全数字无速度传感器电流型变频调速系统

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.03.025 第22卷第3期 北京科技大学学报 VoL22 No.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 全数字无速度传感器电流型变频调速系统 孟文博” 孟文涛) 王志良” 1)北京科技大学信息工程学院，北京1000832)蒙达发电有限贵任公司，内蒙古014300 摘要提出了基于无速度传感器矢量控制的电流型变颜调速系统，并介绍了负载开路时，晶 闸管保护的方法，电动机侧并联LC谐波滤波器的作用. 关键词矢量控制：速度传感器：晶闸管保护 分类号TP272;TP212 电流型变频调速系统适用于快速加减速的交 在磁通不变时，转差角频率 流异步电动机调速场合，但是普通电流型变频调 △0=K, (2) 速系统存在换相浪涌电压、输出电流方波、主回 以平，为零进行调节控制（采用PI调节器）， 路开路损坏设备、低频力矩小的缺点.本文讨论 并令调节器输出为ω，即得电动机转子旋转速 的全数字变频调速系统，主电路配有换相吸收、 度的估计式 无功功率补偿、谐波滤波电路，运行时主回路突 ,=Kg+K∫w,d (3) 然开路不损坏设备.控制电路选用多片80196KC 整流桥电流给定I 单片机田，以转子磁链在9轴分量妙，为零作为控 1=√+话 (4) 制的基础，并进行电机转速估计.此电流型变 B=tan i (5) 频器作为太原钢铁公司的辊道配套，并用于昆明 磁链观测器的基本公式 轻工机械厂250kW甩糖机配套. 2之小u-Ra-L] (6) 1无速度传感器矢量原理及系统组成 vi(U-Ripd-Li (7) 同步角频率ω=0，+△ω (1) W=Ws,cose-wa,sine (8) 50Hz380V 1=(+02 B=tan(i/i,) B LT d/dr + 功放 转差频率 △+ 运算 积分日 触发 Ψa 2S/2R 速度估计 转子磁 变换 电流 链观察 电压 检测 图1无速度传惑器矢量控制原理图 Fig.1 No-speed-sensor vector control theory figure 1999-10-15收稿孟文博男，34岁，讲师，硕士 *国家教委博士点基金项目QNo.083950)

第 卷 第 期 以 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ’ 全数字无速度传感器 电流型变频调速系统 孟文博 ” 孟文涛 ” 一 丁 ‘大丫山 良十、 ‘ 北京科技大学信息工程学院 ，北京 蒙达发电有限责任公司 ， 内蒙古 摘 要 提 出 了基 于 无速度传感器矢量控制 的 电流型变频调速系统 ， 并介绍 了负载开路 时 ， 晶 闸管保护 的方 法 ， 电动 机侧 并联 谐波滤波 器 的作用 关键词 矢 量控制 速度传 感器 晶 闸管保护 分 类号 开 电流型变频调速系统适用于快速加减速的交 流异步 电动机调速场合 但是普通 电流型变频调 速系统存在换相浪涌 电压 、 输出电流方波 、 主 回 路开路损坏设备 、 低频力矩小 的缺点 本文讨论 的全数字变频调速系统 ， 主 电路配有换相吸 收 、 无功功率补偿 、 谐波滤波电路 ， 运行时主 回路突 然开路不损坏设备 控制 电路选用多片 单片机 ‘ ， 以转子磁链在 轴分量叭 为零作为控 制 的基础 【 ， 并进行 电机转速估计 此 电流型变 频器作为太原钢铁公司 的辊道配套 ， 并用于 昆明 轻工机械厂 甩糖机配套 在磁 通不 变时 ， 转差 角频 率 △。 以 讯 为零进行调 节控制 采 用 调 节器 ， 并令调节 器输 出为山 ， 即得 电动机转 子旋 转速 度 的估计 式 。 一 凡、 了、 ︸ 、、户了、产少、产‘ 勺‘月才了、 ‘ 、气了、尸 整 流桥 电流给定 一 创 尸 无不哥 。 ，。 ， 一 互 磁链观 测器 的基 本公 式 叭 ， 无速度传感器矢量原理及系统组成 同步 角频 率。 。 △。 物 ， 贪丁 一 一 ， 、 〕 食 〔了。 一 。 卜 ， 。 〕 叭 物 ， 一 稀 ， 卜 训 ” 声 一 ， 酬， 几 ， 牢 功奋 放 转、 差频率 二 二 石自 ‘ 止 一上 谏 磨括计 】 一 电流 月 · 电压 巴当 图 无速度传感器矢量控制原理图 户 叮 飞 碑 望珍 乐 收稿 孟文博 男 ， 岁 ， 讲师 ， 硕士 国家教委博士 点基金项 目伽 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．03．025

