專利名稱：具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及交流電動機調(diào)速控制技術領域，特別涉及一種具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置。
背景技術：
中高壓電動機廣泛使用于風機和水泵的拖動，若能利用調(diào)速來實現(xiàn)風量和水量調(diào)節(jié)，則可以節(jié)約大量的電能，所以市場對性能優(yōu)良、成本適中的中高壓調(diào)速裝置的需求非常旺盛。以DSP、單片機等為代表的數(shù)字控制芯片的普及應用和模糊邏輯智能控制技術的推廣使用，為中壓交流異步電動機調(diào)速的數(shù)字化智能化控制打下了基礎。
在交流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)中，現(xiàn)有大功率(＞200KW)中壓(3～10KV)交流異步電動機調(diào)速裝置主要分為定子側(cè)變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子側(cè)串級調(diào)速兩大類，它們各自都存在不足之處。
定子側(cè)變頻調(diào)速在電動機定子側(cè)接中壓變頻器，通過改變定子電壓和頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。中壓變頻器容量大，為電動機額定功率PN的1.2左右，變換電壓高，需要許多電力電子器件串聯(lián)，裝置龐大、復雜、價高，可靠性受影響。
在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子側(cè)串級調(diào)速系統(tǒng)中，電機轉(zhuǎn)子側(cè)接不可控整流器及晶閘管逆變器，通過改變逆變器觸發(fā)移相角來改變轉(zhuǎn)子電壓，實現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)子電壓低(一般＜1000V)，加之風機和泵類負載要求調(diào)速范圍小(一般40～50％)，調(diào)速裝置低壓(＜500V)變換電能，且容量小(0.4～0.5PN)，避免了中壓調(diào)速的困難。它的主要缺點是，逆變器的移相控制導致運行功率因數(shù)低，諧波大。
近年來開發(fā)出斬波式串級調(diào)速裝置，電機轉(zhuǎn)子側(cè)也接不可控整流器及晶閘管逆變器，但在整流器和逆變器之間加入一級升壓斬波器，工作時晶閘管逆變器的觸發(fā)移相超前角β固定在最小值(30°左右)不變，直流逆變電壓固定，通過改變斬波器的占空比來改變轉(zhuǎn)子電壓，實現(xiàn)調(diào)速。和傳統(tǒng)串級調(diào)速相比，斬波式串級調(diào)速以較小功率的低壓控制設備調(diào)節(jié)全功率中壓電機轉(zhuǎn)速，功率因數(shù)提高，諧波減小。如果電機負載為風機和泵類之二次型負載，逆變器容量還可近一步減至(0.2～0.3PN)但是，通過使用發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的斬波式串級調(diào)速裝置仍然存在兩個問題●在電網(wǎng)故障，供電電壓突然大幅度降低或消失時，晶閘管逆變器將逆變顛覆，損壞設備；
●在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制中，升壓斬波器的控制由速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩部分構(gòu)成，由于升壓斬波器控制特性的非線性，使得電流內(nèi)環(huán)的響應在不同轉(zhuǎn)速下不同，電流調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整很困難。
這使現(xiàn)有的斬波式串級調(diào)速裝置因為仍然存在的問題，大大影響了斬波式串級調(diào)速技術的廣泛應用。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是克服串級調(diào)速上述的缺陷，提供一種保護設備不受損壞、控制誤差小、具有良好人機界面、靈活通訊手段、使用簡單方便、可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理，并且數(shù)字化程度高且成本低廉、節(jié)能環(huán)保的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置。
為達到上述目的，本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，包括電動機裝置及其調(diào)速裝置，調(diào)速裝置包括依次接在主電路中的不可控整流器、升壓斬波器和晶閘管逆變器，還包括接在所述升壓斬波器和所述晶閘管逆變器之間的逆變顛覆保護器、一個數(shù)字信號處理器以及與數(shù)字信號處理器分別相連的內(nèi)環(huán)電流控制器和可編流程控制器，內(nèi)環(huán)電流控制器用于對升壓斬波器、晶閘管逆變器、逆變顛覆保護器和調(diào)速裝置的內(nèi)環(huán)電流控制，數(shù)字信號處理器用于對調(diào)速裝置的外環(huán)速度控制，可編流程控制器用于對調(diào)速裝置和電動機裝置的過程控制，所述內(nèi)環(huán)電流控制器與調(diào)速裝置相連，可編流程控制器與電動機裝置和調(diào)速裝置分別相連；其中，所述內(nèi)環(huán)電流控制器設有現(xiàn)場可編程門陣列，其輸出的控制信號接至升壓斬波器、產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖接至晶閘管逆變器、產(chǎn)生顛覆保護控制信號接至逆變顛覆保護器。