CN102647151A

CN102647151A - 硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置

Info

Publication number: CN102647151A
Application number: CN2012101206290A
Authority: CN
Inventors: 江友华; 曹以龙; 唐忠
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明涉及一种硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置，由于采用电流过零点检测电路和DSP处理器来获得绕线电机速度，用于双闭环控制算法中外环的速度反馈信号，实现正常的调速节能控制。因采用的电流过零点检测电路为通过转子电流间接得到绕线电机速度信号，从而不受环境、机械振动等因素影响，因此具有测量快速、准确的特点，增加了系统的稳定性。

Description

硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置

技术领域

本发明涉及一种串级调速装置，特别涉及一种硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置。

背景技术

我国是一个电力资源非常短缺的国家，节能作为一项重要的技术政策，对国民经济的发展具有深远的影响。风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据统计，全国风机和水泵的耗电量占到整个工业用电量的40％以上，而风机、水泵一般在运行中都要进行负荷调节，相应的流量也要跟踪调节。传统的调节方法是调节入口或出口的阀门开度，使得风机、水泵用电量的30%-40％消耗在调节阀门及管网压降上，这是一种效益差、能耗大、设备损坏快、维修量大、运行费用高的落后办法，不仅造成了电能的巨大浪费，而且与经济运行标准也有相当大的差距。如果对风机、水泵进行调速，则可以取得很好的节能效果，提高经济效益。目前比较有发展前景的高压大功率调速技术应该是串级调速技术和高压变频技术，其中串级调速技术是从电机转子侧来实现调速，而高压变频调速技术是直接从定子侧来调速，两者各有千秋。但是对于那些调速性能要求不高，调速范围不宽的高压大功率风机、水泵，串级调速是一种比较经济可行的调速方案。然而传统的串级调速系统存在功率因数低、谐波含量大等缺点，并且目前工业现场使用的斩波串级调速系统的斩波器大多采用开环控制，其动态性能不好。而在采取闭环控制的方案中，有的速度反馈信号采用磁感应接近开关获取，一旦环境或电机发生震动，就容易出现丢脉冲的现象，从而无法实现双闭环控制。也有采用间接方法得到速度信号的案例，但是其计算量非常大，需要花费大量的DSP控制器的运算时间，无法满足快速检测的要求，所有这些都影响了串级调速装置在风机、泵类等负载调速场合的推广应用。

目前关于串级调速装置中涉及电机速度检测的已公开的专利技术大致有以下几类：

（1）开环控制型：这种类型的串级调速装置的主电路虽然也带有斩波环节，但是其不足是采用开环控制，容易发生过流保护，且斩波环节不是采用移相控制，直流电流脉动大。如专利02260070所公开的内反馈式高频斩波交流调速装置。

（2）闭环控制型：这种类型的串级调速装置的主电路斩波器采用闭环控制，但是由于其速度获取是通过磁感应接近开关，容易受到环境及电机振动的影响，经常发生丢脉冲现象，从而无法实现双闭环控制，降低了系统的可靠性。如专利200710122573 所公开的IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统。

（3）速度间接获取型：这种类型装置中电机速度的取得不是通过接近开关，而是通过计算斩波电抗器两端的电压间接得到，其不足之处是要根据斩波器在不同状态时来计算，运算量非常大，不利于双闭环控制的快速性。如专利200820060424.7所公开的无速度传感器的中压电动机转差率控制数字智能调速装置。

发明内容

本发明是针对串级调速装置速度检测存在的不足的问题，提出了一种硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置，测量快速并不受外部因素的影响，系统更加稳定。

本发明的技术方案为：一种硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置，包括主电路、控制电路和电流过零点速度检测电路，主电路包括绕线电机、整流电路、斩波电路、储能电容、晶闸管逆变电路、反馈变压器；控制电路包括DSP处理器和PLC控制器；电流过零点检测电路包括转子电流采样电路、过零点产生电路；绕线电机定子侧直接连接电网，转子侧输出端连接到三相整流电路的进线端，来自转子绕组的电流经过三相整流桥后依次经过斩波电路、逆变器、反馈变压器后接入电网，斩波电路和逆变器连接处并联储能电容；霍尔器件套于绕组电机转子输出侧的每相的导线上，采集每相电流信号依次经过转子电流采样电路、过零点产生电路后输出形成两个相差180度的脉冲信号，此脉冲信号送DSP处理器处理计算得到电机转速，同时DSP处理器输出控制信号到斩波电路，DSP处理器与PLC控制器通讯数据，PLC输出执行信号。

所述过零点产生电路和DSP处理器之间可接倍频电路，所述过零点产生电路输出的脉冲信号经过倍频电路进行倍频得到倍频后的脉冲信号后，再输入到DSP处理器。

所述转子电流采样电路包括信号转换电路和滤波器，霍尔器件套于绕组电机转子输出侧的每相的导线上，采集每相电流信号输入到信号转换电路，将电流信号转换成电压信号，再经过滤波器修正和滤波所述电压信号，得到滤波后的电流信号。

