專利名稱：一種高壓節(jié)電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及節(jié)電器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高壓節(jié)電器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，節(jié)電器作為電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域如冶金、石化、自來(lái)水、電力等均得到廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。特別是高壓大功率節(jié)電器的應(yīng)用日漸廣泛?，F(xiàn)有的高壓大功率節(jié)電器主要由多副邊繞組變壓器、若干個(gè)功率模塊單元和控制系統(tǒng)構(gòu)成。功率模塊單元為基本的交-直-交單相逆變電路，高壓大功率節(jié)電器的每一相就是由這樣的若干個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成。控制系統(tǒng)能夠由控制器、工控PC機(jī)和可編程控制機(jī)(PLC)構(gòu)成；其中，控制器主要是由用于計(jì)算產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)的單片機(jī)構(gòu)成，工控PC機(jī)主要是用來(lái)提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，可編程控制機(jī)(PLC)主要是用于柜內(nèi)開(kāi)芙信號(hào)的邏輯控制。由于現(xiàn)有的高壓大功率節(jié)電器采用的是變壓變頻(VVVF)開(kāi)環(huán)控制方式進(jìn)行調(diào)速，而且用于控制功率單元導(dǎo)通的PWM信號(hào)是由運(yùn)算速度較慢的單片機(jī)產(chǎn)生，所以，造成這種由功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成的高壓大功率節(jié)電器在使用中存在如下問(wèn)題:
不能實(shí)現(xiàn)真正的恒轉(zhuǎn)矩控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，不能實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制。由于這種高壓大功率節(jié)電器采用的是變壓變頻(VVVF)開(kāi)環(huán)控制方式，比較簡(jiǎn)單，因此它不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。雖然這種通用的變壓變頻(VVVF)開(kāi)環(huán)控制方式在理論上是恒轉(zhuǎn)矩的，但是驅(qū)動(dòng)功率器件開(kāi)通和關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)指令從節(jié)電器的控制器到最終驅(qū)動(dòng)功率器件中間要經(jīng)過(guò)一系列的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，存在于各個(gè)環(huán)節(jié)上的誤差積累，使得節(jié)電器實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩與設(shè)計(jì)輸出的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩有所誤差，這樣就不能實(shí)現(xiàn)真正的恒轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也比較慢，不能實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制。不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的旋轉(zhuǎn)再啟動(dòng)。由于現(xiàn)有的高壓大功率節(jié)電器采用變壓變頻(VVVF)開(kāi)環(huán)控制方式，其控制器部分不能識(shí)別電機(jī)的速度，不能在功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)封鎖后某個(gè)時(shí)間再次跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速繼續(xù)發(fā)驅(qū)動(dòng)指令，即不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的旋轉(zhuǎn)再起動(dòng)。如果在起動(dòng)前電機(jī)在旋轉(zhuǎn)，則不能立刻起動(dòng)，必須等電機(jī)完全靜止才能再起動(dòng)，否則就容易出現(xiàn)節(jié)電器過(guò)流故障。