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述內(nèi)環(huán)電流控制器包括差分放大器、D/A變換器、減計數(shù)器、比較器和輸出觸發(fā)器；調(diào)速裝置設有轉(zhuǎn)子電流電壓采集裝置，其中的萊姆傳感器采集轉(zhuǎn)子整流電流，電阻分壓電路采集轉(zhuǎn)子整流電壓，電壓采樣電路獲得直流逆變電壓；所述直流逆變電壓和轉(zhuǎn)子整流電壓經(jīng)所述差分放大器輸出的電壓差信號和數(shù)字信號處理器時鐘信號在所述減計數(shù)器中的計數(shù)信號分別接至所述D/A變換器，所述D/A變換器的輸出與數(shù)字信號處理器的電流給定信號相加后的控制信號接至所述比較器的“-”輸入端，轉(zhuǎn)子整流電流信號接至所述比較器的“+”輸入端，所述比較器輸出的復位信號接至所述輸出觸發(fā)器的“R”輸入端，所述減計數(shù)器產(chǎn)生的進位信號接至所述輸出觸發(fā)器的“S”輸入端，所述輸出觸發(fā)器輸出端“Q”的輸出信號和所述內(nèi)環(huán)電流控制器中與斬波器的最小開通時間和最小關斷時間相對應的脈沖信號經(jīng)邏輯電路輸出信號，并接至所述升壓斬波器的控制端。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述數(shù)字信號處理器設有通過RS232/RS485通信接口和/或IP接口，RS232/RS485通信接口和/或IP接口與監(jiān)控中心計算機通過網(wǎng)絡相連。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述數(shù)字信號處理器替換為單片機。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中升壓斬波器和逆變顛覆保護器中開關器件采用絕緣門雙極晶體管或集成門極換流晶閘管。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機為中壓普通繞線式異步電動機。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機為中壓內(nèi)反饋繞線式異步電動機。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機為中壓繞籠式無刷雙饋電動機。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機為中壓繞籠型內(nèi)反饋電動機。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機的功率大于200KW，中壓為1～10KV。
本實用新型提供的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其有益的技術效果是在保留現(xiàn)有斬波式串級調(diào)速裝置全部優(yōu)點的同時，利用絕緣門基晶體管的關斷能力，在晶閘管逆變器逆變顛覆時切斷其直流主電路，實現(xiàn)了逆變顛覆保護，解決了現(xiàn)有裝置存在的晶閘管逆變器在電網(wǎng)故障時損壞設備的問題。同時，由于在斬波器內(nèi)環(huán)電流控制上采用電流峰值比較實現(xiàn)兩點式控制，代替電流調(diào)節(jié)器和占空比D發(fā)生器，不受升壓斬波非線性影響，誤差小，無需調(diào)整動態(tài)參數(shù)，使用簡單方便。在輕載電流斷續(xù)時，控制器仍能工作。由于采用模糊邏輯智能控制技術，數(shù)字信號處理器與內(nèi)環(huán)電流控制器和可編流程控制器相結(jié)合的數(shù)字化技術，很好地解決了電機調(diào)速的非線性或無法建立精確控制模型的問題，并具有良好的人機界面和靈活的通訊手段，可根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場條件選擇合適的控制算法及工藝參數(shù)，通過RS232/RS485實現(xiàn)調(diào)速裝置與上位管理機的通訊，或通過內(nèi)置的IP接口模塊直接與中心監(jiān)控計算機聯(lián)接，進行遠程監(jiān)控和管理，通過豐富的數(shù)據(jù)采集接口，對調(diào)速和電機裝置以及風機和泵類等進行現(xiàn)場監(jiān)控和保護。
下面將結(jié)合實施例參照附圖對本實用新型進行詳細說明。


圖1是本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置的電路圖一(用于中壓普通繞線式異步電動機)；圖2是本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置電路圖二(用于中壓內(nèi)反饋繞線式異步電動機)；圖3是本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置電路圖三(用于中壓繞籠式無刷雙饋電動機)；圖4是本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置電路圖四(用于中壓繞籠型內(nèi)反饋電動機)；圖5a)和圖5b)是本實用新型調(diào)速裝置中兩種開關器件的升壓斬波器和逆變顛覆保護器的電路圖；圖6是本實用新型調(diào)速裝置中數(shù)字化智能控制裝置硬件的兩層結(jié)構(gòu)圖；圖7是本實用新型調(diào)速裝置中內(nèi)環(huán)電流控制器的結(jié)構(gòu)圖；圖8a)和圖8b)是本實用新型調(diào)速裝置中電流峰值兩點式控制的波形圖；圖9是本實用新型調(diào)速裝置中雙閉環(huán)控制的原理圖；圖10是本實用新型調(diào)速裝置中通訊接口示意圖；圖11是本實用新型調(diào)速裝置的流程圖；圖12a)和圖12b)是本實用新型調(diào)速裝置外環(huán)速度的模糊PID控制和模糊控制圖；圖13是本實用新型調(diào)速裝置中參數(shù)輸入輸出子程序的流程圖；圖14是本實用新型調(diào)速裝置中故障報警子程序的流程圖。
