專利名稱：三相感應(yīng)電動機(jī)效率優(yōu)化控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電動機(jī)節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種通過實(shí)時優(yōu)化三相感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)行效 率而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的控制裝置。
技術(shù)背景電動機(jī)是電力機(jī)械最主要的原動力設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會生活中占有極其重要的 地位。同時它也是量大面廣的高耗能設(shè)備。2004年11月25日，國家發(fā)改委頒布了我國《節(jié)能 中長期專項(xiàng)規(guī)劃》，該規(guī)劃將電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程作為節(jié)能重點(diǎn)工程之一，指出我國各類電 動機(jī)總?cè)萘考s為4.2億kW (其中感應(yīng)電動機(jī)占絕大多數(shù))，用電量約占全國用電量的60%，但 電動機(jī)拖動系統(tǒng)的能源利用效率比國外低10 30%，總的節(jié)能潛力約為1000億kWh。因此，解 決好電動機(jī)拖動系統(tǒng)節(jié)能問題具有巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，電動機(jī)運(yùn)行的節(jié)能技術(shù)，主要有兩大類 一類是輕負(fù)載時降低電動機(jī)運(yùn)行電壓的 節(jié)能技術(shù)；另一類是保持電動機(jī)輸出功率不變情況下減少輸入功率，即通過優(yōu)化電動機(jī)運(yùn)行 效率達(dá)到節(jié)能的目的。前者是一種局部優(yōu)化，通常只是在輕負(fù)載吋才考慮節(jié)能問題，而且電 壓降低的行為可能會使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減少，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的變化。中國實(shí)用新型專利 ZL03215299.X (電動機(jī)降壓節(jié)能裝置)和ZL0325127L 6 (異步電動機(jī)智能節(jié)電器)都屬于這 種類型，前者完全由模擬電路構(gòu)成，后者則由以單片機(jī)為核心的數(shù)字電路構(gòu)成。電動機(jī)運(yùn)行 效率優(yōu)化的節(jié)能方法是一種全局優(yōu)化，無論是輕載，還是滿載，在電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行(不包括 起動)期間都可以獲得一種效率最佳的狀態(tài)。采樣該方法的現(xiàn)有控制裝置， 一般通過離線計(jì) 算，設(shè)置若干個優(yōu)化點(diǎn)，在運(yùn)行過程中進(jìn)行選擇，不能實(shí)現(xiàn)在線的實(shí)時優(yōu)化，而且由于實(shí)際 運(yùn)行過程中電動機(jī)系統(tǒng)參數(shù)變化以及受不同的擾動，離線的計(jì)算結(jié)果可能不再是優(yōu)化結(jié)果。 發(fā)明內(nèi)容為了克服如背景技術(shù)所述的現(xiàn)有的電動機(jī)節(jié)能控制裝置存在的不足，本實(shí)用新型提供一 種三相感應(yīng)電動機(jī)在線效率優(yōu)化控制系統(tǒng)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是由數(shù)字信號處理器系統(tǒng)、傳感器、整 流器、逆變器和液晶顯示系統(tǒng)構(gòu)成。以數(shù)字信號處理器為控制中心，通過濾波整形放大電路 與各傳感器連接，通過光電隔離驅(qū)動電路與逆變器連接，通過液晶顯示控制驅(qū)動電路與液晶 顯示器連接。傳感器檢測電流、電壓和電動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，送入數(shù)字信號處理器中，經(jīng)過數(shù)字 信號處理、輸入功率計(jì)算以及效率優(yōu)化算法后，發(fā)出控制命令，控制逆變器，在保持輸出功 率不變前提下調(diào)節(jié)輸入功率。整流器將三相交流電變?yōu)橹绷麟?，逆變器又將直流電變?yōu)榻涣?電，安裝在兩者之間的傳感器檢測直流電流和直流電壓，用這兩個測量值計(jì)算電動機(jī)輸入功 率。效率優(yōu)化算法的原理是(1)通過檢測到的電動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，判斷電動機(jī)是否處于穩(wěn)態(tài) 運(yùn)行，若是則進(jìn)行下一步的工作，否則說明電動機(jī)處于調(diào)速的過渡過程，不進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；(2)根據(jù)三相對稱電流之和為零的原理，用檢測到的兩相電動機(jī)電流計(jì)算出所剩的一相電流， 進(jìn)行d-q軸轉(zhuǎn)換，獲得d軸和q軸電流；(3)連續(xù)改變d軸電流，計(jì)算輸入功率大小，判斷 輸入功率變化方向，使d軸電流向著輸入功率減少的方向變化，直至輸入功率不再變小，這 時電動機(jī)達(dá)到效率最優(yōu)化的狀態(tài)；(4)對q軸電流進(jìn)行補(bǔ)償，即在改變d軸電流的同時，也 需要對q軸電流進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩保持不變，轉(zhuǎn)速也維持不變，確保電動機(jī)的輸 出功率不變；(5)數(shù)字信號處理器根據(jù)這些電流的變化大小獲得相應(yīng)的PWM (脈寬調(diào)制)控制信號，控制逆變器，改變電動機(jī)的端電壓，對電動機(jī)輸入功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。