專利名稱：智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及交流電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種智能雙控?cái)夭ㄊ?中壓電動機(jī)調(diào)速裝置。
背景技術(shù)：
中高壓電動機(jī)廣泛使用于風(fēng)機(jī)和水泵的拖動，若能利用調(diào)速來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量和水壓 調(diào)節(jié)，則可以節(jié)約大量的電能，所以市場對性能優(yōu)良、成本適中的中髙壓調(diào)速系統(tǒng)
的需求非常旺盛。以DSP、單片機(jī)等為代表的數(shù)字控制芯片的普及應(yīng)用和中、高檔 PLC控制系統(tǒng)的的深入開發(fā)應(yīng)用以及模糊邏輯智能控制策略的日益完善，為中壓交 流異步電動機(jī)調(diào)速的數(shù)字化智能化控制打下了基礎(chǔ)。
在交流電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，現(xiàn)有大功率^200KW)中壓(3 IOKV)交流異步 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要分為定子側(cè)變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子側(cè)串級調(diào)速兩大類，它們各自都存 在不足之處。
定子側(cè)變頻調(diào)速在電動機(jī)定子側(cè)接中壓變頻器，通過改變定子電壓和頻率來調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)速。中壓變頻器容量大，為電動機(jī)額定功率iV的1.2倍左右，變換電壓高，需 要許多電力電子器件串聯(lián)，系統(tǒng)龐大、復(fù)雜、價(jià)高，可靠性受影響。
在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子側(cè)串級調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)接不可控整流器及晶閘管逆變 器，通過改變逆變器觸發(fā)移相角來改變轉(zhuǎn)子電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)子電壓低(一般 〈IOOOV),加之風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載要求調(diào)速范圍小(一般40 50%),調(diào)速系統(tǒng)低壓(〈500V) 變換電能，且容量小(0.4 0.5 PN ),避免了中壓調(diào)速的困難。它的主要缺點(diǎn)是， 逆變器的移相控制導(dǎo)致運(yùn)行功率因數(shù)低，諧波大。
近年來開發(fā)出斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)也是接不可控整流器及晶閘管 逆變器，但在整流器和逆變器之間加入一級升壓斬波器，工作時(shí)晶閘管逆變器的觸 發(fā)移相超前角固定在最小值(3(T左右)不變，直流逆變電壓固定，通過改變斬波器 的占空比來改變轉(zhuǎn)子電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。和傳統(tǒng)串級調(diào)速相比，斬波式串級調(diào)速以較 小功率的低壓控制設(shè)備調(diào)節(jié)全功率中壓電機(jī)轉(zhuǎn)速，功率因數(shù)提高，諧波減小。如果電機(jī)負(fù)載為風(fēng)機(jī)和泵類之二次型負(fù)載，逆變器容量還可進(jìn)一步減至(0.2 0.3PN ), 但是，通過使用發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)仍然存在兩個(gè)問題
在電網(wǎng)故障，供電電壓突然大幅度降低或消失時(shí)，晶閘管逆變器將逆變顛覆， 損壞設(shè)備；
在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制中，升壓斬波器的控制由速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩部分構(gòu)成，由 于升壓斬波器控制特性的非線性，使得電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)在不同轉(zhuǎn)速下不同，電流調(diào) 節(jié)器參數(shù)調(diào)整很困難。
為了克服串級調(diào)速上述的缺陷，新一代的轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)采用電流峰值兩點(diǎn) 式的限流控制脈沖，控制升壓斬波器的開關(guān)管，根據(jù)調(diào)速的要求調(diào)節(jié)占空比，從而 改變直流逆變電壓，克服升壓斬波器控制特性的非線性的問題；利用絕緣門基晶體 管的關(guān)斷能力，在晶閘管逆變器逆變顛覆時(shí)切斷其直流主電路，實(shí)現(xiàn)了逆變顛覆保 護(hù)，解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的晶閘管逆變器在電網(wǎng)故障時(shí)損壞設(shè)備的問題。最近為了徹 底消除逆變顛覆問題，在上述新一代轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出了一種不產(chǎn)生 逆變顛覆的IGBT逆變器中壓電動機(jī)斬波式雙PLC數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。
通過用戶的實(shí)際使用，有用戶希望IGBT逆變器中壓電動機(jī)斬波式雙PLC數(shù) 字調(diào)速系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的的功能，具體是