同樣，由于它不能識(shí)別電機(jī)的實(shí)際速度，在節(jié)電器供電電網(wǎng)電壓突然消失一段時(shí)間后不能跟蹤電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速而繼續(xù)對(duì)功率器件實(shí)現(xiàn)正確的控制和驅(qū)動(dòng)，即不能實(shí)現(xiàn)掉電重起動(dòng)功能。過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能弱，功率模塊單元易燒毀。由于現(xiàn)有的高壓大功率節(jié)電器采用變壓變頻(VVVF)開(kāi)環(huán)控制方式，其控制部分不能對(duì)減緩節(jié)電器輸出后從電機(jī)反饋回節(jié)電器的能量進(jìn)行識(shí)別和判斷，這樣導(dǎo)致在減小節(jié)電器輸出電壓時(shí)如果設(shè)置的減速時(shí)間過(guò)短，由于機(jī)組的強(qiáng)大慣性，電機(jī)的回饋能量過(guò)多而節(jié)電器的功率部分的儲(chǔ)能電容器不能及時(shí)吸收而發(fā)生直流母線過(guò)壓故障，導(dǎo)致變頻裝置不能繼續(xù)正常運(yùn)行。另外，由于現(xiàn)有的高壓大功率節(jié)電器的控制部分是基于單片機(jī)及其外圍電路而設(shè)計(jì)的，其運(yùn)算、響應(yīng)速度比較慢，不能對(duì)節(jié)電器輸出到電機(jī)繞組的電流進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)和監(jiān)控，不能在負(fù)載變化時(shí)自動(dòng)限制節(jié)電器的輸出。通常的情況就是在電動(dòng)機(jī)負(fù)載突然增大時(shí)發(fā)生節(jié)電器輸出電流突然增大從而發(fā)生過(guò)流故障，功率單元被燒毀。不能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)節(jié)電器帶動(dòng)多個(gè)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)。由于現(xiàn)有的高壓大功率節(jié)電器采用變壓變頻(VVVF)開(kāi)環(huán)控制方式，其缺乏對(duì)電網(wǎng)電壓幅值和相位的檢測(cè)，使得節(jié)電器在將電機(jī)從被節(jié)電器受控拖動(dòng)狀態(tài)投入到供電網(wǎng)絡(luò)直接拖動(dòng)時(shí)由于電機(jī)端電壓和電網(wǎng)的幅值和相位差別比較大而發(fā)生過(guò)流故障，也不能使電機(jī)在被節(jié)電器受控拖動(dòng)和直接投入電網(wǎng)兩種狀態(tài)之間自由切換，從而不能充分發(fā)揮節(jié)電器控制電機(jī)的作用，不能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)節(jié)電器帶動(dòng)多個(gè)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種高壓節(jié)電器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的高壓節(jié)電器控制精度低、運(yùn)算速度慢、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢以及安全性低的問(wèn)題。為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種高壓節(jié)電器，包括多副邊繞組變壓器、功率模塊單元和控制系統(tǒng)，所述功率模塊單元連接在所述多副邊繞組變壓器和控制系統(tǒng)之間，若干個(gè)功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成所述高壓節(jié)電器的一相；其中，
所述多副邊繞組變壓器為多副邊繞組移相變壓器；
所述功率模塊單元，用于執(zhí)行控制系統(tǒng)的指令輸出PWM電壓；
所述控制系統(tǒng)，用于采用矢量控制方式計(jì)算所述節(jié)電器的輸出頻率，控制所述功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時(shí)間。所述控制系統(tǒng)的主控板采用基于數(shù)字信號(hào)處理專用集成芯片DSP芯片作為CPU。所述DSP芯片包括主DSP芯片和協(xié)處理DSP芯片，其中，
所述主DSP芯片用于完成所述控制系統(tǒng)的邏輯判斷、所述功率模塊單元的控制以及故障中斷的處理，并通過(guò)雙口 RAM芯片與所述協(xié)處理DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
所述協(xié)處理DSP芯片，用于進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，其運(yùn)算速度大于所述主DSP芯片。在所述高壓節(jié)電器的輸入端、輸出端連接有用于檢測(cè)所述節(jié)電器輸入/輸出電壓的高壓電阻分壓板以及用于檢測(cè)所述節(jié)電器輸入/輸出電流的電流互感器。所述高壓電阻分壓板和電流互感器的信號(hào)輸出端與所述控制系統(tǒng)的主控板相連；所述高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、抗混迭濾波及濾波校正處理后，輸入到所述控制系統(tǒng)的主控板上。所述高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸入給所述主DSP芯片的AD通道；
