专利名称：高功率因数感应电动机直接功率控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高功率因数感应电动机直接功率控制系统，属电力电子与电力传动领域，用于实现三相感应电动机在轻载或空载工况下的节能控制。
背景技术：
随着科学技术的发展和生产水平的提高，对电能的需求量也越来越大。从世界各国总的用电情况看，电动机消耗的电能约占发电总量的60% 70%。在目前世界能源紧缺，电能供应不足的情况下，深入研究电动机的节能问题具有重要的现实意义。三相感应电动机是工业中广泛使用的一类交流电动机，当三相感应电动机在轻载或空载工况下运行时，其功率因数仅能达到O. 1-0. 3，电机系统能耗较大。因此，提高三相感应电动机在轻载或空载工况下的功率因数，实现三相感应电动机的节能运行是需要重点突破的关键技术之一。三相感应电动机在不同负荷下，其运行效率是不一样的。三相感应电动机一般都设计在接近满负荷时，其运行效率为最高。而实际上，电动机往往在很大一部分时间内是在轻载，甚至是在空载下运行的。这就造成了很大的能量浪费。三相感应电动机节能目前通常采用以下两种方法其一是设计高效电动机，但这种电动机在轻载时的效率仍然不理想；其二是采用交流调压的方法，即根据电动机的负载变化，自动调节电动机的绕组两端电压，以减小输入功率，提高电动机的运行效率，但该方法的三相逆变器需要采用晶闸管斩控电路，谐波含量高、振动噪声大，严重影响电机寿命。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服了现有三相感应电动机交流调压节能控制方法由于采用了可控硅交流调压，当导通角较小时，电流波形出现断续，功率因数难以检测，并且避免了电网三相严重不平衡时影响调压节能变频器安全运行的问题，提供一种三相感应电动机直接功率控制系统，大大提高了三相感应电动机轻载或空载工况下的运行效率。本发明的技术解决方案高功率因数感应电动机直接功率控制系统，其特征在于包括数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器1、三相桥功率放大器2、三相桥驱动电路3、三相感应电动机4、三相二极管整流器5、功率因数检测环节6、电流检测环节7、编码器转速检测环节8、+24V开关电源9、+15V开关电源10、±12V开关电源11、+5V开关电源12，功率因数检测环节6、电流检测环节7和编码器转速检测环节8的输出连接到数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器1，数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I输出的6路PWM信号连接到三相桥驱动电路3，三相桥驱动电路3接三相桥功率放大器2，电网输入的三相动力电经过三相二极管整流器5连接到三相桥功率放大器2，三相桥功率放大器2的输出接三相感应电动机4，+5V开关电源12经电平转换后接数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器1，±12V开关电源11接功率因数检测环节6和电流检测环节7，三相桥驱动电路3由+15V开关电源10供电，当三相感应电动机4在额定负载的10% 60%工况下运行时，为了使电机工作电流最小，并提高功率因数，采用双路并行控制器结构，其中一路为转速外环、有功功率内环控制器，通过调节负载角控制有功功率，达到控制电磁转矩的目的；另一路是无功功率控制器，将无功功率等于零作为无功功率控制器给定，改变定子磁链幅值来调节无功功率，在不影响有功功率的情况下调整无功功率使之趋于零，实现节能控制，转速外环控制算法、有功功率内环控制算法和无功功率控制算法在数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I中实现。本发明的原理是如图3所示，所述的数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器从与三相感应电动机相接的编码器转速检测环节获取转速反馈信号，数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器将参考转速信号与反馈转速信号作差，作为PID转速控制算法的输入量，PID转速控制算法经数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器运算后的输出量作为有功功率滞环控制算法的有功功率参考，有功功率的反馈值由电流检测环节检测的瞬时值经过abc坐标系到α β坐标系变换后计算获得，有功功率参考值和反馈值作差后经滞环控制算法后输出一个有功调节开关量，PID转速控制算法和abc坐标系到α β坐标系变换均在数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器中实现。同样，无功功率的参考输入置零，无功功率的反馈值也是由电流检测环节检测的瞬时值经过abc坐标到α β坐标变换后计算获得，无功功率参考值和反馈值作差后经滞环控制算法运算后输出无功调节开关量。根据两个滞环输出的有功调节开关量和无功调节开关量以及定子绕组磁链所在的扇区选择合适的电压矢量来生成6路PWM信号，6路PWM信号经三相桥驱动电路触发相应的三相桥功率放大器的功率器件导通来控制定子绕组磁链按期望的轨迹和速度运行，实现三相感应电动机的直接功率控制。同时数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器依据功率因数检测环节6获得三相感应电动机瞬时功率因数来调节无功功率。本发明与现有技术相比的优点在于(I)与采用矢量控制的三相感应电动机控制系统相比具有算法简单、运算量小、可以调节无功功率，有效提高功率 因数，从而实现低负载工况下三相感应电动机的节能。(2)通过滞环控制生成开关信号，可实现对系统的瞬时有功功率和无功功率进行准确控制，并且对系统负载突变具有良好的动态响应性能。
