CN100505513C - Igbt逆变器中压电动机斩波式双dsp数字调速系统 - Google Patents
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Abstract
IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，包括不可控整流器、升压斩波器和IGBT逆变器，通过两个内环电流控制器分别对升压斩波器、IGBT逆变器进行控制，通过两个DSP对调速系统的外环速度和逆变器的外环电压进行控制，通过可编程序控制器实施对调速系统和电动机系统的程序控制。本系统适用于普通绕线异步电动机、内反馈绕线异步电动机、绕笼式无刷双馈电动机和绕笼型内反馈无刷电动机，彻底解决了电网故障导致逆变颠覆而损坏设备的问题，可靠性高，控制误差小，使用简单方便，具有良好的人机界面，灵活的通讯手段，可实现远程监控和管理，数字化程度高且成本低廉、节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及交流电动机调速控制技术领域，特别涉及一种IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统。
背景技术
中高压电动机广泛使用于风机和水泵的拖动，若能利用调速来实现风量和水压调节，则可以节约大量的电能，所以市场对性能优良、成本适中的中高压调速系统的需求非常旺盛。以DSP、单片机等为代表的数字控制芯片的普及应用和模糊逻辑智能控制策略的推广使用，为中压交流异步电动机调速的数字化智能化控制打下了基础。
在交流电动机调速控制系统中，现有大功率(>200KW)中压(3～10KV)交流异步电动机调速系统主要分为定子侧变频调速和转子侧串级调速两大类，它们各自都存在不足之处。
定子侧变频调速在电动机定子侧接中压变频器，通过改变定子电压和频率来调节转速。中压变频器容量大，为电动机额定功率PN的1.2倍左右，变换电压高，需要许多电力电子器件串联，系统庞大、复杂、价高，可靠性受影响。
在传统的转子侧串级调速系统中，电机转子侧接不可控整流器及晶闸管逆变器，通过改变逆变器触发移相角来改变转子电压，实現调速。转子电压低(一般<1000V)，加之风机和泵类负载要求调速范围小(一般40～50％)，调速系统低压(<500V)变换电能，且容量小(0.4～0.5PN)，避免了中压调速的困难。它的主要缺点是，逆变器的移相控制导致运行功率因数低，谐波大。
近年来开发出斩波式串级调速系统，电机转子侧也是接不可控整流器及晶闸管逆变器，但在整流器和逆变器之间加入一级升压斩波器，工作时晶闸管逆变器的触发移相超前角β固定在最小值(30°左右)不变，直流逆变电压固定，通过改变斩波器的占空比来改变转子电压，实现调速。和传统串级调速相比，斩波式串级调速以较小功率的低压控制设备调节全功率中压电机转速，功率因数提高，谐波减小。如果电机负载为风机和泵类之二次型负载，逆变器容量还可进一步减至(0.2～0.3PN)但是，通过使用发現，現有的斩波式串级调速系统仍然存在两个问题：
●在电网故障，供电电压突然大幅度降低或消失時，晶闸管逆变器将逆变颠覆，损坏设备；
●在转速闭环控制中，升压斩波器的控制由速度外环和电流内环两部分构成，由于升压斩波器控制特性的非线性，使得电流内环的响应在不同转速下不同，电流调节器参数调整很困难。
为了克服串级调速上述的缺陷，最新的转子变频调速系统采用电流峰值两点式的限流控制脉冲，控制升压斩波器的开关管，根据调速的要求调节占空比，从而改变直流逆变电压，克服升压斩波器控制特性的非线性的问题；利用绝缘门基晶体管的关断能力，在晶闸管逆变器逆变颠覆时切断其直流主电路，实現了逆变颠覆保护，解决現有系统存在的晶闸管逆变器在电网故障時损坏设备的问题。
但使用中发现，设置了颠覆保护又带来一些新的问题：在晶闸管逆变器发生逆变颠覆切断其直流主电路时，会造成转子回路瞬时开路而产生高压，必须设置过压保护电路；过压保护电路动作快速性要求很高，否则升压斩波器首先损坏。结果增加了系统复杂性，可靠性降低，影响了斩波式串级调速技术的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是克服带颠覆保护的斩波式串级调速上述的缺陷，提供一种不产生逆变颠覆、使用简单方便、数字化程度高且成本低廉的中压电动机斩波式数字化智能调速控制系统。