在所述主DSP芯片電壓檢測(cè)AD通道前，串聯(lián)有低通濾波器環(huán)節(jié)，在所述主DSP芯片電壓檢測(cè)AD通道后，串聯(lián)有低通濾波器的逆環(huán)節(jié)，用于補(bǔ)償?shù)屯V波的幅值和相位的影響。所述控制系統(tǒng)的主控板連接有FLASH參數(shù)存儲(chǔ)卡，用以保存調(diào)試參數(shù)。所述控制系統(tǒng)的主控板通過(guò)串行通訊接口與軟件示波器連接，所述軟件示波器用于顯示所有電機(jī)控制的中間變量和參數(shù)。所述控制系統(tǒng)的主控板通過(guò)串行通訊芯片、標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口與工控機(jī)連接。
所述控制系統(tǒng)采用矢量控制方式控制所述節(jié)電器的輸出；
所述矢量控制包括磁鏈觀測(cè)和速度辨識(shí)方案、電機(jī)參數(shù)檢測(cè)和自動(dòng)校正方案、電壓檢測(cè)抗混迭濾波及濾波校正方案、串級(jí)多電平逆變器的死區(qū)補(bǔ)償方案、電機(jī)反饋功率控制的制動(dòng)方案、飛車重啟動(dòng)和斷電重啟動(dòng)方案。所述控制系統(tǒng)根據(jù)采集的輸入、輸出電壓和電流值進(jìn)行磁鏈觀測(cè)和速度辨識(shí)，基于電機(jī)控制的矢量控制理論計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子頻率、滑差、轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)矩各個(gè)運(yùn)行變量，將所述運(yùn)行變量作為所述節(jié)電器控制電機(jī)的重要參數(shù)。所述控制系統(tǒng)采用基于電機(jī)電流方向的補(bǔ)償方法和節(jié)電器輸出電壓反饋補(bǔ)償方法，對(duì)所述串級(jí)多電平逆變器的死區(qū)時(shí)間和開(kāi)關(guān)管壓降造成的電流諧波、低頻振蕩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、輸出電壓下降進(jìn)行補(bǔ)償。所述控制系統(tǒng)主控板還設(shè)置有速度傳感器數(shù)據(jù)輸入口，用于進(jìn)行速度傳感器的矢量控制。所述控制系統(tǒng)的主控板上還設(shè)置有硬件過(guò)流值調(diào)節(jié)裝置，用于利用電壓補(bǔ)償軟件模塊實(shí)現(xiàn)線性化。所述控制系統(tǒng)的主控板設(shè)置輸出接地故障檢測(cè)及保護(hù)裝置，用于對(duì)輸出端相電壓進(jìn)行監(jiān)控。所述控制系統(tǒng)的主控板還設(shè)置有JTAG接口，用于進(jìn)行控制軟件的升級(jí)。所述控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)反饋功率進(jìn)行控制，計(jì)算減速時(shí)從電機(jī)反饋回所述節(jié)電器的能量大小，根據(jù)所述能量大小調(diào)整電機(jī)的減速時(shí)間。所述控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式包括變壓變頻開(kāi)環(huán)控制、矢量控制的閉環(huán)控制、零輸入輸出漂移檢測(cè)、自動(dòng)校正以及參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)。所述控制系統(tǒng)的主控板與工控機(jī)之間采用硬連接的信號(hào)定義。所述控制系統(tǒng)的主控板與工控機(jī)之間的通訊采用工業(yè)通用的MODBUS協(xié)議，并采用標(biāo)準(zhǔn)化的工控機(jī)軟件；所述工控機(jī)的軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)和參數(shù)表。采用了本發(fā)明的技術(shù)方案，由于本發(fā)明提供的高壓節(jié)電器控制系統(tǒng)采用矢量控制方式計(jì)算對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的所有參數(shù)，從而得到節(jié)電器的輸出頻率，控制功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時(shí)間。解決了現(xiàn)有功率模塊串聯(lián)高壓大功率節(jié)電器由于控制方式簡(jiǎn)單和系統(tǒng)響應(yīng)慢，從而不能實(shí)現(xiàn)高性能控制的難題，實(shí)現(xiàn)了更精確快速的控制，實(shí)現(xiàn)了真正的恒轉(zhuǎn)矩、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，飛車重啟動(dòng)和斷電重啟動(dòng)，自動(dòng)負(fù)載限制，以系統(tǒng)能提供的最大轉(zhuǎn)矩加速減速而不發(fā)生加速過(guò)流、減速過(guò)壓的情況，并為節(jié)電器控制運(yùn)行和直接投入電網(wǎng)運(yùn)行兩種運(yùn)行方式之間的無(wú)擾切換提供了可能性。