基于双CPU技术的变频调速交流电机的节能控制研究
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摘要
在工业、农业、交通运输、国防军事装备、科研设备和人民的日常生活中，都广泛地应用着各式各样的依靠电力传动的机械—电气传动系统。从小功率家用电器到大功率工业生产的电力驱动，异步电动机发挥着不可或缺的作用。目前，缺电是我国绝大部分地区普遍存在的问题。有资料表明，如果电力供应充分，我国某些地区的工业产值将有较大百分比的提高。而电力部门的负荷资料又表明，电动机负荷占整个负荷的80％以上，我国目前在役的电动机中，尚有4亿KW的高能耗电动机，这些电动机的损耗占额定出力的10％～23％，具有极大的节能降耗潜力。因此，为提高国民经济产值，对电动机进行节电研究，是一件具有很大经济效益和社会效益的事。
本文的研究对象是经常处于轻载或空载状态下运行的变频调速异步电动机。在这种情况下，电动机成为一个接近于纯电感的负载，造成电力系统无功功率消耗的增加，引起不必要的有功功率损耗，运行效率下降。因此，本文的研究目标是：对于这种状态下的电动机，寻找合适的磁通，使其在最优磁通下运行，使其在能安全带动负载的前提下，自身损耗尽可能的小，即提高异步电动机轻载或空载时运行的效率。
为此，本文分析了变频调速异步电动机轻载或空载时的运行特性，利用最优控制规律，得出了其轻载或空载时的调节磁通节能规律，并对最优磁通下变频调速异步电动机提出了节能算法。为了解决电动机受到扰动后在定子频率改变的情况下对电机参数的影响问题，本文又以异步电动机频率改变下电机参数作为可调模型，利用自适应控制规律，提出了异步电动机的参考模型自适应控制方案，得出了其自适应控制规律的求解方程，并在实际装置上对该方案进行了检验。为了避免一般电力电子调压装置的谐波损耗和污染问题，本文将空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术用于三相交流电机的变频调速节能控制。
为了实现对变频调速异步电动机节能时的实时控制，本文设计了调压／频比(即调磁通)节能装置和以大功率电力电子器件IPM为开关组件的三相交流控制电路，解决了IPM的过流、过压保护问题。控制装置是基于双CPU的TMS320LF2407和AT89C51，其主要功能是实现变频调速异步电机的节能控制及运行状态显示功能。
In China, asynchronous motors are widely used in many aspects and they play an essential role in modern society. Now there is a great shortage of electrical power in most areas of China. References of electrical power department show that the load caused by the use of asynchronous motors takes eighty percent of the whole. So, it is both necessary and beneficial to study how to reduce the loss and improve the efficiency of asynchronous motors.
The VVVF asynchronous motors studied in this paper often run under the circumstances of low load or no load. Under these conditions, they can be nearly considered as a pure inductance that cause the increase of reactive power and more unnecessary losses of active power. And all of these will result in the decrease of their efficiency. So what this paper is going to achieve is, to those asynchronous motors with low load or no load, to seek for a proper ratio of voltage to frequency and when the motors run with it, their active power loss will be decreased as much as possible while they can burden their load safely. That is to say, this paper is going to find the way to improve the efficiency of VVVF asynchronous motors with low load or no load.
To achieve the goal, this paper analyses the VVVF asynchronous motors' characteristics which run with low load or no load. Firstly we find that the active power losses in motors can be lowered when both the input voltage and the frequency is adgusted and then we get the optimal principle about the value of the ratio of the voltage to frequency relative to various loads. Then we realize that the optimal principle doesn't fit the disturbed motors in real operation very well. So another adaptive method is put forward in this paper and we conclude a principle of adaptive by means of adjuestion of parameter of motor. To eliminate the harmonic comes out when both the voltage ang frequency is adjusted by the PWM modulation, we apply the SVPWM wave that is able to efface specific harmonic which should disappear.
To make these theory realizations, we design a device which can supervise the running of motors and adjust ratio of the voltage to frequency offered to them. The Computer is the DSP that is used to control motor. In addition, we design a circuit whose main components are IPM. It is this circuit that is used to adjust ratio of the voltage to frequency by using the SVPWM wave.