1當(dāng)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電動機(jī)仍能調(diào)速運(yùn)行，而不是只能切換到全速
運(yùn)行；
2電動機(jī)從起動到調(diào)速或從調(diào)速到全速，或是故障切換均能無擾動地進(jìn)行， 而不是出現(xiàn)短暫的電動機(jī)速度波動過程；
3調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更簡單、性能更可靠、維護(hù)更方便。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種在全速與調(diào)速的雙向切換時(shí)實(shí)現(xiàn)無擾動，在數(shù)字 調(diào)速系統(tǒng)故障時(shí)仍可調(diào)速，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、操作維護(hù)方便的智能雙控?cái)?波式中壓電動機(jī)調(diào)速裝置。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，包括電動機(jī)系統(tǒng)和調(diào)速系 統(tǒng)，所述調(diào)速系統(tǒng)包括依次連接的不可控整流器、過壓保護(hù)控制器、升壓斬波器、 逆變器和逆變變壓器，所述逆變器采用全可控絕緣門雙極開關(guān)管IGBT，在所述不可 控整流器和升壓斬波器之間接有第一電流電壓采集系統(tǒng)，所述第一電流電壓采集系 統(tǒng)的輸出和所述過壓保護(hù)控制器連接第一可編程控制器以及與其連接的第一內(nèi)環(huán)電流控制器，所述第一可編程控制器以及與其連接的第一內(nèi)環(huán)電流控制器的PWM輸 出連接所述升壓斬波器的輸入端，在所述升壓斬波器和逆變器之間接有第二電流電 壓采集系統(tǒng)，所述第二電流電壓采集系統(tǒng)的輸出連接第二可編程控制器以及與其連 接的第二內(nèi)環(huán)電流控制器，所述第二可編程控制器以及與其連接的第二內(nèi)環(huán)電流控 制器的PWM輸出連接所述逆變器的輸入，所述第二可編程控制器以及與其相連的內(nèi) 環(huán)電流控制器實(shí)施對所述逆變器的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制，所述第二可編程控制器實(shí)施 對所述逆變器的電壓進(jìn)行控制，所述第一可編程控制器連接所述調(diào)速系統(tǒng)中的過流 過壓過熱檢測，以及連接所述電動機(jī)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)，所述第一可編程控制器和第 二可編程控制器互聯(lián)；所述第一可編程控制器以及與其相連的第一內(nèi)環(huán)電流控制器 實(shí)施對所述升壓斬波器的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制，所述第一可編程控制器實(shí)施對所述調(diào) 速系統(tǒng)的外環(huán)速度控制，同時(shí)實(shí)施對所述調(diào)速系統(tǒng)和電動機(jī)系統(tǒng)的程序控制以及對 所述的可調(diào)水阻器控制，其中第一可編程控制器和第二可編程控制器用于
(1) 調(diào)速系統(tǒng)開機(jī)上電后，對自身進(jìn)行初始化，使控制系統(tǒng)處于準(zhǔn)備工作狀
態(tài)；
(2) 讀入系統(tǒng)參數(shù)；
(3) 觸摸屏顯示開始工作，用戶輸入操作信息，如工藝類型、工藝參數(shù)等， 決定逆變電壓給定值；
(4) 由可調(diào)水電阻啟動器FR進(jìn)行啟動電機(jī)；
(5) 電動機(jī)啟動未轉(zhuǎn)換至調(diào)速前，斬波器BC脈寬跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)全速 至調(diào)速的無擾動切換；
(6) 檢測電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到額定值否，如果未達(dá)到，則返回步驟(5);
(7) 從第一電流電壓采集系統(tǒng)(UIM1)獲取信號來判斷檢測調(diào)速系統(tǒng)是否處 于正常工作狀態(tài)，如果不正常，進(jìn)入步驟(13);
(8) IGBT逆變器(Tl)投入工作，為升壓斬波器(BC)建立直流母線電壓；
(9) 當(dāng)電動機(jī)速度上升到調(diào)速預(yù)置值時(shí)，則調(diào)速系統(tǒng)無擾動地由水阻啟動器 (FR)切換到數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，升壓斬波器(BC)的脈寬給定切換至預(yù)置值；
(10) 在進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)后，內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)速度控制系統(tǒng)工作，采用電流 環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)和模糊PID的控制算法，保持電動機(jī)的速度恒定 和有良好的動、靜態(tài)品質(zhì)；(11) 在調(diào)速過程中，第一可編程控制器(PLC1)同時(shí)對水阻器的阻值進(jìn)行控 制，使之實(shí)時(shí)跟蹤當(dāng)前的調(diào)速值；
(12) 從第二電流電壓采集系統(tǒng)(UIM2)獲取信號檢測逆變回路是否存在過流、 過壓等故障，若無則跳至步驟(10);
(13) 系統(tǒng)保護(hù)，轉(zhuǎn)入可調(diào)水阻器的調(diào)速狀態(tài)。 本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述第一可編程控制器存