所述过零点产生电路包括过零点比较器和单稳态触发电路，转子电流采样电路输出的信号经过过零比较器产生过零点方波脉冲信号，再经过单稳态触发电路生成单稳态窄波脉冲信号后，输出至所述DSP处理器。

本发明的有益效果在于：本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置，由于采用电流过零点检测电路和DSP处理器来获得绕线电机速度，用于双闭环控制算法中外环的速度反馈信号，实现正常的调速节能控制。因采用的电流过零点检测电路为通过转子电流间接得到绕线电机速度信号，从而不受环境、机械振动等因素影响，因此具有测量快速、准确的特点，增加了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置的结构示意框图；

图2为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置实例电路图；

图3为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置实例转子电流采样电路图；

图4为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置中霍尔器件检测到的电流波形图；

图5为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置中滤波器输出的电流波形图；

图6为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置中过零点产生电路和倍频电路图；

图7为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置中过零点方波脉冲信号示意图；

图8为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置中单稳态窄波脉冲信号示意图；

图9为本发明硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置中倍频后的脉冲信号图。

具体实施方式

如图1所示硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置结构示意框图，包括主电路1、控制电路3和电流过零点速度检测电路2三大部分组成。如图2所示实例电路图，主电路1可包括绕线电机10、整流电路11、斩波电路12、储能电容13、晶闸管逆变电路14、反馈变压器15，其中绕线电机10定子侧直接连接10KV或6KV电网，转子侧输出端连接到三相整流电路11的进线端；整流电路11可为由大功率二极管D₁至D₆构成的三相整流桥，三相整流桥接收来自转子绕组的电流；斩波电路12由电感l ₂、可控电力电子器件IGBT、二极管FD1构成；斩波电路12的输出端连接到储能电容13，其两端电压用Uc表示；储能电容13同时与可控硅晶体管SCR1至SCR6构成的逆变器14相连，逆变器14的输出端连接到反馈变压器15Tr的进线端R、S、T上，反馈变压器15的输出端直接连接到电网。

控制电路3由DSP处理器31（数字信号处理器）和PLC控制器32（逻辑控制器）构成，DSP处理器31芯片可采用Ti公司的TMS320LF2407，PLC控制器32可采用西门子S200，DSP处理器31与PLC控制器32之间可通过RS485进行数据交换。DSP处理器31主要完成（1）斩波电路12的速度电流双闭环控制算法，PWM脉冲的产生；（2）过流、过压等要求快速性的故障保护；（3）速度检测脉冲的运算，得到电机速度信号等。PLC控制器32主要完成整个系统的工艺控制及逻辑的动作，其中包括系统启动及斩波器12的工艺控制，逆变器的工艺控制。此外，PLC控制器32还可通过串行通信与人机界面进行数据交换，把相应的数据送往人机界面进行显示，同时接收人机界面上的指令动作。

电流过零点检测电路2包括转子电流采样电路、过零点产生电路。其中转子电流采样电路包括霍尔器件，套于绕组电机转子输出侧的每相的导线上，用于感应该相导线的电流信号；信号转换电路，用于将电流信号转换成电压信号；滤波器，用于修正和滤波所述电压信号，得到滤波后的电流信号。一个具体的转子电流采样电路如图3所示，具体为：霍尔器件分别套于转子输出侧的每相导线上，如A相导线上的霍尔器件输出电流信号LM1到由电阻R1、R2、R7和R8并联组成的电阻串21的一端（另一端接地），同一个该电阻串21的端口连接至由电阻R3、电容C12、电阻R4、电容C11与运算放大器芯片YU1A构成二阶有源低通滤波器22，得到A相的正弦波电流LM11。采用同一电路，经过电阻串23和二阶有源低通滤波器24可得到C相的正弦波电流LM33，B相的正弦波电流LM22可用同一电路得到，为了节省成本，在本实施例中，采用以下电路来获取B相电流LM22：将之前获得的电流信号LM11和LM33通过由运算放大器YU1D构成一个加法器25，后经过运算放大器YU1C构成的电压跟随器26，最后得到B相电流LM22。上述电路中，在霍尔器件和电阻R1之间还可连接由D30和D31构成的双向稳压管27，图中的D30、D31、D32、D33均是瞬态电压抑制二极管。

