CN1835385A - 采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，包括斩波式整流器、逆变器和电源变压器，斩波式整流器由三相不可控整流器和斩波器组成，还包括一个数字信号处理器以及与其相连的内环电流控制器和可编程序控制器，并通过内环电流控制器实施对调速系统的内环电流控制，通过数字信号处理器对调速系统的外环速度控制，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电动机，主回路简单，设备少、控制误差小、具有良好人机界面、灵活通讯手段、使用简单方便、可实现远程监控和管理，并且数字化程度高且成本低廉、节能环保。

Description

采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统

技术领域

本发明涉及交流电动机调速控制技术领域，特别涉及一种采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统。

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量调节，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普及应用和模糊逻辑智能控制技术的推广使用，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。

現有大功率(＞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。

在交流电动机调速控制系统中，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。中压变频器要求容量大，为电动机额定功率P_N的1.2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。转子侧串级调速在传统的串级调速系统中，电机转子侧接不可控整流器及逆变器，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(＜600V)变换电能，且容量小(0.4～0.5P_N)，避免了中压调速的困难。传统串级调速系统主电路由不可控整流器、晶闸管、平波电抗器和整流变压器等4大部件组成，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。

在改进的内反馈电机+晶闸管斩波及逆变的串级调速系统中，通过在电机定子中加装一套附加电源绕组，把电机和变压器做在一起，减少了设备；通过直流斩波，使逆变器容量进一步减少，运行功率因数提高。在额定时系统总功率因数略低于电机本身功率因数，但随转速下降，受晶闸管逆变器影响，功率因数下降多。电机经常工作在轻载、较低速度下，该缺点使电机运行平均功率因数低，在中间直流回路中需要2台庞大的直流电抗器是该改进方案的不足。这使現有的斩波式串级调速系统因为仍然存在问题，大大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串级调速上述的缺陷，提供一种主回路简单，设备少、控制误差小、具有良好人机界面、灵活通讯手段、使用简单方便、可实现远程监控和管理，并且数字化程度高且成本低廉、节能环保的采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统。

为达到上述目的，本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，包括电动机系统和调速系统，所述调速系统包括依次接在主电路中的斩波式整流器、逆变器和电源变压器，斩波式整流器由三相不可控整流器和斩波器组成，还包括一个数字信号处理器以及与所述数字信号处理器相连的内环电流控制器和可编程序控制器，并通过所述内环电流控制器实施对调速系统的内环电流控制，通过所述数字信号处理器实施对调速系统的外环速度控制，通过所述可编流程控制器实施对调速系统和电动机系统的过程控制，其步骤是：

(1)所述数字信号处理器启动初始化子程序并对自身进行初始化，系统处于准备工作状态；

(2)用户通过摸屏输入操作信息；

(3)调用参数输入子程序，输入工艺类型、工艺参数等，确定采用模糊控制、PID控制和模糊PID控制中的任意一种控制算法；

(4)启动可编程序控制器控制电动机系统运转；所述数字信号处理器通过采集信号判断所述调速系统是否处于正常工作状态，若不正常则所述调速系统不工作，电动机进入全速运行，一旦正常随时进入调速控制；

(5)启动内环调速控制，所述内环电流控制器输出对所述升压斩波器的控制信号；

(6)启动外环调速控制，由模糊控制或PID控制给定电动机转速，控制电动机速度平稳上升或下降；

(7)检测电网的相位，由所述内环电流控制器产生正弦波脉冲控制所述逆变器，使所述逆变器回馈电功率；

(8)所述数字信号处理器巡检所述调速系统是否存在过流、过压、过热和缺相的故障，若无则可保持调速运行；若发生故障，则对所述调速系统进行保护，显示相关故障信息，并由调速状态切换到全速运行；

(9)所述数字信号处理器对所述电动机系统及环境配套设备实施保护控制。

本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述内环电流控制器包括差分放大器、D/A变换器、减计数器、比较器和输出触发器；所述调速系统设有转子电流电压采集系统，其中的莱姆传感器采集转子整流电流，电阻分压电路采集转子整流电压，电压采样电路获得直流逆变电压；在所述第六步骤中，所述数字信号处理器提供时钟、模糊/PID控制算法给定、斩波器的最小开通时间和最小关断时间，上述采集信号通过所述内环电流控制器进行逻辑运算后以电流峰值两点式的控制脉冲，控制所述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。

