一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及同步切換領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板。
【背景技術(shù)】
[0002]由于大功率永磁同步電機(jī)直接啟動(dòng)困難，硬啟動(dòng)會(huì)帶來(lái)很大的沖擊電流損壞電機(jī)本體結(jié)構(gòu)，且對(duì)電網(wǎng)及其他供電設(shè)備造成影響；隨著電力電子器件的快速發(fā)展，價(jià)格的不斷降低促使了大容量永磁同步電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)及同步切換的發(fā)展。通過(guò)投資一臺(tái)變頻器可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)永磁同步電機(jī)的軟啟動(dòng)和一臺(tái)永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速，節(jié)約了成本、而且操作簡(jiǎn)單方便。
[0003]隨著大功率永磁同步電機(jī)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的兩電平變頻器啟動(dòng)大功率永磁同步電機(jī)已經(jīng)不能滿足要求；由于電壓型二極管鉗位三電平(以下稱三電平)變頻器輸出具有電壓等級(jí)更高、電能質(zhì)量更好、更低的開(kāi)關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，在中高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且三電平變頻器滿足大功率永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速要求。
[0004]永磁同步電機(jī)不知道轉(zhuǎn)子的具體位置時(shí)，啟動(dòng)是十分困難的。而且，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于節(jié)能減排要求，要求電機(jī)連續(xù)地以大致不變速度單方向運(yùn)行，所以需要永磁同步電機(jī)在變頻器的帶動(dòng)下運(yùn)行到一定頻率時(shí)，由變頻狀態(tài)直接同步切換到工頻電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。由于大功率永磁同步電機(jī)在變頻驅(qū)動(dòng)下切換到工頻會(huì)時(shí)產(chǎn)生很大沖擊電流，減小切換沖擊電流迫在眉睫。
[0005]永磁同步電機(jī)由變頻器啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)到給定速度，經(jīng)鎖相環(huán)環(huán)節(jié)檢測(cè)到變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的幅值、相位、頻率在給定判定條件范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行永磁同步電機(jī)變頻到工頻的同步并網(wǎng)切換。
[0006]由于交流接觸器存在開(kāi)關(guān)延時(shí)的原因，在切換信號(hào)發(fā)出到交流接觸器動(dòng)作存在一定延時(shí)，使切換時(shí)相位存在偏差而出現(xiàn)沖擊電流，因此在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出交流接觸器的切換順序以及切換延時(shí)時(shí)間大小，從而降低切換時(shí)引起的切換電流沖擊。因此，鎖相環(huán)控制技術(shù)、開(kāi)關(guān)器件合適時(shí)間動(dòng)作以及合理準(zhǔn)確的切換判定條件，是變頻到工頻小電流沖擊同步切換的關(guān)鍵。
[0007]由此可見(jiàn)，永磁同步電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制板是實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)和同步切換小沖擊電流的核心硬件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明通過(guò)電壓型二極管鉗位三電平變頻器對(duì)永磁同步電機(jī)實(shí)施變頻軟啟動(dòng)，克服了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難問(wèn)題；同時(shí)變頻啟動(dòng)可以有效的控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)電流的沖擊，解決了永磁同步電機(jī)由變頻到工頻狀態(tài)切換時(shí)大沖擊電流問(wèn)題，為此提供了一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板。
[0009]所述電路板以DSP(數(shù)字信號(hào)處理器，Digital Signal Processing)和FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門控器件，F(xiàn)ield — Programmable Gate Array)為核心芯片，還包括供電電源模塊，電壓電流采樣模塊，模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，電機(jī)轉(zhuǎn)速位置采樣模塊，數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，電/光轉(zhuǎn)換模塊，光/電轉(zhuǎn)換模塊以及人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊包括觸摸屏，PLC(可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller)和一片 VPC3+C 芯片；
[0010]控制電路板各個(gè)模塊之間的連接關(guān)系如下:DSP同時(shí)連接供電電源模塊，模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，電機(jī)轉(zhuǎn)速位置采樣模塊，數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，F(xiàn)PGA和人機(jī)交互模塊；模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接電壓電流采樣模塊；繼電器驅(qū)動(dòng)模塊連接三相交流接觸器。
[0011]FPGA同時(shí)連接電/光轉(zhuǎn)換模塊和光/電轉(zhuǎn)換模塊，且電/光轉(zhuǎn)換模塊和光/電轉(zhuǎn)換模塊同時(shí)連接電壓型三電平變頻器的12個(gè)電力電子器件IGBT(絕緣柵雙極型晶體管,Insulated Gated Bipolar Transistor)；
[0012]DSP通過(guò)VPC3+c芯片連接PLC，PLC同時(shí)連接接觸屏；VPC3+c作為通訊芯片，集成Profibus-DP協(xié)議，通過(guò)Profibus協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與DSP之間的通信，具體為:DSP數(shù)據(jù)通過(guò)VPC3+C芯片以Profibus-DP形式發(fā)送到Prof ibus總線中去，PLC讀取Prof ibus總線信息，并傳輸?shù)接|摸屏上顯示；同時(shí)通過(guò)觸摸屏設(shè)定的標(biāo)志位控制信號(hào)或者PLC發(fā)出的操作指令通過(guò)VPC3+C完成數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換后，通過(guò)DSP的串行通信接口傳輸?shù)紻SP中進(jìn)行處理計(jì)笪并ο
[0013]PLC作為主站，留有連接其余從站的接口，PLC主站接受來(lái)自其他從站的用戶數(shù)據(jù)，同時(shí)可以傳送數(shù)據(jù)到其他從站。