儲有輸入輸出子程序，通過觸摸屏可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定、控制器 類型選擇、工藝參數(shù)的保存和修改若干操作的輸入輸出子程序。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述第一可編程控制器存 儲有處理所述調(diào)速系統(tǒng)過流、過壓、過熱和缺相故障，以及所述電動機(jī)系統(tǒng)及環(huán)境 配套設(shè)備故障的報(bào)警子程序。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述第二可編程控制器設(shè) 置有RS232/RS485通信接口、 CAN現(xiàn)場總線、IP接口，并存儲有遠(yuǎn)程通訊管理子程 序，通過RS232/RS485通信接口和/或CAN現(xiàn)場總線和/或IP接口與監(jiān)控中心計(jì)算 機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程通訊，所述監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)直接對所述調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述的中壓電動機(jī)起動 時(shí)，所述升壓斬波器的脈寬跟隨電動機(jī)速度變化，在所述調(diào)速系統(tǒng)投入運(yùn)行后，所 述可調(diào)水阻器的阻值跟隨電動機(jī)速度變化。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障 時(shí)，立即進(jìn)行故障保護(hù)，電動機(jī)系統(tǒng)由所述調(diào)速系統(tǒng)切換到所述可調(diào)水阻器，維持 調(diào)速運(yùn)行。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述IGBT逆變器替換為 SCR逆變器。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述系統(tǒng)外環(huán)電壓控制可 采用模糊控制、PID控制和自調(diào)整參數(shù)模糊PID控制器。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述的內(nèi)環(huán)電流控制中， 逆變器的控制脈沖信號的產(chǎn)生選用一片F(xiàn)PGA來實(shí)現(xiàn)，其包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器，減計(jì) 數(shù)器，線性運(yùn)算放大器,其中FPGA部分連接可編程控制器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器部分連 接第一電流電壓采集系統(tǒng)的輸出，其一路輸出連接到另一個(gè)可編程控制器，另一路輸出連接到斬波器或逆變器。
本實(shí)用新型的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，所述的可編程控制器芯片 釆用SIMATIC S7-200或SIMATIC S7-300系列芯片。
本實(shí)用新型提供的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其有益的技術(shù)效果 是在保留現(xiàn)有的和最新的IGBT逆變器中壓電動機(jī)斬波式雙DSP數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)全部 優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，采用中高檔PLC取代DSP,使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)大為簡化，維護(hù)十分方便, 可靠性大大提高，同時(shí)為用戶自行拓展系統(tǒng)功能提供了可能性。由于采用可調(diào)水阻 器，水阻器的調(diào)節(jié)與斬波器的電壓調(diào)節(jié)同步，使得調(diào)速器的投入和切除均為無擾動, 并在調(diào)速器故障時(shí)也能實(shí)現(xiàn)電動機(jī)變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速。
下面將結(jié)合實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說明，以對本實(shí)用新型的目的、特征和優(yōu) 點(diǎn)有深入的理解。


圖1是本實(shí)用新型智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置的電路圖一(用于中壓
普通繞線式異步電動機(jī))；
圖2是本實(shí)用新型調(diào)速系統(tǒng)中IGBT逆變器的主電路圖3是本實(shí)用新型調(diào)速系統(tǒng)中數(shù)字化智能控制系統(tǒng)硬件的兩層結(jié)構(gòu)圖4是本實(shí)用新型調(diào)速系統(tǒng)中IGBT逆變器電流電壓環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)圖5是本實(shí)用新型調(diào)速系統(tǒng)中IGBT逆變器雙閉環(huán)控制的原理圖6是本實(shí)用新型調(diào)速系統(tǒng)中IGBT逆變器的主程序流程圖7是本實(shí)用新型調(diào)速系統(tǒng)IGBT逆變器外環(huán)電壓的模糊PID控制原理圖8是本實(shí)用新型調(diào)速系統(tǒng)IGBT逆變器外環(huán)電壓的模糊PID控制程序流程圖9是本實(shí)用新型IGBT逆變器中壓電動機(jī)斬波式雙DSP數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)電路圖
