張 鵬， 蘇建徽

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

交直流調(diào)速實驗裝置是自動化專業(yè)、電力電子與電力傳動專業(yè)本科實驗教學(xué)的重要實驗設(shè)備，目前市場上交流調(diào)速實驗教學(xué)儀器的控制器一般采用的是專用集成電路，或采用進(jìn)口整機(jī)集成構(gòu)成，如上海天威教學(xué)儀器設(shè)備有限公司的GSY－740L交直流調(diào)速實訓(xùn)裝置，主要組件有歐陸514C直流調(diào)速器和西門子M440變頻器；上海上益教學(xué)儀器有限公司的變頻調(diào)速實驗裝置采用日本三菱公司FR－A4540－1.5K型變頻調(diào)速器（380V、1.5kW）為主機(jī)，這些實驗教學(xué)儀器在可靠性和穩(wěn)定型方面有保障，但實驗的開放性和靈活性較弱，在實驗驅(qū)動、加載和控制等方面還存在不便之處（如需要負(fù)載箱、滑線變阻器、調(diào)壓器等），且系統(tǒng)一般為單機(jī)，難以實現(xiàn)動態(tài)加載和穩(wěn)定的四象限運行。本文全數(shù)字化交直流電封閉調(diào)速實驗教學(xué)裝置特點如下：

（1）原有的交流電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)不變化。主電路采用交直流電封閉設(shè)計方案，實現(xiàn)交直流電機(jī)的四象限運行，可以省去以前裝置中的能耗電阻，節(jié)約大量電能。

（2）在單臺裝置中可同時完成交流PWM實驗和直流PWM［1］實驗，彌補以前單臺裝置只能完成一個實驗的缺陷。

（3）主控制芯片采用電機(jī)專用的DSP，實現(xiàn)數(shù)字化控制，可避免模擬裝置中由運算放大器組成的調(diào)節(jié)器因溫漂而產(chǎn)生的運算誤差。而且還可以只需升級軟件便可驗證不同的控制策略，更具開放性、靈活性。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化，可根據(jù)實驗要求進(jìn)行組合。

1 裝置的電路結(jié)構(gòu)及原理

1.1 電封閉原理

系統(tǒng)機(jī)組由一臺鼠籠異步電機(jī)和一臺直流電機(jī)同軸連接組成，可以實現(xiàn)直流母線的電封閉加載，其電能、機(jī)械能走向如圖1所示。系統(tǒng)加載實驗方便，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的四象限運行，節(jié)約大量電能。

圖1中，M1為交流電機(jī)，M2為直流電機(jī)，均可以做發(fā)電機(jī)或電動機(jī)運行。交流PWM單元為交流電機(jī)控制系統(tǒng)；直流PWM斬控單元為直流電機(jī)控制系統(tǒng)，兩者的直流母線相連，其電能通過直流母線封閉，電網(wǎng)只是補充系統(tǒng)的電能損耗（如機(jī)械摩擦損耗、銅損、鐵損等）。當(dāng)M1處于電動狀態(tài)時，機(jī)械能經(jīng)過連接軸傳遞給 M2，M2處于發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)直流母線又傳遞給M1。

圖1 直流母線電封閉原理示意圖

由于交流PWM單元和直流PWM單元采用的是不可控整流，為了防止慣性制動能量導(dǎo)致直流母線電壓泵升過高，2個單元內(nèi)均增加了能耗制動控制電路，但一般加載情況下，該電路不會動作。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)硬件電路分成功率主電路部分和控制電路部分（包含檢測與驅(qū)動電路）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2中，主電路1和控制電路1構(gòu)成交流調(diào)速單元，主電路采用典型交—直—交電壓源型結(jié)構(gòu)形式；主電路2和控制電路2構(gòu)成直流調(diào)速單元，主電路采用交—直—直電壓源型結(jié)構(gòu)形式。功率元件采用ASIPM智能IPM模塊，替代以前裝置中的單管，其性能更加可靠。