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的高壓節(jié)電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)方法示意 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下定子電流PI控制器系統(tǒng) 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的電壓檢測(cè)抗混迭濾波及濾波校正原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式
來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明技術(shù)方案的主要思想在于提供一種控制精度高、運(yùn)算速度快、響應(yīng)速度快的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率節(jié)電器。這種節(jié)電器還需要功率因數(shù)高、對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波污染、能實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)電器輸出電壓/電流檢測(cè)及節(jié)電器輸出電流限幅的、快速、復(fù)雜、精確矢量計(jì)算。另外，還需要能跟蹤節(jié)電器輸出電壓相位、具有飛車啟動(dòng)和斷電重啟動(dòng)功能的基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制型高壓大功率節(jié)電器。為了解決節(jié)電器的負(fù)載突然發(fā)生變化時(shí)節(jié)電器容易出現(xiàn)過(guò)流、燒毀功率模塊單元的問(wèn)題，還需要具有硬件檢測(cè)和軟件檢測(cè)功能，可以自動(dòng)限制節(jié)電器輸出，保證在各種負(fù)載條件下都能正確控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的高壓節(jié)電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，該高壓節(jié)電器主要由多副邊繞組的移相變壓器、功率模塊單元和控制系統(tǒng)構(gòu)成。功率模塊單元連接在多副邊繞組變壓器和控制系統(tǒng)之間，若干個(gè)功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成高壓節(jié)電器的每一相。多副邊繞組變壓器為多副邊繞組移相變壓器；功率模塊單元，用于執(zhí)行控制系統(tǒng)的指令輸出PWM電壓；控制系統(tǒng)，用于采用矢量控制方式計(jì)算高壓節(jié)電器的輸出頻率，控制功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時(shí)間。特別的，控制系統(tǒng)的主控板采用基于數(shù)字信號(hào)處理專用集成芯片DSP作為CPU。它與現(xiàn)有高壓大功率節(jié)電器的區(qū)別在于:本發(fā)明實(shí)施例提供的控制系統(tǒng)采用基于DSP芯片的全數(shù)字化矢量控制方式進(jìn)行變頻調(diào)速。本發(fā)明實(shí)施例提供的高壓節(jié)電器采用多副邊繞組的移相變壓器將高壓交流電分壓、移相后，給各個(gè)功率模塊單元供電，功率模塊單元接受來(lái)自控制器的指令，輸出PWM電壓，經(jīng)過(guò)多級(jí)移相疊加形成非常接近正弦波的電壓波形，對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)造成的諧波幾乎為零，即能很好的控制電機(jī)?！愕模瑸榱藢?shí)現(xiàn)對(duì)高壓大功率節(jié)電器全數(shù)字化矢量控制，需要分析被控電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁通旋轉(zhuǎn)的空間矢量，以便準(zhǔn)確地控制被控電機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正意義的恒轉(zhuǎn)矩控制，為此，本發(fā)明實(shí)施例提供的控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)節(jié)電器的輸入/輸出電壓、電流值，在節(jié)電器和電機(jī)中間接有輸出電壓、電流的檢測(cè)電路，通過(guò)反饋回來(lái)的電壓、電流信號(hào)，根據(jù)電機(jī)控制理論，經(jīng)過(guò)一定的分析轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，組成用于控制電機(jī)運(yùn)行的重要變量。