具體實施方式
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，參照圖1，MD為電動機裝置，包括電動機M及啟動控制開關和配電柜等附屬設備。調(diào)速裝置MSR包括低壓變頻調(diào)速主電路和DSP數(shù)字智能控制部分。在主電路中，調(diào)速裝置MSR中的不可控整流器DR通過電機的電刷和滑環(huán)接轉(zhuǎn)子繞組(正常工作時K1斷升，K2閉合)，裝置中的晶閘管逆變器TI通過變壓器TF接電網(wǎng)。調(diào)速裝置MSR中的BC為升壓斬波器(由LDR，V1，D1和C組成)，IFP為逆變顛覆保護器(由V2和D2組成)，F(xiàn)R為起動頻敏變阻器，K1和K2為三相接觸器。數(shù)字控制部分包括數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)、內(nèi)環(huán)電流控制器NFC和可編流程控制器PLC(Programmable Logic Controller)，其中NFC實現(xiàn)，它由D/A轉(zhuǎn)換、比較器CP和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)組成。
由于過程控制技術已由過去的分立元件、簡單集成電路發(fā)展到以單片機、DSP、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、可編程序控制器PLC為核心的數(shù)字化控制電路，即向數(shù)字化方向發(fā)展。
在本實用新型中，F(xiàn)PGA的結(jié)構(gòu)主要分為三部分可配置邏輯塊CLB(Configurable LogicBlocks)、可編程I/O模塊和可編程內(nèi)部連線。FPGA時鐘頻率高，內(nèi)部時延?。蝗靠刂七壿嬘捎布瓿?，速度快，效率高；組成形式靈活，可集成外圍控制、譯碼和接口電路。本調(diào)速裝置采用雙閉環(huán)控制，即內(nèi)環(huán)電流和外環(huán)速度。其中內(nèi)環(huán)電流是通過控制斬波開關器件V1的占空比來實現(xiàn)的，它對控制電路的速度和可靠性要求都較高。此外，逆變顛覆保護器件V2以及逆變器開關管V3的開通也都要求控制電路有良好的抗干擾能力。因此本調(diào)速系統(tǒng)的低層控制電路選擇高速的FPGA電路來加以實現(xiàn)。FPGA可采用該領域領先的Xilinx公司的系列產(chǎn)品，如XC3000、XC4000到Spartan-II E和VirtexII Pro等，F(xiàn)PGA可根據(jù)控制功能的要求現(xiàn)場編程將邏輯陣列連接起來，F(xiàn)PGA所包含的邏輯陣列規(guī)?？伸`活選擇。
單片機為復雜指令系統(tǒng)計算機(CISC)，運算中需要占用較多的指令周期，執(zhí)行速度比較慢，但單片機具有很強的外部接口能力。目前發(fā)展的16位單片機，如Intel的80C196KC在速度上有了較大的提高。DSP屬于精簡指令系統(tǒng)計算機(RISC)，大多數(shù)指令都能在一個周期內(nèi)完成，并可通過并行處理技術，在一個指令周期內(nèi)完成多條指令；同時，DSP采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的程序和數(shù)據(jù)總線，允許同時存儲程序和數(shù)據(jù)；采用多級流水線和內(nèi)置高速硬件乘法器，使其具有高速的數(shù)據(jù)運算能力，代表的芯片有TMS320LF24x系列。在調(diào)速過程中根據(jù)工藝參數(shù)進行速度的給定調(diào)節(jié)，電機啟動和減速過程中的速度積分運算，調(diào)速系統(tǒng)、電機裝置以及控制對象風機和泵類的故障報警等，這些場合對控制策略和控制算法要求較高，所以調(diào)速系統(tǒng)采用DSP(或單片機)配合軟件編程技術來實現(xiàn)上述控制。調(diào)速系統(tǒng)使用的DSP可選擇美國TI公司的電動機控制專用芯片TMS320C24xx或高端的TMS320C28xx，單片機可選Intel公司的16位80C196KC等產(chǎn)品。
PLC具有簡便、可靠、易于使用等優(yōu)點，在調(diào)速系統(tǒng)中，機械和電氣裝置的操作需要嚴格按程序配合執(zhí)行，所以控制系統(tǒng)和PLC配合使用十分必要。(1)調(diào)速啟動過程。K閉合前，原始態(tài)的K1和K2打開；K閉合前，K1先閉合，K2打開，K閉和并延時一段時間后，電機速度上升到一定程度K2閉合；再延時一段時間，電機速度更高，調(diào)速系統(tǒng)一切正常，K1打開，調(diào)速系統(tǒng)投入運行；若啟動過程中調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部有不正?，F(xiàn)象，K1不打開，調(diào)速系統(tǒng)不投入運行，電機速運行。(2)調(diào)速系統(tǒng)運行中發(fā)生故障時，K1閉合，K2打開，電機由低到高加速；延時一段時間后，K2閉合，電機轉(zhuǎn)入速運行。(3)緊急停車時，K1閉合，K2、K打開。