本发明用IGBT逆变器的中压电动机斩波式双DSP数字智能调速控制系统，包括电动机系统和调速系统，所述调速系统包括依次连接的不可控整流器、过压保护控制器、升压斩波器、逆变器和逆变变压器，其中：所述逆变器采用全可控绝缘门双极开关管IGBT逆变器，在所述不可控整流器和升压斩波器之间接有第一电流电压采集系统，所述第一电流电压采集系统的输出和所述过压保护控制器连接第一数字信号处理器以及与其连接的第一内环电流控制器，所述第一数字信号处理器以及与其连接的第一内环电流控制器的PWM输出连接所述升压斩波器的输入端，在所述升压斩波器和逆变器之间接有第二电流电压采集系统，所述第二电流电压采集系统的输出连接第二数字信号处理器以及与其连接的第二内环电流控制器，所述第二数字信号处理器以及与其连接的第二内环电流控制器的PWM输出连接所述逆变器的输入，所述第一数字信号处理器还连接所述调速系统中的过流过压过热检测和可编程序控制器，所述可编程控制器连接所述电动机系统和调速系统，所述第一数字信号处理器和第二数字信号处理器互联；所述第一数字信号处理器以及与其相连的第一内环电流控制器实施对所述升压斩波器的内环电流进行控制，所述第一数字信号处理器实施对调速系统的外环速度控制，并通过所述可编程序控制器实施对调速系统和电动机系统的程序控制，所述第二数字信号处理器以及与其相连的内环电流控制器实施对所述逆变器的内环电流进行控制，所述第二数字信号处理器实施对所述逆变器的电压进行控制，其步骤是：
(1)速系统开机上电后，第二数字信号处理器启动初始化子程序对自身进行初始化，使控制系统处于准备工作状态；
(2)触摸屏显示开始工作，用户输入操作信息；
(3)系统程序调参数输入子程序，输入工艺类型、工艺参数，系统通过综合处理决定逆变电压给定值；
(4)从第二数字信号处理器获取信号来判断调速系统是否处于正常工作状态，执行步骤5；若不正常则跳至步骤16；
(5)在进入调速状态后，内环电流控制和外环电压控制系统工作，第二电流电压采集系统UIM2的传感器采集电流、电压值；
(6)对反馈电压值与给定电压值进行比较，得到它们的差值；
(7)调模糊PID调节器AVR；
(8)由模糊PID电流调节器ACR给出逆变器的电流值；
(9)对反馈电流值和给定电流值进行比较，得到它们的差值；
(10)调模糊PID电流调节器ACR；
(11)给出逆变器的PWM脉宽调制脉冲；
(12)保持逆变器输出电压恒定；
(13)逆变器TI回馈功率；
(14)看逆变回路是否存在过流、过压故障，若无则跳至步骤5；若有则继续；
(15)对逆变器过流、过压进行保护；
(16)系统保护，转入非调速状态。
本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其中第二内环电流控制器包括线性放大器、D/A变换器、减计数器、比较器和输出触发器；第二电压电流采集系统中莱姆传感器采集直流逆变电压和电流；所述第二数字信号处理器提供时钟、模糊/PID控制算法给定、IGBT逆变器的最小开通时间和最小关断时间，所述直流逆变电压(U0)和电流(I0)通过所述逆变器内环电流控制器进行逻辑运算后控制逆变器的电流，通过所述逆变器外环电压控制器进行逻辑运算后控制逆变器的电压，并保持为一恒值，以满足升压斩波式调速系统对逆变器的要求。
本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其中所述第一数字信号处理器存储有输入输出子程序，通过触摸屏等界面实现人机交互，进行工艺参数的设定、控制器类型选择、工艺参数的保存和修改输入输出子程序。
本发明具IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其中所述第一数字信号处理器存储有处理所述调速系统过流、过压、过热、缺相故障和逆变颠覆故障，以及所述电动机系统及环境配套设备故障的报警子程序。
