具有谐波测控功能的电动机控制器的设计

陈坚伟 杨道驰 程灯亮

(安徽信息工程学院 信息工程系，安徽 芜湖 241000)



具有谐波测控功能的电动机控制器的设计

陈坚伟 杨道驰 程灯亮

(安徽信息工程学院 信息工程系，安徽 芜湖 241000)

电网的谐波对电动机的正常运行有一定的危害。现有的电动机控制器常规功能中没有谐波测量功能，当电动机长时间运行在有较大谐波分量的供电场所，会造成电动机线圈绕组过热，影响电动机使用寿命，也可能使得电动机模块出现力矩振荡，引发机械共振，影响电动机的正常运行，甚至导致电动机设备损坏。本电动机控制器在实现电动机控制器常有功能的基础上，增加了3-31次谐波的测控功能，当检测到较大谐波分量时，如果长时间没有消除，要及时停止电动机运行，保证电动机正常运行，延长电动机的使用寿命。

电动机； 控制器； 谐波测控； 保护

近年来，随着电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，电力电子装置在运行中会在电网中产生大量谐波，这对作为电网主要负荷的电动机的正常运行产生了危害。

1 电网谐波对电动机运行的危害

1.1 电网谐波产生的磁场使电动机产生异步附加转矩

电动机在谐波电流的作用下要产生平均转矩，但并不是所有的高次谐波磁场都会产生平均转矩，只有在定转子磁场中，极对数相同，同转速同方向旋转的磁场才有可能产生平均转矩。当不同次谐波进入到定子绕组中时，其感应出的转子电流就会形成异步转矩，由于其谐波的频率不同，导致其产生一些附加转矩，从而影响电动机的正常运行。

1.2 电网谐波会使电动机的温度升高

电网中的谐波电流进入电动机的转子绕组时，会使得绕组中的铜耗增大。较高频率的谐波也使得集肤效应更加明显，定子双层绕组中沿槽高度的上层线棒内的铜耗可能比下层导线内高几倍以上。

以上两种情况会使绕组发热增加。异步电动机的绝大多数转子是用硅钢片叠加而成，谐波通过硅钢片会引起铁耗增加。损耗增大使绕组的温度上升，影响其绝缘强度，降低其使用寿命。

1.3 谐波电流对电动机机械运行的影响

当同步发电机的定子绕组中流过正序电流和负序谐波电流时，它们所产生的旋转磁场相对于转子分别以成(n-1)倍数的方向正转和(n+1)倍的方向反转，同时产生的谐波转矩，还会引起电动机以(n-1)或(n+1)的基波频率进行振动，如果该频率接近电动机的固有振荡频率时，还会引起电动机的强烈共振。

我国现在大量使用的电动机保护器不具有谐波测量功能，因而无法解决谐波对运行中的电动机所造成的危害。本控制器不仅具有传统的电动机保护器所有的一般功能，而且带有谐波检测功能。当电网中谐波分量大到一定值，在规定时间内得不到消除，则自动停止电动机的运行，以防止造成电气设备的损坏，大大提高了电动机的使用寿命，将此运用到实际工作场所中，将会具有很大的市场前景和经济效益。

2 设计原理

2.1 谐波测量方案

谐波测量的工作原理是：采用ATT7022D计量芯片配合传感器对电网电压和电流进行实时采样，将采样得到的原始数据传送给ARM7 LPC2136进行数据分析，以得到电机所在电网的谐波状况。

谐波测量硬件主要由互感器、ATT7022D计量芯片、ARM7 LPC2136、RS485接口模块、显示模块、存储器及电源等部分组成。系统的总体硬件结构框图,如图1所示。

图1 谐波测量硬件结构框图

控制器以ARM7 LPC2136为控制核心，运算速度快，可以在高幅值谐波出现后短时间内完成检测和控制。而电动机本身可以承受短时1.3倍额定电压。因此，控制器可以满足瞬态时间要求。