本效率優(yōu)化控制系統(tǒng)通過CAN總線(控制器局域網(wǎng))與其它系統(tǒng)連接和通訊。該局域網(wǎng) 是一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本低的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，數(shù)據(jù)傳輸距離可 達(dá)10km，其傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)可采用低成本的雙絞線，CAN總線上可以掛接多個CAN節(jié)點(diǎn)， 且各個CAN節(jié)點(diǎn)的接入或拆除不影響其它節(jié)點(diǎn)的工作，這樣可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。本實(shí)用新型的有益效果是(1)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)全局在線效率優(yōu)化，即無論負(fù)載大小如 何，都可將電動機(jī)控制在效率最佳的運(yùn)行狀態(tài)，獲得最大的運(yùn)行節(jié)能效果。(2)系統(tǒng)以數(shù)字 信號處理器為核心，該處理器運(yùn)行速度快，包含的外圍部件多，系統(tǒng)性能得到保證，且總體 成本低；(3)采用低成本的控制器局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可靠性高，成本低；(4)若電 動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用矢量控制方式，則硬件上效率優(yōu)化控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可合二為一。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖。圖2為效率優(yōu)化原理圖。圖3為控制系統(tǒng)程序流程圖。圖1中，l.數(shù)字信號處理器，2.CAN總線收發(fā)電路，3.液晶顯示控制驅(qū)動電路，4.液晶 顯示器，5.開關(guān)電源，6.濾波整形放大電路，7.濾波整形放大電路，8.光電隔離驅(qū)動電路， 9.濾波整形放大電路，10.濾波整形放大電路，ll.濾波整形放大電路，12.直流電流變送器， 13.直流電壓變送器，14.霍爾電流傳感器，15.霍爾電流傳感器，16.增量式光電編碼器，17. 逆變器，18.整流器。圖中的頂表示三相感應(yīng)電動機(jī)。圖2中，"使能"表示當(dāng)期望的轉(zhuǎn)速值與電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速值之差的絕對值小于一個足 夠小的數(shù)時，即電動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，"效率優(yōu)化中心"和"轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償"模塊才有效。該圖 是用軟件實(shí)現(xiàn)的。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。圖1中，數(shù)字信號處理系統(tǒng)由數(shù)字信號處理器(1)、 CAN總線收發(fā)電路(2)、濾波整形 放大電路(6， 7， 9, 10， 11)、光電隔離驅(qū)動電路(8)構(gòu)成，它們安裝在一塊印刷電路板上。 傳感器包括直流電流變送器(12)、直流電壓變送器(13)、霍爾電流傳感器(14， 15)、增量 式光電編碼器(16)。液晶顯示系統(tǒng)由液晶顯示控制驅(qū)動電路(3)和液晶顯示器(4)構(gòu)成。 本實(shí)施例中，數(shù)字信號處理器(1)選用TMS320F2812,它是一款高性能、高集成度的新型電 機(jī)控制用的數(shù)字信號處理器，例如其內(nèi)部包含有16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器、正交編碼電路、 PWM電路、C認(rèn)總線控制器等。直流電流變送器(12)、直流電壓變送器(13)分別安裝在整 流器(18)和逆變器(17)之間，通過濾波整形放大電路(6， 7)接入到數(shù)字信號處理器(1) 內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器的2個通道，測量三相交流電經(jīng)整流器(18)整流后的直流電流和直流電 壓，用于計(jì)算電動機(jī)輸入功率；霍爾電流傳感器(14， 15)則分別安裝在電動機(jī)端兩相線路 上，同樣地通過濾波整形放大電路(9， 10)接入到數(shù)字信號處理器(1)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器 的2個通道，測量電動機(jī)兩相輸入交流電流，通過計(jì)算獲得第三相電流，進(jìn)而可進(jìn)行d-q軸 轉(zhuǎn)換，獲得d軸和q軸的電流；增量式光電編碼器(16)安裝在電動機(jī)軸上，通過濾波整形 放大電路(11)接入到數(shù)字信號處理器(1)內(nèi)部的正交編碼電路上，測量電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。