摘要：本文設計了調壓/頻比（即調磁通）節(jié)能裝置和以大功率電力電子器件IPM為開關組件的三相交流控制電路，解決了IPM的過流、過壓保護問題?？刂蒲b置是基于雙CPU的TMS320LF2407和AT89C51，其主要功能是實現變頻調速異步電機的節(jié)能控制及運行狀態(tài)顯示功能。 關鍵詞：電動機；最優(yōu)磁通；節(jié)能；SVPWM；IPM [align=center]System of Energy Saving control of VVVF Induction Motor Base on Double CPU＊[/align] [align=center]（1．Human Institute of Technology, Hengyang 421008，China； 2． Guilin University of Electronic Technology 541004，China）[/align] Abstract：The text designs a device which can supervise the running of motors and adjust ratio of the voltage to frequency offered to them. The Computer is the DSP that is used to control motor. In addition, we design a circuit whose main components are IPM.It is this circuit that is used to adjust ratio of the voltage to frequency by using the SVPWM wave. Keywords：Motor；Adjusting Ratio of Voltage To Frequency；SVPWM；Economizing on Electricity；IPM 0 引言 電動機是實現全國電氣化的主要動力機械，而異步電動機又是工農業(yè)生產中應用最為廣泛的一種電動機。例如：中小型車L鋼設備、礦山機械、起重機、鼓風機、水泵、以及脫粒、磨粉等農副產品的加工機械，都大部分采用異步電動機來拖動。在人民日常生活和醫(yī)療器械中，異步電動機的應用也日益增多。據不完全統(tǒng)計，至2000年，我國中小型三相異步電動機負荷占電網總負荷的85%，年用電量超過3750億KW •h，占全部工業(yè)用電的65%。異步電動機之所以得到如此廣泛的應用，是由于和其它電動機比較，它具有結構簡單，運行可靠，效率較高，制造容易，成本較低，而且堅固耐用等優(yōu)點。據不完全統(tǒng)計，我國目前在使用的電動機中，尚有4億KW的高能耗電動機，這些電動機的損耗占額定出力的10%～23%，具有極大的節(jié)能降耗潛力。例如：我國風機和水泵的用電量占全國總用電量的31%，占工業(yè)總用電量的50%，而運行效率在70%以下，一般低于世界平均水平的5%一10%，僅此一項節(jié)電潛力每年約為300億KW•h。 而缺電是我國絕大部分地區(qū)普遍存在的嚴重問題。據電力部門統(tǒng)計：:全國每年缺電約為15%～20%，1998年因缺電全國近30%的工業(yè)生產能力被迫停滯，年工業(yè)產值減少5473億元。而電力部門的負荷資料則表明，電動機負荷占整個負荷的80%以上，因此，異步電動機的節(jié)電研究是非常重要的。 1 異步電動機的節(jié)能方案選擇 在電動機應用方面的節(jié)能技術，雖然根據電動機的種類、用途或系統(tǒng)等有各種各樣的方法，但在作為現代企業(yè)動力源所使用的范圍內，有下列幾個方面： （1）用高效系列電動機取代一般的高耗能電動機。但這種電動機造價較高，而且經濟效果極大地取決于負載的情況，即對于長期工作于接近額定負載（70%以上）連續(xù)運行的應用場合，其節(jié)能效果達到最佳。 （2）采用功率因素控制器（即異步電動機節(jié)電器）和制動器。 （3）電動機的調速節(jié)能。 ①高性能交流電動機變頻調速器。