摘要：本文設(shè)計(jì)了調(diào)壓/頻比（即調(diào)磁通）節(jié)能裝置和以大功率電力電子器件IPM為開關(guān)組件的三相交流控制電路，解決了IPM的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)問(wèn)題?？刂蒲b置是基于雙CPU的TMS320LF2407和AT89C51，其主要功能是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速異步電機(jī)的節(jié)能控制及運(yùn)行狀態(tài)顯示功能。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；最優(yōu)磁通；節(jié)能；SVPWM；IPM [align=center]System of Energy Saving control of VVVF Induction Motor Base on Double CPU＊[/align] [align=center]（1．Human Institute of Technology, Hengyang 421008，China； 2． Guilin University of Electronic Technology 541004，China）[/align] Abstract：The text designs 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. Keywords：Motor；Adjusting Ratio of Voltage To Frequency；SVPWM；Economizing on Electricity；IPM 0 引言 電動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)全國(guó)電氣化的主要?jiǎng)恿C(jī)械，而異步電動(dòng)機(jī)又是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。例如：中小型車L鋼設(shè)備、礦山機(jī)械、起重機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵、以及脫粒、磨粉等農(nóng)副產(chǎn)品的加工機(jī)械，都大部分采用異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。在人民日常生活和醫(yī)療器械中，異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也日益增多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至2000年，我國(guó)中小型三相異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷占電網(wǎng)總負(fù)荷的85%，年用電量超過(guò)3750億KW •h，占全部工業(yè)用電的65%。異步電動(dòng)機(jī)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用，是由于和其它電動(dòng)機(jī)比較，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，效率較高，制造容易，成本較低，而且堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前在使用的電動(dòng)機(jī)中，尚有4億KW的高能耗電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)的損耗占額定出力的10%～23%，具有極大的節(jié)能降耗潛力。例如：我國(guó)風(fēng)機(jī)和水泵的用電量占全國(guó)總用電量的31%，占工業(yè)總用電量的50%，而運(yùn)行效率在70%以下，一般低于世界平均水平的5%一10%，僅此一項(xiàng)節(jié)電潛力每年約為300億KW•h。 而缺電是我國(guó)絕大部分地區(qū)普遍存在的嚴(yán)重問(wèn)題。據(jù)電力部門統(tǒng)計(jì)：:全國(guó)每年缺電約為15%～20%，1998年因缺電全國(guó)近30%的工業(yè)生產(chǎn)能力被迫停滯，年工業(yè)產(chǎn)值減少5473億元。而電力部門的負(fù)荷資料則表明，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷占整個(gè)負(fù)荷的80%以上，因此，異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)電研究是非常重要的。 1 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能方案選擇 在電動(dòng)機(jī)應(yīng)用方面的節(jié)能技術(shù)，雖然根據(jù)電動(dòng)機(jī)的種類、用途或系統(tǒng)等有各種各樣的方法，但在作為現(xiàn)代企業(yè)動(dòng)力源所使用的范圍內(nèi)，有下列幾個(gè)方面： （1）用高效系列電動(dòng)機(jī)取代一般的高耗能電動(dòng)機(jī)。但這種電動(dòng)機(jī)造價(jià)較高，而且經(jīng)濟(jì)效果極大地取決于負(fù)載的情況，即對(duì)于長(zhǎng)期工作于接近額定負(fù)載（70%以上）連續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)合，其節(jié)能效果達(dá)到最佳。 （2）采用功率因素控制器（即異步電動(dòng)機(jī)節(jié)電器）和制動(dòng)器。 （3）電動(dòng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能。 ①高性能交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器。采用微機(jī)控制的大功率晶體管逆變技術(shù)，利用交一直一交方式，用于交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，節(jié)能效果可高達(dá)55%以上。 ②轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。 （4）對(duì)老式高耗能異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。 （5）發(fā)展永磁電動(dòng)機(jī)。 （6）合理選擇異步電動(dòng)機(jī)。 其中采用變頻器實(shí)現(xiàn)的節(jié)能方式，可取得明顯的節(jié)能效果，并易于對(duì)老設(shè)備進(jìn)行技改，是國(guó)家重點(diǎn)推廣的節(jié)能項(xiàng)目。 2 變頻節(jié)能的原理 三相異步電機(jī)運(yùn)行效率是由它的力能指標(biāo)表示，所謂力能指標(biāo)是指電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)。 異步電機(jī)的效率公式為： 上式說(shuō)明，異步電機(jī)的效率與總損耗有關(guān)，提高效率的唯一方法是降低總損耗。 交流電機(jī)的總損耗為： 其中：P[sub]cu[/sub] ——定轉(zhuǎn)子銅損之和； P[sub]fe[/sub]——定子鐵心損耗；P[sub]m[/sub] ——機(jī)械損耗；P[sub]z[/sub] ——雜散損耗。 一般銅損占電機(jī)總損耗的56%，鐵損占總損耗的30%，此兩相是決定電機(jī)效率的主要因素。 由等值電路知電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子銅損為： 電動(dòng)機(jī)的鐵心損耗為： 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： 電動(dòng)機(jī)的總損耗為： 其中： P[sub]M[/sub]為電磁功率；Ω[sub]1[/sub] 為機(jī)械同步角速度； N[sub]p[/sub]為極對(duì)數(shù)。 由于同步轉(zhuǎn)速，所以 由于電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的功率因數(shù)很高，可以近似認(rèn)為，在此條件下立方程： 以定子頻率f[sub]1[/sub]和λ為自變量對(duì)其求偏倒并令其為零，可求解得損耗最小時(shí)的定子頻率為： 其中： 所以： 由式（1）可知，變頻調(diào)速交流電機(jī)運(yùn)行時(shí)最小損耗的定子頻率f[sub]1min[/sub]只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與負(fù)載無(wú)關(guān)。在給定轉(zhuǎn)速定負(fù)載的情況下式（1）和式（2）就構(gòu)成變頻器電壓/頻率比控制時(shí)的節(jié)能控制算法，只要根據(jù)要求轉(zhuǎn)速就可知道節(jié)能頻率，然后對(duì)電機(jī)施以節(jié)能頻率并調(diào)節(jié)電壓到給定轉(zhuǎn)速就可找到變頻調(diào)速交流電機(jī)運(yùn)行時(shí)的節(jié)能點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能控制，本文設(shè)計(jì)了節(jié)能控制裝置。系統(tǒng)的總體控制思想是搜索節(jié)能工作點(diǎn)，即在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)按照節(jié)能算法求出給定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的節(jié)能定子頻率，然后以此頻率為輸入頻率，調(diào)節(jié)輸入電壓來(lái)控制轉(zhuǎn)速到要求值。因此系統(tǒng)中有主電路和控制壓頻比電路。采集電路包括電壓信號(hào)的采集、電流信號(hào)的采集和速度信號(hào)的采集。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。 3.1 主電路 主電路部分包括整流、濾波和逆變。系統(tǒng)功率變換環(huán)節(jié)采用AC / DC整流電路和IGBT逆變電路，三相交流電壓經(jīng)二極管整流模塊整流，大電容濾波后送到三相逆變模塊。本文中三相逆變模塊采用的是IGBT智能功率模塊IPM（Intelligent PowerModule）。IGBT智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）是一種由幾個(gè)高速、低功耗的IGBT和門極驅(qū)動(dòng)電路集成為一體的混合電路器件。它通過(guò)采用先進(jìn)的電流檢測(cè)型IGBT和與之相匹配的門控電路，實(shí)現(xiàn)高效的自保護(hù)功能。智能功率模塊的使用能縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間和提高系統(tǒng)的可靠性，并使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單緊湊，減小系統(tǒng)尺寸。 為了讓CPU有更充裕的資源來(lái)處理控制的主要功能（檢測(cè)電壓、電流和產(chǎn)生SVPWM波形等），本文采用一片TMS320F2407作為主處理器，一片89C51（以下簡(jiǎn)稱C51）單片機(jī)作為輔處理器，如圖2所示。 