二 (用于中壓內(nèi)反饋繞線式異步電動機(jī))；
圖10是本實(shí)用新型IGBT逆變器中壓電動機(jī)斬波式雙DSP數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)電路圖
三(用于中壓繞籠式無刷雙饋電動機(jī))；
圖11是本實(shí)用新型IGBT逆變器中壓電動機(jī)斬波式雙DSP數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)電路圖
四(用于中壓繞籠型內(nèi)反饋無刷電動機(jī))。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，參照圖1, MD為電動機(jī)系統(tǒng)，包括電動機(jī)M及其可調(diào)水阻器FR、控制開關(guān)和配電等附屬設(shè)備。調(diào)速系統(tǒng)FC包括 采用IGBT逆變器的斬波式調(diào)速主電路和雙PLC的數(shù)字智能控制部分。在主電路中， 調(diào)速系統(tǒng)FC中的不可控整流器DR通過電機(jī)的電刷和滑環(huán)接轉(zhuǎn)子繞組(正常工作時(shí) KM1、 KM2斷開，KM3閉合)，IGBT逆變器TI通過變壓器TAW接電網(wǎng)。調(diào)速系統(tǒng)FC 中的BC為升壓斬波器(由電感LS、 二極管SD、場效應(yīng)管CS、電容C、快速二極管 BOD和可控硅SCR組成)，F(xiàn)R為可調(diào)水阻器，KMl、 KM2和KM3為三相接觸器?？焖?二極管BOD和可控硅晶閘管SCR為轉(zhuǎn)子回路過電壓保護(hù)環(huán)節(jié)。數(shù)字控制部分包括兩 個(gè)可編程控制器PLC (Programmable Logic Controller)、兩個(gè)內(nèi)環(huán)電流控制器， 其中第一內(nèi)環(huán)電流控制器NFC1和第二內(nèi)環(huán)電流控制器NFC2，由D/A轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場可 編程門陣列FPGA (Field Programmable Gate Array)組成。
在不可控整流器DR和升壓斬波器BC之間接有第一電流電壓采集系統(tǒng)UIM1,第 一電流電壓采集系統(tǒng)uim的輸出和所述過壓保護(hù)控制器BOD連接第一可編程控制 器PLC1以及與其連接的第一內(nèi)環(huán)電流控制器NFC1,第一可編程控制器PLC1以及與 其連接的第一內(nèi)環(huán)電流控制器NFC1的PWM輸出連接所述斬波器BC的輸入端，在所 述升壓斬波器BC和逆變器Tl之間接有第二電流電壓采集系統(tǒng)UIM2,第二電流電壓 釆集系統(tǒng)UIM2的輸出連接第二可編程控制器PLC2以及與其連接的第二內(nèi)環(huán)電流控 制器NFC2實(shí)施對逆變器Tl的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制，第二可編程控制器PLC2以及與 其連接的第二內(nèi)環(huán)電流控制器NFC2的PWM輸出連接逆變器T1的輸入，第二可編程 控制器PLC2以及與其相連的內(nèi)環(huán)電流控制器NFC2實(shí)施對逆變器Tl的內(nèi)環(huán)電流進(jìn) 行控制，第二可編程控制器PLC2實(shí)施對逆變器T1的電壓進(jìn)行控制，第一可編程控 制器PLC1連接調(diào)速系統(tǒng)FC中的過流過壓過熱檢測，以及連接電動機(jī)系統(tǒng)MD和調(diào) 速系統(tǒng)FC，第一可編程控制器PLC1和第二可編程控制器PLC2互聯(lián)；第一可編程控 制器PLC1以及與其相連的第一內(nèi)環(huán)電流控制器NFC1實(shí)施對所述升壓斬波器BC的 內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制，第一可編程控制器PLC1實(shí)施對調(diào)速系統(tǒng)FC的外環(huán)速度控制， 同時(shí)實(shí)施對調(diào)速系統(tǒng)FC和電動機(jī)系統(tǒng)MD的程序控制，第二可編程控制器以及與其 相連的內(nèi)環(huán)電流控制器NFC2實(shí)施對逆變器T1的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制，同時(shí)實(shí)施對逆 變器的電壓進(jìn)行控制。
第一可編程控制器PLC1設(shè)有輸入輸出子程序模塊和進(jìn)行工藝參數(shù)的顯示設(shè)定、 控制器類型選擇的人機(jī)交互界面觸摸屏。第一可編程控制PLC1設(shè)有處理調(diào)速系統(tǒng)FC過流、過壓、過熱和缺相故障以及 電動機(jī)系統(tǒng)MD及環(huán)境配套設(shè)備故障的報(bào)警子程序模塊。
第二可編程控制器PLC2設(shè)置有RS232/RS485通信接口 、 CAN現(xiàn)場總線、IP接 口，并存儲有遠(yuǎn)程通訊管理子程序，通過RS232/RS485通信接口和或CAN現(xiàn)場總線 和或IP接口與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程通信，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)直接對調(diào)速系統(tǒng)FC 的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
