交流电动机调速及控制方法

学术论文 2016-02-18 15:41:53
  近年来,随着能源日益减少,新型节电设备的不断更新和科学技术的飞跃发展,合理化的设计和节电设备的日益广泛应用,给人们工作和生活带来了更多的方便。 
  1.交流电动机调速系统的发展过程 
  1.1交流电动机励磁调速。早期用原动机来驱动一台发电机,而通过控制发电机的励磁来调节发电机的输出电压,借此来调节被驱动电机的转速和电机有功功率输出,还可以关闭和起动电机。 
  1.2电流电动机可控整流调速。随着科学技术不断发展,发明了通过晶闸管的导通时间来控制电压(可控整流技术)。首先是调速系统响应速度得到了很大提高,并且很好地解决了低速情况下的电流断续问题。可控硅调速是用改变可控硅导通角的方法来改变电动机端电压的波形,从而改变电动机端电压的有效值,达到调速的。 
  2.交流电动机的调速原理 
  转速公式: 
  式中各项因子如下:f:电源频率;p:电动机磁极对数;s:转差率。 
  通过式(1)可以看出,在理想状态下(即以不考虑各项因子之间的相互影响为前提条件),想要调节交流电动机的速度,可以由以下三种方式来实现: 
  1)变极调速方式,即通过改变电机定子绕组的极数来控制电动机速度。但此方式有一定的局限性,因为它无法实现平滑调速,故而在很多要求高控制精度的工业生产场合并不适用。 
  2)变转差率调速方式,采用此方式有一个前提条件,即电机中旋转磁场的同步转速恒定,此时通过调节转差率s也可实现对电动机的调速,此方式的缺点是能耗较大,且效率较低,是一种得不偿失的调速方式,因而较少使用。 
  3)变频调速,即本设计所采用的调速方式,此方式是通过调节供电电源频率来实现对电动机的调速,其效率和能耗明显优于上述两种调速方式。 
  3.系统硬件设计 
  该系统的硬件部分大体上可以分成以下几个模块所组成:主电路、系统保护电路、控制电路和扩展电路。下图给出了硬件设计的主体结构,可以看出,主电路由整流滤波电路和SPWM逆变电路两个部分组成。其工作原理是把输入的单相交流电压通过整流滤波电路变为平滑的直流电压,然后再通过逆变电路对该直流电压进行斩波,形成电压和频率均可调的三相交流电供电机使用。(如图1) 
  3.1SPWM逆变电路模块。逆变电路采用SPWM的优势在于可以降低输出电压的谐波,使其输出电流更加符合正弦波,其功率开关器件拟采用智能功率模块(IPM),此模块是以绝缘栅双极晶体管为核心的。SPWM逆变电路模块的工作原理是:通过通用定时器发生单元、比较单元以及输出逻辑来生成三相六路SPWM波,在通过六个复用的I/O引脚输出给逆变电路驱动交流电动机的运行。 
  3.2控制电路模块。控制电路模块包括的部件有:频率输入电路、DSP最小系统电路等。该设计采用TMS320LF2407A型号DSP。它的优点在于可以将实时处理能力和控制器外设功能集于一身,这就大大简化了电路设计方案,以及提高了控制系统的运算速度,为整个系统的效率提升提供了有力的支撑。DSP最小系统是DSP硬件设计中的最为核心的一个环节,它的好坏直接决定了整个系统适用性的高低。它主要包括:电源电路、时钟电路、复位电路、接口JTAG电路、扩展SRAM等。 
  4.交流电动机调速系统方案论证 
  4.1单片机调速。随着全球范围的数字化控制系统的发展,人们对数字化信息的依赖程度也越来越高。实现调速系统全数字化控制不仅能使交流调速系统与信息系统紧密结合,而且可以提高交流调速系统自身的功能。由于交流电机控制理论不断发展,控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡、滤波器、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此,DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。在交流调速的全数字化的过程当中,各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。 
  4.2PWM调速。PWM控制是交流调速系统的控制核心,它可以完成任何控制算法的最终实现。 
  关于PWM控制方案已经在各领域有了多个版本的应用,尤其是微处理器技术应用在 
  PWM技术之后,总是不断有新的技术更新,从开始追求电压波形的正弦,到电流波形的正弦,再到磁通的正弦;从最初效率最大化、转矩脉动少到后来的以消除噪音为主攻课题,这些都是PWM控制技术的不断升级和完善。目前,越来越多的新方案不断地被提出和应用,说明这项技术的应用空间十分广泛。其中,空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统,基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而,当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时,上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于,其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制,完全不考虑过渡过程,系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。 
  异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统,很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩,但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换,则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来,进行分别控制。这样,通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机,从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。 
  参考文献 
  [1]樊新军. 永磁交流电动机的控制系统方案研究[J]. 产业与科技论坛,2013,07:69-70. 
  [2]李冠男,库国柱. 浅析交流电动机的调速方法[J]. 电子制作,2013,06:210.
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