本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述数字信号处理器存储有通过触摸屏可实现人机交互，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若干操作的输入输出子程序。

本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述数字信号处理器存储有处理所述调速系统过流、过压、过热和缺相故障，以及所述电动机系统及环境配套设备故障的报警子程序。

本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述数字信号处器存储有通过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的管理子程序，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。

本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述数字信号处理器替换为单片机。

本发明提供的采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其有益的技术效果是：与现有的定子侧中压变频器相比，采用(20％～50％)P_N的通用低压变频器控制100％P_N中压电动机，实现大功率风机和泵的40％～50％调速要求，避免了中压变频的困难。调速系统省去了庞大直流电抗器或仅需很小直流电抗器，主回路简单，设备少。在全部转速范围内都有好的电流响应、功率因数高、谐波小、调整方便。从传统的恒速改为调速运行，可节省大量的电能(平均30％～40％)和燃料，改善环境，优化工艺过程，提高产品产量和质量，减少维护量并降低了成本，其成本低廉，仅为定子侧中压变频器价格的30％～50％。

由于在斩波器内环电流控制上采用电流峯值比较实现两点式控制，代替电流调节器和占空比D发生器，不受升压斩波非线性影响，误差小，无需调整动态参数，使用简单方便。在轻载电流断续時，控制器仍能工作。由于采用模糊逻辑智能控制技术，以及DSP与FPGA、PLC相结合的数字化技术，数字化、智能化程度高，很好地解决了电机调速的非线性或无法建立精确控制模型的问题，并具有良好的人机界面和灵活的通讯手段，可根据工艺要求及现场条件选择合适的控制算法及工艺参数，通过RS232/RS485或CAN现场总线实现调速系统与上位管理机的通讯，或通过内置的IP接口模块直接与中心监控计算机联接，进行远程监控和管理，通过丰富的数据采集接口，对调速和电机系统以及风机和泵类等进行现场监控和保护。

下面将结合实施例参照附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的电路图一(用于中压普通绕线式异步电动机)；

图2是本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的电路图二(用于中压内反馈绕线式异步电动机)；

图3是本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的电路图三(用于中压绕笼式无刷双馈电动机)；

图4是本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的电路图四(用于中压绕笼型内反馈电动机)；

图5a)和图5b)是本发明调速系统中两种开关器件的升压斩波器和逆变器的电路图；

图6是本发明调速系统中数字化智能控制系统硬件的两层结构图；

图7是本发明调速系统中内环电流控制器的结构图；

图8a)和图8b)是本发明调速系统中电流峰值两点式控制的波形图；

图9是本发明调速系统中逆变器的控制图；

图10是本发明调速系统中双闭环控制的原理图；

图11是本发明调速系统中通讯接口示意图；

图12是本发明调速系统中主程序的流程图；

图13a)和图13b)是本发明调速系统外环速度的模糊PID控制原理图和模糊PID控制程序流程图；

图14是本发明调速系统中参数输入输出子程序的流程图；

图15是本发明调速系统中故障处理及报警子程序的流程图。

具体实施方式

本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，参照图1，MD为电动机系统，包括电动机M及启动控制开关和配电等附属设备。调速系统MSR包括低压变频调速主电路和DSP(或单片机)为主的数字智能控制部分。在主电路中，CR为斩波式整流器，DR为三相不可控整流器，IC为采用IGBT(或其它可关断电力电子器件，如IGCT、GTR等)的斩波器；INV为采用IGBT(或其它可关断电力电子器件，如IGCT、GTR等)的逆变器；其中，C_D为INV储能电容，I_S为电动机定子电流，I_R为电动机转子电流，U_R为电动机转子电压，I_DR为DR输出直流电流，U_DR为DR输出直流电压，I_D为CR输出电流，U_D为CR输出电压，I_aw为INV输出电流，U_aw为INV输出电压。数字控制部分包括数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)、内环电流控制器NFC和可编程序控制器PLC(Programmable LogicController)，其中内环电流控制器NFC由D/A转换、比较器CP和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)组成。

