專利名稱：高功率因數感應電動機直接功率控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及高功率因數感應電動機直接功率控制系統，屬電力電子與電力傳動領域，用于實現三相感應電動機在輕載或空載工況下的節能控制。
背景技術：
隨著科學技術的發展和生產水平的提高，對電能的需求量也越來越大。從世界各國總的用電情況看，電動機消耗的電能約占發電總量的60% 70%。在目前世界能源緊缺，電能供應不足的情況下，深入研究電動機的節能問題具有重要的現實意義。三相感應電動機是工業中廣泛使用的一類交流電動機，當三相感應電動機在輕載或空載工況下運行時，其功率因數僅能達到O. 1-0. 3，電機系統能耗較大。因此，提高三相感應電動機在輕載或空載工況下的功率因數，實現三相感應電動機的節能運行是需要重點突破的關鍵技術之一。三相感應電動機在不同負荷下，其運行效率是不一樣的。三相感應電動機一般都設計在接近滿負荷時，其運行效率為最高。而實際上，電動機往往在很大一部分時間內是在輕載，甚至是在空載下運行的。這就造成了很大的能量浪費。三相感應電動機節能目前通常采用以下兩種方法其一是設計高效電動機，但這種電動機在輕載時的效率仍然不理想；其二是采用交流調壓的方法，即根據電動機的負載變化，自動調節電動機的繞組兩端電壓，以減小輸入功率，提高電動機的運行效率，但該方法的三相逆變器需要采用晶閘管斬控電路，諧波含量高、振動噪聲大，嚴重影響電機壽命。

發明內容
本發明解決的技術問題是克服了現有三相感應電動機交流調壓節能控制方法由于采用了可控硅交流調壓，當導通角較小時，電流波形出現斷續，功率因數難以檢測，并且避免了電網三相嚴重不平衡時影響調壓節能變頻器安全運行的問題，提供一種三相感應電動機直接功率控制系統，大大提高了三相感應電動機輕載或空載工況下的運行效率。本發明的技術解決方案高功率因數感應電動機直接功率控制系統，其特征在于包括數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器1、三相橋功率放大器2、三相橋驅動電路3、三相感應電動機4、三相二極管整流器5、功率因數檢測環節6、電流檢測環節7、編碼器轉速檢測環節8、+24V開關電源9、+15V開關電源10、±12V開關電源11、+5V開關電源12，功率因數檢測環節6、電流檢測環節7和編碼器轉速檢測環節8的輸出連接到數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器1，數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I輸出的6路PWM信號連接到三相橋驅動電路3，三相橋驅動電路3接三相橋功率放大器2，電網輸入的三相動力電經過三相二極管整流器5連接到三相橋功率放大器2，三相橋功率放大器2的輸出接三相感應電動機4，+5V開關電源12經電平轉換后接數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器1，±12V開關電源11接功率因數檢測環節6和電流檢測環節7，三相橋驅動電路3由+15V開關電源10供電，當三相感應電動機4在額定負載的10% 60%工況下運行時，為了使電機工作電流最小，并提高功率因數，采用雙路并行控制器結構，其中一路為轉速外環、有功功率內環控制器，通過調節負載角控制有功功率，達到控制電磁轉矩的目的；另一路是無功功率控制器，將無功功率等于零作為無功功率控制器給定，改變定子磁鏈幅值來調節無功功率，在不影響有功功率的情況下調整無功功率使之趨于零，實現節能控制，轉速外環控制算法、有功功率內環控制算法和無功功率控制算法在數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I中實現。本發明的原理是如圖3所示，所述的數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器從與三相感應電動機相接的編碼器轉速檢測環節獲取轉速反饋信號，數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器將參考轉速信號與反饋轉速信號作差，作為PID轉速控制算法的輸入量，PID轉速控制算法經數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器運算后的輸出量作為有功功率滯環控制算法的有功功率參考，有功功率的反饋值由電流檢測環節檢測的瞬時值經過abc坐標系到α β坐標系變換后計算獲得，有功功率參考值和反饋值作差后經滯環控制算法后輸出一個有功調節開關量，PID轉速控制算法和abc坐標系到α β坐標系變換均在數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器中實現。同樣，無功功率的參考輸入置零，無功功率的反饋值也是由電流檢測環節檢測的瞬時值經過abc坐標到α β坐標變換后計算獲得，無功功率參考值和反饋值作差后經滯環控制算法運算后輸出無功調節開關量。根據兩個滯環輸出的有功調節開關量和無功調節開關量以及定子繞組磁鏈所在的扇區選擇合適的電壓矢量來生成6路PWM信號，6路PWM信號經三相橋驅動電路觸發相應的三相橋功率放大器的功率器件導通來控制定子繞組磁鏈按期望的軌跡和速度運行，實現三相感應電動機的直接功率控制。同時數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器依據功率因數檢測環節6獲得三相感應電動機瞬時功率因數來調節無功功率。本發明與現有技術相比的優點在于(I)與采用矢量控制的三相感應電動機控制系統相比具有算法簡單、運算量小、可以調節無功功率，有效提高功率 因數，從而實現低負載工況下三相感應電動機的節能。(2)通過滯環控制生成開關信號，可實現對系統的瞬時有功功率和無功功率進行準確控制，并且對系統負載突變具有良好的動態響應性能。


