交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，包括交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，包括：電流傳感器、匹配電阻、調(diào)理放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、DSP、FPGA、光耦隔離器。本實(shí)用新型具有的有益效果：根據(jù)系統(tǒng)所處的不同狀態(tài)采取不同的預(yù)測方法，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性；本實(shí)用新型的控制方法解決了由于電流抖動(dòng)實(shí)際電流值有可能超前電流給定過零而導(dǎo)致切換過程延誤；根據(jù)當(dāng)前的電流給定值預(yù)測電流過零點(diǎn)，提前做好切換準(zhǔn)備，提高系統(tǒng)的可靠性和控制性能。
【專利說明】交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于大功率交流傳動(dòng)領(lǐng)域，是在交交變頻器錯(cuò)位無環(huán)流控制方法的技術(shù)上提出一種利用周期預(yù)測算法和外推插值預(yù)測算法。進(jìn)一步說，是在交交變頻器正反晶閘管組過零切換過程中，根據(jù)當(dāng)前的電流給定值預(yù)測電流過零點(diǎn)，提前做好切換準(zhǔn)備，縮短切換死區(qū)時(shí)間，提升系統(tǒng)性能。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、工藝以及現(xiàn)代控制科學(xué)的迅速發(fā)展，大功率電力傳動(dòng)領(lǐng)域交流傳動(dòng)已經(jīng)取代了以往直流傳動(dòng)的統(tǒng)治地位。其中，交交直接變頻器原理基于可逆整流，工作可靠，流過電動(dòng)機(jī)的電流近似于三相正弦，附加損耗小，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，適合于低速大功率場合。對于大容量低速電力傳動(dòng)生產(chǎn)領(lǐng)域，如:礦井提升機(jī)、軋鋼機(jī)及水泥磨球機(jī)等，交交變頻調(diào)速是一種比較理想的傳動(dòng)方式。
[0003]大容量交交變頻器一般采用錯(cuò)位無環(huán)流控制算法，通過控制正反組晶閘管開通時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓變頻變壓的功能。無環(huán)流換向邏輯用于控制正反兩組晶閘管觸發(fā)脈沖的封鎖和釋放時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)無環(huán)流換向，無環(huán)流換向邏輯應(yīng)滿足以下要求:
[0004](I)在電流給定極性反向后，準(zhǔn)備切換。
[0005](2)在零電流信號出現(xiàn)后，經(jīng)第一級延時(shí)封鎖原工作組脈沖。
[0006](3)兩組脈沖都封鎖后，經(jīng)第二級延時(shí)發(fā)送待工作組脈沖，換向操作結(jié)束。
[0007]第一級延時(shí)用于可靠地檢測零電流，因?yàn)樵诹汶娏鞒霈F(xiàn)時(shí)，主電路電流不一定斷續(xù)，只有零電流信號持續(xù)時(shí)間大于一定時(shí)間時(shí)，才封鎖工作組脈沖。第一級延時(shí)一般整定為I?1.5ms。發(fā)出封鎖指令時(shí)，有可能下一個(gè)觸發(fā)脈沖已經(jīng)出發(fā)晶閘管，因此不能馬上釋放觸發(fā)脈沖，會造成電源短路，換向失敗。因此要經(jīng)過第二級延時(shí)，時(shí)間一般大于
3.3ms (60° )。兩級延時(shí)加起來總“死時(shí)”約5ms，無法滿足交交變頻器的要求。因此引入了光電零電流檢測，理論上排除了零電流信號出現(xiàn)而主電路電流不為零的情況。但為防止干擾，兩級延時(shí)還是得以保留，分別減小到0.3ms和0.75ms。但由于應(yīng)用屬于大功率電力傳動(dòng)，給定電流信號在過零點(diǎn)附近不可避免地產(chǎn)生抖動(dòng)和波動(dòng)，干擾系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這種情況可能會導(dǎo)致切換時(shí)間延時(shí)、切換出錯(cuò)，輸出電能質(zhì)量下降、諧波分量增加，嚴(yán)重時(shí)甚至可能產(chǎn)生環(huán)流導(dǎo)致晶閘管損壞。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型的目的是為了解決在交交變頻器正反晶閘管組過零切換過程中，因過零電流抖動(dòng)導(dǎo)致的切換延遲、正反組切換錯(cuò)誤等問題。根據(jù)當(dāng)前的電流給定值預(yù)測電流過零點(diǎn)，提前做好切換準(zhǔn)備，提高系統(tǒng)的可靠性和控制性能。