在本實(shí)用新型中，采用IGBT逆變器取代可控硅晶閘管逆變器，第二內(nèi)環(huán)電流 控制器NFC2中FPGA的結(jié)構(gòu)主要分為三部分可配置邏輯塊CLB(Configurable Logic Blocks)、可編程I/0模塊和可編程內(nèi)部連線。FPGA時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部時(shí)延 小；全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可集成外圍控制、 譯碼和接口電路。本IGBT逆變器采用雙閉環(huán)控制，即電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)。其中 電流內(nèi)環(huán)是通過控制逆變器T1的六個(gè)IGBT占空比來實(shí)現(xiàn)的，它對控制電路的速度 和可靠性要求都較高。此外，逆變器開關(guān)管開通也都要求控制電路有良好的抗干擾 能力。因此本調(diào)速系統(tǒng)的低層控制電路選擇高速的FPGA電路來加以實(shí)現(xiàn)。FPGA 可采用該領(lǐng)域領(lǐng)先的Xilinx公司的系列產(chǎn)品，如XC3000、 XC4000到Spartan-II E 和VirtexII Pro等，F(xiàn)PGA可根據(jù)控制功能的要求現(xiàn)場編程將邏輯陣列連接起來， FPGA所包含的邏輯陣列規(guī)?？伸`活選擇。
參照照圖1， PLC1及與其連接的第一內(nèi)環(huán)電流控制器NFC1的PWM輸出連接所 述斬波器的輸入端，第二電流電壓釆集系統(tǒng)的輸出連接PLC2以及與其連接的第二 內(nèi)環(huán)電流控制器NFC2， NFC2的PWM輸出連接IGBT逆變器的輸入，PLC1還連接調(diào)速 系統(tǒng)中的過流過壓過熱檢測，以及連接電動機(jī)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)施對調(diào)速系統(tǒng)和 電動機(jī)系統(tǒng)的程序控制以及對可調(diào)水阻器實(shí)施控制。
可編程控制器是一種能直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的數(shù)字電子裝置，是一種以微處理 器為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)，用面向控制過程、面向用 戶的"自然語言"編程的工業(yè)控制裝置，它可靠性高、操作方便、使用簡單，采用 PLC取代DSP或單片機(jī)，可大大簡化硬件結(jié)構(gòu)、提高可靠性，使操作更簡單方便， 在調(diào)速過程中需要實(shí)施電動機(jī)速度調(diào)節(jié)，保持逆變器輸出電壓不變，并有過壓過流 故障保護(hù)和報(bào)警，這些場合對控制策略和控制算法要求較高，故采用德國西門子公 司的中高檔的SIMATIC S7-200或SIMATIC S7-300系列的PLC,它提供了多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的1/0擴(kuò)展模塊，可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn) 算，內(nèi)有8路PID運(yùn)算模塊，有多個(gè)最髙30KHz速率的高速計(jì)數(shù)器輸入端口，兩個(gè) 最高30KHz速率的PWM脈沖輸出端口，因此，為簡化電路，也可利用該輸出端口直 接控制IGBT的輸入。利用SIMATIC S7系列的優(yōu)異性能配合巧妙編程可實(shí)施對系統(tǒng) 故障的有效保護(hù)和報(bào)警。
參照圖2，三相逆變器采用全可控開關(guān)管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGBT為絕緣門雙極晶體管，由于在轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行低壓調(diào)速，對開關(guān)器 件的耐壓要求低，可采用價(jià)格低品種規(guī)格齊全的開關(guān)器件。
參照圖3，在本實(shí)用新型中，數(shù)字化智能控制系統(tǒng)硬件為兩層結(jié)構(gòu)，上層為PLC, 下層主要由FPGA和D/A高速電路組成。PLC主要完成外環(huán)電壓控制，為FPGA內(nèi)環(huán) 電流控制提供給定值數(shù)據(jù)。由FPGA直接向IGBT斬波器和IGBT逆變器的IGBT門極 提供觸發(fā)脈沖。FPGA時(shí)鐘頻率搞，內(nèi)部時(shí)延小；全部控制邏輯由硬件完成，速度快， 效率高；組成形式靈活，可集成外圍控制、譯碼和接口電路。因此系統(tǒng)的低層控制 電路選擇告訴的FPGA電路來加以實(shí)現(xiàn)。
參照圖4，圖4是內(nèi)環(huán)電流控制器的具體電路示意圖，在內(nèi)環(huán)電流控制中，逆 變IGBT的控制脈沖信號的產(chǎn)生選用適當(dāng)規(guī)模的一片F(xiàn) P G A來實(shí)現(xiàn)。其中D/A為 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，MC為減計(jì)數(shù)器，DA1、 DA2為線性運(yùn)算放大器。其中FPGA 部分連接PLC, A/D部分連接UIM1的輸出，其一路輸出連接到另一個(gè)PLC， 另一路輸出連接到斬波器(BC)(或逆變器T1)。
參照圖1及圖3,第二電流電壓采集系統(tǒng)UIM2中用萊姆傳感器采集逆變器電 流Io和采集逆變器電壓U。，上述信號通過運(yùn)算放大器DA1、 DA2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的信號C/;、 ，并送到第二可編程控制器PLC2;第二可編程控制 器為FPGA提供時(shí)鐘，由第二可編程控制器PLC2根據(jù)模糊PID的控制算法得到所 需逆變器IGBT控制信號，送至FPGA的脈沖發(fā)生器FF，；由PLC提供逆變器的最 小開通時(shí)間ton和最小關(guān)斷時(shí)間toff,通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生與這兩個(gè)時(shí)間相對應(yīng)的脈 沖，并與正常的脈沖信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而獲得逆變器開關(guān)管IGBT的PWM控 制信號，根據(jù)運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)占空比，以保持逆變器輸出電壓U。