CN103023420B - 基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统 - Google Patents

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Abstract

基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统，实现三相感应电动机在轻载或空载情况下的节能控制，它主要由数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器、三相桥功率放大器、三相桥驱动电路、三相感应电动机、三相二极管整流桥、瞬时功率检测环节、电流检测环节、编码器转速检测环节、负载辨识环节、+24V开关电源、+15V开关电源、±12V开关电源、+5V开关电源等组成。本发明通过采用基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制方法，控制三相感应电动机在轻载或空载工况下的定子励磁电流，基于负载辨识获得的负载率调节三相感应电动机的功率因数，从而有效提高三相感应电动机的运行效率，达到良好的节电效果。

Description

基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统
技术领域
本发明涉及基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统，属电力电子与电力传动技术领域，用于实现三相感应电动机在周期性负载或轻载工况下的节电控制。
背景技术
随着科学技术的发展和生产水平的提高，对电能的需求量也越来越大。从世界各国总的用电情况看，电动机消耗的电能约占发电总量的60％～75％。在目前世界能源紧缺，电能供应相对不足的情况下，深入研究电动机的节能问题具有重要的现实意义。
三相感应电动机是工业中广泛使用的一类交流电动机，当三相感应电动机在周期性负载或轻载工况下运行时，其功率因数仅能达到0.2-0.6，电机系统效率低、能耗较大。因此，提高三相感应电动机在周期性负载或轻载工况下的功率因数，实现三相感应电动机的节能运行是需要重点突破的关键技术之一。
三相感应电动机在不同负荷下，其运行效率是不一样的。三相感应电动机一般都设计在接近满负荷时，其运行效率为最高。而实际上，电动机往往在很大一部分时间内是在周期性负载或轻载下运行的。这就造成了电能的极大浪费。
现有采用节能控制策略的三相感应电动机节能控制系统，主要是控制输入到电机的无功功率，并使其达到最小，从而提高电机功率因数，实现节能，但该方法并未检测电动机的功率因数，仅能实现稳态的节能，而负载或转速大范围变化的工况下难以取得理想效果。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服了现有三相感应电动机交流调压节能控制方法由于采用了可控硅交流调压，当导通角较小时，电流波形出现断续，功率因数难以检测，并且避免了电网三相严重不平衡时影响调压节能变频器安全运行的问题，提供一种三相感应电动机直接功率控制系统，大大提高了三相感应电动机轻载或空载工况下的运行效率。
本发明的技术解决方案：基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统，其特征在于包括：数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器、三相桥功率放大器、三相桥驱动电路、三相感应电动机、三相二极管整流器、瞬时功率检测环节、电流检测环节、编码器转速检测环节、负载辨识环节、+15V开关电源、±12V开关电源、+5V开关电源；瞬时功率检测环节、电流检测环节、编码器转速检测环节和负载辨识环节的输出连接到数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器，数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器输出的6路PWM信号输出连接到三相桥驱动电路，三相桥驱动电路输出连接到三相桥功率放大器，电网输入的三相动力电经过三相二极管整流器整流成直流电压后连接到三相桥功率放大器，三相桥功率放大器的输出接三相感应电动机，三相桥功率放大器由三相二极管整流器的输出供电，三相桥驱动电路由+15V开关电源供电，瞬时功率检测环节和电流检测环节由±12V开关电源供电，+5V开关电源经电平转换后为数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器供电，当三相感应电动机在周期性负载或轻载工况下运行时，为了提高三相感应电动机运行的功率因数，采用基于瞬时功率检测和负载辨识的协同控制器结构，综合瞬时功率检测环节和负载辨识环节的输出设计协同控制器，动态调节三相感应电动机励磁电流，在不影响有功功率的情况下调整无功功率使功率因数提高到0.88，实现节电控制。