[0009]本實(shí)用新型提供一種交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，包括:電流傳感器、匹配電阻、調(diào)理放大器、A / D轉(zhuǎn)換器、DSP、FPGA、光耦隔離器；
[0010]連接關(guān)系為:[0011]電流傳感器的輸出端連接匹配電阻的輸出端；
[0012]匹配電阻的輸出端連接調(diào)理放大器的輸入端；
[0013]調(diào)理放大器的輸出端連接A / D轉(zhuǎn)換器的輸入端；
[0014]A / D轉(zhuǎn)換器的輸出端連接DSP的輸入端；
[0015]FPGA的中斷I信號線接DSP的I / 0 口；
[0016]FPGA的中斷2信號線接DSP的I / 0 口；
[0017]FPGA的正組開通信號線接DSP的I / 0 口；
[0018]FPGA的反組開通信號線接DSP的I / 0 口；
[0019]光耦隔離器的輸出端連接FPGA的輸入端；
[0020]進(jìn)一步地:
[0021]匹配電阻將電流傳感器輸出的電流或電壓信號調(diào)理成為調(diào)理放大器輸入電壓信號(+1.0V ~-1.0V)；
[0022]調(diào)理放大器將匹配電阻的輸出調(diào)節(jié)為A / D轉(zhuǎn)換器要求的+200mV~_200mV的電
壓信號；
[0023]A / D轉(zhuǎn)換器將 模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號；
[0024]FPGA將隔離后的零電流信號進(jìn)行計(jì)時(shí)并產(chǎn)生相應(yīng)的中斷I和中斷2信號；
[0025]DSP根據(jù)中斷I和中斷2信號輸出正反組開通信號。
[0026]優(yōu)選地，調(diào)理放大器的型號為0PA2277。
[0027]優(yōu)選地，A / D轉(zhuǎn)換器的型號為HCPL-7860。
[0028]優(yōu)選地，F(xiàn)PGA的型號為 EPF10K50EQC208-1。
[0029]優(yōu)選地，DSP的型號為 TMS320F28335。
[0030]優(yōu)選地，光耦隔離器的型號為TLP114A。
[0031]利用本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)一種交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制方法，包括如下步驟:
[0032]步驟1:根據(jù)電流給定值實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測電流給定；
[0033]系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前電流給定判斷系統(tǒng)所處暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測電流給定；
[0034]步驟2:預(yù)測電流給定換向，提前做好切換準(zhǔn)備；
[0035]當(dāng)預(yù)測電流給定小于設(shè)定閾值時(shí)，判定為電流給定過零，系統(tǒng)預(yù)判電流換向，自動(dòng)發(fā)出切換準(zhǔn)備命令，進(jìn)入步驟3 ；
[0036]步驟3:切換準(zhǔn)備命令發(fā)出后，等待零電流信號持續(xù)時(shí)間超過0.3ms，將正反組全部脈沖封鎖從而關(guān)閉正反組所有晶閘管；
[0037]步驟4:正反組全部脈沖封鎖后，等待零電流信號持續(xù)時(shí)間超過0.75ms,根據(jù)此時(shí)的電流給定信號極性發(fā)送待工作組脈沖，從而開啟待工作組所有晶閘管，換向操作結(jié)束，自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)換向工作周期。
[0038]優(yōu)選地，所述的實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測電流給定，具體為:
[0039]在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流呈周期性變化，本周期下一采樣時(shí)刻補(bǔ)償電流值利用所儲存的上一周期同一采樣點(diǎn)的補(bǔ)償電流值來代替，即
[0040]ick (A: +1) = ick - (A^ -1)]
[0041]上式中:N為一個(gè)基波周期中的采樣點(diǎn)數(shù)，匕認(rèn)+ 1)為下一時(shí)刻的補(bǔ)償指令，k為某一時(shí)刻，*表示指令，匕R-(iV-l)]為k-(N-l)時(shí)刻的補(bǔ)償指令。[0042]優(yōu)選地，所述的實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測電流給定，具體為:
[0043]當(dāng)處于電力系統(tǒng)暫態(tài)過程時(shí)，系統(tǒng)電流沒有很好的周期性，此時(shí)使用拉格朗日插值法做外推預(yù)測，即
[0044]C (無 +1) = 34 (k) - 3/；(灸-1) + 4 (k - 2)