·282。 北京科技大学学报 2000年第3期 0=∫vdt (9) LC谐波滤波器后，谐波滤波器对于50Hz呈容 2系统主电路设计 性，即相当于电动机侧并联补偿电容器，电流型 shug 21整流、逆变侧■闸管配套过电压保护器件 电流型变频调速系统在工作时主回路突然 开路，由于没有续流回路，会导致整流和逆变侧 品闸管过压击穿，采用压敏电阻箝位可以实现 过压保护，但这种保护方式的最大缺点是，当电 1200=5ms 感储能大（设备容量大）时，压敏电阻不能及时 释放掉电感储能，导致发热爆炸，采用阻容吸收 图2C滤凌后战电压波形 Flg2 Line voltage curve after LC flter 电路也可以实现过压保护.这种保护电路是依 变频装置以正弦波电压供电，感性电动机和容性 靠电感电流流入电容器来实现能量交换的，电 LC诸振滤波器组成的呈微感的负载，因此输入 感储能小时电容器电压升高小，晶闸管不会过 到电机的电流接近正弦波，实际运行效果见图3， 压：电感储能大时，吸收电路中的电容器很快被 充电到高压，当此电压超过晶闸管的耐压值后， 晶闸管被损坏 本文采用的晶闸管过电压保护器件可以使 过电压的晶闸管开通，其基本原理是，当过电压 保护器件检测到被保护的晶闸管过压时，发脉 冲使此晶闸管导通，让同一桥臂的2个晶闸管 同时导通，由晶闸管一电感一负载（电源）一晶 图3LC滤波后电流波形 闸管组成续流回路，使电感电流下降到零.例 Fig.3 Current curve after LC flter 如，整流侧1,2晶闸管导通，电源突然断电，过 并联LC谐波滤波器，减小了换相电路对负 电压保护器件检测到4号晶闸管承高压，无条 载的依赖性.在实验中发现，加并联LC谐波滤 件使4号导通，由1,4晶闸管构成电感放电回 波器后，由于负载感性减小，有助于换相.高频 路，极大地提高了电流型变频调速装置非正常 (40Hz以上)运行时，LC谐波滤波器可提高功率 供电时设备的可靠性。 因数，50Hz时功率因数可提高到0.95.以太原 2.2电动机侧并联LC端波滤波器 钢铁公司辊道应用情况为例，24台14kW电机， 电流型变频调速装置换相浪涌电压将直接 运行功率因数为0.5，加LC滤波器后，电流型变 威助晶闸管和电动机的安全运行，本系统电机 频调速系统输出电流由216A降至108A. 侧并联LC谐波滤波器后，可以完全消除换相浪 涌电压.在无换相液涌电压吸收电路，电动机输 3控制电路设计及软件设计思想 入电压为正弦线电压迭加(4L3C)浪涌电压， 本系统控制系统部分由3个80196KC单片 需提高电机绝缘和晶闸管耐压值，选择高压换 机和3个8751单片机及外圈电路组成的管理、 相电容器。电动机进线侧并联LC谐波滤波器 整流、变频、显示4块板组成.管理板完成频率、 (谐振频率选择在1kHz左右)，高频换相电流被 电流计算，故障检测：整流板进行PI运算、垂直 LC谐振电路短路不流入电动机，因此不会产生 移相、整流脉冲输出：变频板的作用为磁通观 换相浪涌.运行效果见图2.由图2可见，流入电 测、速度估计、转差频率运算、整流电流给定运 机的电压波形接近正弦波，换流电容器可以选 算、逆变触发等：显示板显示运行信息、故障信 择耐压低的电容器， 息，并进行可编程的变频给定和给定积分运算， 频率较高时，电流接近正弦，普通电流型变 颊调速装置矩形波电流供电，造成电动机谐波 3,1同步检测及电网领率自适应和硬件设计 同步变压器选用△Y-11,反相序时，同步变 损耗和电机转矩脉动，电动机高频工作时，铁耗 压器变成△Y-1:相序检测见图4.根据图4接 加大、电动机运行效率下降引起温升过高.加 法，-UTA经RC移相及4O106反相输入计算机