本发明的原理是：如图3所示，所述的数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器从与三相感应电动机相接的编码器转速检测环节获取转速反馈信号，数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器将参考转速信号与反馈转速信号作差，作为协同转速控制算法的输入量，由电流检测环节反馈的三相感应电动机电流经过CLARK变换和PARK变换后得到励磁电流分量和转矩电流分量的反馈值，CLARK变换和PARK变换在数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器中实现，根据瞬时功率检测环节输出的瞬时功率值解算出所需的励磁电流参考，根据负载辨识环节输出的负载率解算出所需的转矩电流参考，将励磁电流参考与励磁电流分量反馈值作差，转矩电流参考与转矩电流分量作差，将转速差值、励磁电流分量差值、转矩电流分量差值输入到协同控制器，协同控制算法经数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器运算后的输出量作为控制量，根据该控制量所在的扇区选择合适的电压矢量来生成6路PWM信号，6路PWM信号经三相桥驱动电路触发相应的三相桥功率放大器的功率器件导通来控制三相感应电动机的转速和励磁电流，实现三相感应电动机的高功率因数功率控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）与采用矢量控制的三相感应电动机控制系统相比具有负载跟踪能力，通过瞬时功率检测和负载辨识，调节励磁电流到最优植，有效提高功率因数，从而实现周期性负载或低负载工况下三相感应电动机的节电运行。
（2）通过协同控制生成开关信号，对系统负载突变或负载大范围变化具有良好的动态响应性能。
附图说明
图1为本发明的基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统的组成框图；
图2为本发明的数字信号处理器TMS320F28346为核心控制器的直接功率控制系统结构图；
图3为本发明的直接功率控制原理框图。
具体实施方式
如图1，本发明由数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1、三相桥功率放大器2、三相桥驱动电路3、三相感应电动机4、三相二极管整流器5、瞬时功率检测环节6、电流检测环节7、编码器转速检测环节8、负载辨识环节9、+15V开关电源10、±12V开关电源11、+5V开关电源12，基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统的瞬时功率检测环节6、电流检测环节7、编码器转速检测环节8和负载辨识环节9的输出连接到数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1，数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1输出的6路PWM信号输出连接到三相桥驱动电路3，三相桥驱动电路3输出连接到三相桥功率放大器2，电网输入的三相动力电经过三相二极管整流器5整流成直流电压后连接到三相桥功率放大器2，三相桥功率放大器2的输出接三相感应电动机4，三相桥驱动电路3由+15V开关电源10供电，瞬时功率检测环节6和电流检测环节7由±12V开关电源11供电，+5V开关电源12经电平转换后为数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1供电，当三相感应电动机4在周期性负载或轻载工况下运行时，为了提高三相感应电动机运行的功率因数，采用基于瞬时功率检测和负载辨识的协同控制器结构，综合瞬时功率检测环节和负载辨识环节的输出设计协同控制器，动态调节三相感应电动机励磁电流，在不影响有功功率的情况下调整无功功率使功率因数提高到0.88，实现节电控制。
本发明所述的数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1从与三相感应电动机4相接的编码器转速检测环节8获取转速反馈信号，数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1将参考转速信号与反馈转速信号作差，作为协同转速控制算法的输入量，由电流检测环节7反馈的三相感应电动机电流经过CLARK变换和PARK变换后得到励磁电流分量和转矩电流分量的反馈值，根据瞬时功率检测环节6输出的瞬时功率值解算出所需的励磁电流参考，根据负载辨识环节9输出的负载率解算出所需的转矩电流参考，将励磁电流参考与励磁电流分量反馈值作差，转矩电流参考与转矩电流分量作差，将转速差值、励磁电流分量差值、转矩电流分量差值输入到协同控制器，协同控制算法经数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1运算后的输出量作为控制量，根据该控制量所在的扇区选择合适的电压矢量来生成6路PWM信号，6路PWM信号经三相桥驱动电路3触发相应的三相桥功率放大器2的功率器件导通来控制三相感应电动机4的转速和励磁电流，实现三相感应电动机4的高功率因数功率控制。
