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基于双CPU的交流电机变频调速节能控制系统


江苏电器 (2008 No.5)

摘 要: 设计了调压频比 ( 即调磁通 ) 节能装置和以大功率电力电子智能功率模块 IPM 为开关组件 的三相交流控制电路,解决了 IPM 的过流、过压保护问题。控制装置是基于双 CPU 的 TMS320LF2407 芯片 和 89C51 单片机,其主要功能是实现变频调速异步电机的节能控制及运行状态显示功能。 关键词: 电机;压频比;节能;SVPWM 波形;智能功率模块 中图分类号:TM34;TP273+.5 文献标识码:A 文章编号:1007-3175(2008)05-0003-04

0

引言
电机是实现全国电气化的主要动力机械,而

考虑电机的调速节能:(1)高性能交流电机变频调 速器采用微机控制的大功率晶体管逆变技术,利用 交—直—交方式,用于交流异步电机的调速,节能 效果可高达55 %以上;(2)转子串电阻调速。

异步电机又是工农业生产中应用最为广泛的一种 电机。据不完全统计,至2000年,我国中小型三相 异步电机负荷占电网总负荷的85 %,年用电量超过 3 750 亿kW·h,占全部工业用电的65 %。异步电机 之所以得到如此广泛的应用,是由于和其它电机比 较,它具有结构简单、运行可靠、效率较高、制造 容易、成本较低及坚固耐用等优点 。通过电力部 门统计的负荷资料则表明,电机负荷占到整个负荷 的80 %以上,因此,异步电机的节电研究是非常重 要的[2]。 在电机应用方面的节能技术,虽然根据电机的 种类、用途或系统等有各种各样的方法,但文中只
[1]

1

变频节能的原理
三相异步电机运行效率是由它的力能指标表

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基金项目:湖南省自然科学基金项目(03JJY5005) 作者简介:俞斌(1979- ),男,江苏扬州人,讲师,本科,研究方向为信息处理和DSP。


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江苏电器

(2008 No.5)

基于双CPU的交流电机变频调速节能控制系统

子铁心损耗;P m—机械损耗;P z—杂散损耗。 一般铜损占电机总损耗的56 %,铁损占总损耗 的30 %,此两项是决定电机效率的主要因素。 由等值电路知电机的定子与转子的铜损为:

率并调节电压到给定转速就可找到变频调速交流电 机运行时的节能点。压频比(磁通)过大会使电机功 率因数下降;磁通过小会使电机输出转矩与功率减 小,电机得不到充分利用。

P Cu=P Cu1+P Cu2= 3I R + 3I R = Z Z Z 2 3U 2 m+ 2 R 1+ 3U 2 m 1 1 Zr Zr Z 2— 转子阻抗。 电机的定子铁心损耗为: P Fe=3 E Z m·Z 2 =3U 2 1 Rm Zr
2 2

2 1 1

2 2 2

2

R2

(3)

2

系统硬件设计
为了实现对三相异步电机变频调速的节能控

其 中:Z m — 铁 损 等 效 阻 抗;Z r — 定 子 阻 抗;

制,文中设计了节能控制装置。系统的总体控制思 想是搜索节能工作点,即在稳态点按照节能算法求

/R

m

(4)

出给定转矩和转速的节能定子频率,然后以此频率 为输入频率,调节输入电压来控制转速到要求值。 因此,系统中有主电路和控制压频比电路。采集电 路包括电压信号的采集、电流信号的采集和速度信 号的采集。系统原理框图如图 1 所示 [4]。
三相 电源 显示 电路 三相 整流 逆变 电路 IGBT驱动隔离电路 SVPWM波形 输出 通信 接口 DSP控制器 三相交流电机 电压信号 采集 电流信号 采集 速度信号 采集

其中:E —铁心上的压降;R m —铁损等效电阻。 电机的电磁转矩为: 2R 2 2 Zm 2 R2 P M 3I 2 s 3U 1 Z r s T =ω = 2 f = (5) 2 f1 π π1 1 NP NP 其中:P M —电磁功率;ω1—机械同步角速度;

N P— 极对数;s —转差率。 电机的总损耗为: Z Z 2 P 总耗=P Cu+P Fe= 3U 2 m+ 2 R 1+ 1 Zr Zm 2 Z ·Z 2 3U 1 R 2 + 3U 2 m 2 1 Zr Zr