ATT7022D 模块可以实现对电网电能各个参数的测量。该芯片是一款高性能的专用三相电能计量芯片，集成了七路二阶sigma delta ADC(对输入的模拟信号，进行反混频滤波，然后输入到sigma-delta调制器调制成低精度高采样率的数字信号，然后通过抽样滤波器变为低采样率高精度的数字信号)、功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路，它内部还集成了一个240个字节的缓存区，用以实时保存原始采样数据，供进一步分析和处理。

由于ATT7022D进行电能参数测量时，ADC输入通道最大的正弦信号有效值是1 V，所以在与外部电网连接时，要先将电网电压、电流经过电压互感器和电流互感器转换成有效值在1 V以内的交流小信号，然后再将转换后的小信号分别接到ATT7022D的电压和电流相应的采样通道中。ATT7022D和LPC2136之间通过SPI总线进行通信。LPC2136集成的A/D转换器电压工作范围为0～3.3 V，ATT7022D工作电压为5.0 V，选用SN74LVC4245(8位的双向电平转换芯片)进行3.3 V与5.0 V电平之间的双向转换。

2.2 谐波分析

对连续电网信号进行分析时，首先要对其进行采样，并且必须满足香农采样定理fs≥2fc(其中fs为采样频率，fc为信号最高频率)，否则会发生失真(恢复模拟信号频谱混叠)现象。

ATT7022D内部具有数据缓存区，采样频率为3.2 kHz，完全满足对电网中的31次以内的谐波进行测量要求。该仪表从数据采样到FFT的具体步骤如下：

2.2.1 同步采样 首先开启三通道电压或电流的同步采样功能。通过发送0xC0命令(通道选择+启动)对ATT7022D的寄存器gWaveCommand写数据0xCCCCCY，以启动波形数据缓存，其中Y的范围为0x00～0x0B，依次代表需要保存数据的通道号(Ua、Ia、Ub、Ib、Uc、Ic、Ua、Ia、I、Ua+Ia、Ub+Ib、Uc+Ic、Ua+Ub+Uc、Ia+Ib +Ic)。

2.2.2 数据读取 等待采样数据完成并对这些缓存区的数据准确读取。通过读取0x7E指令，判断内部写指针的值，等于240时，表示一次操作完成。

2.2.3 读取数据与存储 读取采样数据之前，要通过0xCl命令指定读取的位置，数值取0～239，超过边界时自动归零处理，然后调用SPI读写程序读取数据。由于SPI读取到的数据格式为3字节，低19位为ADC数据，高5位为无效位，原始数据存放在数组ORG[]中。

2.2.4 数据预处理 对数据进行预处理。还需要对ORG[]中的数据进行相应的预处理，采样数据为原始的ADC数据，未做offset校正和增益校正。增益校正时，系数与有效值的校正系数一致。处理后存放在数组INPUT[]中。

2.2.5 傅立叶变换 将处理后的采样点作为输入量进行加窗插值FFT。

2.3 数据处理

2.3.1 对采样得到的信号进行加窗处理 综合考虑谐波测量的精度要求、实时性要求以及硬件资源的限制，选择基于汉宁窗的加窗插值FFT算法。在下面的程序中，数组INPUT[]存放的是预处理后的采样电压(电流)值，sAMPLENuMBER为采样点数，由于固定采样频率工=3 200 Hz，我国电网工频为50 Hz，对信号采样4个周期，每周期采样64个点，即采样点数N=256，SAMPLENUMBER=256，PI=3.141 592 6。程序如下：

void addwin()∥对采样信号进行加窗处理

{ int i;

float Han_win[SAMPLENUMBER];

for(i=0；i

{ Han_win[i]=0.5*(1-cos(2*PI*i/SAMPLENUMBER));

INPUT[i]= INPUT[i]* Han_win[i];//对采样点加窗

}

}

2.2.2 加窗后的信号进行快速傅立叶变换 快速傅立叶变换是本算法的核心，FFT已经是一个非常成熟的理论，它的C语言程序这里就不再赘述，FFT算法流程图,如图2所示。