參照圖5，在斬波器和逆變器主電路中采用全可控開關管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)或IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)，IGBT為絕緣門雙極晶體管，IGCT為集成門極換流晶閘管，也可采用其它可關斷電力電子器件，如大功率晶體管GTR等，使主電路和控制電路更加簡單。由于在轉(zhuǎn)子側(cè)進行低壓變頻調(diào)速，對開關管的耐壓要求低，可采用價格低品種規(guī)格齊全的普通IGBT開關管，對于更大調(diào)速功率的場合，可考慮采用電流電壓容量更大的IGCT開關管。
在本實用新型中，參照圖6，數(shù)字化智能控制裝置硬件為兩層結(jié)構(gòu)，上層為DSP，下層主要由FPGA和PLC組成。DSP主要完成外環(huán)速度的控制，為FPGA內(nèi)環(huán)電流控制提供給定值數(shù)據(jù)。由FPGA和PLC共同對調(diào)速裝置和電機裝置進行直接控制，其中FPGA完成對斬波器輸出電壓UD的調(diào)整和為逆變器TI提供觸發(fā)脈沖，PLC完成對電動機裝置和調(diào)速裝置的啟動，以及在調(diào)速裝置發(fā)生故障時，自動切換電動機到全速運行狀態(tài)，在調(diào)速裝置正常時，使電動機快速重新投入到調(diào)速運行。
參照圖7，在內(nèi)環(huán)電流控制中，斬波器BC的電流峰值兩點式控制、逆變顛覆保護管IGBT的控制和逆變器TI晶閘管觸發(fā)脈沖信號的產(chǎn)生選用適當規(guī)模的一片F(xiàn)PGA來實現(xiàn)。其中D/A為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，CP為高速比較器，MC為減計數(shù)器。
電流峰值兩點式控制的輸入輸出信號的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流電壓采集裝置UIM中的萊姆傳感器LEM采集轉(zhuǎn)子整流電流IDR，電阻分壓電路采集轉(zhuǎn)子整流電壓UDR；電壓采樣電路獲得直流逆變電壓UD；DSP為FPGA提供時鐘，DSP中的模糊/PID控制算法給定IDR*。上述信號通過D/A、CP和FPGA組成的電流峰值兩點式電路處理后，獲得斬波器開關管IGBT的PWM控制信號并根據(jù)調(diào)速的要求調(diào)節(jié)占空比，從而改變直流逆變電壓UD。由DSP提供斬波器的最小開通時間ton和最小關斷時間toff，通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生與這兩個時間相對應的脈沖，并與正常的脈沖信號進行邏輯運算后輸出斬波器所需要的限流控制脈沖。
逆變器TI開關管的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生通過檢測電網(wǎng)的相位，由FPGA產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制逆變器TI，使逆變器回饋電功率。
逆變顛覆保護的過程在FPGA中設定電流上限，在逆變器TI輸入直流回路中檢測電流信號，由DSP加以判斷并送到FPGA的邏輯門電路中。在發(fā)生過流時，由FPGA發(fā)出控制脈沖驅(qū)動逆變顛覆保護管V2開通，從而對逆變器TI起到保護作用，防止逆變顛覆的發(fā)生。
參照圖8a)和圖8b)，在電流峰值兩點式控制的波形圖中，當轉(zhuǎn)速低時，IDR的上升斜率小，而ΔUc比較高，Uc下降的斜率高，這樣由IDR和Uc的變化過程可獲得一清晰的交點；相反轉(zhuǎn)子電壓UDR比較低高，IDR的上升斜率大，而ΔUc較低，Uc下降的斜率低，這樣由IDR和Uc的變化過程同樣也可獲得一清晰的交點。這樣就能保證調(diào)速裝置無論是處于低速和高速階段都能保證調(diào)速過程可靠地進行。
參照圖9，以水泵的水壓控制為例，說明電機的調(diào)速控制過程。在調(diào)速裝置的雙閉環(huán)控制原理中，內(nèi)環(huán)為電流控制，由FPGA采用電流峰值兩點式控制實現(xiàn)，外環(huán)速度由DSP采用模糊控制/PID控制算法實現(xiàn)。其中，模糊控制/PID控制算法預先存儲在DSP中，包括模糊控制算法、PID算法和自調(diào)整參數(shù)模糊PID控制算法，裝置根據(jù)輸入的工藝類型和工況參數(shù)決定采用何種控制算法。以水泵水壓控制過程，其過程如下(1)由給定水壓與反饋的水壓檢測比較，并考慮其它工藝參數(shù)如給水流量、蒸汽流量、汽包水位等參數(shù)，通過模糊邏輯獲得水壓控制量，并由模糊控制/PID控制器得到電動機的給定轉(zhuǎn)速。(2)電動機速度曲線RAMP為斜坡控制，在電動機調(diào)速過程中速度變化采用緩慢上升和緩慢下降的方式，使電動機電流和電壓的變化率di/dt和du/dt都不會太大。(3)ASR為自動速度調(diào)節(jié)器，通過積分環(huán)節(jié)使調(diào)速過程平穩(wěn)進行，并設定電流上限。(4)ACR為自動電流調(diào)節(jié)器，采用電流峰值兩點式控制方法。(5)由FPGA輸出PWM控制斬波器的開關IGBT，調(diào)整斬波器輸出電流和電壓的大小，從而實現(xiàn)調(diào)速。(6)通過檢測電網(wǎng)的相位，由FPGA產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制逆變器TI，使逆變器回饋電功率。