采用微機控制的大功率晶體管逆變技術，利用交一直一交方式，用于交流異步電動機的調速，節(jié)能效果可高達55%以上。 ②轉子串電阻調速。 （4）對老式高耗能異步電動機進行節(jié)能改造。 （5）發(fā)展永磁電動機。 （6）合理選擇異步電動機。 其中采用變頻器實現的節(jié)能方式，可取得明顯的節(jié)能效果，并易于對老設備進行技改，是國家重點推廣的節(jié)能項目。 2 變頻節(jié)能的原理 三相異步電機運行效率是由它的力能指標表示，所謂力能指標是指電動機的效率和功率因數。 異步電機的效率公式為： 上式說明，異步電機的效率與總損耗有關，提高效率的唯一方法是降低總損耗。 交流電機的總損耗為： 其中：P[sub]cu[/sub] ——定轉子銅損之和； P[sub]fe[/sub]——定子鐵心損耗；P[sub]m[/sub] ——機械損耗；P[sub]z[/sub] ——雜散損耗。 一般銅損占電機總損耗的56%，鐵損占總損耗的30%，此兩相是決定電機效率的主要因素。 由等值電路知電動機的定轉子銅損為： 電動機的鐵心損耗為： 電動機的電磁轉矩為： 電動機的總損耗為： 其中： P[sub]M[/sub]為電磁功率；Ω[sub]1[/sub] 為機械同步角速度； N[sub]p[/sub]為極對數。 由于同步轉速，所以 由于電機在穩(wěn)態(tài)運行時，電機轉子本身的功率因數很高，可以近似認為，在此條件下立方程： 以定子頻率f[sub]1[/sub]和λ為自變量對其求偏倒并令其為零，可求解得損耗最小時的定子頻率為： 其中： 所以： 由式（1）可知，變頻調速交流電機運行時最小損耗的定子頻率f[sub]1min[/sub]只與轉速有關，而與負載無關。在給定轉速定負載的情況下式（1）和式（2）就構成變頻器電壓/頻率比控制時的節(jié)能控制算法，只要根據要求轉速就可知道節(jié)能頻率，然后對電機施以節(jié)能頻率并調節(jié)電壓到給定轉速就可找到變頻調速交流電機運行時的節(jié)能點，從而實現最優(yōu)控制。 3 系統(tǒng)硬件設計 為了實現對三相異步電動機變頻調速的節(jié)能控制，本文設計了節(jié)能控制裝置。系統(tǒng)的總體控制思想是搜索節(jié)能工作點，即在穩(wěn)態(tài)點按照節(jié)能算法求出給定轉矩和轉速的節(jié)能定子頻率，然后以此頻率為輸入頻率，調節(jié)輸入電壓來控制轉速到要求值。因此系統(tǒng)中有主電路和控制壓頻比電路。采集電路包括電壓信號的采集、電流信號的采集和速度信號的采集。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。 3.1 主電路 主電路部分包括整流、濾波和逆變。系統(tǒng)功率變換環(huán)節(jié)采用AC / DC整流電路和IGBT逆變電路，三相交流電壓經二極管整流模塊整流，大電容濾波后送到三相逆變模塊。本文中三相逆變模塊采用的是IGBT智能功率模塊IPM（Intelligent PowerModule）。IGBT智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）是一種由幾個高速、低功耗的IGBT和門極驅動電路集成為一體的混合電路器件。它通過采用先進的電流檢測型IGBT和與之相匹配的門控電路，實現高效的自保護功能。智能功率模塊的使用能縮短系統(tǒng)的設計時間和提高系統(tǒng)的可靠性，并使系統(tǒng)硬件電路簡單緊湊，減小系統(tǒng)尺寸。 為了讓CPU有更充裕的資源來處理控制的主要功能（檢測電壓、電流和產生SVPWM波形等），本文采用一片TMS320F2407作為主處理器，一片89C51（以下簡稱C51）單片機作為輔處理器，如圖2所示。 3.2 智能功率模塊IPM 由于本系統(tǒng)直流電壓為537V，5KVA，滿載時額定電流為9.3A，考慮到20%的過載余量和20%的電流尖峰因素，最大電流為20.46A。本文中選用了日本三菱公司生產的電壓為1200 V、電流為25 A的IPM模塊PM25RSB120。 