[0045]其中，CW為k時(shí)刻補(bǔ)償指令，40-1)為(k_l)時(shí)刻補(bǔ)償指令，4R-2)為(k_2)時(shí)刻補(bǔ)償指令。
[0046]優(yōu)選地，所述的判斷系統(tǒng)所處暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)，具體為:根據(jù)電流當(dāng)前給定值與預(yù)測值的偏差值，若偏差值大于標(biāo)準(zhǔn)值則判定為暫態(tài)，若偏差值小于等于標(biāo)準(zhǔn)值則判定為穩(wěn)態(tài)。
[0047]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下的有益效果:
[0048](I)根據(jù)系統(tǒng)所處的不同狀態(tài)采取不同的預(yù)測方法，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性；
[0049](2)本實(shí)用新型的控制方法解決了由于電流抖動(dòng)實(shí)際電流值有可能超前電流給定過零而導(dǎo)致切換過程延誤；
[0050](3)根據(jù)當(dāng)前的電流給定值預(yù)測電流過零點(diǎn)，提前做好切換準(zhǔn)備，提高系統(tǒng)的可靠性和控制性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本實(shí)用新型的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0052]圖1為預(yù)測算法；
[0053]圖2為無環(huán)流換向流程圖；
[0054]圖3為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但不以任何形式限制本實(shí)用新型。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0056]本實(shí)用新型針對電流過零時(shí)產(chǎn)生的電流抖動(dòng)和波動(dòng)的問題，根據(jù)當(dāng)前電流給定值對電流的過零點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，提前做好切換準(zhǔn)備，從而很好地降低了系統(tǒng)因電流過零抖動(dòng)和波動(dòng)而出現(xiàn)切換延遲、正反組切換錯(cuò)誤等現(xiàn)象的可能，提升了系統(tǒng)性能。在根據(jù)電流給定對電流過零點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測分析時(shí)，考慮到電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種情況，并分別給出了這兩種情況下的預(yù)測方案。在穩(wěn)態(tài)時(shí)使用周期預(yù)測，在暫態(tài)時(shí)使用二階外推插值預(yù)測。同時(shí)通過偏差值來判斷系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)前值和預(yù)測值較近；當(dāng)系統(tǒng)處于暫態(tài)時(shí)，預(yù)測值和當(dāng)前值偏差較大。
[0057]在變頻器實(shí)際工作過程中，由于電流的抖動(dòng)或波動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)際電流值有可能超前電流給定過零，但系統(tǒng)等待電流給定過零時(shí)才準(zhǔn)備切換，這就導(dǎo)致切換過程遭到延誤，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。針對上述問題，本實(shí)用新型提出了根據(jù)當(dāng)前電流給定預(yù)測電流過零點(diǎn)的辦法，根據(jù)電流給定實(shí)時(shí)預(yù)測下一時(shí)刻電流，并預(yù)判電流過零點(diǎn)，提前做好切換準(zhǔn)備，發(fā)送切換命令。在電流出現(xiàn)波動(dòng)的情況下系統(tǒng)也能準(zhǔn)確抓住切換時(shí)機(jī)對正反組晶閘管進(jìn)行切換。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流呈周期性變化，本周期下一采樣時(shí)刻補(bǔ)償電流值可以利用所儲存的上一周期同一采樣點(diǎn)的補(bǔ)償電流值來代替，即
[0058]ilk(k + \) = Qk-(N-1)]
[0059]其中，N為一個(gè)基波周期中的采樣點(diǎn)數(shù)，匕認(rèn)+ 1)為下一時(shí)刻的補(bǔ)償指令，k為某一時(shí)刻，*表示指令，匕P-(W-1)]為k-(N-l)時(shí)刻的補(bǔ)償指令；
[0060]當(dāng)處于電力系統(tǒng)暫態(tài)過程時(shí)，系統(tǒng)電流沒有很好的周期性，此時(shí)使用拉格朗日插值法做外推預(yù)測，即
[0061 ] ick (眾 +1) = 3ick (k) - 3ick (眾-1) + ick (k — 2)
