摘要:為了解決傳統(tǒng)大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)因變頻速度較快而經(jīng)常出現(xiàn)電力故障的問題,提出并設(shè)計(jì)了一種基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)。該系統(tǒng)引用DPS控制芯片設(shè)計(jì)變頻器,并將變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)定為一拖二形式,其余應(yīng)用原系統(tǒng)硬件。設(shè)定電機(jī)各狀態(tài)反饋控制模塊,使用同步變頻技術(shù)完成系統(tǒng)變頻切換。將以上硬件與軟件相結(jié)合,完成基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過分析系統(tǒng)測試結(jié)果可知,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電壓變化與原系統(tǒng)的電壓變化相比較為平緩,說明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換效果更佳,對大功率電機(jī)的保護(hù)性能更好。
關(guān)鍵詞:狀態(tài)反饋控制;大功率電機(jī);變頻切換;DPS控制芯片
0 引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷提升,大功率電機(jī)的使用頻率也逐步上升。在電機(jī)使用過程中,對電機(jī)進(jìn)行變頻切換至關(guān)重要。有效使用變頻切換功能可提高電機(jī)的使用壽命,降低電機(jī)出現(xiàn)故障的概率,變頻切換技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。變頻切換通過引入狀態(tài)反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的勻速變頻,狀態(tài)反饋控制是體現(xiàn)現(xiàn)代控制理論特色的一種控制方式[2],是指將系統(tǒng)的每一狀態(tài)變量乘以相應(yīng)的反饋系數(shù),反饋到輸入端并與參考輸入相加,其和作為被控系統(tǒng)的控制信號。采用此技術(shù)可有效提升大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)對電機(jī)控制的精度與可靠度。本文設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng),為了保證此次設(shè)計(jì)的有效性,在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后,構(gòu)建了系統(tǒng)測試環(huán)節(jié),對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能特征進(jìn)行了驗(yàn)證。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在變頻切換系統(tǒng)的硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,主要對變頻器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的變頻切換系統(tǒng)中,采用的變頻器結(jié)構(gòu)多為一臺變頻器拖動一臺電機(jī)的形式[3]。此次硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)中,將變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)定為一拖二的形式,變頻切換系統(tǒng)變頻器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
大多數(shù)一拖二結(jié)構(gòu)中包含電源柜(QF1,QF2)、變頻器(1#,2#)、自動旁路柜(QF11,QF12,QF13,QF21,QF22,QF23),其數(shù)量均設(shè)定為2套。但這種結(jié)構(gòu)所占空間較大,成本較高。因而在此次設(shè)計(jì)中,將一拖二結(jié)構(gòu)設(shè)定為圖1所示的形式,包含3臺電源柜(QF1,QF2,QF)、1臺高壓變頻器以及2臺一拖二切換柜(1QF,2QF)。電源柜為電機(jī)提供相應(yīng)的電源以及保護(hù),并對電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在此次硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,變頻器的選用直接影響系統(tǒng)性能,因此將對變頻器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
針對原有大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)在使用時(shí),電壓變換過快的問題,在此次設(shè)計(jì)中應(yīng)用狀態(tài)反饋控制技術(shù)對系統(tǒng)中的軟件部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.1? ? 設(shè)定電機(jī)各狀態(tài)反饋控制模塊
通過研究大功率電機(jī)可知,采用狀態(tài)反饋控制技術(shù)時(shí),首先需要設(shè)定電機(jī)各狀態(tài)變量[4],設(shè)定電機(jī)共有3種狀態(tài),分別為l1、l2、l3,則電機(jī)在變頻切換系統(tǒng)控制下的狀態(tài)方程可以表示為:
采用式(8)對電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制,并將此公式引用至系統(tǒng)的控制模塊中,提升系統(tǒng)對電機(jī)的控制能力。
2.2? ? 實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)高壓變頻穩(wěn)定切換
在系統(tǒng)中增加上述模塊,提升系統(tǒng)切換時(shí)的控制能力。為確保增加上述模塊后,系統(tǒng)可完成變頻切換工作,采用同步切換控制原理優(yōu)化原有的切換模塊。
在此切換模塊中,設(shè)定先投后切以及先切后投兩種形式,避免出現(xiàn)供電死區(qū)與電機(jī)中電流的極速下降。設(shè)定模塊的切換流程如圖2所示。