VoL.22 No.3 孟文博等：全数字无速度传感器电流型变颍调速系统 ·283· P22外中断口，-UTB经RC移相及40106反相 运算结果计算整流电压，垂直移相查表求触发 输入计算机P23,计算机接收到同步信号(-UTA) 角.由于逆变侧直流电压是交变量，因此需高频 后，检测P23电平，若P23为高，是正相序，反之 采样，并采用滤波时间常数与逆变频率相匹配 为负相序：P22接收的中断滞后-UTA90°，由向 软件滤波.电流PI运算采用积分限幅、变比例系 量图可知，正相序1号晶闸管自然换相点超前 数（偏差小，比例系数小，偏差大，比例系数大）确 外同步30°，负相序1号晶闸管自然换相点超前 保系统动态的快速性、静态的稳定性， 外同步90°.对于正相序，外同步到后延时30°， 脉冲触发是靠软件定时器中断完成的.每 再加触发角触发导通1,2晶闸管.对于负相序， 次触发时间到，判别触发角是否增大，增大不进 外同步到后延时30°，再加触发角触发导通1,6 行触发，退出中断：否则触发当前晶闸管、修改 晶闸管，采用以上处理方法，对电源供电无相序 触发指针，并判下一个触发时间是否以过，没过 要求. 置下一个软件定时器中断触发时间，中断返回： 过时触发下一个晶闸管、修改触发指针， 1458 -UTA CD40106 33磁通观测和速度估计 1458 P22 ②> 磁通观测和速度估计采用“时间片”的方法， 在3.3ms内，等间距划分为4个时间段，根据任 -UTB 1458 务的适时性要求分别把不同计算任务安排在不 1458 CD40106 回.P23 同时间段内，并且采用累加代替积分算法 3.4低频PWM控制 离线计算脉宽调制的时域特性，作出PWM 1 3 正相序 6 6 表，变频板根据频率给定，自动在5Hz以下， 1 外中断 180°输出7波头：5~10Hz,180°输出5波头，10 1 3 ~20Hz,180°输出3波头，使输出电流接近正弦， 负相序2 6 4 2 提高低频力矩，减小脉动. 1 工外中断 4结论 图4正，负相序检测和换流图 现场运行一直无故障，说明本系统主电路 Fig.4 Positive,negative phase check figure 设计，可靠. 频率自适应设计思想为：相邻两同步时间 采用无速度传感器矢量控制提高了系统的 间隔与上次360°定时比较，根据运算结果适时 动态性能，甩糖机现场运行证明，系统频率跟踪 调整60°定时，自动使触发频率与电网频率同 速度快、静态精度高，具有良好的运用推广价值。 步，保证稳态时6个晶闸管触发对称，提高控制 精度.为提高抗扰能力每个360°循环，60°定时 参考文献 只作加1或减1运算，并设频率上下限幅 1孙涵芳.Intel6位单片机.北京：北京航空航天大学出 3.2整流电压计算 版社，1995 2韩炎清。电势定向式矢量变换控制交流调速系统.电 通过80196KC软件定时器每15°定时启动 气传动，1990,20(1)25 8次AD转换器，这8次AD分别为2次逆变侧 3 Depenbrock M.Direct Self Control(DSC)of Inverter Fed 直流电压、4次电流反馈、2次电网电压，60°求 Induction Machine.IEEE Trans Power Electronics,1998(5) 平均值，根据逆变侧直流电压、网压及电流差PI PE-3 All-Digital No-speed-sensor Vector Control Current-inverter Control System MENG Wenbo,MENG Wentao2, WANG Zhiliang 1)Information Engineering School,UST Beijing Bcijing 100083,China 2)Mengda Generate Electricity Co.Ltd,Neimenggu 014300,China ABSTRACT Deal with no-speed-sensor vector control current-inverter control,and the way of protect SCR when load ciruit open.The results showed that AC motor is filtered by LC filter. KEY WORDS speed-sensor;vector control;SCR protectl