图2 FFT算法流程

由加窗插值FFT的结果可以得到各次谐波的幅值、相角等电力参数。

3 设计方案

3.1 硬件设计

3.1.1 显示操作单元的设计 本显示操作装置采用的是台湾宏晶公司生产的CPU STC90C58RD，其工作频率达到80MHz，32K FRASH存储器1280字节RAM，具有体积小，功耗极低，抗干扰能力强，宽温度工作范围的特点，适用于各种工业控制，通过CPU的通讯口与本机装置实时进行通讯，收集到采样保护本体采集到的电动机运行时各种状态及电压电流等参数，直观地在显示操作装置上进行显示，同时通过操作装置的按键设置电动机保护运行时各种技术参数，将其保存在CPU的EEPROM中，并通过RS485通讯将设置的参数传输的保护器的采样保护本体装置进行保护，图3是显示操作部分的设计框图。

图3 显示操作单元硬件设计框图

3.1.2 保护器采样保护本体部分的设计 本采样保护部分技术方案采用PHILIPS公司最新生产的基于ARM7TDMI-S内核的LPC2136微控制器芯片，配合ATT7022D计量芯片，将采集到的电压电流参数值计算后进行分析判断出电动机的运行情况，从而做出相应的保护动作。同时,将这些电压及电流数据及电动机运行的状态，通过其两个通讯端口分别送至上位机后台和保护器的显示操作部分装置，从而智能地完成了电动机的保护任务。图4是本部分的硬件设计图。

图4 采集保护本部分硬件设计

3.2 软件设计3.2.1 操作显示部分软件总体设计 本单元部分是以STC90C58R单片机为中心的控制系统，单片机结合一定的外围电路来完成按键信号采集及与本体信号传输等。图5是显示操作装置主程序流程图。

图5 显示操作装置主程序流程

3.2.2 采集保护本体装置软件设计 图6为采集保护本体装置的软件流程图。

图6 采集保护本体装置软件流程

4 结语

本研制项目除了能够实现电动机控制器常规功能外，还可以增加谐波的保护功能。将谐波测控技术应用到电动机控制器中，采用ARM7 LPC2136芯片配合ATT7022D计量芯片，将采样到电压电流值，通过软件傅里叶变换测算出3～31次电压电流谐波分量，如果在一定时间内谐波分量没有消除，及时停止电动机运行，以防电动机附加过热或发生力矩共振，影响电动机正常运行。因而,此研究项目具有较好的应用价值和广阔的市场前景。

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责任编辑 闵海英

Design of Motor Controller with Harmonic Measurement Control

CHENJianwei,YANGDaochi,CHENGDengliang

(School of Information Technology, Anhui Institute of Information Technology， Wuhu 241000, China)

Power grid harmonic has certain harm to the normal operation of the motor. The existing motor controllers have regular functions. However, they do not have harmonic measurement functions. Therefore, when an electric machine runs for a long time under the condition when there is harmonic component with large power supply, overheating of the motor coil might happen and the service life of the motor will be shortened. Besides, it can also cause the torque oscillation in the motor module and mechanical resonance, which affects normal operation of the motor or even leads to motor damages. This motor controller is developed with harmonic measurement and control functions. Apart from regular functions, this controller also has the measurement and control functions of 3-31 harmonics, so that when large harmonic component is detected and not eliminated for a long time, the controller will stop the running of the motor in time to ensure the normal operation and longer service life of the motor.

motor； controller； harmonic measurement； protect

2017-02-24

安徽省高校自然科学研究重点项目“具有谐波测控功能的电动机控制器的设计”(KJ2016A067)

陈坚伟(1965— )，男，安徽芜湖人，高级工程师，研究方向：电力自动化。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.03.013

TM 301.2

A

1671-7880(2017)03-0045-04