上述电路中，霍尔器件检测到的绕线电机转子侧的A相电流信号LM1（其波形如图4所示，为不规则的类锯齿形波），电流信号LM1与由电阻R1、R2、R7和R8并联组成的电阻串21相乘后，转化成电压信号。由D30和D31构成的双向稳压管27的作用为：当输入电压超过一预定电压值（如5.8V，由二极管的参数决定）时，瞬态电压抑制二极管D31击穿导通，当电压小于另一预定电压值（如-5.8V，同样由二极管的参数决定）时，瞬态电压抑制二极管D30击穿，从而将输入电压范围控制在预定范围（如-5.8V到+5.8V）之间，用以防止后端芯片因为电压过高或过低而损坏。来自电阻串21的信号经过二阶有源低通滤波器22后，实现电流波形的修正与滤波，输出得到A相电流LM11。得到的LM11信号的波形如图5所示，为正弦波形。同理可得到C相电流LM33和B相电流LM22。而本实施例中根据电网三相电流和为零原则，即根据公式iA+iB+iC=0来求得B相的电流。具体电路为将A相电流LM11和C相电流LM33通过运算放大器YU1D构成一个加法器25，后经过运算放大器YU1C构成的电压跟随器26，得到B相电流LM22。

接着为过零点产生电路，用于根据得到的电流生成脉冲信号，该电路包括过零点比较器和单稳态触发电路。一具体电路可见图6，工作原理为：根据转子电流采样电路得到的单个电流信号LM11，经过过零点比较器AU14B后形成过零点方波脉冲信号，如图7所示。图6中电阻AR33作用是限流，而二极管AD25和AD26构成双向钳位电路，把输入到比较器LM393A的输入电平限制在一定范围内（如±0.7V）。而后方波信号进入单稳态触发电路，具体电路可为：过零点方波脉冲信号经过反向放大器AU15B后输入到单稳态芯片AUI7的输入端A，从单稳态芯片AUI7的输出端Q1和Q2输出单稳态窄波脉冲信号，如图8所示。在图6所示的电路中还包括倍频电路，用于将单稳态窄波脉冲信号进行倍频。具体为将单稳态窄脉冲信号输出到或门AU19C叠加，最后输出形成两个相差180度的脉冲信号

，如图9所示。

而后DSP处理器根据脉冲信号

进行下列运算：

根据绕线式电机公式：

（1）其中

表示定子频率，

表示转子频率，

表示转差率。

由于

固定为电网频率50Hz，通过转子电流过零点计算出转子频率（可从图9的脉冲波形得出），则根据公式（1）即可得到电机转差率，从而得到电机速度。

如按A相转子电流过零点脉冲进行计算，则速度求取公式为（假设相邻两个测速脉冲之间的时间为

），因，则根据公式（1），转差率公式可以表示为：

（2）；再根据公式

（3）式中

表示级对数。

依据绕线电机原理，把公式（2）代入公式（3），可得绕线电机速度公式：

（4）

考虑到电机速度比较高时，转子侧电流周期比较长，如果只测单相电流过零点，会影响速度检测的快速性，为此通常有两种倍频的方法加以改进：一种是采取三相转子电流过零点脉冲进行叠加（即将三个图6所示电路的输出进行叠加），这样检测时间就缩短了6倍，也就是说速度检测提高了6倍；另外一种方法是利用倍频电路，对单相电流（如A相）进行6倍频，同样可以把检测时间缩短6倍，速度检测响应速度提高6倍。而在计算得到绕线电机速度之后，需要根据倍频值将速度数值还原，得到实际的绕线电机速度。

Claims

1.一种硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置，其特征在于，包括主电路、控制电路和电流过零点速度检测电路，主电路包括绕线电机、整流电路、斩波电路、储能电容、晶闸管逆变电路、反馈变压器；控制电路包括DSP处理器和PLC控制器；电流过零点检测电路包括转子电流采样电路、过零点产生电路；绕线电机定子侧直接连接电网，转子侧输出端连接到三相整流电路的进线端，来自转子绕组的电流经过三相整流桥后依次经过斩波电路、逆变器、反馈变压器后接入电网，斩波电路和逆变器连接处并联储能电容；霍尔器件套于绕组电机转子输出侧的每相的导线上，采集每相电流信号依次经过转子电流采样电路、过零点产生电路后输出形成两个相差180度的脉冲信号，此脉冲信号送DSP处理器处理计算得到电机转速，同时DSP处理器输出控制信号到斩波电路，DSP处理器与PLC控制器通讯数据，PLC输出执行信号。

2.根据权利要求1所述硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置，其特征在于，所述过零点产生电路和DSP处理器之间可接倍频电路，所述过零点产生电路输出的脉冲信号经过倍频电路进行倍频得到倍频后的脉冲信号后，再输入到DSP处理器。

3.根据权利要求1所述硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置，其特征在于，所述转子电流采样电路包括信号转换电路和滤波器，霍尔器件套于绕组电机转子输出侧的每相的导线上，采集每相电流信号输入到信号转换电路，将电流信号转换成电压信号，再经过滤波器修正和滤波所述电压信号，得到滤波后的电流信号。

4.根据权利要求1所述硬件检测的电流过零点测速的串级调速装置，其特征在于，所述过零点产生电路包括过零点比较器和单稳态触发电路，转子电流采样电路输出的信号经过过零比较器产生过零点方波脉冲信号，再经过单稳态触发电路生成单稳态窄波脉冲信号后，输出至所述DSP处理器。