本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其中所述第一数字信号处理器存储有远程管理子程序，通过RS232/RS485通信接口和/或CAN现场总线和/或IP接口与监控中心计算机实施远程管理，所述监控中心计算机直接对所述调速系统的状态进行远程监控。
本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其中所述第一数字信号处理器替换为单片机。
本发明提供的IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其有益的技术效果是：在保留现有的和最新的斩波式串级调速系统全部优点的同时，采用IGBT逆变器，它不存在逆变颠覆的问题，彻底解决了現有系统存在的晶闸管逆变器在电网故障時损坏设备的难题，系统简单，使用方便可靠。由于采用双DSP，使斩波控制与逆变器控制独立进行，避免了控制的干涉和耦合，大大地提高可靠性。
附图说明
图1是本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统的电路图一(用于中压普通绕线式异步电动机)；
图2是本发明调速系统中IGBT逆变器的主电路图；
图3是本发明调速系统中IGBT逆变器数字化智能控制系统硬件的两层结构图；
图4是本发明调速系统中IGBT逆变器电流电压环控制器的结构图；
图5是本发明调速系统中IGBT逆变器双闭环控制的原理图；
图6是本发明调速系统中IGBT逆变器的主程序流程图；
图7是本发明调速系统IGBT逆变器外环电压的模糊PID控制原理图；
图8是本发明调速系统IGBT逆变器外环电压的模糊PID控制程序流程图；
图9是本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统电路图二(用于中压内反馈绕线式异步电动机)；
图10是本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统电路图三(用于中压绕笼式无刷双馈电动机)；
图11是本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统电路图四(用于中压绕笼型内反馈无刷电动机)。
具体实施方式
本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，参照图1，MD为电动机系统，包括电动机M及其启动器、控制开关和配电等附属设备。调速系统FC包括采用IGBT逆变器的斩波式调速主电路和双DSP的数字智能控制部分。在主电路中，调速系统FC中的不可控整流器DR通过电机的电刷和滑环接转子绕组(正常工作時KM1、KM2断开，KM3闭合)，IGBT逆变器TI通过变压器TAW接电网。调速系统FC中的BC为升压斩波器(由LS、SD、CS、C、BOD、和SCR组成)，FR为频敏变阻起动器(或可变水阻起动器)，KM1、KM2和KM3为三相接触器。快速二极管BOD和晶闸管SCR为转子回路过电压保护环节。数字控制部分包括两个数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)、两个内环电流控制器、可编程序控制器PLC(Programmable Logic Controller)，其中第一内环电流控制器NFC1和第二内环电流控制器NFC2，由D/A转换和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)组成。
本发明中由于直流升压斩波侧与采用晶闸管逆变器的斩波式数字智能调速控制系统的相同，故只着重说明IGBT逆变器及其控制的发明和实施。