的恒定，滿足升壓 斬波器的要求。在調(diào)速過程中，逆變器回饋電功率。當(dāng)逆變回路發(fā)生過電流時(shí),FPGA 向斬波側(cè)PLC1送出故障脈沖。參照圖5，在IGBT逆變器雙閉環(huán)控制原理中，內(nèi)環(huán)為電流控制，外環(huán)為電壓 控制，均由第二可編程控制器PLC2采用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)。其中，模糊PID 控制算法預(yù)先存儲在第二可編程控制器PLC2中，控制過程的步驟如下(1)由給 定電壓與檢測的反饋電壓比較，得到電壓偏差。(2) AVR為自動電壓調(diào)節(jié)器，采用 模糊PID控制算法，使逆變器輸出電壓穩(wěn)定在所需的給定值，并送出逆變電流給定 值到ACR。 (3) ACR為自動電流調(diào)節(jié)器，采用模糊PID控制算法，輸出逆變器的 控制脈沖。(4)由FPGA輸出PWM信號，控制逆變器的開關(guān)IGBT，以保證在各 種運(yùn)行狀態(tài)下逆變電流的穩(wěn)定。(5)三相逆變器TI，通過逆變變壓器TAW向電網(wǎng) 回饋電功率。
參照圖6，智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置的實(shí)施中，第一可編程控制器 PLC1通過第一內(nèi)環(huán)電流控制器NFC1實(shí)施對IGBT斬波器BC控制，通過PLC1實(shí)施對 電動機(jī)速度的控制，同時(shí)控制可調(diào)水阻器，使可調(diào)水阻器的電阻(對應(yīng)于速度)設(shè) 定值同步跟蹤電動機(jī)當(dāng)前速度，工作步驟詳細(xì)說明如下
(1) 調(diào)速系統(tǒng)開機(jī)上電后，可編程控制器PLC1、 PLC2啟動初始化對自身進(jìn)行 初始化，使控制系統(tǒng)處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)；
(2) 調(diào)參數(shù)輸入子程序；
(3) 觸摸屏顯示開始工作，用戶輸入操作信息，如工藝類型、工藝參數(shù)等， 決定逆變電壓給定值；
(4) 由可調(diào)水電阻啟動器FR進(jìn)行啟動電機(jī)；
(5) 電動機(jī)啟動未轉(zhuǎn)換至調(diào)速前，斬波器BC脈寬跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)全速 至調(diào)速的無擾動切換；
(6) 檢測電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到額定值否，如果未達(dá)到，則返回步驟(5);
(7) 從第一電流電壓采集系統(tǒng)UIM1獲取信號來判斷檢測調(diào)速系統(tǒng)是否處于正 常工作狀態(tài)，如果不正常，進(jìn)入步驟(13);
(8) IGBT逆變器Tl投入工作，為升壓斬波器BC建立直流母線電壓；
(9) 當(dāng)電動機(jī)速度上升到調(diào)速預(yù)置值時(shí)，則調(diào)速系統(tǒng)無擾動地由水阻啟動器 FR切換到數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，升壓斬波器BC的脈寬給定切換至預(yù)置值；
(10) 在進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)后，內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)速度控制系統(tǒng)工作，采用電流 環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)和模糊PID的控制算法，保持電動機(jī)的速度恒定和有良好的動、靜態(tài)品質(zhì)；
(11) 在調(diào)速過程中，第一可編程控制器PLC1同時(shí)對水阻器的阻值進(jìn)行控制， 使之實(shí)時(shí)跟蹤當(dāng)前的調(diào)速值；
(12) 從第二電流電壓采集系統(tǒng)UIM2獲取信號檢測逆變回路是否存在過流、 過壓等故障，若無則跳至步驟(10);
(13) 系統(tǒng)保護(hù)，轉(zhuǎn)入可調(diào)水阻器的調(diào)速狀態(tài)(由于水阻器的阻值等價(jià)于切換 前的速度值，故能實(shí)施由數(shù)字調(diào)速無擾動地切換到水阻器調(diào)速)。
參照圖7和圖8,在本實(shí)用新型IGBT逆變器中壓電動機(jī)斬波式雙PLC數(shù)字調(diào) 速系統(tǒng)的實(shí)施例中，系統(tǒng)外環(huán)電壓控制可采用模糊控制、PID控制和自調(diào)整參數(shù)模 糊PID控制器。模糊PID控制器是將動態(tài)響應(yīng)特性好的模糊控制與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性好 的PID控制相結(jié)合，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。利用Fuzzy參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，對PID 控制器的比例增益kp、積分時(shí)間常數(shù)ki和微分時(shí)間常數(shù)kd進(jìn)行在線調(diào)整，從而實(shí) 現(xiàn)運(yùn)行過程的最佳控制。以自調(diào)整參數(shù)模糊PID控制水泵上的應(yīng)用為例，說明了本 調(diào)速系統(tǒng)控制原理及軟件流程。通過觸摸屏可以輸入工藝參數(shù)和選擇模糊PID控制 器，通過傳感器測得逆變器的實(shí)際電壓和電流，與給定值比較得到它們的誤差，并 計(jì)算誤差的微分。這里主要利用模糊控制器來在線調(diào)整PID的參數(shù)，可充分發(fā)揮模 糊控制和PID控制各自的優(yōu)勢。