使用上述流程對模塊進(jìn)行變頻切換,在此次設(shè)計(jì)中,僅對原有系統(tǒng)中的不足進(jìn)行優(yōu)化,其他部分沿用原有模塊中的設(shè)置。將此模塊與上文中設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制模塊相連,使用上文中的模塊對此模塊進(jìn)行控制。通過此模塊可減小沖擊電流的產(chǎn)生,提升變頻切換時(shí)的穩(wěn)定性。
通過上述軟件設(shè)計(jì)與硬件的選用,完成切換系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)。至此,完成基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3 系統(tǒng)性能測試
在此次測試中,采用MATLAB軟件對大功率電機(jī)的工作環(huán)境進(jìn)行三維模擬。此次測試中應(yīng)用的軟件型號為MATLAB7.0。為保證模擬結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性,采用Simulink軟件對大功率電機(jī)中的電力電壓動態(tài)過程進(jìn)行重建。將上述兩個(gè)仿真軟件結(jié)合使用,對大功率電機(jī)的各個(gè)器件與子系統(tǒng)進(jìn)行模擬,并將模擬結(jié)果作為此次試驗(yàn)的基礎(chǔ)。
3.1? ? 測試樣本
采用上述設(shè)定軟件對大功率電機(jī)進(jìn)行仿真處理,并作為此次測試的測試驗(yàn)本。此次測試中,針對功率單元進(jìn)行詳細(xì)設(shè)定。功率單元中包含三相電壓源、變壓器、整流橋、濾波電感、電容以及逆變器。
采用兩種對比系統(tǒng)與文中設(shè)計(jì)系統(tǒng),對上述測試樣本進(jìn)行變頻切換處理,為提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度,設(shè)定變頻切換過程的時(shí)長,變頻切換過程參數(shù)如表1所示。
根據(jù)上述設(shè)定,完成測試樣本的處理。在此次測試中,采用對比切換過程中電壓變換強(qiáng)度的方式,獲取兩種對比系統(tǒng)與文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行變頻切換時(shí),電流瞬變情況的結(jié)果并與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證3種系統(tǒng)的切換速度。
3.2? ? 測試結(jié)果
3.2.1? ? 電流瞬變對比
通過上述測試設(shè)計(jì),完成系統(tǒng)測試,獲取兩種對比系統(tǒng)與文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電流瞬變情況對比結(jié)果,具體如圖3所示。
根據(jù)已有研究可知,電流的瞬間增加可能會引發(fā)大功率電機(jī)出現(xiàn)故障。通過上述測試結(jié)果可知,使用兩種對比系統(tǒng)時(shí),變頻器的電流上升速度較快。
3.2.2? ? 切換速度對比
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在降低切換速度方面的性能,對比3種系統(tǒng)下的切換速度。3種系統(tǒng)的切換速度對比結(jié)果如圖4所示。
分析圖4可知,兩種對比系統(tǒng)的切換速度均高于所設(shè)計(jì)系統(tǒng),在3種切換系統(tǒng)中,基于PLC系統(tǒng)的切換速度最快且變化幅度較大,容易使大功率電機(jī)發(fā)生故障,而基于單片機(jī)系統(tǒng)的切換速度雖然小于基于PLC系統(tǒng),但是仍高于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
3.2.3? ? 狀態(tài)反饋控制誤差對比
狀態(tài)反饋控制誤差可直接反映系統(tǒng)切換控制的性能,狀態(tài)反饋控制誤差越小,說明變頻切換系統(tǒng)的精度越高。3種方法的狀態(tài)反饋誤差對比結(jié)果如圖5所示。
分析圖5可知,在相同的條件下,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)控制反饋誤差最高不超過0.3。而基于PLC系統(tǒng)與基于單片機(jī)系統(tǒng)的控制誤差最高可達(dá)到0.92、0.39。因此,說明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)控制準(zhǔn)確率更高,系統(tǒng)切換性能更好,充分證明了提出的基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)具有良好的性能。
3.2.4? ? 電壓穩(wěn)定性對比
設(shè)計(jì)大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)旨在解決傳統(tǒng)切換系統(tǒng)存在的電壓不穩(wěn)定問題,因此對比了3種切換系統(tǒng)下的大功率電機(jī)的電壓穩(wěn)定性,對比結(jié)果如圖6所示。
從圖6中可以看出,隨著電機(jī)工作時(shí)間的增加,在所設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制下,電機(jī)的工作電壓一直保持相對穩(wěn)定的狀態(tài),基本保持為10 kV的穩(wěn)定電壓。而基于單片機(jī)系統(tǒng)控制下,電機(jī)的工作電壓波動性較大,嚴(yán)重影響了電機(jī)的工作性能?;赑LC系統(tǒng)下,電機(jī)的工作電壓在10 kV附近波動,雖然波動幅度較小,但同樣不利于電機(jī)的工作,充分證明了提出的基于狀態(tài)反饋控制的大功率電機(jī)高壓變頻切換系統(tǒng)具有良好的性能。
4 結(jié)語
傳統(tǒng)的大功率電機(jī)變頻切換領(lǐng)域受電子器件的限制,增加了穩(wěn)定變頻切換的難度。為此,本文引用狀態(tài)反饋技術(shù),對變頻切換系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,通過系統(tǒng)測試結(jié)果分析可知,本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有切換穩(wěn)定度高的特征,具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
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收稿日期:2020-04-01
作者簡介:龐曉麗(1981—),女,河北易縣人,工程師,從事中壓變頻器及配套開關(guān)柜的電氣研究工作。