矿用鼓风机变频调速系统设计①
2021-01-14李瑾
李瑾
(南昌工程学院机械与电气工程学院 江西南昌 330099)
1 前言
脉宽调制(PWM)技术是变频调速的关键,传统的正弦脉宽调制(SPWM)方法是从电源的角度出发,为了得到一个可调压调频的三相正弦波电源,而空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的着眼点是使被控电机得到圆形磁场[1],以减小电机的转矩脉动,抑制电流谐波[2]。本文给出了一个以DSP为核心的矿用鼓风机SVPWM变频调速系统,并对其进行了硬软件设计。
2 系统硬件设计
系统主电路采用电压型交-直-交变频器,包括整流、滤波和逆变三部分。控制部分以TMS320LF2407A型DSP为核心,所用电机的主要参数:PN=750W,UN=220V,IN=2A,nN=1390r/min,4极。
2.1 主电路
图1是电压型交-直-交变频主电路图,其各部分设计如下。
图1 电压型交-直-交变频主电路
1)变压器
在设计变压器时采用从后往前的方式,根据公式:UL=0.612mUd
(1)
式中:UL—输出线电压有效值;
m—调制比;
Ud—直流电压平均值。
由于电机额定电压UN=220V,按要求要得到UL=UN=220V,则当调制比m取1时
Ud=UL÷0.612=220÷0.612=359V
(2)
由此可得变压器的二次侧电压为:
(3)
但实际中可能存在过调制(m>1),所以取三相变压器的二次侧电压U2N=220V。
2)整流电路
由二极管D1~D6构成三相不控整流电路。
二极管电流的有效值:
(4)
式中:Im—最大负载电流。
这里取Im=6IN,有
(5)
二极管额定电流
(6)
二极管的电压峰值
(7)
则额定电压:
Un=(2~3)Um=622~933V
(8)
根据以上计算,选取额定电流10A,额定电压1000V的整流二极管,型号为PX10A10。
3)滤波电路
这里采用电容滤波来减小直流电压脉动成分,并提供无功功率给电机以减小整流和逆变电路之间的干扰[3]。
整流电路输出直流电压的平均值为:
(9)
考虑一定的安全系数,取直流电压等级为500V。
电容容量的计算:
(10)
式中:Umax、Umin—Ud的最大与最小值。
考虑直流电压上下15%的波动,有
Umax=1.15×500=575V,Umin=0.85×500=425V
电源频率f=50Hz,电源功率因数n取为0.9。
(11)
根据计算选取470μF,耐压450V的电解电容。
4)逆变电路
采用六个全控型元件IGBT构成的三相桥式逆变器,且每个IGBT都反并一个续流二极管。
IGBT承受的电压最大值为
(12)
取2~3倍的电压裕量系数,额定电压
Un=(2~3)Um=(2~3)×311V=622~933V
(13)
流过IGBT的最大电流为
(14)
取1.5~2倍的电流裕量系数,IGBT额定电流:
In=(1.5~2)Im=8.484~11.312A
(15)
选取15A/1200V的IGBT,型号为GT15Q101。
2.2 DSP控制电路
由于TMS320LF2407A芯片引脚多难以焊接,这里用合众达公司的2407A简易开发板来完成整个调速系统的控制和矢量控制算法的实现。此EVM板包括2407A主控芯片,外存扩展电路,电源转换电路和晶振电路。DSP的扩展电路包括按键输入电路,信号检测电路,数据实时显示及故障检测和保护电路等。
1)电源转换电路
由于2407A芯片只能接受小于3.3V的单极性电压,为了跟常用的+5V开关电源兼容,2407A芯片的最小系统板上安装了专用的电源转换芯片TPS7333Q来将5V电压变为3.3V,电路连接图如图2所示。此电源输入端应尽量远离DSP和数字器件,为了方便用户,电源插座置于PCB板的边缘上。
图2 电源转换电路
2)转速检测电路
编码器测速常用的有M法和T法,M法又称测频法,适用于测量较高转速[4],本文选用M法来检测电机转速,即在一定时间内(取1ms)测出光电编码器输出的脉冲数speedstep,由n=Kspeed×speedstep×n1,便能算出电机转速[5]。其中Kspeed为比例系数,n1是电机基速。显然,Kspeed的大小与选取的电机基速n1的值有关,基速取为电机同步转速。Kspeed的计算过程如下:
电机基速为1500r/min即25r/s,使用分辨率为1024P/R的编码器E6B2-CWZ6C,经四倍频后,其每秒输出的脉冲数是25×4096=102400。因此在1ms内编码器发出的脉冲数为102400×0.001=102.4。即速度基值对应脉冲数为102.4,则有Kspeed=1/102.4。还须把浮点数转换为定点数因为2407A属定点芯片无法直接处理小数。取定标值Q=12,则将Kspeed=1/102.4转换成定点数为:212/102.4=(40)D。由高速光耦芯片6N136来进行隔离的转速检测电路如图3所示。
图3 转速检测电路
3 软件设计
系统中DSP程序包括主程序和中断子程序。主程序给各个控制寄存器赋初值,并给每个变量分配地址和设置初值。系统利用2407A芯片的高速运算能力来保证控制精度及程序执行的实时性,电机转速和电流检测模块、PI调节算法模块、产生SVPWM波形模块等都在定时器1的中断子程序中实现。图4和图5分别是系统主程序和中断子程序流程图。
图4 主程序流程图
图5 定时器1中断子程序流程图
4 结语
本文给出了一个以2407A型DSP为控制器的矿用鼓风机SVPWM变频调速系统,对其硬件部分包括整流、滤波、逆变电路,电源转换电路和转速检测电路进行了结构设计和参数计算,并给出了主要的软件流程图。分析和实验表明,该变频调速方法用于矿山鼓风机负载具有可行性。