在本系統(tǒng)的參數(shù)輸入輸出，同樣通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、 保存和修改，逆變器的參量也可在觸摸屏上顯示，信息的交互是通過第一可編程控 制器PLC1和第二可編程控制器PLC2進(jìn)行的。
適合于本實(shí)用新型用調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動電動機(jī)有四類中壓普通繞線式異步電動 機(jī)(圖1)、中壓內(nèi)反饋繞線式異步電動機(jī)(圖9)、中壓繞籠式無刷雙饋電動機(jī)(圖 10)和中壓繞籠型內(nèi)反饋無刷電動機(jī)(圖ll)。
權(quán)利要求1.智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，包括電動機(jī)系統(tǒng)(MD)和調(diào)速系統(tǒng)(FC)，所述調(diào)速系統(tǒng)(FC)包括依次連接的不可控整流器(DR)、過壓保護(hù)控制器(BOD)、升壓斬波器(BC)、逆變器(T1)和逆變變壓器(TAW)，其特征在于所述逆變器(TI)采用全可控絕緣門雙極開關(guān)管IGBT，在所述不可控整流器(DR)和升壓斬波器(BC)之間接有第一電流電壓采集系統(tǒng)(UIM1)，所述第一電流電壓采集系統(tǒng)(UIM1)的輸出和所述過壓保護(hù)控制器(BOD)連接第一可編程控制器(PLC1)以及與其連接的第一內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC1)，所述第一可編程控制器(PLC1)以及與其連接的第一內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC1)的PWM輸出連接所述升壓斬波器(BC)的輸入端，在所述升壓斬波器(BC)和逆變器(T1)之間接有第二電流電壓采集系統(tǒng)(UIM2)，所述第二電流電壓采集系統(tǒng)(UIM2)的輸出連接第二可編程控制器(PLC2)以及與其連接的第二內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC2)，所述第二可編程控制器(PLC2)以及與其連接的第二內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC2)的PWM輸出連接所述逆變器(T1)的輸入，所述第二可編程控制器(PLC2)以及與其相連的內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC2)實(shí)施對所述逆變器(T1)的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制，所述第二可編程控制器(PLC2)實(shí)施對所述逆變器(T1)的電壓進(jìn)行控制，所述第一可編程控制器(PLC1)連接所述調(diào)速系統(tǒng)(FC)中的過流過壓過熱檢測，以及連接所述電動機(jī)系統(tǒng)(MD)和調(diào)速系統(tǒng)(FC)，所述第一可編程控制器(PLC1)和第二可編程控制器(PLC2)互聯(lián)；所述第一可編程控制器(PLC1)以及與其相連的第一內(nèi)環(huán)電流控制器(NFC1)實(shí)施對所述升壓斬波器(BC)的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制，所述第一可編程控制器(PLC1)實(shí)施對所述調(diào)速系統(tǒng)(FC)的外環(huán)速度控制，同時(shí)實(shí)施對所述調(diào)速系統(tǒng)(FC)和電動機(jī)系統(tǒng)(MD)的程序控制以及對所述的可調(diào)水阻器(FR)控制，其中第一可編程控制器(PLC1)和第二可編程控制器(PLC2)用于(1)調(diào)速系統(tǒng)開機(jī)上電后，對自身進(jìn)行初始化，使控制系統(tǒng)處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)；(2)讀入系統(tǒng)參數(shù)；(3)觸摸屏顯示開始工作，用戶輸入操作信息，如工藝類型、工藝參數(shù)等，決定逆變電壓給定值；(4)由可調(diào)水電阻啟動器FR進(jìn)行啟動電機(jī)；(5)電動機(jī)啟動未轉(zhuǎn)換至調(diào)速前，斬波器BC脈寬跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)全速至調(diào)速的無擾動切換；(6)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到額定值否，如果未達(dá)到，則返回步驟(5)；(7)從第一電流電壓采集系統(tǒng)(UIM1)獲取信號來判斷檢測調(diào)速系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)，如果不正常，進(jìn)入步驟(13)；(8)IGBT逆變器(T1)投入工作，為升壓斬波器(BC)建立直流母線電壓；(9)當(dāng)電動機(jī)速度上升到調(diào)速預(yù)置值時(shí)，則調(diào)速系統(tǒng)無擾動地由水阻啟動器(FR)切換到數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，升壓斬波器(BC)的脈寬給定切換至預(yù)置值；(10)在進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)后，內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)速度控制系統(tǒng)工作，采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)和模糊PID的控制算法，保持電動機(jī)的速度恒定和有良好的動、靜態(tài)品質(zhì)；(11)在調(diào)速過程中，第一可編程控制器(PLC1)同時(shí)對水阻器的阻值進(jìn)行控制，使之實(shí)時(shí)跟蹤當(dāng)前的調(diào)速值；(12)從第二電流電壓采集系統(tǒng)(UIM2)獲取信號檢測逆變回路是否存在過流、過壓等故障，若無則跳至步驟(10)；(13)系統(tǒng)保護(hù)，轉(zhuǎn)入可調(diào)水阻器的調(diào)速狀態(tài)。