本文的研究对象是经常处于轻载或空载状态下运行的变频调速异步电动机。在这种情况下，电动机成为一个接近于纯电感的负载，造成电力系统无功功率消耗的增加，引起不必要的有功功率损耗，运行效率下降。因此，本文的研究目标是：对于这种状态下的电动机，寻找合适的磁通，使其在最优磁通下运行，使其在能安全带动负载的前提下，自身损耗尽可能的小，即提高异步电动机轻载或空载时运行的效率。
为此，本文分析了变频调速异步电动机轻载或空载时的运行特性，利用最优控制规律，得出了其轻载或空载时的调节磁通节能规律，并对最优磁通下变频调速异步电动机提出了节能算法。为了解决电动机受到扰动后在定子频率改变的情况下对电机参数的影响问题，本文又以异步电动机频率改变下电机参数作为可调模型，利用自适应控制规律，提出了异步电动机的参考模型自适应控制方案，得出了其自适应控制规律的求解方程，并在实际装置上对该方案进行了检验。为了避免一般电力电子调压装置的谐波损耗和污染问题，本文将空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术用于三相交流电机的变频调速节能控制。
为了实现对变频调速异步电动机节能时的实时控制，本文设计了调压／频比(即调磁通)节能装置和以大功率电力电子器件IPM为开关组件的三相交流控制电路，解决了IPM的过流、过压保护问题。控制装置是基于双CPU的TMS320LF2407和AT89C51，其主要功能是实现变频调速异步电机的节能控制及运行状态显示功能。
In China, asynchronous motors are widely used in many aspects and they play an essential role in modern society. Now there is a great shortage of electrical power in most areas of China. References of electrical power department show that the load caused by the use of asynchronous motors takes eighty percent of the whole. So, it is both necessary and beneficial to study how to reduce the loss and improve the efficiency of asynchronous motors.
The VVVF asynchronous motors studied in this paper often run under the circumstances of low load or no load. Under these conditions, they can be nearly considered as a pure inductance that cause the increase of reactive power and more unnecessary losses of active power. And all of these will result in the decrease of their efficiency. So what this paper is going to achieve is, to those asynchronous motors with low load or no load, to seek for a proper ratio of voltage to frequency and when the motors run with it, their active power loss will be decreased as much as possible while they can burden their load safely. That is to say, this paper is going to find the way to improve the efficiency of VVVF asynchronous motors with low load or no load.
To achieve the goal, this paper analyses the VVVF asynchronous motors' characteristics which run with low load or no load. Firstly we find that the active power losses in motors can be lowered when both the input voltage and the frequency is adgusted and then we get the optimal principle about the value of the ratio of the voltage to frequency relative to various loads. Then we realize that the optimal principle doesn't fit the disturbed motors in real operation very well. So another adaptive method is put forward in this paper and we conclude a principle of adaptive by means of adjuestion of parameter of motor. To eliminate the harmonic comes out when both the voltage ang frequency is adjusted by the PWM modulation, we apply the SVPWM wave that is able to efface specific harmonic which should disappear.
To make these theory realizations, we design a device which can supervise the running of motors and adjust ratio of the voltage to frequency offered to them. The Computer is the DSP that is used to control motor. In addition, we design a circuit whose main components are IPM. It is this circuit that is used to adjust ratio of the voltage to frequency by using the SVPWM wave.