由于过程控制技术已由过去的分立元件、简单集成电路发展到以DSP、单片机、现场可编程门阵列FPGA、可编程序控制器PLC为核心的数字化控制电路，即向数字化方向发展。

在本发明中，FPGA的结构主要分为三部分：可配置逻辑块CLB(Configurable LogicBlocks)、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。本调速系统采用双闭环控制，即内环电流和外环速度。其中内环电流是通过控制斩波开关器件V1的占空比来实现的，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IGBT的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VirtexII Pro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。

单片机如为复杂指令系统计算机(CISC)，运算中需要占用较多的指令周期，执行速度比较慢，但单片机具有很强的外部接口能力。目前发展的16位单片机，如Intel的80C196KC在速度上有了较大的提高。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。在调速过程中根据工艺参数进行速度的给定调节，电机启动和减速过程中的速度积分运算，调速系统、电机系统以及控制对象风机和泵类的故障报警等，这些场合对控制策略和控制算法要求较高，所以调速系统采用DSP配合软件编程技术来实现上述控制。调速系统使用的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，单片机可选Intel公司的16位80C196KC等产品。

PLC具有简便、可靠、易于使用等优点，在调速系统中，机械和电气系统的操作需要严格按程序配合执行，所以控制系统和PLC配合使用十分必要。

参照图5，在斩波器和逆变器主电路中采用全可控开关管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)或IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)，IGBT为绝缘门双极晶体管，IGCT为集成门极换流晶闸管，也可采用其它可关断电力电子器件，如大功率晶体管GTR等，使主电路和控制电路更加简单。由于在转子侧进行低压变频调速，对开关管的耐压要求低，可采用价格低品种规格齐全的普通IGBT开关管，对于更大调速功率的场合，可考虑采用电流电压容量更大的IGCT开关管。

参照图6，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PLC组成。DSP主要完成外环速度的控制，为FPGA内环电流控制提供给定值数据。由FPGA和PLC共同对调速系统和电机系统进行直接控制，其中FPGA完成对斩波器输出电压U_D的调整和为逆变器INV提供三相正弦波脉冲SPWM，PLC完成对电动机系统和调速系统的启动，以及在调速系统发生故障时，自动切换电动机到全速运行状态，在调速系统正常时，使电动机快速重新投入到调速运行。

参照图7，在内环电流控制中，斩波器IC的电流峰值两点式控制和逆变器INV的SPWM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，CP为比较器，MC为减计数器。

电流峰值两点式控制的输入输出信号的产生：转子电流电压采集系统UIM中的莱姆传感器LEM采集转子整流电流I_DR，由高阻抗差分电路采集转子整流电压U_DR、直流逆变电压U_D；DSP(或单片机)为FPGA提供时钟，DSP(或单片机)中的模糊/PID控制算法给定I_DR ^*。上述信号通过D/A、CP和FPGA组成的电流峰值两点式电路处理后，获得斩波器开关管IGBT的PWM控制信号，并根据调速的要求调节占空比，从而改变直流逆变电压U_D。由DSP(或单片机)提供斩波器的最小开通时间t_on和最小关断时间t_off，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后输出斩波器所需要的限流控制脉冲。

逆变器INV开关管IGBT控制脉冲的产生：通过检测电网的相位，由FPGA产生三相正弦波脉冲SPWM控制逆变器INV，使逆变器回馈电功率。

参照图8a)和图8b)，在电流峰值两点式控制的波形图中，当转速低时，I_DR的上升斜率小，而ΔU_c比较高，U_c下降的斜率高，这样由I_DR和U_c的变化过程中相遇可获得一清晰的交点；相反转子电压U_DR都比较低高，I_DR的上升斜率大，而ΔU_c较低，U_c下降的斜率低，这样由I_DR和U_c的变化过程中相遇同样也可获得一清晰的交点。这样就能保证调速系统无论是处于低速和高速阶段都能保证调速过程可靠地进行。

