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分享节能型纺织机械电机专用控制器

分享节能型纺织机械电机专用控制器

 

目前专业变频器性能优良、节能效果突出,但很难普及,其根本原因是成本居高不下,对企业用户而言,节能不省钱,使企业成本大增,难以接受。使变频器成本过高的主要原因有:

  • 专业变频器功能很多,造成成本增加。现在变频器一般都具有完成闭环控制的多种输入,变频范围0~400Hz,多种通信模式和种种安全保护措施。但在实际应用中仅有几种功能有用,不足系统功能的10%,况且,许多功能需要专业工人经过培训后方能操作,造成资源浪费,也影响普及。
  • 变频器控制芯片多为83C196MD、TMS320F240等集成有三相PWM发生器的微处理器,或用HEF4752、SLE4520、SA4828等专用芯片,因其开发过程复杂,为少数厂家所垄断,价格极高,影响变频器的普及。
  • 变频技术为少数企业所掌握,

而纺织行业使用的电机特别多,因其工作性质的原因,机器启动后是不宜停机的,否则可能影响布面或纺纱质量,基本都是连续运行。因此纺织企业建厂时,都有自己的专用配电设备,考虑到电网的电压波动,为了保证在用电高峰期时(此时电压最低)保证企业所有电机都能正常工作,大多设定的输出电压高于380V。当到用电低谷时,电压超过400V。做为电机在设计时,必须在360V就能达到额定工作力矩和转速,电压达到400V以上时电机转速并没有线性的提高,对系统的产量也没有增加,电机的功耗却增加了,这部分功耗转换成热量使电机升温,影响电机的使用安全。因而在纺织行业中节能潜力极大。如理论上一个4KW的电机,额定工作电压380V,工作电流应该是6A,而在实际应用中允许电压变化10%,那么电机在360时就应达到额定工作状态,而在工厂里,为了使企业24小时都能正常开工,工作电压时常达400V以上。而电机的工作电流随着电压的升高而增加。节能控制器根据电机的负载大小调整PWM输出的占空比,使电机较少受到外部电压变化的影响。假定电流不随电压升高而增加,况且电机满负荷工作,节能效果如下:

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料[(400-360)÷400]=10%。因此最少节能10%。

假设节能效果为8%,每日4×24×8%×0.8=6.14(元/天) 6.14×300(天)=1842(元)。

开发节能型纺织机械电机专用控制器的目标:变频范围在30~99Hz,调节方便,功能够用,价格便宜(一年内省出投资),直接安装使用(免培训),输出功率最大4KW。

二、设计思想。

  • 变频范围在30~99Hz,频率跨度不大,在保证额定转矩的条件下,频率过低,工作电流较大,对主功率器件安全有影响;频率过高则要求有较高的载波频率,增加器件的功耗,因此在频率范围较少的情况下有利于提高主功率器件的安全性。
  • 载波频率9K、12K、15K、18K几个频点。一般以12K为中间频率,因为在此时,通用的功率器件都能达到的开头速度,同时能够保障此状态的开关损耗较小。
  • 主控器件采用通用有8位单片机STC12C5412AD,单周期指令,速度高达4MBPS,有四路PWM输出,并有8路10位AD输入,价格便宜,又能满足节能专用控制器的需求。为了有效的防止功率器件的上、下臂同时导通造成功率器件的永久损坏,在软件上可以设置延迟导通时间外,在PWM输出时有另外的具有逻辑功能的硬件驱动电路,实现硬件延时,确保主控器系统受到强干扰死机且看门狗系统尚未复位之时,保护功率器上、下臂同时导通造成系统的损坏。
  • 功率器件选用7只SGP25N1200BND,该器件负载能力强、开关速度快、开关损耗小,价格便宜,最大电流54A@25℃。
  • 节能设计。依据在恒定的负载时的电机负载曲线,通过负载电流工作状况,不断调整PWM的占空比,实现输出电流、电压最小值。达到节能目标。
  • 电机的负载性如图1所示。负载不同,其负载曲线是不同的。当负载恒定时,如Q1曲线。电压高过Q1点,随电压的增加电流是增加;当电压下降至Q1点之后随电压的下降电流也是增加的,只有在Q1电流电压最小,也就是在Q1工作点上,消耗功率最小。该节能控制器就是根据电机的负载的动态变化实时调整SPWM输出的占空比,跟踪工作点,使电流、电压输出最小,实现节能目的。

三、硬件设计:

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料 系统主要由模拟三相SPWM发生器、SPWM输出驱动、输出电流电压变换器及SPWM功率输出电路等部分,结构如图2所示。模拟三相SPWM发生器经SPWM驱动输出电路放大后,由SPWM功率输出电路输出。输出的电流和电压经输出电流电压互感器将进行按比例变换和A/D转换后反馈到主控制系统,主控系统根据电机负载情况,自动调整SPWM输出的幅度,实现最大限度的节能。主要特色电路如下:

图2

3.1 模拟SPWM发生器电路

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料模拟SPWM发生器电路以STC12C5412AD为核心,晶振频率为22.1184MHz。STC12C5412AD是单机器周期,指令与8051系列兼容的微处理器,内部集成了E2PROM、看门狗电路、4路8位PWM、8路10位A/D转换器、MAX810专用复位电路及具有主从模式的SPI同步通信口,并对输入、输出端口进行了优化,提高了系统的抗干扰能力。利用其中的三个PWM输出,分时控制SPWM驱动输出电路模拟三相占空比可调的、波型与三相交流电相近的SPWM,经SPWM功率模块输出。