特別的，本發(fā)明實(shí)施例的控制系統(tǒng)部分的主板是基于DSP芯片設(shè)計(jì)的，它可以由雙DSP芯片構(gòu)成，一個(gè)為主DSP芯片，一個(gè)為用于浮點(diǎn)運(yùn)算的協(xié)處理DSP芯片。被控電機(jī)的電壓、電流信號(hào)以及控制系統(tǒng)檢測(cè)到的節(jié)電器輸入側(cè)電壓、電流信號(hào)經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片即AD芯片轉(zhuǎn)換后輸入給主DSP芯片，由主DSP芯片的AD通道直接檢測(cè)和處理，精度高，速度快。主DSP芯片為了將全部空間投入到邏輯判斷、處理以及故障中斷處理中，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，主DSP芯片通過(guò)雙口 RAM芯片，將檢測(cè)到的節(jié)電器輸入/輸出側(cè)電壓、電流信號(hào)傳送給專門用于矢量計(jì)算的、運(yùn)算速度更快的浮點(diǎn)協(xié)處理DSP芯片。協(xié)處理DSP芯片將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)再通過(guò)雙口 RAM傳遞給主DSP芯片，主DSP芯片再根據(jù)協(xié)處理DSP芯片的運(yùn)算結(jié)果控制各功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時(shí)間，改變節(jié)電器的輸出頻率。特別的，在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以采用以TI公司出品的TMSC24X系列DSP芯片作為主CPU，采用C3s系列DSP芯片作為浮點(diǎn)協(xié)處理CPU。為了實(shí)現(xiàn)矢量控制，提高系統(tǒng)的控制精度在很大程度上依賴于控制系統(tǒng)檢測(cè)的節(jié)電器輸入/輸出側(cè)的電壓、電流信號(hào)。為了更好地檢測(cè)節(jié)電器輸入/輸出側(cè)電壓，本發(fā)明采用高壓分壓電阻板測(cè)量輸入輸出電壓。一塊輸入電阻分壓板安裝在電網(wǎng)與節(jié)電器輸入變壓器間，用電阻分壓加隔離的辦法測(cè)量輸入電壓；另一塊結(jié)構(gòu)同樣的輸出電阻分壓板安裝在節(jié)電器輸出端與電機(jī)機(jī)端之間，用同樣的辦法測(cè)量輸出電壓。為了檢測(cè)節(jié)電器輸入/輸出側(cè)電流，本發(fā)明實(shí)施例在節(jié)電器的輸入側(cè)和輸出側(cè)分別設(shè)有電流互感器。并將檢測(cè)到的輸入、輸出電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸至DSP芯片。高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、抗混迭濾波及濾波校正處理后，輸入到所述控制系統(tǒng)主控板上。高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸入給所述主DSP芯片的AD通道；在主DSP芯片電壓檢測(cè)AD通道前，串聯(lián)有低通濾波器環(huán)節(jié)，克服直接采用AD轉(zhuǎn)換器采樣而引起的嚴(yán)重的頻譜混迭和失真問(wèn)題，在主DSP電壓檢測(cè)AD通道后，串聯(lián)有低通濾波器的逆環(huán)節(jié)，可以將低通濾波的幅值和相位的影響通過(guò)軟件控制的方法補(bǔ)償回來(lái)。系統(tǒng)中采用抗混迭濾波及濾波校正技術(shù)，同時(shí)還確保了主DSP對(duì)電壓的AD檢測(cè)的信息完整性和準(zhǔn)確性。如果直接采用AD轉(zhuǎn)換器采樣而引起的嚴(yán)重的頻譜混迭和失真問(wèn)題在系統(tǒng)精度允許范圍內(nèi)，則可以忽略在主DSP電壓檢測(cè)AD通道前串聯(lián)的低通濾波器環(huán)節(jié)和檢測(cè)AD通道后串聯(lián)的低通濾波器逆環(huán)節(jié)。特別的，基于DSP芯片的主控板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口與軟件示波器Scope通訊，在線顯示所有用于電機(jī)控制的中間變量和重要參數(shù)。軟件示波器能夠使操作者最直接的了解節(jié)電器控制電機(jī)的狀態(tài)，便于操作和控制。主DSP芯片還通過(guò)通用的串行通訊芯片UART、標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口(RS485接口)與工控機(jī)通訊，無(wú)需AD卡，實(shí)現(xiàn)由DSP芯片直接采集輸A /輸出電壓，電流以及模擬量輸入，實(shí)現(xiàn)程序各檢測(cè)量和任何中間結(jié)果量的顯示。主DSP芯片還可通過(guò)JTAG 口實(shí)現(xiàn)控制軟件的升級(jí)，無(wú)需拆裝芯片。