参照图9，在逆变器INV控制原理图中，AUR为直流电压调节器，i_P为有功电流、i_Q为无功功率，I_P ^*为给定的有功直流，i_Q ^*为给定的无功电流，U_D ^*为给定的斩波后直流电压，U_D为斩波后反馈电压。逆变器的控制过程是：给定斩波后直流电压U_D ^*，反馈电压U_D，当转子电流I_DR增加，U_D增加，直流电压调节器AUR的输出有功电流给定I_P ^*增大。无功电流i_Q ^*给定是根据需要人为设定，通过调节i_P、i_Q调节器、坐标变换使输出的有功和无功功率等于给定，I_P ^*增加，输出有功功率增加，电容C_D上的电压U_D又等于设定值。

参照图10，以水泵的水压控制为例，说明电机的调速控制过程。在调速系统的双闭环控制原理中，内环为电流控制，由FPGA采用电流峰值两点式控制实现，外环速度由DSP采用模糊控制/PID控制算法实现。其中，模糊控制/PID控制算法预先存储在DSP中，包括模糊控制算法、PID算法和自调整参数模糊PID控制算法，系统根据输入的工艺类型和工况参数决定采用何种控制算法。水泵水压控制过程的步骤如下：(1)由给定水压与反馈的水压检测比较，并考虑其它工艺参数如给水流量、蒸汽流量、汽包水位等参数，通过模糊逻辑获得水压控制量，并由模糊控制/PID控制器得到电动机的给定转速。(2)电动机速度曲线RAMP为斜坡控制，在电动机调速过程中速度变化采用缓慢上升和缓慢下降的方式，使电动机电流和电压的变化率di/dt和du/dt都不会太大。(3)ASR为自动速度调节器，通过积分环节使调速过程平稳进行，并设定电流上限。(4)ACR为自动电流调节器，采用电流峰值两点式控制方法。(5)由FPGA输出PWM控制斩波器的开关管IGBT，调整斩波器输出电流和电压的大小，从而实现调速。(6)通过检测电网的相位，由FPGA产生SPWM脉冲控制逆变器INV，使逆变器回馈电功率。

参照图11，调速系统的DSP具备通信接口，RS232/RS485为通过专门的工业控制模块用于实现由RS-232到RS-485的转换，由工控机可以同时监控多台调速系统的运行状况，通过地址码可以识别各调速系统。可设计一个与DSP通讯的IP接口模块，使本调速系统具备直接远程通讯能力。Intranet为企业内部局域网，通过光纤和以太网络技术可实现企业内部大范围的通讯，这样就可在监控制中心直接对调速系统的状态进行远程监控。

参照图12，在本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的实施例中，通过内环电流控制器NFC实施对斩波器IC的内环电流控制和逆变器INV的控制，通过数字信号处理器DSP对调速系统实施外环速度控制，通过所述可编程序控制器PLC实施对调速系统MSR和电动机系统MD的程序控制。调速系统工作的步骤详细说明如下：(1)调速系统开机上电后，DSP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，系统通过综合决策采用何种控制算法，如模糊控制、PID控制和模糊PID控制。(4)由PLC控制电动机系统开始运转；DSP通过对A/D转换电路采集到模拟信号、PLC获取的数字信号及其它开关器件输出的数字信号来判断调速系统是否处于正常工作状态，若不正常则调速系统不工作，电动机进入全速运行，一旦正常可随时进入调速状态。(5)在进入调速状态后，由模糊控制/PID控制给定电动机转速I^*，通过电动机速度曲线RAMP控制电动机速度平稳上升或下降。(6)内环电流控制系统工作，电流电压采集系统UIM中的LEM传感器采集转子电流I_DR，由高阻抗差分电路采集转子电压U_DR(或由脉冲码盘直接测速)、直流逆变电压U_D，分别将I^*与I_DR、U_DR与U_D进行比较，由电流调节器ACR通过峰值电流两点式控制给定斩波器的PWM。(7)通过检测电网的相位，由FPGA产生SPWM脉冲控制逆变器INV，使逆变器回馈电功率。(8)DSP巡检调速系统，看系统是否存在过流、过压、过热和缺相等故障，若无则可继续进行调速运行；若发生故障，则对调速系统进行保护，并转到全速运行。(9)DSP还可对电机系统及环境配套设备提供保护。