為了簡化系統(tǒng)的控制電路硬件結(jié)構(gòu)，提高可靠性、一致性和穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)的設(shè)計采用全數(shù)字化控制方案，即多個參數(shù)的采樣、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)跟蹤控制、多路PWM的發(fā)生、通訊和各種保護(hù)等均由中央處理單元（CPU）完成［2－4］，這些工作的實時性對CPU的運算能力和速度提出了較高要求。專用的DSP數(shù)據(jù)處理單元為系統(tǒng)的設(shè)計方案提供了選擇途徑和技術(shù)保障。本系統(tǒng)選用TI公司的電機(jī)專用DSP數(shù)據(jù)處理芯片TMS320LF28335做為控制核心，交流調(diào)速部分和直流調(diào)速部分的控制電路進(jìn)行兼容設(shè)計，可節(jié)省線路板制作成本。

為便于操作和系統(tǒng)的管理，系統(tǒng)設(shè)置了鍵盤和液晶顯示單元作為人機(jī)接口，以RS485方式與DSP通訊。該單元采用飛利浦的P89C669單片機(jī)控制，減輕了DSP程序負(fù)擔(dān)，具有良好的靈活性且擴(kuò)展性強，該單元的主要功能有：實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)及采樣參數(shù)，如電網(wǎng)電壓、交流電流、電樞電壓、直流電壓、溫度和報警信息等；在線設(shè)定各項參數(shù)，如設(shè)定頻率、轉(zhuǎn)速環(huán)PI參數(shù)、電流環(huán)PI參數(shù)等。

以交流調(diào)速為例，系統(tǒng)的工作模式過程可簡述如下：通過人機(jī)接口單元輸入頻率或從頻率輸入端口采樣頻率指令，經(jīng)過V／F曲線計算輸出電壓，再通過SVPWM的實時算法得出脈寬，最終PWM1～PWM6信號通過外圍的驅(qū)動電路，轉(zhuǎn)化成能直接驅(qū)動IGBT的驅(qū)動信號。

1.3 主電路拓?fù)?/h3>

本裝置交流調(diào)速部分和直流調(diào)速部分的控制電路進(jìn)行了兼容設(shè)計，主電路部分也可進(jìn)行兼容設(shè)計，在IPM的三相H橋部分，交流調(diào)速單元中3個橋臂均被使用，直流調(diào)速單元只用了前2個橋臂，即U、V兩相。如此，直流調(diào)速單元與交流調(diào)速單元可使用相同的硬件電路，互換性強，便于維護(hù)，2個單元的區(qū)別僅在于軟件控制策略不同。主電路如圖3所示。

圖3 兼容的主電路圖

由圖3可以看出，主電路包含：

（1）D1～D6構(gòu)成的三相不可控整流電路，將三相電網(wǎng)電壓整流成直流電壓。

（2）R1和繼電器 MC1構(gòu)成的軟啟動電路，電網(wǎng)電壓整流后經(jīng)R1給直流側(cè)電容C1充電，當(dāng)C1達(dá)到電網(wǎng)線電壓峰值后，MC1閉合，短接R1。

（3）D7、T7和R2構(gòu)成制動電路，防止慣性制動能量導(dǎo)致直流母線電壓泵升過高。

（4）T1～T6構(gòu)成三相全橋逆變電路，作為交流調(diào)速單元用時，逆變橋的輸出端子U、V、W接入交流電機(jī)；作為直流調(diào)速單元用時，逆變橋的輸出端子DA、DB接入直流電機(jī)。

（5）D8～D11構(gòu)成的兩相不可控整流電路，提供勵磁電壓。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 直流PWM技術(shù)

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性方程為：

其中，U為電樞電壓；Ia為電樞電流；R為電樞回路總電阻；Φ為每極磁通；Ce為電樞電動勢系數(shù)，與電動機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，是常數(shù)。

由（1）式可知，通過改變電樞電壓U、電樞電阻R和勵磁磁通Φ［5］3個電路參數(shù)可以對直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

在負(fù)載不變的情況下，保持勵磁與電樞電阻不變，電樞電壓調(diào)速方法的調(diào)速范圍較大，且機(jī)械特性曲線硬度不變，電動機(jī)的運行特性良好，能在低速下運行，當(dāng)電源電壓平滑調(diào)節(jié)時，還可實現(xiàn)無級調(diào)速。本系統(tǒng)采用電樞電壓調(diào)速方法，直流調(diào)速的控制策略如圖4所示。