為了適用調(diào)速精度要求高的場(chǎng)合，主DSP還預(yù)留有光電測(cè)速編碼盤(pán)等速度傳感器數(shù)據(jù)輸入口，用于實(shí)現(xiàn)有速度傳感器的矢量控制，實(shí)現(xiàn)更高調(diào)速精度的電機(jī)控制。在沒(méi)有速度傳感器的情況下，根據(jù)有無(wú)速度傳感器的情況，自由選擇無(wú)速度傳感器矢量控制，實(shí)現(xiàn)高性能的無(wú)速度傳感器矢量控制。為了提高控制精度，主DSP芯片和協(xié)處理DSP芯片均可以訪問(wèn)外置的RAM，輔助完成參數(shù)傳遞和運(yùn)算。主DSP還與外掛的FLASH參數(shù)存儲(chǔ)卡通訊(如果控制系統(tǒng)不需存儲(chǔ)調(diào)試參數(shù)或者有其他外設(shè)存儲(chǔ)調(diào)試參數(shù)，則可以省略外掛FLASH參數(shù)存儲(chǔ)卡)，將操作者設(shè)置的節(jié)電器運(yùn)行參數(shù)和電機(jī)參數(shù)及時(shí)保存，當(dāng)系統(tǒng)掉電也能儲(chǔ)存，下次系統(tǒng)上電自動(dòng)刷新。特別的，本發(fā)明實(shí)施例提供的控制系統(tǒng)主控板上還設(shè)有硬件過(guò)流值調(diào)節(jié)裝置，該裝置經(jīng)過(guò)電壓補(bǔ)償軟件模塊實(shí)現(xiàn)線性化，更便于進(jìn)行節(jié)電器輸出過(guò)流故障的檢測(cè)。控制系統(tǒng)主控板上還設(shè)有輸出接地故障檢測(cè)及保護(hù)裝置，采用硬件、軟件結(jié)合的方案對(duì)輸出端相電壓進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有輸出接地故障立刻進(jìn)行故障處理。根據(jù)系統(tǒng)的保護(hù)需要，可以分別進(jìn)行節(jié)電器輸出過(guò)流故障的檢測(cè)和輸出接地故障保護(hù)，或者同時(shí)進(jìn)行節(jié)電器輸出過(guò)流故障的檢測(cè)和輸出接地故障保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)采用先進(jìn)的矢量控制方式控制節(jié)電器的輸出；所述矢量控制包括磁鏈觀測(cè)和速度辨識(shí)方案、電機(jī)參數(shù)檢測(cè)和自動(dòng)校正方案、電壓檢測(cè)抗混迭濾波及濾波校正方案、串級(jí)多電平逆變器的死區(qū)補(bǔ)償方案、電機(jī)反饋功率控制的制動(dòng)方案、飛車重啟動(dòng)和斷電重啟動(dòng)方案。特別的，本發(fā)明實(shí)施例提供的高壓節(jié)電器中磁鏈觀測(cè)部分采用了一種帶補(bǔ)償?shù)姆e分方法，參見(jiàn)圖2。從節(jié)電器到電機(jī)端之間的檢測(cè)設(shè)備把電機(jī)定子電壓和電流檢測(cè)出來(lái)送給控制板的DSP處理芯片，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢(shì)估算器算出轉(zhuǎn)子的反電勢(shì)，經(jīng)過(guò)一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)得到轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)值的主要部分，由于這個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)存在相位誤差，所以再要將這部分偏差量補(bǔ)回來(lái)。由轉(zhuǎn)子磁鏈給定值的標(biāo)量部分，加上系統(tǒng)觀測(cè)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置角度的正弦和余弦值，算出轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量值。將這個(gè)矢量再經(jīng)過(guò)一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)補(bǔ)回前述觀測(cè)的相位誤差。將轉(zhuǎn)予磁鏈的兩部分加起來(lái)，就得到觀測(cè)的轉(zhuǎn)子磁通矢量，經(jīng)過(guò)直角坐標(biāo)系到極座標(biāo)系的數(shù)學(xué)變換，分別得到轉(zhuǎn)子磁通的幅值和角度。這樣就完成了電機(jī)的矢量控制中最核心的觀測(cè):轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)。這種磁鏈現(xiàn)測(cè)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)純積分器，其優(yōu)點(diǎn)是:
(1)算法簡(jiǎn)單；