數(shù)字信號處理器(l)將所述測量信號送入到效率優(yōu)化計(jì)算程序，獲得控制命令，即相應(yīng)的PWM 脈沖，經(jīng)其內(nèi)部的PWM電路，通過光電隔離驅(qū)動電路(8)驅(qū)動逆變器(17)的IGBT (絕緣 柵雙極型晶體管)，改變逆變器(17)的輸出，達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)輸入功率的目的。 下面結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)用新型的工作過程1、 初始化。在系統(tǒng)上電后，從電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中獲得期望的電動機(jī)轉(zhuǎn)速A。2、 檢測電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。檢測電動機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速r，若期望的轉(zhuǎn)速^與運(yùn)行轉(zhuǎn)速r 之差的絕對值小于一個給定的足夠小常數(shù)，說明電動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。3、 執(zhí)行效率優(yōu)化程序。電動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，檢測輸入直流電流和直流電壓、電動 機(jī)端兩相交流電流，計(jì)算獲得所剩的一相電流，將三相交流電流進(jìn)行d-q軸轉(zhuǎn)換；計(jì)算電動 機(jī)輸入功率，調(diào)整d軸和q軸電流，再計(jì)算輸入功率，比較兩次輸入功率大小，確定d軸電 流的變化方向；使d軸電流往輸入功率減少的方向連續(xù)變化，直至輸入功率不再減小。在這 過程中，q軸電流也不斷調(diào)整，確保電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和輸出功率不變，同時數(shù)字信號處理器根據(jù)d 軸和q軸電流變化大小，給出相應(yīng)的P^1脈沖，改變逆變器的輸出。4、 顯示電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由液晶顯示器實(shí)時地顯示電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、 電流、電壓和效率。
權(quán)利要求1、一種三相感應(yīng)電動機(jī)效率優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于由數(shù)字信號處理器系統(tǒng)、傳感器、整流器、逆變器和液晶顯示系統(tǒng)構(gòu)成，包括數(shù)字信號處理器(1)、CAN總線收發(fā)電路(2)、液晶顯示控制驅(qū)動電路(3)、液晶顯示器(4)、開關(guān)電源(5)、濾波整形放大電路(6，7，9，10，11)、光電隔離驅(qū)動電路(8)、直流電流變送器(12)、直流電壓變送器(13)、霍爾電流傳感器(14，15)、增量式光電編碼器(16)、逆變器(17)、整流器(18)，數(shù)字信號處理器(1)通過濾波整形放大電路(6，7，9，10，11)與各傳感器連接，通過光電隔離驅(qū)動電路(8)與逆變器(17)連接，通過液晶顯示控制驅(qū)動電路(3)與液晶顯示器(4)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的效率優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于直流電流變送器(12)和直 流電壓變送器(13)分別安裝在整流器(18)和逆變器(17)之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的效率優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于數(shù)字信號處理器(1)通過 CAN總線與其它外部系統(tǒng)連接和通訊。
專利摘要一種三相感應(yīng)電動機(jī)效率優(yōu)化控制系統(tǒng)，涉及電動機(jī)節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。由數(shù)字信號處理器系統(tǒng)、傳感器、整流器、逆變器和液晶顯示系統(tǒng)構(gòu)成，包括數(shù)字信號處理器、CAN總線收發(fā)電路、液晶顯示控制驅(qū)動電路、液晶顯示器、開關(guān)電源、濾波整形放大電路、光電隔離驅(qū)動電路、直流電流變送器、直流電壓變送器、霍爾電流傳感器、增量式光電編碼器、逆變器、整流器。數(shù)字信號處理器將各傳感器檢測的電流、電壓和電動機(jī)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行數(shù)字信號處理、輸入功率計(jì)算以及效率優(yōu)化算法后，發(fā)出控制命令，控制逆變器，在保持輸出功率不變前提下減少輸入功率，至獲得最小值。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)電動機(jī)全局在線效率優(yōu)化，即無論負(fù)載大小如何都可將其控制在效率最佳的運(yùn)行狀態(tài)。
文檔編號H02P27/04GK201118513SQ200720193998
公開日2008年9月17日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者敘 楊, 羅文廣, 藍(lán)紅莉, 陳文輝 申請人:廣西工學(xué)院