參照圖10，調(diào)速裝置的DSP具備通信接口，RS232/RS485為通過專門的工業(yè)控制模塊用于實現(xiàn)由RS-232到RS-485的轉(zhuǎn)換，由工控機可以同時監(jiān)控多臺調(diào)速裝置的運行狀況，通過地址碼可以識別各調(diào)速裝置?？稍O計一個與DSP通訊的IP接口模塊，使本調(diào)速裝置具備直接遠程通訊能力。Intranet為企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)，通過光纖和以太網(wǎng)絡技術可實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部大范圍的通訊，這樣就可在監(jiān)控制中心直接對調(diào)速裝置的狀態(tài)進行遠程監(jiān)控。
參照圖11，在本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置的實施例中，通過內(nèi)環(huán)電流控制器NFC實施對升壓斬波器BC、晶閘管逆變器TI、逆變顛覆保護器和調(diào)速裝置的內(nèi)環(huán)電流控制，通過DSP實施對裝置的外環(huán)速度控制，可編流程控制器PLC實施對調(diào)速裝置和電動機裝置MD的控制。
在本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置的實施例中，調(diào)速裝置外環(huán)速度控制可采用模糊控制、PID控制和自調(diào)整參數(shù)模糊PID控制器。模糊PID控制器是將動態(tài)響應特性好的模糊控制與穩(wěn)態(tài)響應特性好的PID控制相結(jié)合，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。利用Fuzzy參數(shù)優(yōu)化技術，對PID控制器的比例增益kp、積分時間常數(shù)ki和微分時間常數(shù)kd進行在線調(diào)整，從而實現(xiàn)電機調(diào)速過程的最佳控制。參照圖12a)和圖12b)，以自調(diào)整參數(shù)模糊PID控制在水泵水壓上的應用為例，說明了本調(diào)速裝置控制原理及軟件流程。通過觸摸屏可以輸入工藝參數(shù)和選擇模糊PID控制器；由積分器給定電機速度曲線Ramp，使電機實現(xiàn)緩升或緩降；由脈沖碼盤測定電機的轉(zhuǎn)速或電阻分壓檢測轉(zhuǎn)子電壓并推算出轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速；將給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速比較后通過速度調(diào)節(jié)器ASR給定轉(zhuǎn)子電流，通過LEM傳感器測得轉(zhuǎn)子實際電流，通過比較得出轉(zhuǎn)子電流調(diào)節(jié)量。這里主要利用模糊控制器來在線調(diào)整PID的參數(shù)，可充分發(fā)揮模糊控制和PID控制各自的優(yōu)勢。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置的實施例充分利用了DSP強大的內(nèi)存擴展能力，將經(jīng)過工藝實驗獲得的有關被控對象的模糊PID控制器及參數(shù)存儲在ROM中。如對風機、泵類等按不同規(guī)格容量進行實驗研究，可獲得不同工藝條件下的模糊控制器及參數(shù)，在現(xiàn)場控制中可根據(jù)被控制對象，選擇合適的控制器及參數(shù)，使裝置一開始就能進入較平穩(wěn)的運行狀態(tài)。圖13和圖14給出了DSP相關的參數(shù)輸入輸出子程序和故障處理及報警子程序。
在本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置的其它實施例中，其中數(shù)字信號處理器DSP可替換為單片機。
下面，對本實用新型的實施例做進一步詳細說明。
適合于本實用新型用調(diào)速裝置的驅(qū)動電動機有四類中壓普通繞線式異步電動機、中壓內(nèi)反饋繞線式異步電動機、中壓繞籠式無刷雙饋電動機和中壓繞籠型內(nèi)反饋電動機。
實施例1參照圖1，在本實施例中，電機M為中壓普通繞線式異步電動機。為聯(lián)接逆變器TI和中壓電網(wǎng)需要一臺外設變壓器TF。
調(diào)速裝置中的不可控整流器DR通過電機的電刷和滑環(huán)接轉(zhuǎn)子繞組(正常工作時K1斷升，K2閉合)，裝置中的晶閘管逆變器TI通過變壓器TF接電網(wǎng)。調(diào)速裝置中的BC為升壓斬波器，IFP為逆變顛覆保護器，F(xiàn)R為起動頻敏變阻器，K1和K2為三相接觸器。
串級調(diào)速裝置接在電機轉(zhuǎn)子側(cè)，轉(zhuǎn)子電壓UR＝sUR0式中s＝(n0-n)/n0----滑差；UR0為電機不轉(zhuǎn)、s＝1時的轉(zhuǎn)子電壓。
現(xiàn)有中壓電機UR0＜1000V，當調(diào)速范圍限制到50％(s≤0.5)時，UR.max≤500V，所以調(diào)速裝置是低壓的。
串級調(diào)速裝置主電路在一套不可控整流器DR、升壓斬波器BC、逆變顛覆保護器IFP及晶閘管逆變器TI組成的電路中，當裝置正常工作時絕緣門基晶體管V2一直導通，不影響逆變器TI工作。當電網(wǎng)故障，Uaw降低過多或消失時，發(fā)生逆變顛覆，晶閘管逆變器TI輸出電流Iaw大于過流設定值，絕緣門基晶體管V2關斷，晶閘管逆變器TI停止工作，原來在逆變回路電感中的電流經(jīng)二極管D2續(xù)流，逐漸降至零，避免感生高電壓損壞絕緣門基晶體管。逆變顛覆信號同時送至接觸器K1和K2的控制電路，令K1閉合，短路整流器DR輸入端，電機自動轉(zhuǎn)入恒速工作。