引文
[1] 《电动机节能技术》 陈丕璋等 科学出版社
[2] 《节能降损技术手册》 齐义禄等 中国电力出版社 1995
[3] 《电动机节能改造实用手册》 陆安定等 上海科学技术出版社
[4] 《现代逆变技术及其应用》李爱文等 科学出版社 2000
[5] 《电子技术基础》康华光 高等教育出版社 1998
[6] 《自适应控制系统》 韩曾晋 机械工业出版社 1983
[7] 《最优控制理论及应用》 解学书 清华大学出版社
[8] 《电机学》 许实章 机械工业出版社 1981
[9] 《电机学》(第三版) 李发海等 科学出版社 2001
[10] 《电机学》 浙江大学电机教研室 浙江大学出版社 1990
[11] 《交流电机及其系统的分析》 高景德等 清华大学出版社
[12] 《电力电子学》 贾正春等 华中理工大学出版社 1993
[13] 《现代电力电子》 张立等 科学出版社
[14] 《电力系统自动装置原理》 杨冠城 水利电力出版社 1994
[15] 《微型机继电保护基础》 杨奇逊 中国电力出版社 1988
[16] 《微型计算机接口技术原理及应用》 刘乐善等 华中理工大学出版社
[17] 《Intel 16位单片机》 孙涵芳等 北京航天航空大学出版社 1995
[18] 《MCS-51系列单片机实用接口技术》 李华等 北京航空航天大学出版社
[19] 《TMS320LF24XDSP C语言开发应用》 刘和平等 北京航空航天大学出版社
[20] 《DSP应用系统设计》 赵勇等 电子工业出版社
[21] 《单片机实用系统设计技术》 房小翠等 国防工业出版社 1996
[22] 《计算机通信技术》 阮家栋等 电子工业出版社 1996
[23] 《实时控制系统软件设计原理及应用》 张云生 国防工业出版社 1998
[24] 《Visual Basic与RS232串行通信控制》 范逸之等 中国青年出版社
[25] 《基于Visual C++的上位机和PLC的通信实现》 李志虎等《计算机工程》2000
[26] 《C程序设计》 谭浩强 清华大学出版社 1991
[27] 《Visual C++6.0程序设计自学教程》 康博创作室 清华大学出版社 1999
[28] 《Microsoft Win32程序员参考大全》 Microsoft Corporation
清华大学出版社1995
[29] 《PWM变频调速及软开关电力变换技术》 陈国呈 机械工业出版社 2002
[30] 《空间矢量PWM的快速算法》 许强 《电力电子技术》2000年第6期
[31] 《电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究》 熊建等《电力电子技术》 1999年第1期
[32] 《微机控制的PWM波变频调速系统》 叶晓燕等 《电气自动化》 1989／01
[33] 《微机在线控制PWM的分析计算方法》 唐嘉亨等《电力电子技术》 1994／04
[34] 《电机控制专用集成电路》 谭建成等 机械工业出版社 1997
[35] 《浅谈大功率IGBT的驱动问题》 李宏等 《电气传动》 1992／04
[36] 《SPWM变频调速应用技术》 张燕兵 机械工业出版社 2002
[37] 《最优控制下不均匀负荷异步电动机调压节能研究》(博士论文) 孙云莲 武汉水利电力大学 1999
[38] 《利用双CPU方式的PWM消谐三相交流调压及电路实现》 孙云莲等《武汉水利电力大学学报》 2000／02
[39] 《交流采样在电机测试中的应用》 康尔良等 《中小型电机》 2001／03
[40] 《单片机与微计算机间串行通讯的研究》 李涛 《现代电子技术》 1998
[41] 《Optimal Efficiency Drice of a Current Source Inverter Fed Induction Motor b Flux Control》, H.G.Kim et al, IEEE Transaction On Industrial Applications, Vol.ⅠA-20 No.6 FEBR1984
[42] 《Minimizing Induction Motor Losses by Excitation Control in Variable Frequency Drives》, D.S.Kirschen et al, IEEE.TRANS.on Industry Applications vol.ⅠA-20,no.5 1984
[43] 《Optimal Pulse width Modulation For Feeding AC Motors》, G.S.Buja, IEEE.TRANS.on I.A.. 1977, 13(1):38-44
[44] 《Analysis and Realization of Pulse Width Modulator Based on Voltage Space vectors》, W.Heizn, IEEE.TRANS.on I.A..1998, 24(1):142-150
[45] 《New PWM Method for Fully Digitized Inverters》, Y.Murai, IEEE.TRANS.on.I.A..1987, 23(5):887-893
