近年來,出于節(jié)約能源的迫切需要和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求,大容量電動機(jī)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,在國內(nèi),基本覆蓋了電力、冶金、石油、化工、造紙等主要行業(yè)。因此國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非常活躍,主要的問題是利用耐壓有限的功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)速,解決的辦法是把低壓的開關(guān)器件以一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接,用低電壓串聯(lián)形成高電壓。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用集中式控制,系統(tǒng)安裝調(diào)試比較復(fù)雜,功能相對局限且不易擴(kuò)展,很難實(shí)現(xiàn)控制的智能化。而分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,數(shù)據(jù)處理方式靈活,有很強(qiáng)的擴(kuò)展性,其模塊化的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的容錯性,因此是高壓變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制的發(fā)展趨勢。
針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)過于復(fù)雜的缺點(diǎn),本文提出一種高壓變頻的分布式控制策略,系統(tǒng)采用“中央控制單元-總線-分布控制單元”的分布式控制。
1 分布式控制的原理
設(shè)計(jì)的高壓變頻器要求產(chǎn)生的相電壓的變化在0～4 320V范圍之內(nèi),系統(tǒng)使用低壓功率器件,采用電壓串聯(lián)疊加的方法實(shí)現(xiàn)高壓[1],其高壓變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。圖中,24個(gè)分布的單元,每個(gè)單元均由相同的控制和驅(qū)動系統(tǒng)組成。控制單元采用PWM控制方式調(diào)節(jié)驅(qū)動單元的輸出電壓使之在0～540V之間變化。24個(gè)單元分成三相,每相由8個(gè)單元串聯(lián)連接,產(chǎn)生的相電壓的變化在0～4 320V范圍。三組功率單元星形聯(lián)相形成分布式控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以低壓的功率器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出。每組疊加出用于電機(jī)驅(qū)動的一相電壓波形,相電壓之間的相位差為120°。這樣,線電壓可以控制在0～7500V,以適應(yīng)高壓電機(jī)的控制要求。
分布單元驅(qū)動電路如圖2所示,由三相橋式整流電路和方波逆變器組成。兩個(gè)方波逆變器的輸出電壓uao和ubo是脈寬可調(diào)的方波,而兩橋臂中點(diǎn)a和b之間的電壓uab是uao和ubo方波電壓的疊加,即uab＝uao-ubo。假定uao和ubo之間的相位角之差為180°+Φ,則調(diào)節(jié)Φ角即可調(diào)節(jié)輸出電壓的脈寬,因而使輸出電壓的基波分量和諧波分量的幅值也發(fā)生變化。這樣,既改善了輸出電壓的波形,也達(dá)到了調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。
2 分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的高壓變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。分布式系統(tǒng)由中央控制單元、CAN總線光纖通信部分和分布單元控制器三部分組成。中央控制單元以CAN總線和分布單元控制器建立通信,建立任務(wù)分工,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。以分布式控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式的控制系統(tǒng),解決了集中式控制方式在數(shù)據(jù)就地采集、處理和獨(dú)立控制等方面的問題,減少了中央處理單元的負(fù)擔(dān),而且擴(kuò)展了系統(tǒng)功能,實(shí)現(xiàn)了高壓變頻器的遠(yuǎn)程智能化監(jiān)視和控制,改進(jìn)了系統(tǒng)的性能,同時(shí)也更加符合工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用;由于CAN總線的通信采用光纖作為介質(zhì),中央控制單元及分布式單元通過兩根光纖和HUB連接即可完成系統(tǒng)的組裝;由于分布單元結(jié)構(gòu)相同,可采用硬件ID軟件識別的方法使系統(tǒng)的可替換性和伸縮性增強(qiáng)。
2.1中央控制單元
基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)為核心的中央控制單元主要包括:I/O模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、GPRS遠(yuǎn)程通信模塊、CAN總線通信模塊等外圍的功能模塊,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用分布式系統(tǒng)的功能劃分,并且利用ARM的32位的運(yùn)算能力設(shè)計(jì)的中央控制單元所要執(zhí)行的任務(wù)包括:高壓變頻系統(tǒng)電源
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