正常工作時，本實用新型調(diào)速裝置和現(xiàn)有的斬波式串級調(diào)速裝置一樣，晶閘管逆變器TI的觸發(fā)移相超前角β固定在最小值(30°左右)不變，直流逆變電壓固定(UD≈常數(shù))，通過改變升壓斬波器BC的占空比D來改變經(jīng)不可控整流器DR整流后的轉(zhuǎn)子電壓UDRUDR＝(1-D)UD實現(xiàn)調(diào)速。晶閘管逆變器TI和變壓器TF容量PTI和PTF按最大轉(zhuǎn)子輸出功率PR.max=3(URIR)max]]>選取，對于風機和泵類二次型負載，IR∝n2，轉(zhuǎn)速n高時，IR大，UR小，PR不大；轉(zhuǎn)速n低時，IR小，UR大，PR也不大；最大PR出現(xiàn)在n＝(2/3)n0(s＝1/3)時，PR.max＝0.15PN，考慮到負載不是嚴格二次型關系，留一定裕置，取PTI＝PTF＝(0.2～0.3)PN，用(0.2～0.3)PN功率的低壓逆變器和變壓器控制100％PN功率的中壓電機調(diào)速。由于晶閘管逆變器功率小，且β角固定在30°，逆變器產(chǎn)生的無功小，調(diào)速裝置總功率因數(shù)比傳統(tǒng)串級調(diào)速裝置提高許多，給電網(wǎng)帶來的諧波也小。
在實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制中，升壓斬波器的控制由速度外環(huán)和電流IDR內(nèi)環(huán)兩部分構(gòu)成。由于在不同轉(zhuǎn)速(不同UDR)下，升壓斬波器的占空比D與直流逆變電壓UD間的關系是非線性，通常，采用電流調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)控制，造成不同轉(zhuǎn)速時的電流響應不同，調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整困難。若采用電流滯環(huán)砰-砰控制器實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)控制，可以克服非線性影響，但斬波器開關頻率將隨轉(zhuǎn)速變化而變化，且在輕載電流斷續(xù)時砰-砰控制器不能正常工作。在本實用新型的實施例中，則采用一種新的電流峯值兩點式控制器實現(xiàn)電流IDR內(nèi)環(huán)控制，它既可克服升壓斬波的非線性影響，無需調(diào)整動態(tài)參數(shù)，又使開關頻率固定，電流斷續(xù)時也能工作。
參照圖7和圖8，在電流峰值兩點式控制第k開關周期的波形圖中，每個開關周期開始時刻，R-S觸發(fā)器FF的觸發(fā)輸入端S收到一個脈沖信號，R-S觸發(fā)器FF輸出端Q輸出高電平，斬波管V1導通，整流電流IDR增大，它和控制電壓Uc在比較器CP1中進行比較，Uc＝I*+ΔUcΔUc=T2LDR(UD-UDR)(1-τT)]]>式中UDR和UD分別為整流電壓和直流逆變電壓LDR是整流濾波電感值(含電機漏感)I*是電流給定值
T是開關周期τ是在第k開關周期中的時間，當t＝kT時，τ＝0；當t＝(k+1)T時，τ＝T。當IDR增至IDR＝Uc時，比較器CP1輸出高電平，送至R-S觸發(fā)器FF的復位輸入端R，R-S觸發(fā)器FF復位，斬波管V1關斷，直至該開關周期結(jié)束。按此法控制，在一個開關周期中電流IDR的平均值等于電流給定值I*。
參照圖6，電壓差信號UD-UDR來自差分放大器DA。時鐘信號clock送至減計數(shù)器MC，則在計數(shù)器中的數(shù)為1-τ/T。當MC中的數(shù)減至零后，其進位端發(fā)出一個進位信號，用它作為R-S觸發(fā)器FF的觸發(fā)輸入信號st，MC同時返回至滿位，準備開始下一個開關周期的計數(shù)。減計數(shù)器MC中的數(shù)和電壓差模擬信號UD-UDR在D/A變換器中相乘，D/A輸出經(jīng)電位器分壓，若分壓系數(shù)為T/2LDR，則電位器輸出為信號ΔUc。ΔUc和電流給定信號I*相加得控制信號Uc，將Uc送至比較器CP1與電流信號IDR比較，比較器CP1輸出復位輸入信號rst至R-S觸發(fā)器FF。
實施例2參照圖2，在本實施例中，電機M為中壓內(nèi)反饋繞線式異步電動機。內(nèi)反饋繞線式異步電動機定子中有一套三相附加繞組，輸出50Hz固定電壓Uaw，供逆變器用，接受回饋電流Iaw，不需外設逆變電源變壓器。它的調(diào)速裝置與附圖1相同，不可控整流器DR通過電機的電刷和滑環(huán)接轉(zhuǎn)子繞組，但晶閘管逆變器TI接電機定子中的輔助繞組，無逆變電源變壓器TF。
實施例3參照圖3，在本實施例中，電機M為中壓繞籠式無刷雙饋電動機。這種電機的轉(zhuǎn)子繞組不引出，無電刷和滑環(huán)，兩套定子繞組，一套接電網(wǎng)，另一套的功能相當于繞線電機轉(zhuǎn)子繞組，接調(diào)速裝置的不可控整流器DR。調(diào)速裝置與圖1相同，晶閘管逆變器TI通過變壓器TF接電網(wǎng)。
實施例4參照圖4，在本實施例中，電機M為中壓繞籠型內(nèi)反饋電動機。這種電機的轉(zhuǎn)子繞組不引出，無電刷和滑環(huán)，定子上設有內(nèi)反饋繞組繞組，有兩套定子繞組，從其中一套繞組引出電動機的轉(zhuǎn)差功率，經(jīng)調(diào)速系統(tǒng)的不可控整流器DR整流成直流，逆變器INV變成交流與電網(wǎng)連接。它的調(diào)速系統(tǒng)與實施例1相同。