 
   

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料 主要接口电路如图3所示。IC6和IC1是同类型单片机。IC6是SPWM发生器,IC1是A/D转换、显示控制、按键扫描电路。PWM0和ORL、ORH共同构成A相输出,PWM0模拟正弦SPWM信号,ORL和 ORH同时为高或低,都将关闭PWM0的输出,ORL为高电平,ORH为低时,通过SPWM输出驱动电路使功率模块的A相的上部工作,ORL为低电平,ORH为高时,则功率模块A相的下部工作。PWM1与OBH、OBL完成B相的SPWM输出,PWM2与OYH、OYL完成C相的SPWM输出。

IC1与IC6两留有同步高速的SPI通信接口,通过该端口完成数据交换,协同完成控制任务。SCLK为时钟,由主控IC6输出,MISO为主控输出数据,MOSI为主控接收数据。

3.2  SPWM输出驱动电路

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料SPWM输出驱动电路主要功能一是将一路PWM输出,在SPWM发生器的控制下分解成二路SPWM信号,分别驱动二路功率器件工作。二是在二路功率器件工作交替时,通过硬件电路产生约50uS的延时,避免因功率器件上、下两部分在交换时产生同时导通造成器件永久性损坏。同时,在SPWM发生器系统出现死机而看门狗电路尚未复位时,对功率输出器件进行保护。

电路如图4所示,图中仅给出二相的SPWM输出驱动电路。电路中,IC2A是74HC27集成电路,当脚1、2、13同时为低时,输出为高,当PWM0输入为低,ORH也为低,且RL为高时,经R11、C13延时,IC4D倒相后,RH才能够输出有效的低电平信号。同样,在SPWM发生器控制下ORH变为高电平,RH为电平,输出无效,经R10、C14延时和IC4B倒相,RL成为低电平,有效输出。如此实现二路切换时的延时。调整R11和C13、R10和C14的值,可以改变延时时间。

3.3 功率输出电路

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料功率输出部分集成了六只IGBT,最大输出电流48A@25℃,最高耐压1200V,

可有效推动4KW以下电机。

四、软件设计。

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料软件以KEIL C51 V6.02编写,采用模块化结构、主程序如图6所示。

4.1模拟SPWM设计。

 

不对称规则采样SPWM算法是在三角形载波的顶点和底点对调制波进行采样以形成阶梯,并用此阶阶梯波与三角波的交点来确定PWM。由于在一个三角形载波周期中需采样两次,因此采样周期是载波周期的一半。设调制比为M,采样周期为Ts,则在三角形顶点采样计算的脉冲数据ton、toff以及在三角形底点采样计算的脉冲数据t'on、t'off分别为:

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料     ton=Ts(1+Msinωt1)/2

     toff=Ts(1-Msinωt2)/2

     t'on=Ts(1+Msinωt2)/2

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料     t'off=Ts(1-Msinωt2)/2

     脉冲宽度为:

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料     tpu=Ts[1+M(sinωt1+sinωt2)]/2

     式中t1、t2分别为顶点采样和底点采样所对应的时刻。

     不规则采样SPWM算法在载波比(即三角波与调制波频率之比)等于3的整数倍时,输出SPWM不存在偶次谐波分量,其它高次谐波的幅值也较小。

4.2 软件抗干扰设计.

5

 

惠泽网官方网站,惠泽社群正版香港资料,惠泽天下全年资料系统工作在电磁干扰严重的环境下,提高系统的抗干扰能力,确保运行安全可靠,是系统的重要创新之一,在该项目的抗干扰设计上,首先对程序运行状态和关键数据进行了实时备份,启用了看门狗功能,当程序发生异常而使看门狗电路复位时,系统调用备份数据而不用重新全面初始化。其次,在程序的空闲空间和关键入口处设置了陷阱程序,当程序运行受到干扰时,确保程序指针及时、快速返回指定位置。另外,在主程序运行过程中设置了多处标志位,监控程序随时根据标志位的变化,分析主程序运行是否正常,发现运行异常时及时修正。

五、创新点及社会效益分析。

主要创新点。

  • 以节能为核心的软件设计与算法。系统通过电压互感器、电流互感器对电机工作状况进行实时测量,经分析运算,感知电机负载变化,根据不同负载曲线,调整SPWM输出,使电机稳定工作在最佳工作状态。同时通过智能分析与运算,自动适应不同型号与功率的电机。
  • 使用新型微控制器和独立设计的硬件驱动电路。使用新型高速单片机产生三路PWM,经硬件驱动电路形成对称的六路三相SPWM输出,一是节省硬件资源,降低成本;二是上、下桥功率器件输出延时具有软件调整的灵活性和硬件的可靠性。
  • 低成本、易普及的设计理念。变频器大多都是以调整交流电机速度为目的,如某型变频器其频率从10~400Hz,具有实际意义的仅在30~100Hz,而节能居其次;目前使用的电机大部分工作于额定转速,仅需要微调,而在此范围内工作,电机的效率也最高。因此该项目的出发点就定位于30~100Hz,一是提高器件安全性,二是成本低,三则使用范围广。

社会效益:

变频器节能效果好,但是由于其价格高,普及难度大,因而社会效益低。如该项目样机,成本仅为相同产品的五分之一,经纺织厂浆纱机实验,日节能在11%左右,当年即可收回投资。纺织业又是中国重要的产业之一,它的推广将带来极大的社会效益。

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