在本发明中，采用IGBT逆变器取代晶闸管逆变器，第二内环电流控制器NFC2中FPGA的结构主要分为三部分：可配置逻辑块CLB(Configurable Logic Blocks)、可编程I/O模块和可编程内部连线。FPGA时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高；组成形式灵活，可集成外围控制、译码和接口电路。本IGBT逆变器采用双闭环控制，即电流内环和电压外环。其中电流内环是通过控制逆变器T1的六个IGBT占空比来实现的，它对控制电路的速度和可靠性要求都较高。此外，逆变器开关管开通也都要求控制电路有良好的抗干扰能力。因此本调速系统的低层控制电路选择高速的FPGA电路来加以实现。FPGA可采用该领域领先的Xilinx公司的系列产品，如XC3000、XC4000到Spartan-II E和VirtexIIPro等，FPGA可根据控制功能的要求现场编程将逻辑阵列连接起来，FPGA所包含的逻辑阵列规模可灵活选择。
DSP属于精简指令系统计算机(RISC)，大多数指令都能在一个周期内完成，并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令；同时，DSP采用改进的哈佛结构，具有分离的程序和数据总线，允许同时存储程序和数据；采用多级流水线和内置高速硬件乘法器，使其具有高速的数据运算能力，代表的芯片有TMS320LF24x系列。在调速过程中需要保持逆变器输出电压不变，并有逆变器过压过流故障保护和报警，这些场合对控制策略和控制算法要求较高，所以逆变器双闭环控制系统采用DSP配合软件编程技术实现。使用的DSP可选择美国TI公司的电动机控制专用芯片TMS320C24xx或高端的TMS320C28xx。
参照图2，三相逆变器采用全可控开关管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，IGBT为绝缘门双极晶体管，由于在转子侧进行低压调速，对开关器件的耐压要求低，可采用价格低品种规格齐全的开关器件。
参照图3，在本发明中，数字化智能控制系统硬件为两层结构，上层为DSP，下层主要由FPGA和D/A高速电路组成。DSP主要完成外环电压控制，为FPGA内环电流控制提供给定值数据。由FPGA直接向IGBT逆变器IGBT门极提供触发脉冲。
参照图4，在内环电流控制中，逆变IGBT的控制脉冲信号的产生选用适当规模的一片FPGA来实现。其中D/A为数模转换器，MC为减计数器，DA1、DA2为线性运算放大器。
第二电流电压采集系统UIM2中用莱姆传感器采集逆变器电流Io和采集逆变器电压U0，上述信号通过运算放大器DA1、DA2、模数转换器A/D转换成数字量的信号
、
，并送到第二数字信号处理器DSP2；第二数字信号处理器DSP2为FPGA提供时钟，由第二数字信号处理器DSP2根据模糊PID的控制算法得到所需逆变器IGBT控制信号，送至FPGA的脉冲发生器FF，；由DSP提供逆变器的最小开通时间ton和最小关断时间toff，通过脉冲发生器产生与这两个时间相对应的脉冲，并与正常的脉冲信号进行逻辑运算，从而获得逆变器开关管IGBT的PWM控制信号，根据运行状况调节占空比，以保持逆变器输出电压U0的恒定，满足升压斩波器的要求。在调速过程中，逆变器回馈电功率。当逆变回路发生过电流时，FPGA向斩波侧DSP1送出故障脉冲。
参照图5，在IGBT逆变器双闭环控制原理中，内环为电流控制，外环为电压控制，均由第二数字信号处理器DSP2采用模糊PID控制算法实现。其中，模糊PID控制算法预先存储在第二数字信号处理器DSP2中，控制过程的步骤如下：(1)由给定电压与检测的反馈电压比较，得到电压偏差。(2)AVR为自动电压调节器，采用模糊PID控制算法，使逆变器输出电压稳定在所需的给定值，并送出逆变电流给定值到ACR。(3)ACR为自动电流调节器，采用模糊PID控制算法，输出逆变器的控制脉冲。(4)由FPGA输出PWM信号，控制逆变器的开关IGBT，以保证在各种运行状态下逆变电流的稳定。(5)三相逆变器TI，通过逆变变压器TAW向电网回馈电功率。
参照图6，IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统的实施中，逆变器侧通过第二内环电流控制器NFC2实施对IGBT逆变器TI的内环电流控制，通过第二数字信号处理器DSP2实施对逆变电压的控制，工作步骤详细说明如下：
(1)速系统开机上电后，DSP2启动初始化子程序对自身进行初始化，使控制系统处于准备工作状态；
(2)触摸屏显示开始工作，用户可以输入操作信息；