本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置具有以下優(yōu)點1)靈活的通信手段充分發(fā)揮DSP數(shù)字控制的通訊能力，通過其RS-232/RS485串行口與上位管理微機進行通訊，或內(nèi)置IP接口實現(xiàn)遠程通訊。在利用。RS232/RS-485總線進行的通訊中，一臺上位工控機IPC可以同時與多臺調(diào)速裝置進行通訊，工控機IPC可以通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet實現(xiàn)遠程通訊，從而將調(diào)速現(xiàn)場的狀態(tài)信息傳到監(jiān)控中心。此外，考慮到Ipv6技術在國內(nèi)外的迅速實施，本調(diào)速裝置還設計了IP接口模塊，模塊采用通用工業(yè)以太網(wǎng)芯片，通過Java嵌入式編程技術使模塊內(nèi)置IP功能，從而可使本調(diào)速裝置直接通過Intranet進行遠程通訊。這樣就可對本調(diào)速裝置進行遙控、遙信、遙測，無人值守，可在監(jiān)控中心直接監(jiān)視本調(diào)速裝置的運行狀態(tài)。
2)良好的人機界面由于DSP具有觸摸屏功能，可通過觸摸屏進行參數(shù)輸入和輸出顯示，如輸入工藝參數(shù)，選擇模糊控制器控制及參數(shù)，修改工藝參數(shù)，保存所選擇和修改的結(jié)果；運行狀態(tài)應答，如啟動、運行和到達給定值；運行中參數(shù)曲線圖的動態(tài)顯示，報警和錯誤信息顯示；調(diào)速裝置和電機數(shù)據(jù)的查詢。
3)完善的保護功能在調(diào)速裝置運行過程中，可能會遇到負載突變，出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速太低，逆變器輸出缺相和短路，突然停電，逆變器發(fā)熱嚴重等各種故障。在本調(diào)速裝置中使用DSP控制后，可充分利用其強大的輸出采集和豐富的數(shù)字I/O口，對調(diào)速裝置和電機裝置進行全面的監(jiān)測和保護。采用DSP可充分利用其CAN現(xiàn)場總線來現(xiàn)場設備進行監(jiān)控。在DSP的故障診斷設計中，通過定時巡檢裝置的運行狀態(tài)來實時監(jiān)控逆變器的過流、過壓、過熱和逆變顛覆，電機通風、潤滑，環(huán)境狀態(tài)等。當調(diào)速裝置發(fā)生故障時，DSP調(diào)用相應的故障處理子流程，并調(diào)顯示子流程給出故障信息。
本實用新型的有益效果是A.保留了現(xiàn)有斬波式串級調(diào)速裝置的全部優(yōu)點●用低壓調(diào)速裝置控制中壓電機轉(zhuǎn)速。
●逆變器TI和變壓器TF容量小，對于風機和泵類之二次型負載，它們僅為電動機功率的20％～30％。
●由于晶閘逆變器功率小，且β角固定在30°，逆變器產(chǎn)生的無功小，調(diào)速裝置總功率因數(shù)比傳統(tǒng)串級調(diào)速裝置提高許多，給電網(wǎng)帶來的諧波也小。
B.增設了逆變顛覆保護器，解決現(xiàn)有裝置存在的晶閘管逆變器在電網(wǎng)故障時逆變顛覆，損壞設備問題。
C.斬波器內(nèi)環(huán)電流控制采用新的電流峰值兩點式控制器，其特點是●用電流峰值比較實現(xiàn)兩點式控制，代替電流調(diào)節(jié)器和占空比D發(fā)生器，不受升壓斬波非線性影響，無需調(diào)整動態(tài)參數(shù)，使用簡單方便。
●在一個開關周期中電流IDR的平均值等于電流給定值I*。
●在輕載電流IDR斷續(xù)時，控制器仍能工作。
●用鋸齒形的控制信號Uc和IDR比較，在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都交點明確，誤差小。
D.采用模糊邏輯智能控制技術，以及DSP與FPGA、PLC相結(jié)合的數(shù)字化技術，其突出特點是●內(nèi)置模糊邏輯智能控制算法，可很好地解決電機調(diào)速的非線性或無法建立精確控制模型的問題；●具有良好的人機界面，可根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場條件選擇合適的控制算法及工藝參數(shù)；●靈活的通訊手段，可通過RS232/RS485實現(xiàn)調(diào)速裝置與上位管理機的通訊，或通過內(nèi)置的IP接口模塊直接與中心監(jiān)控計算機聯(lián)接，遠程監(jiān)控和管理；●完善的保護功能，可通過豐富的數(shù)據(jù)采集接口，對調(diào)速和電機裝置以及風機和泵類等進行現(xiàn)場監(jiān)控和保護。
權利要求1.具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，包括電動機裝置(MD)及其調(diào)速裝置(MSR)，調(diào)速裝置(MSR)包括依次接在主電路中的不可控整流器(DR)、升壓斬波器(BC)和晶閘管逆變器(TI)，其特征在于還包括接在所述升壓斬波器(BC)和所述晶閘管逆變器(TI)之間的逆變顛覆保護器(IFP)、一個數(shù)字信號處理器(DSP)以及與數(shù)字信號處理器(DSP)分別相連的內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC)和可編流程控制器(PLC)，內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC)用于對升壓斬波器(BC)、晶閘管逆變器(TI)、逆變顛覆保護器(IFP)、和調(diào)速裝置(MSR)的內(nèi)環(huán)電流控制，數(shù)字信號處理器(DSP)用于對調(diào)速裝置(MSR)的外環(huán