3.2 智能功率模塊IPM 由于本系統(tǒng)直流電壓為537V，5KVA，滿載時(shí)額定電流為9.3A，考慮到20%的過(guò)載余量和20%的電流尖峰因素，最大電流為20.46A。本文中選用了日本三菱公司生產(chǎn)的電壓為1200 V、電流為25 A的IPM模塊PM25RSB120。 IPM集成了最佳的IGBT驅(qū)動(dòng)電路和自我保護(hù)電路，但必須為它提供隔離的驅(qū)動(dòng)電源和匹配的控制信號(hào)。因此要設(shè)計(jì)一塊接口電路板，該接口電路板將直接安裝在IPM模塊上，如圖3所示。接口電路板要達(dá)到以下要求：提供4路絕緣電壓為模塊額定電壓兩倍以上的1 5V±10%隔離電源，上橋臂三路，下橋臂和制動(dòng)共一路。電源必須能提供在工作開關(guān)頻率下所需的最大電流；具有信號(hào)輸入隔離功能而且其傳輸延遲時(shí)間不超過(guò)0.8µs，隔離電壓足夠大，還應(yīng)具有故障信號(hào)輸出隔離功能；接口電路板的布局一定要設(shè)計(jì)合理，盡量避免將噪聲藕合到控制電路。 3.3 單片機(jī)與液晶顯示的接口電路 顯示器采用內(nèi)藏T6963C控制器的圖形液晶顯示模塊M-240128T。T6963C是點(diǎn)陣式液晶圖形顯示控制器，它能直接與51或96系列微處理器接口。內(nèi)藏T6963C控制器的液晶顯示模塊上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了T6963C與行、列驅(qū)動(dòng)器及顯示器緩沖區(qū)RAM的接口，同時(shí)也已用硬件設(shè)置了液晶屏的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸方式、顯示窗口的長(zhǎng)寬等等。240128表示該模塊的長(zhǎng)寬為240x128點(diǎn)其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。 3.4 測(cè)量電路設(shè)計(jì) 要測(cè)量的原始信號(hào)都是高電壓、大電流的正弦交流電或帶有毛刺尖峰的高壓直流電，必須將它們作模擬信號(hào)處理后才能送給DSP。 （a）交流電壓經(jīng)電壓互感器PT（實(shí)質(zhì)上是一個(gè)小型特殊變壓器）變成隔離的1mA左右電流信號(hào)，再經(jīng)電流變電壓電路和濾波電路形成波形良好的正弦波。整流后送到主控板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到電壓幅值； （b）交流電流經(jīng)電流互感器CT后也得到1mA左右電流信號(hào)，之后也送入電流變電壓電路和濾波電路。 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) DSP主控制程序主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、節(jié)能算法、生成SVPWM波形，此外還包括自檢、初始化、與C51通信、故障處理等子程序。DSP主程序流程圖如圖5所示。 系統(tǒng)啟動(dòng)以后，首先經(jīng)過(guò)自檢、初始化，然后等待啟動(dòng)電機(jī)命令。當(dāng)接收到啟動(dòng)命令后，執(zhí)行啟動(dòng)模塊，當(dāng)電機(jī)達(dá)到要求轉(zhuǎn)速且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)開始搜索節(jié)能運(yùn)行點(diǎn)，節(jié)能模塊是一個(gè)循環(huán)程序，當(dāng)CPU不執(zhí)行任何中斷服務(wù)程序時(shí)，就在這個(gè)循環(huán)中運(yùn)行。此外，還包含幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的循環(huán)作為子程序，除了波形發(fā)生循環(huán)模塊外，還有AD轉(zhuǎn)換的中斷服務(wù)程序構(gòu)成的獨(dú)立循環(huán)模塊。幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的循環(huán)模塊之間的信息傳遞是修改標(biāo)志變量的方法來(lái)完成的，由發(fā)出控制的模塊修改相應(yīng)的標(biāo)志變量，而接受控制的模塊采用查詢的方式響應(yīng)標(biāo)志變量的改變。 5 結(jié)果分析 由于采用了SVPWM調(diào)制方式，提高了直流電壓利用率，降低了開關(guān)損耗，但輸出波形仍然和SPWM調(diào)制方式差不多。圖6是SPWM和SVPWM的實(shí)驗(yàn)波形的對(duì)比（波形均為電阻分壓后用數(shù)字示波器觀察的結(jié)果）。 從圖6可以看出SVPWM調(diào)制方式下IGBT在一個(gè)周期內(nèi)有三分之一的時(shí)間總是處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)，即開關(guān)損耗要減小33%。 參考文獻(xiàn)： [1] 陳王璋等.電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2002 [2] 齊義祿等.節(jié)能降損技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版，1995 [3] 高景德等.交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003 [4] 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