单片机控制的双馈电机控制技术研究

王飞 刘雷

(1.新疆吐哈油田建设有限责任公司电气仪表公司 2.吐哈油田公司技术监测中心)

1 引言

双馈电机也叫交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。双馈电机是电机与电力电子技术和数字控制技术相结合的产物，在大中型交流调速系统中，如果采用双馈电机，它的定子绕组直接接3kV、6kV、10kV的工频电网，而转子绕组可设计为低压，这样可采用低压变频装置，因而可以大大降低变频器的成本。据国外文献报道，如容量为9000kW，同步速为1500r/min，调速范围为30%的双馈电机调速系统的价格以 100%计，则同容量、同转速、同调速范围的笼型感应电动机与变频器构成变频调速系统价格为300%[1～3]。双馈电机是将电动机的定子绕组接到固定频率的电网上，而变频电源向转子绕组馈电，改变转子电流的频率来调节电机转速的方法即可以使电机转速从低于同步速到高于同步速调节。

2 主电路和控制电路的设计

2.1 主电路拓扑比较

双馈电机调速系统一般分为控制电路和主电路两部分。主电路一般由整流、逆变电路构成。控制电路是以单片机为核心加上必要的外围电路。控制电路发出控制信号，主电路按控制电路发出的信号给电机供电，实现调速[4]。

使用多功能变流器的双馈调速不但可以满足调速中的各种运行模式，而且还能节约成本，但是对检测和控制系统提出了更高的要求。

2.2 主电路的设计

普通脉宽调制型逆变器电路的优点是：可得到接近正弦波的输出电压；整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数；通过对输出脉冲脉宽度的控制就可改变输出电压，大大加快了变频器的动态响应。但这种变频器无法实现从低于同步速到同步速和从同步速到超同步速的连续状态转换。因此，要对该电路加以改进。图1是改进后的电路拓扑图[5]。

图1 多功能变流器的电路拓朴图

2.3 软启动与斩波调阻调速模式

绕线转子电动机的启动通常是串电阻启动，在开始启动时，全部电阻接入回路，获得最大的启动转矩，在启动过程中逐段切除电阻。这里采用单片机发出PWM控制信号，对IGBT进行控制，形成斩波调阻启动方式。可以证明：当忽略电机损耗时，低于同步速双馈运行时，电机输出机械功率为定子与转子绕组输入功率之差；而对高于同步速的双馈调速，电机输出机械功率为定子与转子绕组输入功率之和。因此，高于同步速比低于同步速时的双馈调速效率会高些。

2.4 同步速运行模式

同步运行模式下的双馈电机，需要向转子绕组馈送直流电流，此时转子三相绕组一般采用“两并一串”联接方式。多功能变流器的功能开关位置与双馈运行模式相同，变流器以斩波方式控制不同桥臂的三个功率开关器件同时导通或关闭，输出可控的直流励磁电流，其等效电路如图2 所示。

图2 同步运行模式

2.5 驱动电路的设计

EXB系列 IGBT驱动电路的优点是电路参数一致性好，有防擎住效应的缓开关电路。该电路只有管压降保护，仅能实现软开关功能，无法记忆和封锁IGBT的 PWM 驱动信号;在负载频繁过载时易损坏IGBT。在变频器应用中，通常希望驱动电路和驱动电源尽量简单，而上述两种模块系列只能驱动一只IGBT，而且需要单独的浮地电源，因此对于一个三相变频器，增大了变频器的成本，降低了可靠性。为了解决上述问题，这里选用IR公司的IRZ132。

2.6 控制电路的总体设计

控制电路的方框图如图3 所示。

图3 控制器电路的框图

控制回路以 80C196MC为核心，Xilinx公司的CPLD器件XC9572作为键盘、显示的接口；电压、电流传感器测量电压、电流信号；驱动器IRZ132驱动IGBT，串行接口芯片MAX232完成与微机的通讯；光电编码器测量电机转速；光电耦合器6N137使控制器和变流器隔离，这些器件组成控制和测量装置。

3 控制算法

本文对双馈电机的控制采用标量控制方式。在这种运行方式下，按速度特性公式，通过控制可控绕组激励的幅值、频率以及相位来实现对速度、转矩以及电机性能（如功率因数、效率等）的控制。标量控制比开环控制运行稳定性有较大提高，动态性能也有所改善，适用于对动态性能要求不高的场合。

3.1 频率控制

WG的重置寄存器(WG_RELOAD)中的数值决定载波频率。变流器输出调制波的频率为:

式中： fTXAL为晶体振荡器频率；

实际系统 fTXAL的选取受到功率元件开关频率和系统采样频率的限制，当不考虑死区时间时任意一相PWM输出的有效时间 fout为:

在忽略死区时间的情况卜，占空比可表示为:

3.2 幅值控制

建立一个0°～360°的正弦函数数据表，由于正弦值有正负且为小数，单片机中的数据计算采用定点形式，因此把数据处理成定点。方法是这样数据表的最小值为0，最大值为2000。载波比取209，数据从0°开始，每隔0.2°安排一项数据，每个数据是两字节二进制数，1800个数据，占用3600字节。

将正弦函数表的数据存入EPROM，单片机通过查表与实时计算相结合的方法，计算出正弦波脉宽调制(SPWM)载波脉宽的给定值，其计算公式如下：

3.3 相位控制

为编程简便，可按载波比N建立 0°～360°正弦函数数据表，按字存入相应的地址单元。这样正弦函数数据表中每个数据所对应的相位角φ为：

根据上式计算出正弦函数数据表的地址指针变量n，电机启动后，采样转子电流，找到馈入点后，向转子馈入电流，由于电压与电流存在着相位差，滤波器也使得电流的相位滞后，所以经过计算后，根据该式通过软件控制变流器输出的初始相位角。

4 实验的波形分析

本次试验中采用以 2.2kW 交流异步电动机带动齿轮旋转的方式进行电机调速试验。图4、图5是电机调速波形。

图4 低于同步速向双馈运行方式转换时转子绕组电压波形

图5 低于同步速一同步速一高于同步速双馈

实验证明，本论文提出的基于 80C196MC单片机的双馈电机控制技术、多功能变流器的电路拓朴结构及合理的控制器的设计，有效地解决了双馈电机的软起动和低于同步速、同步速以及高于同步速运行模式的转换与控制问题。

5 结束语

本文设计了双馈电机调速所用的多功能变流器和控制器，通过这套实验装置可以很好地实现双馈调速，从低于同步的双馈到高于同步速双馈调速的连续调速。同步运行时，通过多功能变流器向转子绕组通入直流电，电流的大小通过施加的斩波比进行控制。

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