(3)系统程序调参数输入子程序，输入工艺类型、工艺参数等，系统通过综合处理决定逆变电压给定值；
(4)从第二数字信号处理器获取信号来判断调速系统是否处于正常工作状态，正常继续；若不正常则跳至步骤16；
(5)在进入调速状态后，内环电流控制和外环电压控制系统工作，电流电压采集系统UIM2的传感器采集电流、电压值；
(6)对反馈电压值与给定电压值进行比较，得到它们的差值；
(7)调模糊PID调节器AVR；
(8)由电流调节器ACR给出逆变器的电流值；
(9)对反馈电流值和给定电流值进行比较，得到它们的差值；
(10)调模糊PID电流调节器ACR；
(11)给出逆变器的PWM脉宽调制脉冲；
(12)保持逆变器输出电压恒定；
(13)逆变器TI回馈功率；
(14)看逆变回路是否存在过流、过压、等故障，若无则跳至步骤5；若有则继续；
(15)对逆变器过流、过压进行保护；
(16)系统保护，转入非调速状态。
参照图7和图8，在本发明IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统的实施例中，系统外环电压控制可采用模糊控制、PID控制和自调整参数模糊PID控制器。模糊PID控制器是将动态响应特性好的模糊控制与稳态响应特性好的PID控制相结合，可以充分发挥各自的优势。利用Fuzzy参数优化技术，对PID控制器的比例增益kp、积分时间常数ki和微分时间常数kd进行在线调整，从而实现运行过程的最佳控制。以自调整参数模糊PID控制水泵上的应用为例，说明了本调速系统控制原理及软件流程。通过触摸屏可以输入工艺参数和选择模糊PID控制器，通过传感器测得逆变器的实际电压和电流，与给定值比较得到它们的误差，并计算误差的微分。这里主要利用模糊控制器来在线调整PID的参数，可充分发挥模糊控制和PID控制各自的优势。
在本系统的参数输入输出，同样通过触摸屏实现人机交互，进行参数的设定、保存和修改，逆变器的参量也可在触摸屏上显示，信息的交互是通过第一数字信号处理器DSP1和第二数字信号处理器DSP2进行的。
适合于本发明用调速系统的驱动电动机有四类：中压普通绕线式异步电动机(图1)、中压内反馈绕线式异步电动机(图9)、中压绕笼式无刷双馈电动机(图10)和中压绕笼型内反馈无刷电动机(图11)。
Claims (6)
1、IGBT逆变器的中压电动机斩波式双DSP数字智能调速控制系统，包括电动机系统(MD)和调速系统(FC)，所述调速系统(FC)包括依次连接的不可控整流器(DR)、过压保护控制器(BOD)、升压斩波器(BC)、逆变器(T1)和逆变变压器(TAW)，其特征在于：所述逆变器(TI)采用全可控绝缘门双极开关管IGBT，在所述不可控整流器(DR)和升压斩波器(BC)之间接有第一电流电压采集系统(UIM1)，所述第一电流电压采集系统(UIM1)的输出和所述过压保护控制器(BOD)连接第一数字信号处理器(DSP1)以及与其连接的第一内环电流控制器(NFC1)，所述第一数字信号处理器(DSP1)以及与其连接的第一内环电流控制器(NFC1)的PWM输出连接所述升压斩波器(BC)的输入端，在所述升压斩波器(BC)和逆变器(T1)之间接有第二电流电压采集系统(UIM2)，所述第二电流电压采集系统(UIM2)的输出连接第二数字信号处理器(DSP2)以及与其连接的第二内环电流控制器(NFC2)，所述第二数字信号处理器(DSP2)以及与其连接的第二内环电流控制器(NFC2)的PWM输出连接所述逆变器(T1)的输入，所述第一数字信号处理器(DSP1)还连接所述调速系统(FC)中的过流过压过热检测和可编程序控制器(PLC)，所述可编程控制器(PLC)连接所述电动机系统(MD)和调速系统(FC)，所述第一数字信号处理器(DSP1)和第二数字信号处理器(DSP2)互联；所述第一数字信号处理器(DSP1)以及与其相连的第一内环电流控制器(NFC1)实施对所述升压斩波器(BC)的内环电流进行控制，所述第一数字信号处理器(DSP1)实施对调速系统(FC)的外环速度控制，并通过所述可编程序控制器(PLC)实施对调速系统(FC)和电动机系统(MD)的程序控制，所述第二数字信号处理器(DSP2)以及与其相连的内环电流控制器(NFC2)实施对所述逆变器(T1)的内环电流进行控制，所述第二数字信号处理器(DSP2)实施对所述逆变器(T1)的电压进行控制，其步骤是：