在本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的实施例中，调速系统外环速度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k_p、积分时间常数k_i和微分时间常数k_d进行在线调整，从而实现电机调速过程的最佳控制。参照图13a)和图13b)，以自调整参数模糊PID控制在水泵水压上的应用为例，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；由积分器给定电机速度曲线Ramp，使电机速度缓升或缓降；由脉冲码盘测定电机的转速或通过转子电压推断出电机的转速；将给定转速和实际转速比较后通过速度调节器ASR给定转子电流，通过LEM传感器测得转子的实际电流，通过比较得出转子电流调节量。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。

本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的实施例充分利用了DSP强大的内存扩展能力，将经过工艺实验获得的有关被控对象的模糊PID控制器及参数存储在ROM程序区中。如对风机、泵类等按不同规格容量进行实验研究，可获得不同工艺条件下的模糊控制器及参数，在现场控制中可根据被控制对象，选择合适的控制器及参数，使系统一开始就能进入较平稳的运行状态。

参照图14，在本调速系统的参数输入输出子程序中，通过触摸屏可实现人机交互，进行工艺参数的设定、选择控制器类型、保存和修改工艺参数等操作。

参照图15，在本调速系统的故障处理及报警子程序中，对调速系统的过流、过压、过热和缺相等故障以及电动机和辅助系统的故障进行处理，并显示出报警信息。

在本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的其它实施例中，其中数字信号处理器DSP可替换为单片机。

下面对本发明采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统的实施例做进一步详细说明。

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；中压内反馈绕线式异步电动机；中压绕笼式无刷双馈电动机；中压绕笼型内反馈电动机。

实施例1：

参照图1，在本实施例中，电机M为中压普通绕线式异步电动机。在主电路中，内反馈绕线式异步电动机定子中有一套三相附加绕组AW，输出50Hz固定电压U_aw，供逆变器INV用，接受回馈电流I_aw，无逆变电源变压器。内反馈绕线式异步电动机不需要电源变压器T，主回路最简单，是本发明推荐优选方案。其中，CR为斩波式整流器，DR为三相不可控整流器，IC为采用IGBT(或其它可关断电力电子器件，如IGCT、GTR等)的斩波器；INV为采用IGBT(或其它可关断电力电子器件，如IGCT、GTR等)的逆变器；其中，C_D为INV储能电容，I_s为电动机定子电流，I_R为电动机转子电流，U_R为电动机转子电压，I_DR为DR输出直流电流，U_DR为DR输出直流电压，I_D为CR输出电流，U_D为CR输出电压，I_aw为INV输出电流，U_aw为INV输出电压。

串级调速系统接在电机转子侧，转子电压

        U_R＝sU_R0

式中：s＝(n₀-n)/n₀----滑差；U_R0为电机不转、s＝1時的转子电压。

现有中压电机U_R0＜1000V，当调速范围限制到50％(s≤0.5)時，U_R.max≤500V，所以调速系统是低压的。

串级调速系统主电路由一套低压变频器，变频器是由斩波整流器CR和通用的IGBT(或其它可关断电力电子器件，如IGCT、GTR等)逆变器INV组成的电压型正弦波交—直—交变频器。CR由三相不可控整流模块DR和一套IGBT(或其它可关断电力电子器件，如IGCT、GTR等)斩波模块IC组成。IC开关频率为工业常用的2kHz左右，可以利用电机转子漏感实现斩波，不需另加或只需加很小的直流电抗。INV为电压型逆变器，在直流母线上无电抗，故本系统省去了庞大的直流电抗器。电压型逆变器所需之储能电能为直流电容，体积小、容量大，装在通用逆变器中。

逆变器INV用以把直流母线功率P_D＝U_D·I_D回送至电机定子及维持直流母线电压U_D固定，经DR整流后转子电压：

                       U_DR＝(1-D)U_D

式中D——斩波占空比，通过改变D就可以改变转子电压U_R，实现调速。

逆变器及附加绕组容量按 $P_{D\max }=(U_D\·I_D)\≈\sqrt{3}{(U_R\·I_R)}_{\max }$ 计算。绝大多数风机和泵类负载是二次型负载，I_R∝n²，转速n高时，I_R大，U_R小，P_D不大；n低时，I_R小，U_R大，P_D也不大；最大P_D出现在 $n=\frac{2}{3}{n}_0(s=\frac{1}{3})$ 时，P_Dmax＝0.15P_N，考虑到负载不是严格的二次关系，设备留一定裕量，取P_INV＝(0.2～0.5)P_N，用(20％～50％)P_N功率的逆变器控制100％的P_N功率电机调速。

