單元串聯中壓變頻試驗系統控制軟件設計

崔晶

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

隨著以風機、泵類為主的中壓大功率交流電機在我國的廣泛應用，為改善傳統的中壓電機所采用的能耗高、效率低的直接恒速拖動方式，研究和發展中壓電動機的變頻調速系統，對提高能源利用率有著重大意義[1]。

以DSP為代表的智能控制芯片的發展為中壓大功率變頻調速系統的設計提供了諸多新思路和方法，本文提出一種基于DSP的中壓變頻控制設計方法，重點研究系統控制軟件的設計。

1 中壓變頻控制系統設計

1.1 系統硬件設計

中壓變頻試驗裝置按6 kV/400 kW設計，主要由高壓隔離開關、移相變壓器、變頻柜、控制柜四大部分組成，如圖1所示。

圖1中控制柜為本系統設計的核心，其中主控板采用TI公司的浮點型DSP芯片TMS320C32，其硬件、軟件資源豐富，完全能夠滿足本系統的控制要求。

1.2 系統軟件設計

系統軟件基于DSP設計，在軟件中需完成通訊、采樣、控制以及故障檢測處理等功能。為提高程序的可讀性和可移植性，本文采用子程序的模塊化設計，即在主程序中完成變量初始化及寄存器設置等功能，進而開放中斷，并在中斷程序中實現子程序的模塊功能。從而使主程序在不斷循環響應中斷子程序的過程中，完成對應的功能模塊。主程序流程圖見圖2所示。

圖1 硬件結構配置Fig.1 Hardware configuration

圖2 主程序流程圖Fig.2 Master flowchart

將要完成的每種功能劃分為功能塊，在相應的子程序中實現，子程序模塊主要包括PWM調制模塊、順序控制及V/F曲線控制功能模塊。根據不同功能模塊對時間的要求度不同，將各個子程序模塊安排到合適的中斷中。如PWM調制模塊對實時性要求最高，因此安排在最高優先級且中斷最快的TS（外部中斷0）中，其他子程序模塊則安排在次級中斷T0（定時器中斷0）中，并通過進一步調整中斷時間，來完成對子程序模塊時隙的調整[2]。

1.2.1 PWM調制模塊設計

PWM調制模塊主要實現PWM脈寬計算，從而生成并輸出水平移向PWM波。在脈寬計算中可通過合理的參數設置改變載波頻率，從而減少輸出諧波對電網的污染。圖3為該模塊PWM脈寬計算流程。

圖3 PWM脈寬計算軟件流程圖Fig.3 PWM pulse width computing software flow chart

圖3中，入口參數包括調制單元輸入頻率f、調制單元輸入電壓 U 以及電網電壓 e。 參數 Δθ、VA、VB、VC及 WA、WB、WC分別按式（1）～式（3）計算。 式中 Ts為采樣周期。

1.2.2 順序控制模塊設計

順序控制模塊的作用是保障變頻器運行安全，使變頻器動作（如起動、運行及停車等）按照正確的邏輯順序進行，并檢測故障信息，一旦發生故障則立即停機并跳閘。為實現順序控制，本文規定了中壓變頻器運行過程中的九種狀態：初始化工作狀態、禁止合閘狀態、故障報警狀態、允許合閘狀態、預充電狀態、允許起車狀態、運行狀態、正常停車狀態和安全停車狀態，其對應編號為狀態0－8。在程序設計中，將系統目前運行狀態定義為狀態字ST000，取值0－8對應系統的9種狀態。在該模塊設計中，通過判別狀態字ST000的值，就可進行對應狀態的邏輯處理，不滿足相應邏輯的誤操作，將得不到響應，從而保證了順序控制功能的正確執行。圖4為順序控制模塊流程設計圖。

1.2.3 V/F曲線控制模塊設計

圖4 順序控制功能塊程序流程圖Fig.4 Sequence control function block program flow chart

V/f曲線的設置是V/f控制方式的核心部分，直接關系到電機運行性能的好壞，如果完全依靠人工憑經驗整定參數確定V/f曲線，不僅效率低下，也很難使其達到優良的性能[3]。因此，本文的V/f曲線控制模塊設計基于高性能V/f控制方案[4－5]，可大幅度減少人工參與度，并提高電機的運行性能[6]。

圖5 V/f曲線控制模塊程序流程圖Fig.5 Curve of V/f control module program flow chart

圖5為V/f曲線控制的程序流程圖，其中入口參數包括：Imax控制器輸出頻率Fout、加速電流輸入IAcc、Imax控制器輸出電壓Uout、V/f曲線選擇模式Vfselect=1/0、額定電壓UR、額定頻率FR、定子電阻 Rs、上舉電壓 UB、上舉電流 IB等。 圖 5中參數UB、k1、k2、k′及 UVf的計算參見式（4）～式（6）。

2 試驗結果分析

根據上述分析建立系統并進行6 kV/22 kW空載、負載試驗，為保證安全，首先進行了4 kV/22 kW空載、負載實驗，在確保安全無異常的基礎上再進行6 kV/22 kW系統空載、負載試驗。圖6給出了系統在50 Hz負載實驗時電動機線電壓和由霍爾電流鉗測得的電動機線電流波形；圖7為系統在50 Hz負載實驗時由霍爾電流鉗測得的進線電網側線電流波形。

從圖6、圖7的波形可以看出，以50Hz負載試驗為代表，中壓大功率變頻器系統輸出線電壓波形具有較好的正弦性，其線電流的波形圖更是突顯了優越的正弦性（圖6）。

圖6 50 Hz負載試驗時電動機線電壓（下）、線電流（上）波形Fig.6 Under 50 Hz load test motor line voltage(below),line current waveform(above)

圖7 50 Hz負載試驗時進線電網側線電流波形Fig.7 Line current waveform into the line power grid side under 50 Hz load test into the side

3 結論

為改善傳統的中壓電機所采用的能耗高、效率低的直接恒速拖動方式，從而提高能源利用率[7]，本文提出了一種中壓變頻控制系統設計方案，重點研究基于DSP的控制軟件設計，同時為了提高程序的可讀性和可移植性，提出了模塊化的程序設計方法。

經中壓大功率變頻器系統的負載、空載試驗論證，本文提出的單元串聯中壓變頻試驗系統運行穩定，且能夠達到預期效果。說明系統在硬件、軟件方面均滿足設計要求，控制軟件設計方案不但行之有效、成效顯著，而且有較高的可靠性，從而保證了系統長期有效、穩定的運行。

[1]蘇彥民，李宏.交流調速系統的控制策略[M].北京：機械工業出版社，2008.

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