內(nèi)的交流小信號，然后再將轉(zhuǎn)換后的小信號分別接到ATT7022D的電壓和電流相應(yīng)的采樣通道中。ATT7022D和LPC2136之間通過SPI總線進行通信。LPC2136集成的A/D轉(zhuǎn)換器電壓工作范圍為0～3.3 V，ATT7022D工作電壓為5.0 V，選用SN74LVC4245(8位的雙向電平轉(zhuǎn)換芯片)進行3.3 V與5.0 V電平之間的雙向轉(zhuǎn)換。

2.2 諧波分析

對連續(xù)電網(wǎng)信號進行分析時，首先要對其進行采樣，并且必須滿足香農(nóng)采樣定理fs≥2fc(其中fs為采樣頻率，fc為信號最高頻率)，否則會發(fā)生失真(恢復(fù)模擬信號頻譜混疊)現(xiàn)象。

ATT7022D內(nèi)部具有數(shù)據(jù)緩存區(qū)，采樣頻率為3.2 kHz，完全滿足對電網(wǎng)中的31次以內(nèi)的諧波進行測量要求。該儀表從數(shù)據(jù)采樣到FFT的具體步驟如下：

2.2.1 同步采樣 首先開啟三通道電壓或電流的同步采樣功能。通過發(fā)送0xC0命令(通道選擇+啟動)對ATT7022D的寄存器gWaveCommand寫數(shù)據(jù)0xCCCCCY，以啟動波形數(shù)據(jù)緩存，其中Y的范圍為0x00～0x0B，依次代表需要保存數(shù)據(jù)的通道號(Ua、Ia、Ub、Ib、Uc、Ic、Ua、Ia、I、Ua+Ia、Ub+Ib、Uc+Ic、Ua+Ub+Uc、Ia+Ib +Ic)。

2.2.2 數(shù)據(jù)讀取 等待采樣數(shù)據(jù)完成并對這些緩存區(qū)的數(shù)據(jù)準確讀取。通過讀取0x7E指令，判斷內(nèi)部寫指針的值，等于240時，表示一次操作完成。

2.2.3 讀取數(shù)據(jù)與存儲 讀取采樣數(shù)據(jù)之前，要通過0xCl命令指定讀取的位置，數(shù)值取0～239，超過邊界時自動歸零處理，然后調(diào)用SPI讀寫程序讀取數(shù)據(jù)。由于SPI讀取到的數(shù)據(jù)格式為3字節(jié)，低19位為ADC數(shù)據(jù)，高5位為無效位，原始數(shù)據(jù)存放在數(shù)組ORG[]中。

2.2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理 對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。還需要對ORG[]中的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的預(yù)處理，采樣數(shù)據(jù)為原始的ADC數(shù)據(jù)，未做offset校正和增益校正。增益校正時，系數(shù)與有效值的校正系數(shù)一致。處理后存放在數(shù)組INPUT[]中。

2.2.5 傅立葉變換 將處理后的采樣點作為輸入量進行加窗插值FFT。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 對采樣得到的信號進行加窗處理 綜合考慮諧波測量的精度要求、實時性要求以及硬件資源的限制，選擇基于漢寧窗的加窗插值FFT算法。在下面的程序中，數(shù)組INPUT[]存放的是預(yù)處理后的采樣電壓(電流)值，sAMPLENuMBER為采樣點數(shù)，由于固定采樣頻率工=3 200 Hz，我國電網(wǎng)工頻為50 Hz，對信號采樣4個周期，每周期采樣64個點，即采樣點數(shù)N=256，SAMPLENUMBER=256，PI=3.141 592 6。程序如下：

void addwin()∥對采樣信號進行加窗處理

{ int i;

float Han_win[SAMPLENUMBER];

for(i=0；i

{ Han_win[i]=0.5*(1-cos(2*PI*i/SAMPLENUMBER));

INPUT[i]= INPUT[i]* Han_win[i];//對采樣點加窗

}

}

2.2.2 加窗后的信號進行快速傅立葉變換 快速傅立葉變換是本算法的核心，F(xiàn)FT已經(jīng)是一個非常成熟的理論，它的C語言程序這里就不再贅述，F(xiàn)FT算法流程圖,如圖2所示。