(2)算法中不含轉(zhuǎn)子電阻，因此受電機(jī)參數(shù)變化影響?。?br> (3)不需轉(zhuǎn)速信息，這對(duì)于無(wú)速度傳感器系統(tǒng)頗具吸引力。這種磁鏈觀測(cè)方法在參數(shù)準(zhǔn)確的情況下可以做到無(wú)幅值相位誤差，而且在實(shí)際應(yīng)用中不存在純積分環(huán)節(jié)的初值問(wèn)題和漂移問(wèn)題。該觀測(cè)器的輸入為轉(zhuǎn)子電勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁鏈參考值。轉(zhuǎn)子反電勢(shì)可以由檢測(cè)的電機(jī)定子電壓電流計(jì)算出來(lái)。在這種方法中，當(dāng)濾波時(shí)間常數(shù)取為與轉(zhuǎn)子時(shí)間相等時(shí)，觀測(cè)磁鏈的角度在零轉(zhuǎn)速附近對(duì)定子電阻的誤差有魯棒性。本發(fā)明實(shí)施例提供的控制系統(tǒng)所采用的矢量控制方案具體包括:通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)變換，把輸入線電壓Uab、Ubc、Uac和相電壓Ua、Ub、Uc互相轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)采用的磁場(chǎng)定向矢量控制中，把d-q坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上,把靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零(Wrq=O)，這就是本發(fā)明實(shí)施例中采用的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的基礎(chǔ)。在這種情況下，定子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子頻率、滑差、轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)矩等等電機(jī)的各個(gè)控制分量都可以由電機(jī)控制理論得出。具體計(jì)算如公式(I)、公式(2 )和公式(3 )。
權(quán)利要求
1.一種高壓節(jié)電器，其特征在于，包括多副邊繞組變壓器、功率模塊單元和控制系統(tǒng)，所述功率模塊單元連接在所述多副邊繞組變壓器和控制系統(tǒng)之間，若干個(gè)功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成所述高壓節(jié)電器的一相；其中， 所述多副邊繞組變壓器為多副邊繞組移相變壓器； 所述功率模塊單元，用于執(zhí)行控制系統(tǒng)的指令輸出PWM電壓； 所述控制系統(tǒng)，用于采用矢量控制方式計(jì)算所述節(jié)電器的輸出頻率，控制所述功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓節(jié)電器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)的主控板采用基于數(shù)字信號(hào)處理專用集成芯片DSP芯片作為CPU ； 所述DSP芯片包括主DSP芯片和協(xié)處理DSP芯片，其中， 所述主DSP芯片用于完成所述控制系統(tǒng)的邏輯判斷、所述功率模塊單元的控制以及故障中斷的處理，并通過(guò)雙口 RAM芯片與所述協(xié)處理DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 所述協(xié)處理DSP芯片，用于進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，其運(yùn)算速度大于所述主DSP芯片。
3.如權(quán)利要求1所述的高壓節(jié)電器，其特征在于，在所述高壓節(jié)電器的輸入端、輸出端連接有用于檢測(cè)所述節(jié)電器輸入/輸出電壓的高壓電阻分壓板以及用于檢測(cè)所述節(jié)電器輸入/輸出電流的電流互感器； 所述高壓電阻分壓板和 電流互感器的信號(hào)輸出端與所述控制系統(tǒng)的主控板相連；所述高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、抗混迭濾波及濾波校正處理后，輸入到所述控制系統(tǒng)的主控板上； 所述高壓電阻分壓板和電流互感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后輸入給所述主DSP芯片的AD通道；在所述主DSP芯片電壓檢測(cè)AD通道前，串聯(lián)有低通濾波器環(huán)節(jié)，在所述主DSP芯片電壓檢測(cè)AD通道后，串聯(lián)有低通濾波器的逆環(huán)節(jié)，用于補(bǔ)償?shù)屯V波的幅值和相位的影響。