[2] 《节能降损技术手册》 齐义禄等 中国电力出版社 1995
[3] 《电动机节能改造实用手册》 陆安定等 上海科学技术出版社
[4] 《现代逆变技术及其应用》李爱文等 科学出版社 2000
[5] 《电子技术基础》康华光 高等教育出版社 1998
[6] 《自适应控制系统》 韩曾晋 机械工业出版社 1983
[7] 《最优控制理论及应用》 解学书 清华大学出版社
[8] 《电机学》 许实章 机械工业出版社 1981
[9] 《电机学》(第三版) 李发海等 科学出版社 2001
[10] 《电机学》 浙江大学电机教研室 浙江大学出版社 1990
[11] 《交流电机及其系统的分析》 高景德等 清华大学出版社
[12] 《电力电子学》 贾正春等 华中理工大学出版社 1993
[13] 《现代电力电子》 张立等 科学出版社
[14] 《电力系统自动装置原理》 杨冠城 水利电力出版社 1994
[15] 《微型机继电保护基础》 杨奇逊 中国电力出版社 1988
[16] 《微型计算机接口技术原理及应用》 刘乐善等 华中理工大学出版社
[17] 《Intel 16位单片机》 孙涵芳等 北京航天航空大学出版社 1995
[18] 《MCS-51系列单片机实用接口技术》 李华等 北京航空航天大学出版社
[19] 《TMS320LF24XDSP C语言开发应用》 刘和平等 北京航空航天大学出版社
[20] 《DSP应用系统设计》 赵勇等 电子工业出版社
[21] 《单片机实用系统设计技术》 房小翠等 国防工业出版社 1996
[22] 《计算机通信技术》 阮家栋等 电子工业出版社 1996
[23] 《实时控制系统软件设计原理及应用》 张云生 国防工业出版社 1998
[24] 《Visual Basic与RS232串行通信控制》 范逸之等 中国青年出版社
[25] 《基于Visual C++的上位机和PLC的通信实现》 李志虎等《计算机工程》2000
[26] 《C程序设计》 谭浩强 清华大学出版社 1991
[27] 《Visual C++6.0程序设计自学教程》 康博创作室 清华大学出版社 1999
[28] 《Microsoft Win32程序员参考大全》 Microsoft Corporation
清华大学出版社1995
[29] 《PWM变频调速及软开关电力变换技术》 陈国呈 机械工业出版社 2002
[30] 《空间矢量PWM的快速算法》 许强 《电力电子技术》2000年第6期
[31] 《电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究》 熊建等《电力电子技术》 1999年第1期
[32] 《微机控制的PWM波变频调速系统》 叶晓燕等 《电气自动化》 1989／01
[33] 《微机在线控制PWM的分析计算方法》 唐嘉亨等《电力电子技术》 1994／04
[34] 《电机控制专用集成电路》 谭建成等 机械工业出版社 1997
[35] 《浅谈大功率IGBT的驱动问题》 李宏等 《电气传动》 1992／04
[36] 《SPWM变频调速应用技术》 张燕兵 机械工业出版社 2002
[37] 《最优控制下不均匀负荷异步电动机调压节能研究》(博士论文) 孙云莲 武汉水利电力大学 1999
[38] 《利用双CPU方式的PWM消谐三相交流调压及电路实现》 孙云莲等《武汉水利电力大学学报》 2000／02
[39] 《交流采样在电机测试中的应用》 康尔良等 《中小型电机》 2001／03
[40] 《单片机与微计算机间串行通讯的研究》 李涛 《现代电子技术》 1998
[41] 《Optimal Efficiency Drice of a Current Source Inverter Fed Induction Motor b Flux Control》, H.G.Kim et al, IEEE Transaction On Industrial Applications, Vol.ⅠA-20 No.6 FEBR1984
[42] 《Minimizing Induction Motor Losses by Excitation Control in Variable Frequency Drives》, D.S.Kirschen et al, IEEE.TRANS.on Industry Applications vol.ⅠA-20,no.5 1984
[43] 《Optimal Pulse width Modulation For Feeding AC Motors》, G.S.Buja, IEEE.TRANS.on I.A.. 1977, 13(1):38-44
[44] 《Analysis and Realization of Pulse Width Modulator Based on Voltage Space vectors》, W.Heizn, IEEE.TRANS.on I.A..1998, 24(1):142-150
[45] 《New PWM Method for Fully Digitized Inverters》, Y.Murai, IEEE.TRANS.on.I.A..1987, 23(5):887-893