INV是正弦波SPWM逆变器，输出电流I_aw接近正弦波，加之INV功率小，电机定子电流I_s中谐波很小，基本上对电网无影响。INV输出的无功可以在容量允许条件下从感性到容性间任意调整(包括零)。在n＝n_N时，U_R≈0，P_D≈0，INV可提供全容量的容性无功电流，部分补偿电机励磁及转子整流换相产生的感性无功，使总功率因数高于电机本身的功率因数。在P_D＝P_Dmax时，INV的无功为零，保证运行所需有功。由于INV不产生感性无功，故所有工况下的功率因数都比用晶闸管逆变高，谐波小。

由于U_D与U_Rmax可以通过改变最小占空比Dmin来改变，且U_D大小不影响INV容量(U_D高、I_D小，P_D不变)，为电机设计选取附加绕组电压和转子电压提供了方便(这两绕组匝数很少，难匹配)。

在实现转速闭环控制中，升压斩波器的控制由速度外环和电流I_DR内环两部分构成。由于在不同转速(不同U_DR)下，升压斩波器的占空比D与直流逆变电压U_D间的关系是非线性，通常，采用电流调节器来实现内环电流控制，造成不同转速時的电流响应不同，调节器参数调整困难。若采用电流滞环砰-砰控制器实现内环电流控制，可以克服非线性影响，但斩波器开关频率将随转速变化而变化，且在轻载电流断续時砰-砰控制器不能正常工作。在本发明的实施例中，则采用一种新的电流峯值两点式控制器实现内环电流I_DR控制，它既可克服升压斩波的非线性影响，无需调整动态参数，又使开关频率固定，电流断续時也能工作。

参照图7和图8，在电流峰值两点式控制第k开关周期的波形图中，每个开关周期开始時刻，R-S触发器FF的触发输入端S收到一个脉冲信号，R-S触发器FF输出端Q输出高电平，斩波管V₁导通，整流电流I_DR增大，它和控制电压U_c在比较器CP₁中进行比较，

    U_c＝I^*+ΔU_c

$\mathrm{\Δ}{U}_c=\frac{T}{2L_{\mathrm{DR}}}(U_D-U_{\mathrm{DR}})(1-\frac{\mathrm{\τ}}{T})$

式中：U_DR和U_D分别为整流电压和直流逆变电压

      L_DR是整流滤波电感值(含电机漏感)

      I^*是电流给定值

      T是开关周期

      τ是在第k开关周期中的時间，当t＝kT時，τ＝0；当t＝(k+1)T時，τ＝T。

当I_DR增至I_DR＝U_c時，比较器CP输出高电平，送至R-S触发器FF的复位输入端R，R-S触发器FF复位，斩波管V₁关断，直至该开关周期结束。按此法控制，在一个开关周期中电流I_DR的平均值等于电流给定值I^*。

参照图7，电压差信号U_D-U_DR来自差分放大器DA。時钟信号clock送至减计数器MC，则在计数器中的数为1-τ/T。当MC中的数减至零后，其进位端发出一个进位信号，用它作为R-S触发器FF的触发输入信号st，MC同時返回至满位，准备开始下一个开关周期的计数。减计数器MC中的数和电压差模拟信号U_D-U_DR在D/A变换器中相乘，D/A输出经电位器分压，若分压系数为T/2L_DR，则电位器输出为信号ΔU_c。ΔU_c和电流给定信号I^*相加得控制信号U_c，将U_c送至比较器CP与电流信号I_DR比较，比较器CP输出复位输入信号rst至R-S触发器FF。

