单元串联中压变频试验系统控制软件设计

崔晶

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

随着以风机、泵类为主的中压大功率交流电机在我国的广泛应用，为改善传统的中压电机所采用的能耗高、效率低的直接恒速拖动方式，研究和发展中压电动机的变频调速系统，对提高能源利用率有着重大意义[1]。

以DSP为代表的智能控制芯片的发展为中压大功率变频调速系统的设计提供了诸多新思路和方法，本文提出一种基于DSP的中压变频控制设计方法，重点研究系统控制软件的设计。

1 中压变频控制系统设计

1.1 系统硬件设计

中压变频试验装置按6 kV/400 kW设计，主要由高压隔离开关、移相变压器、变频柜、控制柜四大部分组成，如图1所示。

图1中控制柜为本系统设计的核心，其中主控板采用TI公司的浮点型DSP芯片TMS320C32，其硬件、软件资源丰富，完全能够满足本系统的控制要求。

1.2 系统软件设计

系统软件基于DSP设计，在软件中需完成通讯、采样、控制以及故障检测处理等功能。为提高程序的可读性和可移植性，本文采用子程序的模块化设计，即在主程序中完成变量初始化及寄存器设置等功能，进而开放中断，并在中断程序中实现子程序的模块功能。从而使主程序在不断循环响应中断子程序的过程中，完成对应的功能模块。主程序流程图见图2所示。

图1 硬件结构配置Fig.1 Hardware configuration

图2 主程序流程图Fig.2 Master flowchart

将要完成的每种功能划分为功能块，在相应的子程序中实现，子程序模块主要包括PWM调制模块、顺序控制及V/F曲线控制功能模块。根据不同功能模块对时间的要求度不同，将各个子程序模块安排到合适的中断中。如PWM调制模块对实时性要求最高，因此安排在最高优先级且中断最快的TS（外部中断0）中，其他子程序模块则安排在次级中断T0（定时器中断0）中，并通过进一步调整中断时间，来完成对子程序模块时隙的调整[2]。

1.2.1 PWM调制模块设计

PWM调制模块主要实现PWM脉宽计算，从而生成并输出水平移向PWM波。在脉宽计算中可通过合理的参数设置改变载波频率，从而减少输出谐波对电网的污染。图3为该模块PWM脉宽计算流程。

图3 PWM脉宽计算软件流程图Fig.3 PWM pulse width computing software flow chart

图3中，入口参数包括调制单元输入频率f、调制单元输入电压 U 以及电网电压 e。 参数 Δθ、VA、VB、VC及 WA、WB、WC分别按式（1）～式（3）计算。 式中 Ts为采样周期。

1.2.2 顺序控制模块设计

顺序控制模块的作用是保障变频器运行安全，使变频器动作（如起动、运行及停车等）按照正确的逻辑顺序进行，并检测故障信息，一旦发生故障则立即停机并跳闸。为实现顺序控制，本文规定了中压变频器运行过程中的九种状态：初始化工作状态、禁止合闸状态、故障报警状态、允许合闸状态、预充电状态、允许起车状态、运行状态、正常停车状态和安全停车状态，其对应编号为状态0－8。在程序设计中，将系统目前运行状态定义为状态字ST000，取值0－8对应系统的9种状态。在该模块设计中，通过判别状态字ST000的值，就可进行对应状态的逻辑处理，不满足相应逻辑的误操作，将得不到响应，从而保证了顺序控制功能的正确执行。图4为顺序控制模块流程设计图。

1.2.3 V/F曲线控制模块设计

图4 顺序控制功能块程序流程图Fig.4 Sequence control function block program flow chart

V/f曲线的设置是V/f控制方式的核心部分，直接关系到电机运行性能的好坏，如果完全依靠人工凭经验整定参数确定V/f曲线，不仅效率低下，也很难使其达到优良的性能[3]。因此，本文的V/f曲线控制模块设计基于高性能V/f控制方案[4－5]，可大幅度减少人工参与度，并提高电机的运行性能[6]。

图5 V/f曲线控制模块程序流程图Fig.5 Curve of V/f control module program flow chart

图5为V/f曲线控制的程序流程图，其中入口参数包括：Imax控制器输出频率Fout、加速电流输入IAcc、Imax控制器输出电压Uout、V/f曲线选择模式Vfselect=1/0、额定电压UR、额定频率FR、定子电阻 Rs、上举电压 UB、上举电流 IB等。 图 5中参数UB、k1、k2、k′及 UVf的计算参见式（4）～式（6）。

2 试验结果分析

根据上述分析建立系统并进行6 kV/22 kW空载、负载试验，为保证安全，首先进行了4 kV/22 kW空载、负载实验，在确保安全无异常的基础上再进行6 kV/22 kW系统空载、负载试验。图6给出了系统在50 Hz负载实验时电动机线电压和由霍尔电流钳测得的电动机线电流波形；图7为系统在50 Hz负载实验时由霍尔电流钳测得的进线电网侧线电流波形。

从图6、图7的波形可以看出，以50Hz负载试验为代表，中压大功率变频器系统输出线电压波形具有较好的正弦性，其线电流的波形图更是突显了优越的正弦性（图6）。

图6 50 Hz负载试验时电动机线电压（下）、线电流（上）波形Fig.6 Under 50 Hz load test motor line voltage(below),line current waveform(above)

图7 50 Hz负载试验时进线电网侧线电流波形Fig.7 Line current waveform into the line power grid side under 50 Hz load test into the side

3 结论

为改善传统的中压电机所采用的能耗高、效率低的直接恒速拖动方式，从而提高能源利用率[7]，本文提出了一种中压变频控制系统设计方案，重点研究基于DSP的控制软件设计，同时为了提高程序的可读性和可移植性，提出了模块化的程序设计方法。

经中压大功率变频器系统的负载、空载试验论证，本文提出的单元串联中压变频试验系统运行稳定，且能够达到预期效果。说明系统在硬件、软件方面均满足设计要求，控制软件设计方案不但行之有效、成效显著，而且有较高的可靠性，从而保证了系统长期有效、稳定的运行。

[1]苏彦民，李宏.交流调速系统的控制策略[M].北京：机械工业出版社，2008.

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