IPM集成了最佳的IGBT驅動電路和自我保護電路，但必須為它提供隔離的驅動電源和匹配的控制信號。因此要設計一塊接口電路板，該接口電路板將直接安裝在IPM模塊上，如圖3所示。接口電路板要達到以下要求：提供4路絕緣電壓為模塊額定電壓兩倍以上的1 5V±10%隔離電源，上橋臂三路，下橋臂和制動共一路。電源必須能提供在工作開關頻率下所需的最大電流；具有信號輸入隔離功能而且其傳輸延遲時間不超過0.8µs，隔離電壓足夠大，還應具有故障信號輸出隔離功能；接口電路板的布局一定要設計合理，盡量避免將噪聲藕合到控制電路。 3.3 單片機與液晶顯示的接口電路 顯示器采用內藏T6963C控制器的圖形液晶顯示模塊M-240128T。T6963C是點陣式液晶圖形顯示控制器，它能直接與51或96系列微處理器接口。內藏T6963C控制器的液晶顯示模塊上已經實現了T6963C與行、列驅動器及顯示器緩沖區(qū)RAM的接口，同時也已用硬件設置了液晶屏的結構、數據傳輸方式、顯示窗口的長寬等等。240128表示該模塊的長寬為240x128點其結構框圖如圖4所示。 3.4 測量電路設計 要測量的原始信號都是高電壓、大電流的正弦交流電或帶有毛刺尖峰的高壓直流電，必須將它們作模擬信號處理后才能送給DSP。 （a）交流電壓經電壓互感器PT（實質上是一個小型特殊變壓器）變成隔離的1mA左右電流信號，再經電流變電壓電路和濾波電路形成波形良好的正弦波。整流后送到主控板進行A/D轉換得到電壓幅值； （b）交流電流經電流互感器CT后也得到1mA左右電流信號，之后也送入電流變電壓電路和濾波電路。 4 軟件系統(tǒng)設計 DSP主控制程序主要有數據采集、數據處理、節(jié)能算法、生成SVPWM波形，此外還包括自檢、初始化、與C51通信、故障處理等子程序。DSP主程序流程圖如圖5所示。 系統(tǒng)啟動以后，首先經過自檢、初始化，然后等待啟動電機命令。當接收到啟動命令后，執(zhí)行啟動模塊，當電機達到要求轉速且達到穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)開始搜索節(jié)能運行點，節(jié)能模塊是一個循環(huán)程序，當CPU不執(zhí)行任何中斷服務程序時，就在這個循環(huán)中運行。此外，還包含幾個相對獨立的循環(huán)作為子程序，除了波形發(fā)生循環(huán)模塊外，還有AD轉換的中斷服務程序構成的獨立循環(huán)模塊。幾個相對獨立的循環(huán)模塊之間的信息傳遞是修改標志變量的方法來完成的，由發(fā)出控制的模塊修改相應的標志變量，而接受控制的模塊采用查詢的方式響應標志變量的改變。 5 結果分析 由于采用了SVPWM調制方式，提高了直流電壓利用率，降低了開關損耗，但輸出波形仍然和SPWM調制方式差不多。圖6是SPWM和SVPWM的實驗波形的對比（波形均為電阻分壓后用數字示波器觀察的結果）。 從圖6可以看出SVPWM調制方式下IGBT在一個周期內有三分之一的時間總是處于導通或關斷狀態(tài)，即開關損耗要減小33%。 參考文獻： [1] 陳王璋等.電動機節(jié)能技術[M].北京：科學出版社，2002 [2] 齊義祿等.節(jié)能降損技術手冊[M].北京：中國電力出版，1995 [3] 高景德等.交流電機及其系統(tǒng)的分析[M].北京：清華大學出版社，2003 [4] 趙勇等.DSP應用系統(tǒng)設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002 [5] 孫云蓮等.利用雙CPU方式的PWM消諧三相交流調壓及電路實現[J].武漢水利電力大學學報，2000.2 [6] 房小翠等.單片機實用系統(tǒng)設計技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996 作者簡介：俞斌（1979-），男，江蘇揚州人，講師，主要研究方向：信息處理和DSP。 EMAIL：gliet_99021626@163.com 聯系電話：0734-7134306/8434290 通信地址：湖南省衡陽市雷公塘14#電氣與信息工程系 郵政編碼：421008