图1为本发明的高功率因数感应电动机直接功率控制系统的组成框图；图2为本发明的数字信号处理器TMS320F2808为核心控制器的直接功率控制系统结构图；图3为本发明的直接功率控制原理框图。
具体实施例方式如图1，本发明由数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器1、三相桥功率放大器2、三相桥驱动电路3、三相感应电动机4、三相二极管整流器5、功率因数检测环节6、电流检测环节7、编码器转速检测环节8、+24V开关电源9、+15V开关电源10、土 12V开关电源11、+5V开关电源12，功率因数检测环节6、电流检测环节7和编码器转速检测环节8的输出连接到数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器1，数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I输出的6路PWM信号连接到三相桥驱动电路3，三相桥驱动电路3接三相桥功率放大器2，电网输入的三相动力电经过三相二极管整流器5连接到三相桥功率放大器2，三相桥功率放大器2的输出接三相感应电动机4，+5V开关电源12经电平转换后接数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器1，+12V开关电源11接功率因数检测环节6和电流检测环节7，三相桥驱动电路3由+15V开关电源10供电，当三相感应电动机4在额定负载的10% 60%工况下运行时，为了使电机工作电流最小，并提高功率因数，采用双路并行控制器结构，其中一路为转速外环、有功功率内环控制器，通过调节负载角控制有功功率，达到控制电磁转矩的目的；另一路是无功功率控制器，将无功功率等于零作为无功功率控制器给定，改变定子磁链幅值来调节无功功率，在不影响有功功率的情况下调整无功功率使之趋于零，实现节能控制，转速外环控制算法、有功功率内环控制算法和无功功率控制算法在数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I中实现。当三相感应电动机4在一定转速和负载工况下运行时转速反馈信号从编码器转速检测环节8获取，编码器转速检测环节8的输出信号由数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I的捕获单元进行捕获，功率因数检测环节6和电流检测环节7的输出信号由数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I的A/D模块进行采样，数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I输出的6路PWM信号经三相桥驱动电路3进行功率放大后触发三相桥功率放大器2相应的功率器件,驱动三相感应电动机4实现转速控制和功率调节，三相桥功率放大器2由三相二极管整流器5的输出供电，三相桥驱动电路3由+15V开关电源10供电，数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I由+5V开关电源12供电，功率因数检测环节6和电流检测环节7由12V开关电源11供电，24V开关电源9用于三相二极管整流器5的软起动供电。如图2所示，本发明的数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I由数字I/O模块和捕获单元模块、A/D模块、CPU、存储器和PWM波形发生模块组成。当三相感应电动机4控制系统给定参考转速并起动运 行时，数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I中的捕获单元模块从编码器转速检测环节8获取转速反馈信号，将参考转速与反馈转速做差后输入到PID转速控制器，PID转速控制器的输出作为有功功率环滞环控制算法的有功功率参考，与经过数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I的A/D模块采样得到的电流经坐标变换和瞬时功率计算获得的有功功率反馈值相减，差值作为有功功率环滞环控制算法的输入量，有功功率环滞环控制算法的输出量经以数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I的PWM波形发生模块中的比较寄存器的值进行比较生成PWM波形，PWM信号经三相桥驱动电路3，触发相应的三相桥功率放大器2的功率器件导通来调节三相感应电动机4的转速。依据功率因数检测环节6获得三相感应电动机瞬时功率因数来调节无功功率。