[0014]電壓電流采樣模塊對(duì)電網(wǎng)三相電壓和電機(jī)進(jìn)線三相電流進(jìn)行采樣，后將采樣值送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中，模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電網(wǎng)三相電壓和電機(jī)進(jìn)線三相電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào)送入到DSP中，鎖定電網(wǎng)的幅值、相位、頻率以及進(jìn)行相應(yīng)永磁同步電機(jī)矢量控制計(jì)算。
[0015]電機(jī)轉(zhuǎn)速位置采樣模塊通過(guò)增量式碼盤對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行采樣，得到永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速及位置，得到信號(hào)A+，A , B+, B , Z+, Z并送入DSP的增強(qiáng)型正交編碼脈沖模塊eQEP進(jìn)行處理，得到永磁同步電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)子位置角。
[0016]DSP進(jìn)行如下處理:
[0017]—方面通過(guò)觸摸屏設(shè)置:DSP和FPGA啟動(dòng)控制信號(hào)及速度給定信號(hào)，啟動(dòng)DSP和FPGA，DSP利用電網(wǎng)的三相電壓、電機(jī)進(jìn)線三相電流及永磁同步電機(jī)的速度，生成SVPWM(電壓空間矢量脈寬調(diào)制)脈沖波的頻率、初始位置和占空比信息；并通過(guò)數(shù)據(jù)線寫(xiě)入FPGA內(nèi)部寄存器中；FPGA發(fā)出12路SVPWM波電信號(hào)，12路SVPWM脈沖波電信號(hào)經(jīng)過(guò)電/光轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電壓型三電平變頻器中12個(gè)電力電子器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而使變頻器輸出三相交流階梯電壓驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)變頻啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的軟啟動(dòng)。
[0018]當(dāng)永磁同步電機(jī)變頻啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)到給定速度后，DSP對(duì)實(shí)時(shí)采樣的電網(wǎng)電壓和變頻器輸出的三相電壓進(jìn)行比較，通過(guò)鎖相環(huán)環(huán)節(jié)判定:當(dāng)兩者的幅值相等，相位之差在-?ο度到10度之間，頻率在-0.5Hz到0.5Hz之間時(shí)，DSP發(fā)出切換控制信號(hào)，并把切換控制信號(hào)送入繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊輸出的電信號(hào)點(diǎn)亮三相交流接觸器的線包，實(shí)現(xiàn)三相交流接觸器的通斷，最終實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻到電網(wǎng)工頻的同步切換。
[0019]光/電轉(zhuǎn)換模塊是當(dāng)電力電子器件IGBT發(fā)生故障時(shí)，光/電轉(zhuǎn)換模塊將故障光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)FPGA送入DSP內(nèi)，DSP根據(jù)故障信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)12路SVPWM脈沖波電信號(hào)的封鎖。
[0020]數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊把DSP發(fā)出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)輸出，同時(shí)通過(guò)外部觀測(cè)設(shè)備示波器實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)的觀測(cè)。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022]1、一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板，采用TI公司的一塊TMS320F28335芯片和ALTER公司的一塊EP2C8Q20818N FPGA作為主控芯片，相互協(xié)同實(shí)現(xiàn)12路SVPWM脈沖波及相關(guān)控制信號(hào)的形成，其相比于以往的TMS320F2812控制芯片及其他的種類控制芯片，運(yùn)行速度更快更可靠，功能更加齊全，所需硬件更少，成本更加低廉。
[0023]2、一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓幅值、相位、頻率的鎖定，相比以往傳統(tǒng)的鎖相裝置，不需要任何輔助電路，完全可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的鎖相，可靠性、穩(wěn)定性、便捷性得到很大提高，并且在電網(wǎng)出現(xiàn)跌落波動(dòng)時(shí)也可以很好地實(shí)現(xiàn)鎖定。
[0024]3、一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板，將PLC和觸摸屏結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的操作，節(jié)省許多硬件，通過(guò)組態(tài)軟件將整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集中在觸摸屏上顯示，體積小，便于維護(hù)等。
[0025]4、一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板，通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)該控制板參數(shù)在線可調(diào)的問(wèn)題，規(guī)避了常規(guī)的鍵盤和顯示屏組合調(diào)節(jié)帶來(lái)的繁瑣，畫(huà)面更加直觀，調(diào)節(jié)更加方便。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖2是本發(fā)明一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]本發(fā)明一種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的三電平電路板，在永磁同步電機(jī)變頻啟動(dòng)運(yùn)行到工頻速度狀態(tài)后，通過(guò)同步切換條件判定電網(wǎng)三相電壓參數(shù)和變頻器輸出電壓的參數(shù)，當(dāng)達(dá)到符合要求條件時(shí)，控制板發(fā)出切換控制命令，通過(guò)三相交流接觸器最終實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻到工頻小沖擊電流的同步切換；由此可見(jiàn)，永磁同步電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制板是實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)和同步切換小沖擊電流的核心。
[0030]—種實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)變頻軟啟動(dòng)及并網(wǎng)控制的電路板，如圖1所示，以數(shù)字信號(hào)處理器DSP和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA為核心芯片，還包括供電電源模塊，電壓電流采樣模塊，模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，電機(jī)轉(zhuǎn)速位置采樣模塊，數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，電/光轉(zhuǎn)換模塊，光/電轉(zhuǎn)換模塊以及人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊包括一片VPC3+C芯片、西門子公司S7系列S7-300的PLC(可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controll