圖4 直流調(diào)速閉環(huán)控制策略框圖

由圖4可知，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制。n＊為轉(zhuǎn)速給定，n為測速發(fā)電機(jī)實時檢測出的電機(jī)轉(zhuǎn)速。隨著電機(jī)控制的數(shù)字化，一些新的控制方式［6］如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模型參考自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、專家系統(tǒng)控制、模糊控制等也逐漸進(jìn)入電機(jī)控制領(lǐng)域，但各種數(shù)字控制技術(shù)各有長短，在實踐中應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的成本、性能要求以及處理器的運算能力，合理地選擇適當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ?。?shù)字化PI調(diào)節(jié)器是目前應(yīng)用最廣泛、最為成熟的一項技術(shù)，已在調(diào)速系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器和電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用的是該PI調(diào)節(jié)器。由于裝置采用DSP設(shè)計控制電路，對于實現(xiàn)前述先進(jìn)控制策略具有優(yōu)勢，軟件設(shè)計上便于擴(kuò)展?？紤]以后進(jìn)一步加強實驗開放性，可將調(diào)節(jié)器模塊的接口參數(shù)定義成公共變量，學(xué)生可編寫不同控制策略的調(diào)節(jié)器程序，更深入了解各種控制策略對調(diào)速性能的影響。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)限幅1后作為電流給定I＊，為滿足系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)要求及過流保護(hù)，設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)限幅2后作為PWM的占空比，PWM脈沖經(jīng)功率放大后驅(qū)動主電路的T1～T4開關(guān)管。圖5所示為相關(guān)實驗波形。

圖5 實驗波形顯示

圖5a中，CH1對應(yīng)主電路中的T1功率管驅(qū)動，CH2對應(yīng)T2功率管驅(qū)動，兩者信號互補。圖5b中CH1為電樞電流，CH2為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 VVVF調(diào)速技術(shù)

異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速為：

其中，fs為電機(jī)定子供電頻率；np為電機(jī)極對數(shù)；s＝（ns－n）／ns為轉(zhuǎn)差率，其中，ns＝60fs／np為同步轉(zhuǎn)速。

由（2）式可知，如果均勻地改變異步電動機(jī)的定子供電頻率fs，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n。

三相異步電動機(jī)定子每相繞組感應(yīng)電動勢有效值Es為：

其中，Ns為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；Ks為定子基波繞組系數(shù)；Φm為電機(jī)氣隙中每極合成磁通。

由于對于一定的電機(jī)，Ns和Ks為常數(shù)，由（3）式可知，當(dāng)定子頻率變化時，若電動勢不變化，則電機(jī)的磁通將會出現(xiàn)欠勵磁或磁飽和。在基頻以下，為了得到恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速要求，必須保證Φm恒定，即Es必須隨著頻率fs的變化而變化，即

由于感應(yīng)電動勢Es難以檢測和控制，實際可用定子電壓來替代。因此，交流電機(jī)的變頻調(diào)速［7－11］不僅要求電機(jī)供電電壓為正弦波，而且要求電壓和頻率協(xié)調(diào)變化控制，即電壓U和頻率f要同時變化并滿足一定的規(guī)律，如U／f＝C（常數(shù)），這樣才能保證異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通在變頻調(diào)速過程中保持恒定。交流調(diào)速的控制策略如圖6所示。

圖6 交流調(diào)速閉環(huán)控制策略框圖

轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器輸出作為異步電機(jī)頻率給定fs，該給定頻率經(jīng)過V／F曲線得到定子相電壓幅值給定Um，由fs和Um可以得出異步電機(jī)三相互差120°正弦相電壓的給定uU、uV、uW。對此三相正弦電壓采用空間電壓矢量（SVPWM）調(diào)制，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，PWM脈沖經(jīng)功率放大后驅(qū)動主電路的T1～T6開關(guān)管。

2.3 空間電壓矢量技術(shù)

交流調(diào)速控制部分主要包括電機(jī)的控制技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)［12］，本裝置的脈寬調(diào)制技術(shù)采用空間電壓矢量（SVPWM）技術(shù)［13－15］。空間電壓矢量調(diào)制算法是利用磁通正弦原理的一種PWM方法，與常規(guī)PWM相比直流電壓利用率有很大提高，減少了電流諧波失真，更易于數(shù)字化實現(xiàn)。