瞬时功率检测环节6采用ADE7752集成三相电能测量芯片实现，瞬时功率检测环节输出频率与瞬时功率成正比的脉冲信号，负载辨识环节9采用转矩测量传感器检测三相感应电动机4的输出转矩并在数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1中根据编码器转速检测环节8输出的转速和瞬时功率检测环节6输出的瞬时功率计算出三相感应电动机4的电磁转矩，将负载辨识环节9检测到的三相感应电动机4的输出转矩减去计算获得的电磁转矩，得到负载转矩。
如图2、3所示，本发明的数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1由数字I/O模块和捕获单元模块、A/D模块、CPU、存储器和PWM波形发生模块组成。当三相感应电动机4控制系统给定参考转速并起动运行时，数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1中的捕获单元模块从编码器转速检测环节8获取转速反馈信号，将参考转速与反馈转速作差后输入到协同控制器，同时从A/D模块读取三相感应电动机相电流，将由瞬时功率检测环节6和负载辨识环节9获得的励磁电流分量和转矩电流分量作为参考电流与电流检测环节7获得的反馈电流作差后，输入到协同控制器，协同控制器输出量经以数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器1的PWM波形发生模块中的比较寄存器的值进行比较生成PWM波形，PWM信号经三相桥驱动电路3，触发相应的三相桥功率放大器2的功率器件导通来调节三相感应电动机4的转速和励磁电流，实现三相感应电动机的高功率因数节电运行。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统，其特征在于包括：数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器(1)、三相桥功率放大器(2)、三相桥驱动电路(3)、三相感应电动机(4)、三相二极管整流器(5)、瞬时功率检测环节(6)、电流检测环节(7)、编码器转速检测环节(8)、负载辨识环节(9)、+15V开关电源(10)、±12V开关电源(11)和+5V开关电源(12)；瞬时功率检测环节(6)、电流检测环节(7)、编码器转速检测环节(8)和负载辨识环节(9)的输出连接到数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器(1)，数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器(1)输出的6路PWM信号输出连接到三相桥驱动电路(3)，三相桥驱动电路(3)输出连接到三相桥功率放大器(2)，电网输入的三相动力电经过三相二极管整流器(5)整流成直流电压后连接到三相桥功率放大器(2)，三相桥功率放大器(2)的输出接三相感应电动机(4)，三相桥功率放大器(2)由三相二极管整流器(5)的输出供电，三相桥驱动电路(3)由+15V开关电源(10)供电，瞬时功率检测环节(6)和电流检测环节(7)由±12V开关电源(11)供电，+5V开关电源(12)经电平转换后为数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器(1)供电；当三相感应电动机(4)在周期性负载或轻载工况下运行时，为了提高三相感应电动机运行的功率因数，采用基于瞬时功率检测和负载辨识的协同控制器结构，综合瞬时功率检测环节和负载辨识环节的输出设计协同控制器，动态调节三相感应电动机励磁电流，在不影响有功功率的情况下调整无功功率使功率因数提高到0.88，实现节电控制；
所述的数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器(1)从与三相感应电动机(4)相接的编码器转速检测环节(8)获取转速反馈信号，数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器(1)将参考转速信号与反馈转速信号作差，作为协同转速控制算法的输入量，由电流检测环节(7)反馈的三相感应电动机电流经过CLARK变换和PARK变换后得到励磁电流分量和转矩电流分量的反馈值，CLARK变换和PARK变换在数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器(1)中实现，根据瞬时功率检测环节(6)输出的瞬时功率值解算出所需的励磁电流参考，根据负载辨识环节(9)输出的负载率解算出所需的转矩电流参考，将励磁电流参考与励磁电流分量反馈值作差，转矩电流参考与转矩电流分量作差，将转速差值、励磁电流分量差值、转矩电流分量差值输入到协同控制器，协同控制算法经数字信号处理器TMS320F28346为核心的瞬时功率检测和负载辨识协同控制器(1)运算后的输出量作为控制量，根据该控制量所在的扇区选择合适的电压矢量来生成6路PWM信号，6路PWM信号经三相桥驱动电路(3)触发相应的三相桥功率放大器(2)的功率器件导通来控制三相感应电动机(4)的转速和励磁电流，实现三相感应电动机(4)的高功率因数功率控制。
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