一种新型的高压变频分布式控制系统

标签:高压变频
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        近年来,出于节约能源的迫切需要和产品质量不断提高的要求,大容量电动机的高压变频调速技术得到了广泛的应用,在国内,基本覆盖了电力、冶金、石油、化工、造纸等主要行业。

        因此国内变频调速系统的研究非常活跃,主要的问题是利用耐压有限的功率开关器件实现高压变频调速,解决的办法是把低压的开关器件以一定的拓扑结构连接,用低电压串联形成高电压。传统的控制系统采用集中式控制,系统安装调试比较复杂,功能相对局限且不易扩展,很难实现控制的智能化。而分布式控制系统结构简单,数据处理方式灵活,有很强的扩展性,其模块化的结构具有很强的容错性,因此是高压变频系统实现智能控制的发展趋势。

  针对传统控制系统过于复杂的缺点,本文提出一种高压变频的分布式控制策略,系统采用“中央控制单元-总线-分布控制单元”的分布式控制。

  1 分布式控制的原理

  设计的高压变频器要求产生的相电压的变化在0~4 320V范围之内,系统使用低压功率器件,采用电压串联叠加的方法实现高压[1],其高压变频系统实现原理如图1所示。图中,24个分布的单元,每个单元均由相同的控制和驱动系统组成。控制单元采用PWM控制方式调节驱动单元的输出电压使之在0~540V之间变化。24个单元分成三相,每相由8个单元串联连接,产生的相电压的变化在0~4 320V范围。三组功率单元星形联相形成分布式控制的拓扑结构,以低压的功率器件实现高压输出。每组叠加出用于电机驱动的一相电压波形,相电压之间的相位差为120°。这样,线电压可以控制在0~7500V,以适应高压电机的控制要求。

 分布单元驱动电路如图2所示,由三相桥式整流电路和方波逆变器组成。两个方波逆变器的输出电压uao和ubo是脉宽可调的方波,而两桥臂中点a和b之间的电压uab是uao和ubo方波电压的叠加,即uab=uao-ubo。假定uao和ubo之间的相位角之差为180°+Φ,则调节Φ角即可调节输出电压的脉宽,因而使输出电压的基波分量和谐波分量的幅值也发生变化。这样,既改善了输出电压的波形,也达到了调节输出电压的目的。

        
  2 分布式控制系统的设计

  本文设计的高压变频控制系统结构如图3所示。分布式系统由中央控制单元、CAN总线光纤通信部分和分布单元控制器三部分组成。中央控制单元以CAN总线和分布单元控制器建立通信,建立任务分工,协调控制系统的运行。以分布式控制系统代替传统的集中式的控制系统,解决了集中式控制方式在数据就地采集、处理和独立控制等方面的问题,减少了中央处理单元的负担,而且扩展了系统功能,实现了高压变频器的远程智能化监视和控制,改进了系统的性能,同时也更加符合工业现场的应用;由于CAN总线的通信采用光纤作为介质,中央控制单元及分布式单元通过两根光纤和HUB连接即可完成系统的组装;由于分布单元结构相同,可采用硬件ID软件识别的方法使系统的可替换性和伸缩性增强。

  2.1中央控制单元

  基于ARM的嵌入式控制系统为核心的中央控制单元主要包括:I/O模块、A/D数据采集模块、液晶显示模块、GPRS远程通信模块、CAN总线通信模块等外围的功能模块,其结构如图4所示。采用分布式系统的功能划分,并且利用ARM的32位的运算能力设计的中央控制单元所要执行的任务包括:高压变频系统电源控制、人机交互操作、GPRS远程通信实现变频器的异地监护和远程参数设定以及远程运行控制等、电机的调速以及调速系统的运行状态控制。其中,电机的调速控制是系统的核心,保持分布式单元的实时同步、变频控制算法实时运算工作的合理分配是实现调速控制的关键环节。本文通过中央单元的实时校正和总线协议的可靠性保证系统分布单元的同步性,运算任务分配的原则是中央控制单元处理人机交互信息中关于变频调速的整体信息,并将此信息传送给各分布式单元,由各个单元完成PWM算法实现电压叠加和电机控制。任务分配的实现是以稳定高效的总线协议为前提的。

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一种新型的高压变频分布式控制系统

近年来,出于节约能源的迫切需要和产品质量不断提高的要求,大容量电动机的高压变频调速技术得到了广泛的应用,在国内,基本覆盖了电力、冶金、石油、化工、造纸等主要行业。