4.如權(quán)利要求1所述的高壓節(jié)電器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)的主控板連接有FLASH參數(shù)存儲(chǔ)卡，用以保存調(diào)試參數(shù)； 所述控制系統(tǒng)的主控板通過(guò)串行通訊接口與軟件示波器連接，所述軟件示波器用于顯示所有電機(jī)控制的中間變量和參數(shù)； 所述控制系統(tǒng)的主控板通過(guò)串行通訊芯片、標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口與工控機(jī)連接。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓節(jié)電器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)采用矢量控制方式控制所述節(jié)電器的輸出； 所述矢量控制包括磁鏈觀測(cè)和速度辨識(shí)方案、電機(jī)參數(shù)檢測(cè)和自動(dòng)校正方案、電壓檢測(cè)抗混迭濾波及濾波校正方案、串級(jí)多電平逆變器的死區(qū)補(bǔ)償方案、電機(jī)反饋功率控制的制動(dòng)方案、飛車重啟動(dòng)和斷電重啟動(dòng)方案。
6.如權(quán)利要求5所述的高壓節(jié)電器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)根據(jù)采集的輸入、輸出電壓和電流值進(jìn)行磁鏈觀測(cè)和速度辨識(shí)，基于電機(jī)控制的矢量控制理論計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子頻率、滑差、轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)矩各個(gè)運(yùn)行變量，將所述運(yùn)行變量作為所述節(jié)電器控制電機(jī)的重要參數(shù)； 所述控制系統(tǒng)采用基于電機(jī)電流方向的補(bǔ)償方法和節(jié)電器輸出電壓反饋補(bǔ)償方法，對(duì)所述串級(jí)多電平逆變器的死區(qū)時(shí)間和開(kāi)關(guān)管壓降造成的電流諧波、低頻振蕩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、輸出電壓下降進(jìn)行補(bǔ)償。
7.如權(quán)利要求1所述的高壓節(jié)電器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)主控板還設(shè)置有速度傳感器數(shù)據(jù)輸入口，用于進(jìn)行速度傳感器的矢量控制； 設(shè)置有硬件過(guò)流值調(diào)節(jié)裝置，用于利用電壓補(bǔ)償軟件模塊實(shí)現(xiàn)線性化； 設(shè)置輸出接地故障檢測(cè)及保護(hù)裝置，用于對(duì)輸出端相電壓進(jìn)行監(jiān)控； 設(shè)置有JTAG接口，用于進(jìn)行控制軟件的升級(jí)。
8.如權(quán)利要求1所述的高壓節(jié)電器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)反饋功率進(jìn)行控制，計(jì)算減速時(shí)從電機(jī)反饋回所述節(jié)電器的能量大小，根據(jù)所述能量大小調(diào)整電機(jī)的減速時(shí)間。
9.如權(quán)利要求1所述的 高壓節(jié)電器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式包括變壓變頻開(kāi)環(huán)控制、矢量控制的閉環(huán)控制、零輸入輸出漂移檢測(cè)、自動(dòng)校正以及參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)。
10.如權(quán)利要求1所述的高壓節(jié)電器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)的主控板與工控機(jī)之間采用硬連接的信號(hào)定義； 與工控機(jī)之間的通訊采用工業(yè)通用的MODBUS協(xié)議，并采用標(biāo)準(zhǔn)化的工控機(jī)軟件；所述工控機(jī)的軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)和參數(shù)表。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高壓節(jié)電器，包括多副邊繞組變壓器、功率模塊單元和控制系統(tǒng)，所述功率模塊單元連接在所述多副邊繞組變壓器和控制系統(tǒng)之間，若干個(gè)功率模塊單元串聯(lián)構(gòu)成所述高壓節(jié)電器的一相；所述多副邊繞組變壓器為多副邊繞組移相變壓器；所述功率模塊單元，用于執(zhí)行控制系統(tǒng)的指令輸出PWM電壓；所述控制系統(tǒng)，用于采用矢量控制方式計(jì)算所述節(jié)電器的輸出頻率，控制所述功率模塊單元的導(dǎo)通頻率和時(shí)間。采用了本發(fā)明的技術(shù)方案，解決了現(xiàn)有功率模塊串聯(lián)高壓大功率節(jié)電器不能實(shí)現(xiàn)高性能控制的難題，實(shí)現(xiàn)了更精確快速的控制，并為節(jié)電器控制運(yùn)行和直接投入電網(wǎng)運(yùn)行兩種運(yùn)行方式之間的無(wú)擾切換提供了可能性。
文檔編號(hào)H02P21/00GK103199784SQ201210001039
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者范傳偉 申請(qǐng)人:深圳市萬(wàn)禧節(jié)能科技有限公司