圖1為本發明的高功率因數感應電動機直接功率控制系統的組成框圖；圖2為本發明的數字信號處理器TMS320F2808為核心控制器的直接功率控制系統結構圖；圖3為本發明的直接功率控制原理框圖。
具體實施例方式如圖1，本發明由數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器1、三相橋功率放大器2、三相橋驅動電路3、三相感應電動機4、三相二極管整流器5、功率因數檢測環節6、電流檢測環節7、編碼器轉速檢測環節8、+24V開關電源9、+15V開關電源10、土 12V開關電源11、+5V開關電源12，功率因數檢測環節6、電流檢測環節7和編碼器轉速檢測環節8的輸出連接到數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器1，數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I輸出的6路PWM信號連接到三相橋驅動電路3，三相橋驅動電路3接三相橋功率放大器2，電網輸入的三相動力電經過三相二極管整流器5連接到三相橋功率放大器2，三相橋功率放大器2的輸出接三相感應電動機4，+5V開關電源12經電平轉換后接數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器1，+12V開關電源11接功率因數檢測環節6和電流檢測環節7，三相橋驅動電路3由+15V開關電源10供電，當三相感應電動機4在額定負載的10% 60%工況下運行時，為了使電機工作電流最小，并提高功率因數，采用雙路并行控制器結構，其中一路為轉速外環、有功功率內環控制器，通過調節負載角控制有功功率，達到控制電磁轉矩的目的；另一路是無功功率控制器，將無功功率等于零作為無功功率控制器給定，改變定子磁鏈幅值來調節無功功率，在不影響有功功率的情況下調整無功功率使之趨于零，實現節能控制，轉速外環控制算法、有功功率內環控制算法和無功功率控制算法在數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I中實現。當三相感應電動機4在一定轉速和負載工況下運行時轉速反饋信號從編碼器轉速檢測環節8獲取，編碼器轉速檢測環節8的輸出信號由數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I的捕獲單元進行捕獲，功率因數檢測環節6和電流檢測環節7的輸出信號由數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I的A/D模塊進行采樣，數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I輸出的6路PWM信號經三相橋驅動電路3進行功率放大后觸發三相橋功率放大器2相應的功率器件,驅動三相感應電動機4實現轉速控制和功率調節，三相橋功率放大器2由三相二極管整流器5的輸出供電，三相橋驅動電路3由+15V開關電源10供電，數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I由+5V開關電源12供電，功率因數檢測環節6和電流檢測環節7由12V開關電源11供電，24V開關電源9用于三相二極管整流器5的軟起動供電。如圖2所示，本發明的數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I由數字I/O模塊和捕獲單元模塊、A/D模塊、CPU、存儲器和PWM波形發生模塊組成。當三相感應電動機4控制系統給定參考轉速并起動運 行時，數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I中的捕獲單元模塊從編碼器轉速檢測環節8獲取轉速反饋信號，將參考轉速與反饋轉速做差后輸入到PID轉速控制器，PID轉速控制器的輸出作為有功功率環滯環控制算法的有功功率參考，與經過數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I的A/D模塊采樣得到的電流經坐標變換和瞬時功率計算獲得的有功功率反饋值相減，差值作為有功功率環滯環控制算法的輸入量，有功功率環滯環控制算法的輸出量經以數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I的PWM波形發生模塊中的比較寄存器的值進行比較生成PWM波形，PWM信號經三相橋驅動電路3，觸發相應的三相橋功率放大器2的功率器件導通來調節三相感應電動機4的轉速。依據功率因數檢測環節6獲得三相感應電動機瞬時功率因數來調節無功功率。圖3中的abc坐標系到α β坐標變換、PID轉速控制算法、瞬時有功功率計算和瞬時無功功率計算以及兩個并聯結構滯環控制和開關表的生成均在圖1中的數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器I中實現。