孟 文博等 全数字无速度 传 感 器 电流 型变频调速 系统 外 中断 口 ， 一 经 移 相 及 反 相 输入计算机 ， 计算机接 收到 同步信号 抓刀认 后 ， 检测 电平 ， 若 为高 ， 是 正 相 序 ， 反 之 为 负相 序 接 收 的 中断滞 后一飞’ ， 由 向 量 图可 知 ， 正 相 序 号 晶 闸管 自然换相 点超前 外 同步 ， 负相 序 号 晶 闸管 自然换相 点超前 外 同步 对 于 正 相序 ， 外 同步到后 延 时 ， 再加 触发 角触 发 导通 ， 晶 闸管 对 于 负相 序 ， 外 同步到后 延 时 ， 再 加 触 发 角触 发 导通 ， 晶 闸管 采用 以上 处理 方法 ， 对 电源 供 电无相 序 要 求 吧阵世 ” 想 序尸 外 中断 图 案正 ，负相序检测和换流图 声 代 频 率 自适应 设计 思 想 为 相 邻 两 同步 时 间 间隔 与上 次 定 时 比较 ， 根据 运算结果适 时 调 整 定 时 ， 自动 使触 发频 率与 电 网频率 同 步 ， 保证稳态 时 个 晶闸管触发对称 ， 提高控制 精度 为提 高抗扰能力每个 循环 ， 定 时 只 作加 或 减 运算 ， 并设频 率上 下 限幅 整流 电压计算 通过 软件 定时器 每 定 时启动 次 了 转 换 器 ， 这 次 分别为 次逆变侧 直流 电压 、 次 电流 反 馈 、 次 电 网 电压 ， 求 平均值 ， 根据逆变侧直流 电压 、 网压 及 电流差 运算结果 计 算整 流 电压 ， 垂 直 移相 查 表求触 发 角 由于 逆变侧 直流 电压 是 交变 量 ， 因此 需 高频 采样 ， 并采用滤波时间常数与逆变频率相 匹 配 软件滤 波 电流 运算采用 积 分 限 幅 、 变 比例 系 数 偏差 小 ， 比例系数小 ， 偏差 大 ， 比例 系数大 确 保 系统 动 态 的快速性 、 静态 的稳 定 性 脉冲触发是靠软件定时器 中断完成 的 每 次触 发 时 间到 ， 判别 触发角是 否 增大 ， 增 大 不 进 行触 发 ， 退 出 中断 否 则触 发当前 晶 闸管 、 修 改 触 发指 针 ， 并判下 一个触 发 时 间是 否 以过 ， 没 过 置 下 一 个软件定 时器 中断触 发 时 间 ， 中断返 回 过 时触 发 下 一 个 晶 闸管 、 修改触 发 指针 磁通观测和速度估计 磁通观测和速度估计采用 “ 时间片 ” 的方法 ， 在 内 ， 等间距 划分 为 个 时间段 ， 根 据 任 务 的适 时性要 求分别把 不 同计 算任务安排在 不 同 时 间段 内 ， 并且采用 累 加 代 替积 分算 法 低频 、 控制 离线 计 算 脉 宽调 制 的 时 域特性 ， 作 出 表 ， 变频板根据频率给定 ， 自动 在 以下 ， 输 出 波头 一 ， 输 出 波 头 ， 佗 ， 输 出 波头 ， 使输 出 电流 接近 正 弦 ， 提 高低频 力矩 ， 减 小脉动 结论 现场 运行一 直无故障 ， 说 明本系统 主 电路 设 计 ， 可 靠 采用无速度传感器 矢量控制提高 了系统 的 动 态性 能 ， 甩糖机现场 运行证 明 ， 系统 频 率跟踪 速度快 、 静态精度高 ， 具有 良好 的运用推广价值 参 考 文 献 孙涵 芳 位单片机 北京 北京航空航天大学出 版社 ， 韩 炎清 电势定 向式矢量 变换控制 交 流 调 速系统 电 气传动 ， ， 口 ， · 一 一 一 一 为王万 肠 ，， 为历刃 环乞 ， ， 环月刀 馆 ， 为皿 ， 卫 ， 戒 不 ， 一 一 汀 ， 一