2、 據(jù)權(quán)利要求1所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于 所述第一可編程控制器(PLC1)存儲有輸入輸出子程序，通過觸摸屏可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交 互，進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定、控制器類型選擇、工藝參數(shù)的保存和修改若干操作的輸 入輸出子程序。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于 所述第一可編程控制器(PLC1)存儲有處理所述調(diào)速系統(tǒng)(FC)過流、過壓、過熱 和缺相故障，以及所述電動機(jī)系統(tǒng)(MD)及環(huán)境配套設(shè)備故障的報(bào)警子程序。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于 所述第二可編程控制器(PLC2)設(shè)置有RS232/RS485通信接口、 CAN現(xiàn)場總線、IP 接口，并存儲有遠(yuǎn)程通訊管理子程序，通過RS232/RS485通信接口和/或CAN現(xiàn)場 總線和/或IP接口與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程通訊，所述監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)直接對所 述調(diào)速系統(tǒng)(FC)的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于 所述的中壓電動機(jī)起動時(shí)，所述升壓斬波器(BC)的脈寬跟隨電動機(jī)速度變化，在 所述調(diào)速系統(tǒng)(FC)投入運(yùn)行后，所述可調(diào)水阻器(FR)的阻值跟隨電動機(jī)速度變化。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于所述調(diào)速系統(tǒng)(FC)發(fā)生故障時(shí)，立即進(jìn)行故障保護(hù)，電動機(jī)系統(tǒng)(MD)由所述調(diào) 速系統(tǒng)(FC)切換到所述可調(diào)水阻器(FR)，維持調(diào)速運(yùn)行。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于 所述IGBT逆變器(TI)替換為SCR逆變器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于 所述系統(tǒng)外環(huán)電壓控制可采用模糊控制、PID控制和自調(diào)整參數(shù)模糊PID控制器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于 所述的內(nèi)環(huán)電流控制中，逆變器(IGBT)的控制脈沖信號的產(chǎn)生選用一片F(xiàn)PGA 來實(shí)現(xiàn)，其包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/D),減計(jì)數(shù)器(MC)，線性運(yùn)算放大器(DA1、 D A 2 ),其中F P G A部分連接可編程控制器(PLC),數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/D )部 分連接第一電流電壓采集系統(tǒng)(UIM1)的輸出，其一路輸出連接到另一個(gè)可編程控 制器(PLC),另一路輸出連接到斬波器(BC)(或逆變器T1)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，其特征在于: 所述的可編程控制器(PLC)芯片采用SIMATIC S7-200或SIMATIC S7-300系列 芯片。
專利摘要智能雙控?cái)夭ㄊ街袎弘妱訖C(jī)調(diào)速裝置，包括不可控整流器、升壓斬波器和IGBT逆變器，通過兩個(gè)內(nèi)環(huán)電流控制器分別對升壓斬波器、IGBT逆變器進(jìn)行控制，通過兩個(gè)PLC對調(diào)速系統(tǒng)的外環(huán)速度和逆變器的外環(huán)電壓進(jìn)行控制，并實(shí)施對調(diào)速系統(tǒng)和電動機(jī)系統(tǒng)的程序控制。本系統(tǒng)適用于普通繞線異步電動機(jī)、內(nèi)反饋繞線異步電動機(jī)、繞籠式無刷雙饋電動機(jī)和繞籠型內(nèi)反饋無刷電動機(jī)，徹底解決了電網(wǎng)故障導(dǎo)致逆變顛覆而損壞設(shè)備的問題，具有多種性能遞增全速至調(diào)速或調(diào)速至全速均實(shí)施無擾動切換；在調(diào)速系統(tǒng)故障時(shí)電動機(jī)仍能調(diào)速運(yùn)行。系統(tǒng)可靠性高，控制誤差小，使用簡單方便，具有良好的人機(jī)界面，靈活的通訊手段，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，數(shù)字化程度高且成本低廉、節(jié)能環(huán)保。
文檔編號H02P1/00GK201222718SQ20082010830
公開日2009年4月15日 申請日期2008年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月3日
發(fā)明者梁慧冰, 馬小亮 申請人:廣東華拿東方能源有限公司