2

/R

(6)
m

图1 系统总体框图

60f 1 n N Pn 由于同步转速 n 1= N , 所以s =1- n =1- 60f 。 P 1 1 电机在稳态运行时,电机转子本身的功率因数很 高,可以近似认为 Z 2 ≈R 2 /s ,在此条件下立方

2.1 主电路 主电路部分包括整流、滤波和逆变。系统功 率变换环节采用 AC/DC 整流电路和绝缘栅双极晶 体 管 IGBT 逆 变 电 路, 三 相 交 流 电 压 经 二 极 管 整 流模块整流,大电容滤波后送到三相逆变模块。 文中三相逆变模块采用的是 IGBT 智能功率模块 IPM(Intelligent Power Module)。IGBT 智能功率 模块 IPM 是一种由几个高速、低功耗的 IGBT 和门极 驱动电路集成为一体的混合电路器件。它通过采用 先进的电流检测型 IGBT 和与之相匹配的门控电路, 实现高效的自保护功能。智能功率模块的使用能缩 短系统的设计时间和提高系统的可靠性,并使系统 硬件电路简单紧凑,减小系统尺寸。 为了让CPU有更充裕的资源来处理控制的主 要功能(检测电压、电流和产生SVPWM波形等),文 中采用一片TMS320F2407芯片作为主处理器,一片 89C51(以下简称C51)单片机作为辅处理器,如图2 所示[5]。

λ 程:f (f 1, )=P 总耗+λ(T 1-T )。以定子频率f 1和λ为
自变量对其求偏导数并令其为零,可求解得损耗最 小时的定子频率为:

Bn + (Bn ) -4A (Cn -D ) (7) 2A R 其中:A = 3 600 R 1L 2 (4π2R 2 +4π 2R m+R 2 ),B = m 2 m 2 2 2 2 2 2 R C 120R 1L m(4πR 2 +4π 2R m+R m)N P, =R 1R mL m(4πR 2+R m), 2 2 D =360R 1R 2R m。所以: f 1min= Z 2π N Pn U 2 = 3N R f 1- 60 T Z r 1 m P 2
2

2

2

(8)

由式(7)可知,变频调速交流电机运行时最小 损耗的定子频率 f 1min 只与转速有关,而与负载无 关。在给定转速和负载的情况下式(7)和式(8)[2]就 构成变频器压频比控制时的节能控制算法,只要根 据转速就可知道节能频率,然后对电机施以节能频
4

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控制总线 数据总线 电源

8 KB RAM 行驱 动器 89C51 辅控制器

LCD 液晶显示屏

列驱动器

图4 液晶显示模块内部结构框图 2.4 测量电路设计

要测量的原始信号都是高电压、大电流的正弦
图2 系统主控板结构图

交流电或带有毛刺尖峰的高压直流电,必须将它们 作模拟信号处理后才能送给DSP。 1)交流电压经电压互感器PT(实质上是一个小 型特殊变压器)变成隔离的1 mA左右电流信号,再 经电流变电压电路和滤波电路形成波形良好的正弦 波。整流后送到主控板进行A/D转换得到电压幅值; 2)交流电流经电流互感器CT后也得到1 mA左右 电流信号, 之后也送入电流变电压电路和滤波电路。

2.2 智能功率模块IPM 由于该系统直流电压为537 V,5 kVA,满载时 额定电流为9.3 A,考虑到20 %的过载余量和20 %的 电流尖峰因素,最大电流为20.46 A。文中选用了 日本三菱公司生产的电压为1 200 V,电流为25 A的 IPM 模块 PM25RSB120型。 IPM集成了最佳的IGBT驱动电路和自我保护电 路,但必须为它提供隔离的驱动电源和匹配的控制 信号。因此,要设计一块接口电路板,该接口电路 板将直接安装在IPM模块上,如图3所示。接口电路 板要达到以下要求:提供四路绝缘电压为模块额定 电压两倍以上的15(1±0.1)V隔离电源,上桥臂三 路,下桥臂和制动共一路;电源必须能提供在工作 开关频率下所需的最大电流;具有信号输入隔离功 能而且其传输延迟时间不超过0.8μ s,隔离电压足 够大,还应具有故障信号输出隔离功能;接口电路 板的布局一定要设计合理,尽量避免将噪声耦合到 控制电路。