)速度控制，可編流程控制器(PLC)用于對調(diào)速裝置(MSR)和電動機裝置(MD)的過程控制，所述內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC)與調(diào)速裝置(MSR)相連，可編流程控制器(PLC)與電動機裝置(MD)和調(diào)速裝置(MSR)分別相連；其中，所述內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC)設有現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，其輸出的控制信號(PWM)接至升壓斬波器(BC)、產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖接至晶閘管逆變器(TI)、產(chǎn)生顛覆保護控制信號接至逆變顛覆保護器(IFP)。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC)包括差分放大器(DA)、D/A變換器、減計數(shù)器(MC)、比較器(CP)和輸出觸發(fā)器(FF)；調(diào)速裝置(MSR)設有轉(zhuǎn)子電流電壓采集裝置(UIM)，其中的萊姆傳感器(LEM)采集轉(zhuǎn)子整流電流(IDR))，電阻分壓電路采集轉(zhuǎn)子整流電壓(UDR)，電壓采樣電路獲得直流逆變電壓(UD)；所述直流逆變電壓(UD)和轉(zhuǎn)子整流電壓(UDR)經(jīng)所述差分放大器(DA)輸出的電壓差信號(UD-UDR)和數(shù)字信號處理器(DSP)時鐘信號在所述減計數(shù)器(MC)中的計數(shù)信號(1-τ/T)分別接至所述D/A變換器，所述D/A變換器的輸出(ΔUc)與數(shù)字信號處理器(DSP)的電流給定信號(I*)相加后的控制信號(Uc)接至所述比較器(CP)的“-”輸入端，轉(zhuǎn)子整流電流信號(IDR)接至所述比較器(CP)的“+”輸入端，所述比較器(CP)輸出的復位信號(rst)接至所述輸出觸發(fā)器(FF)的“R”輸入端，所述減計數(shù)器(MC)產(chǎn)生的進位信號(st)接至所述輸出觸發(fā)器(FF)的“S”輸入端，所述輸出觸發(fā)器(FF)輸出端“Q”的輸出信號和所述內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC)中與斬波器的最小開通時間(ton)和最小關斷時間(toff)相對應的脈沖信號經(jīng)邏輯電路輸出控制信號(PWM)，并接至所述升壓斬波器(BC)的控制端。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述數(shù)字信號處理器(DSP)設有通過RS232/RS485通信接口和/或IP接口，RS232/RS485通信接口和/或IP接口與監(jiān)控中心計算機通過網(wǎng)絡相連。
4.根據(jù)權利要求3所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述數(shù)字信號處理器(DSP)替換為單片機。
5.根據(jù)權利要求4所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中升壓斬波器(BC)和逆變顛覆保護器(IFP)中的開關器件采用絕緣門雙極晶體管或集成門極換流晶閘管。
6.根據(jù)權利要求5所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機為中壓普通繞線式異步電動機。
7.根據(jù)權利要求5所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機為中壓內(nèi)反饋繞線式異步電動機。
8.根據(jù)權利要求5所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機為中壓繞籠式無刷雙饋電動機。
9.根據(jù)權利要求5所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機為中壓繞籠型內(nèi)反饋電動機。
10.根據(jù)權利要求6或7或8或9所述的具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，其中所述異步電動機的功率大于200KW，中壓為1～10KV。
專利摘要本實用新型具有顛覆保護的中壓電動機斬波式調(diào)速數(shù)字化智能裝置，包括不可控整流器、升壓斬波器、逆變顛覆保護器和晶閘管逆變器，DSP以及與之相連的內(nèi)環(huán)電流控制器和可編程序控制器，通過內(nèi)環(huán)電流控制器實施對調(diào)速裝置的內(nèi)環(huán)電流控制，通過DSP實施對調(diào)速裝置的外環(huán)速度控制，通過可編程控制器實施對調(diào)速裝置和電動機裝置的程序控制。內(nèi)環(huán)電流控制器對直流逆變電壓進行電流峰值兩點式控制。本裝置適用于普通繞線異步電動機、內(nèi)反饋繞線異步電動機、繞籠式無刷雙饋電動機和繞籠型內(nèi)反饋電動機，解決了電網(wǎng)故障損壞設備的問題，節(jié)能環(huán)保，控制誤差小，使用簡單方便，具有良好的人機界面，靈活的通訊手段并可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。
文檔編號H02P25/02GK2777851SQ20052000588
公開日2006年5月3日 申請日期2005年3月15日 優(yōu)先權日2005年3月15日
發(fā)明者馬小亮 申請人:北京華拿東方能源科技有限公司