图3中的abc坐标系到α β坐标变换、PID转速控制算法、瞬时有功功率计算和瞬时无功功率计算以及两个并联结构滞环控制和开关表的生成均在图1中的数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器I中实现。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。以上所述，仅为本发明部分具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.高功率因数感应电动机直接功率控制系统，其特征在于包括数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)、三相桥功率放大器(2)、三相桥驱动电路(3)、三相感应电动机(4)、三相二极管整流器(5)、功率因数检测环节(6)、电流检测环节(7)、编码器转速检测环节(8)、+24V开关电源(9)、+15V开关电源(10)、±12V开关电源(11)和+5V开关电源(12);其中功率因数检测环节(6)、电流检测环节(7)和编码器转速检测环节(8)的输出连接到数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I )，数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)输出的6路PWM信号连接到三相桥驱动电路(3)，三相桥驱动电路(3)接三相桥功率放大器(2)，电网输入的三相动力电经过三相二极管整流器(5)连接到三相桥功率放大器(2)，三相桥功率放大器(2)的输出接三相感应电动机(4)，+5V开关电源(12)经电平转换后给数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)供电，± 12V开关电源(11)给功率因数检测环节(6)和电流检测环节(7)供电，三相桥驱动电路(3)由+15V开关电源(10)供电；当三相感应电动机(4)在额定负载的10 % 60 %工况下运行时，为了使电机工作电流最小，并提高功率因数，采用双路并行控制器结构，其中一路为转速外环、有功功率内环控制器，通过调节负载角控制有功功率，达到控制电磁转矩的目的；另一路是无功功率控制器，将无功功率等于零作为无功功率控制器给定，改变定子磁链幅值来调节无功功率，在不影响有功功率的情况下调整无功功率使之趋于零，实现节能控制，转速外环控制算法、有功功率内环控制算法和无功功率控制算法在数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)中实现。
2.根据权利要求1所述的高功率因数感应电动机直接功率控制系统，其特征在于所述的数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)从与三相感应电动机(4)相接的编码器转速检测环节(8)获取转速反馈信号，数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)将参考转速信号与反馈转速信号作差，作为在数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I) PID转速控制算法的输入量，PID转速控制算法经数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)运算后的输出量作为有功功率滞环控制算法的有功功率参考，有功功率的反馈值由电流检测环节(7)检测的瞬时值经过abc坐标系到α β坐标系变换后计算获得，有功功率参考值和反馈值作差后经滞环控制算法后输出一个有功调节开关量；同样，无功功率的参考输入置零，无功功率的反馈值也是由电流检测环节(7)检测的瞬时值经过abc坐标系到α β坐标系变换后计算获得，无功功率参考值和反馈值作差后经滞环控制算法运算后输出无功调节开关量；根据数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)中实现的两个滞环输出的有功调节开关量和无功调节开关量以及定子绕组磁链所在的扇区选择合适的电压矢量来生成6路PWM信号，6路PWM信号经三相桥驱动电路(3)触发相应的三相桥功率放大器(2)的功率器件导通来控制定子绕组磁链按期望的轨迹和速度运行，实现三相感应电动机(4)的高功率因数功率控制；数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器(I)依据功率因数检测环节(6)获得三相感应电动机瞬时功率因数来调节无功功率。
全文摘要
高功率因数感应电动机直接功率控制系统，实现三相感应电动机在轻载或空载情况下的节能控制，它主要由数字信号处理器TMS320F2808为核心的控制器、三相桥功率放大器、三相桥驱动电路、三相感应电动机、三相二极管整流器、功率因数检测环节、电流检测环节、编码器转速检测环节、功率因数测量环节、+24V开关电源、+15V开关电源、±12V开关电源、+5V开关电源等组成。本发明通过采用功率因数测量的直接功率控制方法，控制三相感应电动机在轻载或空载工况下的定子磁链幅值，调节电动机瞬时无功功率，从而有效提高电动机功率因数，达到良好的节能效果。
文档编号H02P21/14GK103066914SQ201210563119
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者王志强, 安俊佶, 张金保, 杨金柱 申请人:北京航空航天大学