3

软件系统设计
DSP 主控制程序主要有数据采集、数据处理、

节能算法、生成 SVPWM 波形,此外还包括自检、初 始化、与 C51 通信、故障处理等子程序。DSP 主程 序流程图如图 5 所示。
开始运行 自检 初始化参数 初始化电机运行参数

PWM输入信号 电源 故障输出信号

隔离输入→ 15 V隔离电源 隔离输出←

IPM模块

显示故 障信息

Y

是否有故障? N 等待启动电机命令

图3 IPM的接口电路

启动电机模块 节能模块循环程序 根据标志变量决定 分别作如下处理 停机 命令 停机子程序 故障 故障处理子程序 循环结束 改变方 向命令 改变电机方向子程序

2.3 单片机与液晶显示的接口电路 显示器采用内藏 T6963C 控制器的图形液晶显 示模块 M-240128T。T6963C 是点阵式液晶图形显示 控制器,它能直接与 51 或 96 系列微处理器接口。 内藏 T6963C 控制器的液晶显示模块上已经实现了 T6963C 与行、 列驱动器及显示器缓冲区 RAM 的接口, 同时也已用硬件设置了液晶屏的结构、数据传输方 式、显示窗口的长宽等。240128 表示该模块的长 宽为 240×128 点,其结构框图如图 4 所示
[6]



图5 DSP主程序流程图 5

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基于双CPU的交流电机变频调速节能控制系统

系统启动以后,首先经过自检、初始化,然后 等待启动电机命令。当接收到启动命令后,执行启 开始搜索节能运行点,节能模块是一个循环程序, 当 CPU 不执行任何中断服务程序时,就在这个循环 中运行。此外,还包含几个相对独立的循环作为子 程序,除了波形发生循环模块外,还有 A/D 转换的 中断服务程序构成的独立循环模块。几个相对独立 的循环模块之间的信息传递是修改标志变量的方法 来完成的, 由发出控制的模块修改相应的标志变量, 而接收控制的模块采用查询的方式响应标志变量的 改变。
t/ms b)SVPWM调制方式IGBT波形 U/V

动模块,当电机达到要求转速且达到稳态时,系统

图6 实验波形比较

从图6可以看出SVPWM调制方式下IGBT在一个周 期内有1/3的时间总是处于导通或关断状态,即开 关损耗要减小33 %。 通过试运行,发现双CPU的变频调速交流电机 的节能控制系统使电机的运行效率达到79 %,具有 很大的推广意义。

4

结果分析
由于采用了SVPWM调制方式,提高了直流电压

利用率,降低了开关损耗,但输出波形仍然和SPWM 调制方式差不多。图6是SPWM和SVPWM的实验波形 的对比图(波形均为电阻分压后用数字示波器观察 的结果),图中横坐标每格为5 ms,纵坐标每格为 10 V。

参考文献
[1] 陈丕璋 . 电动机节能技术 [M]. 北京:科学出版社, 2002. [2] 齐义禄.节能降损技术手册[G].北京:中国电力出 版社,2002. [3] 高景德,王祥珩,李发海.交流电机及其系统的分 析[M].北京:清华大学出版社,2003. [4] 朱铭锆,赵勇,甘泉. DSP应用系统设计[M]. 北 京:电子工业出版社,2002. [5] 孙云莲,易仕军 . 利用双 CPU 方式的 PWM 消谐三相 交流调压及电路实现 [J]. 武汉水利电力大学学报, 2000(2). [6] 房小翠,王金凤.单片机实用系统设计技术[M].北 京:国防工业出版社,2001. 收稿日期:2007-12-12

U/V

t/ms a)SPWM调制方式IGBT波形

第三届电工产品可靠性与电接触国际会议征文启事
征文内容 ● 可靠性设计 ● 可靠性统计 ● 可靠性管理 ● 可靠性制造 ● 失效模式与失效机理 ● 可靠性分析 ● 系统和软件可靠性 ● 可靠性试验及试验装置 ● 质量管理与质量保证 各种电工产品(设备)可靠性 电接触理论及其应用 ● 电接触可靠性 ● 与可靠性相关的内容 会议时间 2009.10.19~10.20 会议地点 中国 浙江省乐清市
● ●

邮寄或E - mail或传真方式将中、英 文摘要(一式6份)寄至: 中国天津红桥区光荣道8号(300130) 河北工业大学电器研究所323信箱 王景芹 Tel:86-22-60204354,13602176662 Fax:86-22-26378968,26549256 E-mail:jqwang@hebut.edu.cn (编辑部 报道)

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