圖2 FFT算法流程

由加窗插值FFT的結(jié)果可以得到各次諧波的幅值、相角等電力參數(shù)。

3 設(shè)計方案

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 顯示操作單元的設(shè)計 本顯示操作裝置采用的是臺灣宏晶公司生產(chǎn)的CPU STC90C58RD，其工作頻率達到80MHz，32K FRASH存儲器1280字節(jié)RAM，具有體積小，功耗極低，抗干擾能力強，寬溫度工作范圍的特點，適用于各種工業(yè)控制，通過CPU的通訊口與本機裝置實時進行通訊，收集到采樣保護本體采集到的電動機運行時各種狀態(tài)及電壓電流等參數(shù)，直觀地在顯示操作裝置上進行顯示，同時通過操作裝置的按鍵設(shè)置電動機保護運行時各種技術(shù)參數(shù)，將其保存在CPU的EEPROM中，并通過RS485通訊將設(shè)置的參數(shù)傳輸?shù)谋Ｗo器的采樣保護本體裝置進行保護，圖3是顯示操作部分的設(shè)計框圖。

圖3 顯示操作單元硬件設(shè)計框圖

3.1.2 保護器采樣保護本體部分的設(shè)計 本采樣保護部分技術(shù)方案采用PHILIPS公司最新生產(chǎn)的基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2136微控制器芯片，配合ATT7022D計量芯片，將采集到的電壓電流參數(shù)值計算后進行分析判斷出電動機的運行情況，從而做出相應(yīng)的保護動作。同時,將這些電壓及電流數(shù)據(jù)及電動機運行的狀態(tài)，通過其兩個通訊端口分別送至上位機后臺和保護器的顯示操作部分裝置，從而智能地完成了電動機的保護任務(wù)。圖4是本部分的硬件設(shè)計圖。

圖4 采集保護本部分硬件設(shè)計

3.2 軟件設(shè)計3.2.1 操作顯示部分軟件總體設(shè)計 本單元部分是以STC90C58R單片機為中心的控制系統(tǒng)，單片機結(jié)合一定的外圍電路來完成按鍵信號采集及與本體信號傳輸?shù)?。圖5是顯示操作裝置主程序流程圖。

圖5 顯示操作裝置主程序流程

3.2.2 采集保護本體裝置軟件設(shè)計 圖6為采集保護本體裝置的軟件流程圖。

圖6 采集保護本體裝置軟件流程

4 結(jié)語

本研制項目除了能夠?qū)崿F(xiàn)電動機控制器常規(guī)功能外，還可以增加諧波的保護功能。將諧波測控技術(shù)應(yīng)用到電動機控制器中，采用ARM7 LPC2136芯片配合ATT7022D計量芯片，將采樣到電壓電流值，通過軟件傅里葉變換測算出3～31次電壓電流諧波分量，如果在一定時間內(nèi)諧波分量沒有消除，及時停止電動機運行，以防電動機附加過熱或發(fā)生力矩共振，影響電動機正常運行。因而,此研究項目具有較好的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

[1] 楊明，郝亮，徐殿國. 雙慣量彈性負載系統(tǒng)機械諧振機理分析及諧振特性快速辨識[J]. 電機與控制學(xué)報，2016(4):112-120.

[2] 付元增，王克昌. 電力系統(tǒng)中諧波的危害及其抑制[J]. 濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007(4):13-14.

[3] 張紹文. 電網(wǎng)諧波對電動機的影響[J].節(jié)能技術(shù)，2005(1):47-49.

[4] 李霞,郭正陽,張三川,等. 一種新型壓電諧波電動機的研究[J]. 微特電機，2014(6):4-7.

[5] 王曉愚,公茂法,曲敬文,等. 基于ATT7022D和DSP的電力諧波分析系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子質(zhì)量，2012(11):11-13.

[6] 楊帥,李眾立,李理. 基于ATT7022D的智能三相諧波分析儀設(shè)計[J]. 化工自動化及儀表，2015(4):383-387.

責任編輯 閔海英

Design of Motor Controller with Harmonic Measurement Control

CHENJianwei,YANGDaochi,CHENGDengliang

(School of Information Technology, Anhui Institute of Information Technology， Wuhu 241000, China)

Power grid harmonic has certain harm to the normal operation of the motor. The existing motor controllers have regular functions. However, they do not have harmonic measurement functions. Therefore, when an electric machine runs for a long time under the condition when there is harmonic component with large power supply, overheating of the motor coil might happen and the service life of the motor will be shortened. Besides, it can also cause the torque oscillation in the motor module and mechanical resonance, which affects normal operation of the motor or even leads to motor damages. This motor controller is developed with harmonic measurement and control functions. Apart from regular functions, this controller also has the measurement and control functions of 3-31 harmonics, so that when large harmonic component is detected and not eliminated for a long time, the controller will stop the running of the motor in time to ensure the normal operation and longer service life of the motor.

motor； controller； harmonic measurement； protect

2017-02-24

安徽省高校自然科學(xué)研究重點項目“具有諧波測控功能的電動機控制器的設(shè)計”(KJ2016A067)

陳堅偉(1965— )，男，安徽蕪湖人，高級工程師，研究方向：電力自動化。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.03.013

TM 301.2

A

1671-7880(2017)03-0045-04