[0062]其中,為k時(shí)刻補(bǔ)償指令，4(H)為(H)時(shí)刻補(bǔ)償指令，4認(rèn)-2)為(k_2)時(shí)刻補(bǔ)償指令。
[0063]另一個(gè)重要的任務(wù)是如何判斷系統(tǒng)處于暫態(tài)還是穩(wěn)態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)前值和預(yù)測值較近；當(dāng)系統(tǒng)處于暫態(tài)時(shí)，預(yù)測值和當(dāng)前值偏差較大。因此可以通過偏差值來判斷使用哪種預(yù)測方法。
[0064]本實(shí)用新型提供的預(yù)測無環(huán)流控制方法具體包括以下步驟:
[0065]步驟一、根據(jù)電流給定值實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測電流給定；
[0066]系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前電流給定與預(yù)測值的差值大小判斷系統(tǒng)所處暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)使用周期預(yù)測，在暫態(tài)時(shí)使用二階外推插值預(yù)測，實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測電流給定。
[0067]步驟二、預(yù)測電流給定換向，提前做好切換準(zhǔn)備；
[0068]當(dāng)預(yù)測電流給定小于設(shè)定閾值時(shí)，判定為電流給定過零，系統(tǒng)預(yù)判電流換向，自動(dòng)發(fā)出切換準(zhǔn)備命令。
[0069]步驟三、切換命令發(fā)出后，等待零電流信號持續(xù)時(shí)間超過0.3ms，將正反組全部脈沖封鎖從而關(guān)閉正反組所有晶閘管。
[0070]步驟四、正反組全部脈沖封鎖后，等待零電流信號持續(xù)時(shí)間超過0.75ms，根據(jù)此時(shí)的電流給定信號極性發(fā)送待工作組脈沖從而開啟待工作組所有晶閘管，換向操作結(jié)束，自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)換向工作周期。
[0071]以上對本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本實(shí)用新型并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，其特征在于，包括:電流傳感器、匹配電阻、調(diào)理放大器、A / D轉(zhuǎn)換器、DSP、FPGA、光耦隔離器； 連接關(guān)系為: 電流傳感器的輸出端連接匹配電阻的輸出端； 匹配電阻的輸出端連接調(diào)理放大器的輸入端； 調(diào)理放大器的輸出端連接A / D轉(zhuǎn)換器的輸入端； A / D轉(zhuǎn)換器的輸出端連接DSP的輸入端； FPGA的中斷I信號線接DSP的I / O 口； FPGA的中斷2信號線接DSP的I / O 口； FPGA的正組開通信號線接DSP的I / O 口； FPGA的反組開通信號線接DSP的I / O 口； 光耦隔離器的輸出端連接FPGA的輸入端； 進(jìn)一步地: 匹配電阻將電流傳感器輸出的電流或電壓信號調(diào)理成為調(diào)理放大器輸入電壓信號； 調(diào)理放大器將匹配電阻的輸出調(diào)節(jié)為A / D轉(zhuǎn)換器要求的電壓信號； A / D轉(zhuǎn)換器將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號； FPGA將隔離后的零電流信號進(jìn)行計(jì)時(shí)并產(chǎn)生相應(yīng)的中斷I和中斷2信號； DSP根據(jù)中斷I和中斷2信號輸出正反組開通信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，其特征在于，調(diào)理放大器的型號為0PA2277。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，其特征在于，A/ D轉(zhuǎn)換器的型號為HCPL-7860。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，其特征在于，F(xiàn)PGA的型號為 EPF10K50EQC208-1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，其特征在于，DSP的型號為TMS320F28335。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交交變頻器預(yù)測無環(huán)流控制裝置，其特征在于，光耦隔離器的型號為TLPl 14A。
【文檔編號】H02M5/257GK203522548SQ201320594204
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】姜建國, 王貴峰, 朱春曉, 徐亞軍, 羅* 申請人:上海交通大學(xué)