一种实现永磁同步电机变频软启动及并网控制的三电平电路板的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及永磁同步电机变频软启动及同步切换领域，具体涉及一种实现永磁同步电机变频软启动及并网控制的三电平电路板。
【背景技术】
[0002]由于大功率永磁同步电机直接启动困难，硬启动会带来很大的冲击电流损坏电机本体结构，且对电网及其他供电设备造成影响；随着电力电子器件的快速发展，价格的不断降低促使了大容量永磁同步电机的变频软启动及同步切换的发展。通过投资一台变频器可以实现多台永磁同步电机的软启动和一台永磁同步电机的变频调速，节约了成本、而且操作简单方便。
[0003]随着大功率永磁同步电机的应用，传统的两电平变频器启动大功率永磁同步电机已经不能满足要求；由于电压型二极管钳位三电平(以下称三电平)变频器输出具有电压等级更高、电能质量更好、更低的开关损耗等优点，在中高压变频调速领域得到广泛应用，并且三电平变频器满足大功率永磁同步电机变频调速要求。
[0004]永磁同步电机不知道转子的具体位置时，启动是十分困难的。而且，在工农业生产中，由于节能减排要求，要求电机连续地以大致不变速度单方向运行，所以需要永磁同步电机在变频器的带动下运行到一定频率时，由变频状态直接同步切换到工频电网运行状态。由于大功率永磁同步电机在变频驱动下切换到工频会时产生很大冲击电流，减小切换冲击电流迫在眉睫。
[0005]永磁同步电机由变频器启动运转到给定速度，经锁相环环节检测到变频器输出电压与电网电压的幅值、相位、频率在给定判定条件范围内时，进行永磁同步电机变频到工频的同步并网切换。
[0006]由于交流接触器存在开关延时的原因，在切换信号发出到交流接触器动作存在一定延时，使切换时相位存在偏差而出现冲击电流，因此在大量实验的基础上提出交流接触器的切换顺序以及切换延时时间大小，从而降低切换时引起的切换电流冲击。因此，锁相环控制技术、开关器件合适时间动作以及合理准确的切换判定条件，是变频到工频小电流冲击同步切换的关键。
[0007]由此可见，永磁同步电机的变频软启动及并网控制板是实现电机软启动和同步切换小冲击电流的核心硬件。
【发明内容】
[0008]本发明通过电压型二极管钳位三电平变频器对永磁同步电机实施变频软启动，克服了电动机启动困难问题；同时变频启动可以有效的控制电动机启动，减小电动机启动过程对电网电流的冲击，解决了永磁同步电机由变频到工频状态切换时大冲击电流问题，为此提供了一种实现永磁同步电机的变频软启动及并网控制的三电平电路板。
[0009]所述电路板以DSP(数字信号处理器，Digital Signal Processing)和FPGA(现场可编程门控器件，Field — Programmable Gate Array)为核心芯片，还包括供电电源模块，电压电流采样模块，模/数转换模块，电机转速位置采样模块，数/模转换模块，继电器驱动模块，电/光转换模块，光/电转换模块以及人机交互模块。人机交互模块包括触摸屏，PLC(可编程逻辑控制器，Programmable Logic Controller)和一片 VPC3+C 芯片；
[0010]控制电路板各个模块之间的连接关系如下:DSP同时连接供电电源模块，模/数转换模块，电机转速位置采样模块，数/模转换模块，继电器驱动模块，FPGA和人机交互模块；模/数转换模块连接电压电流采样模块；继电器驱动模块连接三相交流接触器。
[0011]FPGA同时连接电/光转换模块和光/电转换模块，且电/光转换模块和光/电转换模块同时连接电压型三电平变频器的12个电力电子器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管,Insulated Gated Bipolar Transistor)；
[0012]DSP通过VPC3+c芯片连接PLC，PLC同时连接接触屏；VPC3+c作为通讯芯片，集成Profibus-DP协议，通过Profibus协议实现PLC与DSP之间的通信，具体为:DSP数据通过VPC3+C芯片以Profibus-DP形式发送到Prof ibus总线中去，PLC读取Prof ibus总线信息，并传输到触摸屏上显示；同时通过触摸屏设定的标志位控制信号或者PLC发出的操作指令通过VPC3+C完成数据接收与转换后，通过DSP的串行通信接口传输到DSP中进行处理计笪并ο
[0013]PLC作为主站，留有连接其余从站的接口，PLC主站接受来自其他从站的用户数据，同时可以传送数据到其他从站。