实施例2：

参照图2，在本实施例中，电机M为中压内反馈绕线式异步电动机。采用此方案需要一台电源变压器T，它的调速系统与实施例1相同。

实施例3：

参照图3，在本实施例中，电机M为中压绕笼式无刷双馈电动机。这种电机的转子绕组不引出，无电刷和滑环，两套定子绕组，一套接电网，另一套引出电动机的转差功率，接调速系统的不可控整流器DR，逆变器INV与电网连接，把电动机转差功率反馈给电网。它的调速系统与实施例1相同。

实施例4：

参照图4，在本实施例中，电机M为中压绕笼型内反馈电动机。这种电机的转子绕组不引出，无电刷和滑环，定子上设有内反馈绕组绕组，有两套定子绕组，从其中一套绕组引出电动机的转差功率，经调速系统的不可控整流器DR整流成直流，逆变器INV变成交流与电网连接。它的调速系统与实施例1相同。

本发明提供的采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统具有以下优点：

1)灵活的通信手段：充分发挥DSP数字控制的通讯能力，通过其RS-232/RS485串行口与上位管理微机进行通讯，或内置IP接口实现远程通讯。在利用RS232/RS-485总线进行的通讯中，一台上位工控机IPC可以同时与多台调速系统进行通讯，工控机IPC可以通过企业内部网Intranet实现远程通讯，从而将调速现场的状态信息传到监控中心。此外，考虑到Ipv6技术在国内外的迅速实施，本调速系统还设计了IP接口模块，模块采用通用工业以太网芯片，通过Java嵌入式编程技术使模块内置IP功能，从而可使本调速系统直接通过Intranet进行远程通讯。这样就可对本调速系统进行遥控、遥信、遥测，无人值守，可在监控中心直接监视本调速系统的运行状态。

2)良好的人机界面：由于DSP具有灵活的人机界面接口，可通过触摸屏等进行参数输入和输出显示，如：输入工艺参数，选择模糊控制器控制及参数，修改工艺参数，保存所选择和修改的结果；运行状态应答，如启动、运行和到达给定值；运行中参数曲线图的动态显示，报警和错误信息显示；调速系统和电机数据的查询。

3)完善的保护功能：在调速系统运行过程中，可能会遇到负载突变，出现电机转速太低，逆变器输出缺相和短路，突然停电，逆变器发热严重等各种故障。在本调速系统中使用DSP数字化控制后，可充分利用其强大的信号采集和丰富的数字I/O口，对调速系统和电机系统进行全面的监测和保护。采用DSP还可充分利用其CAN现场总线来现场设备进行监控。在DSP的故障诊断设计中，通过定时巡检系统的运行状态来实时监控逆变器的过流、过压和过热，电机通风、润滑，环境状态等。当调速系统发生故障时，DSP调用相应的故障处理子程序，并调显示子程序给出故障信息。

本发明的有益效果是：

●与现有的定子侧中压变频器串调系统相比，采用(20％～50％)P_N的通用低压变频器控制100％P_N中压电动机，实现大功率风机和泵的40％～50％调速要求，避免了中压变频的困难，设备少，价格便宜，其价格仅为定子侧中压变频器价格的30％～50％。

●与现有的转子侧晶闸管逆变串调系统相比，省去了庞大直流电抗器或仅需很小直流电抗器，主回路简单，功率因数高，谐波小。

●我国年发电量近50％用于风机和泵驱动，把它们特别是大功率风机和泵的驱动从传统的恒速改为调速运行，可节省大量的电能(平均30％～40％)和燃料，改善环境，优化工艺过程，提高产品产量和质量及减少维护，产生巨大的社会经济效益。

●斩波器内环电流控制采用新的电流峰值两点式控制器，其特点是：

用电流峰值比较实现两点式控制，代替电流调节器和占空比D发生器，不受升压斩波非线性影响，无需调整动态参数，使用简单方便。在一个开关周期中电流I_DR的平均值等于电流给定值I^*。在轻载电流I_DR断续時，控制器仍能工作。用锯齿形的控制信号U_c和I_DR比较，在全部转速范围内都交点明确，误差小。