靜止坐標(biāo)系中的3個相電壓對應(yīng)1個空間電壓矢量U（U ＝Umejωt），其模為Um（相電壓峰值），以角速度ω在空中逆時針旋轉(zhuǎn)。三相兩電平空間電壓矢量共有8個，除2個零矢量外，其余6個非零矢量對稱均勻分布在復(fù)平面上。利用伏秒等效原理，對于任意給定的空間電壓矢量U，均可由8個空間電壓矢量合成。TMS320LF28xx的每個EV模塊都具有極大簡化對稱空間矢量PWM波形產(chǎn)生的內(nèi)置硬件電路，使得用戶很方便地得到SVPWM波形。采用空間電壓矢量調(diào)制后，DSP的PWM1（對應(yīng)T1管）和PWM2（對應(yīng)T2管）驅(qū)動經(jīng)RC濾波后的波形如圖7所示。

圖7 RC濾波后的U相橋臂上下管驅(qū)動波形

3 實驗教學(xué)

圖8所示為裝置的照片，機(jī)柜上方是電表區(qū)域，即電壓表、電流表、頻率表等，可以方便直觀地顯示機(jī)組運行狀態(tài)。電表下方是液晶按鍵單元，旁邊是控制電源開關(guān)和電源指示燈；機(jī)柜中部是2組同樣硬件結(jié)構(gòu)的調(diào)速電源，由信號測量板、DSP控制板、勵磁板、主電路板組成；制動電阻、散熱器安裝在背面；機(jī)柜下方是電源空開及接線排。

本裝置在學(xué)生實驗安全方面做了如下考慮：

（1）系統(tǒng)的動力供電與電網(wǎng)隔離，機(jī)柜在實驗現(xiàn)場進(jìn)行再接地處理。

（2）主電路、控制電路部分用透明的有機(jī)玻璃遮擋（圖8裝置照片上未安裝），既可讓學(xué)生看到實物，又能保證人身安全。

（3）為方便學(xué)生測量波形，將主電路原理圖繪制在一塊面板（測量板）上，主電路中的各個測量信號經(jīng)隔離，處理成弱電信號，也標(biāo)注在面板上。

圖8 裝置照片

本裝置采用面板圖示結(jié)構(gòu)，實驗原理直觀、清晰，對培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識整個系統(tǒng)非常有利，其接線和操作也很方便，為配合課程教學(xué)，本裝置可開出以下7個實驗：

（1）直流調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)認(rèn)識及基本操作，掌握直流斬控的原理。

（2）直流開環(huán)脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)試驗，測定直流PWM驅(qū)動脈沖與電流波形，熟悉H型PWM變換器的各種控制方式的原理與特點。

（3）直流PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速試驗，掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試步驟、方法及調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。

（4）VVVF變頻調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)認(rèn)識及基本操作實驗，掌握功能碼的設(shè)定及操作方法。

（5）VVVF變頻調(diào)速的開環(huán)空載試驗，掌握基本的變壓變頻調(diào)速方法。

（6）VVVF變頻調(diào)速的開環(huán)負(fù)載試驗，了解電封閉調(diào)速系統(tǒng)工作原理，掌握直流側(cè)加載及調(diào)節(jié)負(fù)載的方法，空載轉(zhuǎn)速頻率關(guān)系與負(fù)載轉(zhuǎn)速頻率關(guān)系比較，進(jìn)行交流電機(jī)的外特性實驗。

（7）轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制試驗，了解交流電機(jī)轉(zhuǎn)差閉環(huán)控制的基本原理，進(jìn)行開環(huán)控制與閉環(huán)控制的外特性對比研究。

4 結(jié)束語

本實驗裝置在設(shè)計制造過程中，以學(xué)生為本，克服工業(yè)用變頻裝置在實驗教學(xué)中的不足。該裝置主電路采用電封閉設(shè)計方案實現(xiàn)交直流電機(jī)的四象限運行，省去能耗電阻，可在單臺裝置中同時完成交流PWM實驗和直流PWM實驗，采用DSP數(shù)字化設(shè)計以便于軟件擴(kuò)展等，是目前同類教學(xué)實驗中的先進(jìn)裝置。該裝置方便實驗和教學(xué)，適用于高校交流傳動控制系統(tǒng)的有關(guān)實驗。

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