本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。以上所述，僅為本發明部分具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領域的人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.高功率因數感應電動機直接功率控制系統，其特征在于包括數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)、三相橋功率放大器(2)、三相橋驅動電路(3)、三相感應電動機(4)、三相二極管整流器(5)、功率因數檢測環節(6)、電流檢測環節(7)、編碼器轉速檢測環節(8)、+24V開關電源(9)、+15V開關電源(10)、±12V開關電源(11)和+5V開關電源(12);其中功率因數檢測環節(6)、電流檢測環節(7)和編碼器轉速檢測環節(8)的輸出連接到數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I )，數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)輸出的6路PWM信號連接到三相橋驅動電路(3)，三相橋驅動電路(3)接三相橋功率放大器(2)，電網輸入的三相動力電經過三相二極管整流器(5)連接到三相橋功率放大器(2)，三相橋功率放大器(2)的輸出接三相感應電動機(4)，+5V開關電源(12)經電平轉換后給數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)供電，± 12V開關電源(11)給功率因數檢測環節(6)和電流檢測環節(7)供電，三相橋驅動電路(3)由+15V開關電源(10)供電；當三相感應電動機(4)在額定負載的10 % 60 %工況下運行時，為了使電機工作電流最小，并提高功率因數，采用雙路并行控制器結構，其中一路為轉速外環、有功功率內環控制器，通過調節負載角控制有功功率，達到控制電磁轉矩的目的；另一路是無功功率控制器，將無功功率等于零作為無功功率控制器給定，改變定子磁鏈幅值來調節無功功率，在不影響有功功率的情況下調整無功功率使之趨于零，實現節能控制，轉速外環控制算法、有功功率內環控制算法和無功功率控制算法在數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)中實現。
2.根據權利要求1所述的高功率因數感應電動機直接功率控制系統，其特征在于所述的數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)從與三相感應電動機(4)相接的編碼器轉速檢測環節(8)獲取轉速反饋信號，數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)將參考轉速信號與反饋轉速信號作差，作為在數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I) PID轉速控制算法的輸入量，PID轉速控制算法經數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)運算后的輸出量作為有功功率滯環控制算法的有功功率參考，有功功率的反饋值由電流檢測環節(7)檢測的瞬時值經過abc坐標系到α β坐標系變換后計算獲得，有功功率參考值和反饋值作差后經滯環控制算法后輸出一個有功調節開關量；同樣，無功功率的參考輸入置零，無功功率的反饋值也是由電流檢測環節(7)檢測的瞬時值經過abc坐標系到α β坐標系變換后計算獲得，無功功率參考值和反饋值作差后經滯環控制算法運算后輸出無功調節開關量；根據數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)中實現的兩個滯環輸出的有功調節開關量和無功調節開關量以及定子繞組磁鏈所在的扇區選擇合適的電壓矢量來生成6路PWM信號，6路PWM信號經三相橋驅動電路(3)觸發相應的三相橋功率放大器(2)的功率器件導通來控制定子繞組磁鏈按期望的軌跡和速度運行，實現三相感應電動機(4)的高功率因數功率控制；數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器(I)依據功率因數檢測環節(6)獲得三相感應電動機瞬時功率因數來調節無功功率。
全文摘要
高功率因數感應電動機直接功率控制系統，實現三相感應電動機在輕載或空載情況下的節能控制，它主要由數字信號處理器TMS320F2808為核心的控制器、三相橋功率放大器、三相橋驅動電路、三相感應電動機、三相二極管整流器、功率因數檢測環節、電流檢測環節、編碼器轉速檢測環節、功率因數測量環節、+24V開關電源、+15V開關電源、±12V開關電源、+5V開關電源等組成。本發明通過采用功率因數測量的直接功率控制方法，控制三相感應電動機在輕載或空載工況下的定子磁鏈幅值，調節電動機瞬時無功功率，從而有效提高電動機功率因數，達到良好的節能效果。
文檔編號H02P21/14GK103066914SQ201210563119
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者王志強, 安俊佶, 張金保, 楊金柱 申請人:北京航空航天大學