(1)调速系统开机上电后，第二数字信号处理器(DSP2)启动初始化子程序对自身进行初始化，使控制系统处于准备工作状态；
(2)触摸屏显示开始工作，用户输入操作信息；
(3)系统程序调参数输入子程序，输入工艺类型、工艺参数，系统通过综合处理决定逆变电压给定值；
(4)从第二数字信号处理器获取信号来判断调速系统是否处于正常工作状态，执行步骤5；若不正常则跳至步骤16；
(5)在进入调速状态后，内环电流控制和外环电压控制系统工作，第二电流电压采集系统(UIM2)的传感器采集电流、电压值；
(6)对反馈电压值与给定电压值进行比较，得到它们的差值；
(7)调模糊PID调节器AVR；
(8)由模糊PID电流调节器ACR给出逆变器的电流值；
(9)对反馈电流值和给定电流值进行比较，得到它们的差值；
(10)调模糊PID电流调节器ACR；
(11)给出逆变器的PWM脉宽调制脉冲；
(12)保持逆变器输出电压恒定；
(13)逆变器(TI)回馈功率；
(14)看逆变回路是否存在过流、过压故障，若无则跳至步骤5；若有则继续；
(15)对逆变器过流、过压进行保护；
(16)系统保护，转入非调速状态。
2、据权利要求1所述的IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其特征在于：所述第二内环电流控制器(NFC2)包括线性放大器、D/A变换器、减计数器、比较器和输出触发电路；在逆变系统中设有第二电流电压采集系统(UIM2)，其中的莱姆传感器(LEM)采集直流逆变电压(U0)和电流(I0)；在所述第六步骤(6)中，所述第二数字信号处理器(DSP2)提供时钟、模糊/PID控制算法给定逆变器(T1)的最小开通时间(ton)和最小关断时间(toff)，所述直流逆变电压(U0)和电流(I0)通过所述第二内环电流控制器(NFC2)进行逻辑运算后控制逆变器的电流(Iaw)和电压(Vaw)，并保持为一恒值。
3、据权利要求2所述的IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其特征在于：所述第一数字信号处理器(DSP1)存储有输入输出子程序，通过触摸屏实现人机交互，进行工艺参数的设定、控制器类型的选择、工艺参数的保存和修改输入输出子程序。
4、根据权利要求3所述的IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其特征在于：所述第一数字信号处理器(DSP1)存储有处理所述调速系统(FC)过流、过压、过热和缺相故障，以及所述电动机系统(MD)及环境配套设备故障的报警子程序。
5、根据权利要求4所述的IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其特征在于：所述第一数字信号处理器(DSP1)设置有RS232/RS485通信接口、CAN现场总线、IP接口，并存储有远程通讯管理子程序，通过RS232/RS485通信接口和/或CAN现场总线和/或IP接口与监控中心计算机实施远程通讯，所述监控中心计算机直接对所述调速系统(FC)的状态进行远程监控。
6、根据权利要求5所述的IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其特征在于：所述第一数字信号处理器(DSP1)替换为单片机。
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2007
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| 用中功率低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机转速. 马小亮，王春杰.电工技术杂志，第2003卷第10期. 2003 |
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