[0014]电压电流采样模块对电网三相电压和电机进线三相电流进行采样，后将采样值送到模/数转换模块中，模/数转换模块将电网三相电压和电机进线三相电流的模拟信号转化为数字量信号送入到DSP中，锁定电网的幅值、相位、频率以及进行相应永磁同步电机矢量控制计算。
[0015]电机转速位置采样模块通过增量式码盘对永磁同步电机进行采样，得到永磁同步电机的转速及位置，得到信号A+，A , B+, B , Z+, Z并送入DSP的增强型正交编码脉冲模块eQEP进行处理，得到永磁同步电机的速度和转子位置角。
[0016]DSP进行如下处理:
[0017]—方面通过触摸屏设置:DSP和FPGA启动控制信号及速度给定信号，启动DSP和FPGA，DSP利用电网的三相电压、电机进线三相电流及永磁同步电机的速度，生成SVPWM(电压空间矢量脉宽调制)脉冲波的频率、初始位置和占空比信息；并通过数据线写入FPGA内部寄存器中；FPGA发出12路SVPWM波电信号，12路SVPWM脉冲波电信号经过电/光转换模块转换成光信号，驱动电压型三电平变频器中12个电力电子器件IGBT的导通和关断，从而使变频器输出三相交流阶梯电压驱动永磁同步电机运转，通过变频启动实现对永磁同步电机的软启动。
[0018]当永磁同步电机变频启动运转到给定速度后，DSP对实时采样的电网电压和变频器输出的三相电压进行比较，通过锁相环环节判定:当两者的幅值相等，相位之差在-?ο度到10度之间，频率在-0.5Hz到0.5Hz之间时，DSP发出切换控制信号，并把切换控制信号送入继电器驱动模块，继电器驱动模块输出的电信号点亮三相交流接触器的线包，实现三相交流接触器的通断，最终实现永磁同步电机变频到电网工频的同步切换。
[0019]光/电转换模块是当电力电子器件IGBT发生故障时，光/电转换模块将故障光信号转换成电信号，经FPGA送入DSP内，DSP根据故障信号实现对12路SVPWM脉冲波电信号的封锁。
[0020]数/模转换模块把DSP发出的数字量信号转换为模拟量信号输出，同时通过外部观测设备示波器实现模拟量信号的观测。
[0021]本发明的优点在于:
[0022]1、一种实现永磁同步电机变频软启动及并网控制的三电平电路板，采用TI公司的一块TMS320F28335芯片和ALTER公司的一块EP2C8Q20818N FPGA作为主控芯片，相互协同实现12路SVPWM脉冲波及相关控制信号的形成，其相比于以往的TMS320F2812控制芯片及其他的种类控制芯片，运行速度更快更可靠，功能更加齐全，所需硬件更少，成本更加低廉。
[0023]2、一种实现永磁同步电机变频软启动及并网控制的三电平电路板，实现对电网电压幅值、相位、频率的锁定，相比以往传统的锁相装置，不需要任何辅助电路，完全可以通过软件实现对电网的锁相，可靠性、稳定性、便捷性得到很大提高，并且在电网出现跌落波动时也可以很好地实现锁定。
[0024]3、一种实现永磁同步电机变频软启动及并网控制的三电平电路板，将PLC和触摸屏结合使用实现人机界面的操作，节省许多硬件，通过组态软件将整个系统的现场数据集中在触摸屏上显示，体积小，便于维护等。
[0025]4、一种实现永磁同步电机变频软启动及并网控制的三电平电路板，通过人机交互界面实现了对该控制板参数在线可调的问题，规避了常规的键盘和显示屏组合调节带来的繁琐，画面更加直观，调节更加方便。
【附图说明】
[0026]图1是本发明一种实现永磁同步电机的变频软启动及并网控制的三电平电路板结构图。
[0027]图2是本发明一种实现永磁同步电机的变频软启动及并网控制的方法流程图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0029]本发明一种实现永磁同步电机的变频软启动及并网控制的三电平电路板，在永磁同步电机变频启动运行到工频速度状态后，通过同步切换条件判定电网三相电压参数和变频器输出电压的参数，当达到符合要求条件时，控制板发出切换控制命令，通过三相交流接触器最终实现永磁同步电机变频到工频小冲击电流的同步切换；由此可见，永磁同步电机的变频软启动及并网控制板是实现电机软启动和同步切换小冲击电流的核心。
[0030]—种实现永磁同步电机变频软启动及并网控制的电路板，如图1所示，以数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA为核心芯片，还包括供电电源模块，电压电流采样模块，模/数转换模块，电机转速位置采样模块，数/模转换模块，继电器驱动模块，电/光转换模块，光/电转换模块以及人机交互模块。人机交互模块包括一片VPC3+C芯片、西门子公司S7系列S7-300的PLC(可编程逻辑控制器，Programmable Logic Controll