●采用模糊逻辑智能控制技术，以及DSP与FPGA、PLC相结合的数字化技术，其突出特点是：

内置模糊逻辑智能控制算法，可很好地解决电机调速的非线性或无法建立精确控制模型的问题；具有良好的人机界面，可根据工艺要求及现场条件选择合适的控制算法及工艺参数；具有灵活的通讯手段，可通过RS232/RS485实现调速系统与上位管理机的通讯，或通过内置的IP接口模块直接与中心监控计算机联接，远程监控和管理；具有完善的保护功能，可通过丰富的数据采集接口，对调速和电机系统以及风机和泵类等进行现场监控和保护。

Claims (6)

1.采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，包括电动机系统(MD)和调速系统(MSR)，其特征在于：所述调速系统(MSR)包括依次接在主电路中的斩波式整流器(CR)、逆变器(INV)和电源变压器(T)，斩波式整流器(CR)由三相不可控整流器(DR)和斩波器(IC)组成，还包括一个数字信号处理器(DSP)以及与所述数字信号处理器(DSP)相连的内环电流控制器(NFC)和可编程序控制器(PLC)，并通过所述内环电流控制器(NFC)实施对调速系统(MSR)的内环电流控制，通过所述数字信号处理器(DSP)对调速系统(MSR)的外环速度控制，通过所述可编程序控制器(PLC)实施对调速系统(MSR)和电动机系统(MD)的程序控制，其步骤是：

(1)所述数字信号处理器(DSP)启动初始化子程序并对自身进行初始化，系统处于准备工作状态；

(2)用户通过触摸屏输入操作信息；

(3)调用参数输入子程序，输入工艺类型、工艺参数等，确定采用模糊控制、PID控制和模糊PID控制中的任意一种控制算法；

(4)启动可编程序控制器(PLC)控制电动机系统(MD)运转；所述数字信号处理器(DSP)通过采集信号判断所述调速系统(MSR)是否处于正常工作状态，若不正常则所述调速系统(MSR)不工作，电动机进入全速运行，一旦正常随时进入调速控制；

(5)启动内环电流控制，所述内环电流控制器(NFC)输出对所述升压斩波(BC)器的控制信号(PWM)；

(6)启动外环调速控制，由模糊控制或PID控制给定电动机转速，控制电动机速度平稳上升或下降；

(7)检测电网的相位，由所述内环电流控制器(NFC)产生正弦波脉冲(SPWM)控制所述逆变器(INV)，使所述逆变器(INV)回馈电功率；

(8)所述数字信号处理器(DSP)巡检所述调速系统(MSR)是否存在过流、过压、过热和缺相的故障，若无则可保持调速运行；若发生故障，则对所述调速系统(MSR)进行保护，显示相关故障信息，并由调速状态切换到全速运行；

(9)所述数字信号处理器(DSP)对所述电动机系统(MD)及环境配套设备实施保护控制。

2.根据权利要求1所述的采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述内环电流控制器(NFC)包括差分放大器(DA)、D/A变换器、减计数器(MC)、比较器(CP)和输出触发器(FF)；所述调速系统(MSR)设有转子电流电压采集系统(UIM)，其中的莱姆传感器(LEM)采集转子整流电流(I_DR))，电阻分压电路采集转子整流电压(U_DR)，电压采样电路获得反馈直流逆变电压(U_D)；在所述第六步骤(6)中，所述数字信号处理器(DSP)提供时钟、模糊/PID控制算法给定(I_DR ^*)、斩波器的最小开通时间(t_on)和最小关断时间(t_off)，上述采集信号通过所述内环电流控制器(NFC)进行逻辑运算后以电流峰值两点式的控制脉冲(PWM)，控制所述升压斩波器(BC)的开关管(IGBT)，根据调速的要求调节占空比，从而改变直流逆变电压(U_D)。

3.根据权利要求1或2所述的采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述数字信号处理器(DSP)存储有通过触摸屏可实现人机交互，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若干操作的输入输出子程序。

4.根据权利要求3所述的采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述数字信号处理器(DSP)存储有处理所述调速系统(MSR)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所述的采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述数字信号处理器(DSP)存储有通过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的管理子程序，所述监控中心计算机直接对所述调速系统(MSR)的状态进行远程监控。

6.根据权利要求5所述的采用低压变频器实现中压电动机调速的数字智能控制系统，其中所述数字信号处理器(DSP)替换为单片机。

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