双开关表（精选八篇）
双开关表 篇1
自20世纪90年代以来, 三相电压型PWM整流器因其诸多优点获得了快速的发展, 比如:网侧电流谐波低、功率因数高。针对传统开关表的直接功率控制 (DPC) 策略出现的问题, 本文采用PI控制器取代两个滞环控制器的策略, 并用双开关表代替传统的开关表, 三相电压型PWM整流器直接功率控制系统采用双开关表控制策略与单开关表控制策略相比, 是将一个具有同时调节有功功率和无功功率的开关表变成两个分别控制有功功率和无功功率的开关表, 来实现功率的合理调节。仿真结果表明, 该控制策略可行, 并且改善了三相电压型PWM整流器的性能。
1 三相电压型PWM整流器直接功率控制
1.1 三相电压型PWM整流器的数学模型
三相电压型PWM整流器的主电路图如图1所示。
其中, ua, ub, uc为三相对称电源相电压;ia, ib, ic为三相线电流;Udc为直流侧电压;iL为负载电流;当Sk=1时, 表示上桥臂的晶闸管导通, 下桥臂关断;Sk=0时正好相反, 其中k=a, b, c。由图可得出电压方程为:
其中Sd和Sq是Sa, Sb, Sc在d, q轴的投影值。
1.2 基于滞环比较器的传统直接功率控制
DPC系统结构包括主电路和控制电路, 系统结构如图2所示。
图中DPC主电路包括:三相平衡的交流电源, 交流侧用来滤波的电抗器, 三相电压型PWM整流器, 负载和直流侧的电容。控制电路包括:电流传感器、电压传感器, PI调节器, 功率计算电路, 功率滞环比较器, 扇区划分器, 开关状态表等等。直接功率控制基本的控制思路是:首先对三相电压PWM整流器所输出的瞬时有功、无功功率进行检测运算, 也就是根据交流电压和电流检测电路所检测到的ua, ub, uc及ia, ib, ic计算出在αβ坐标系中的uα, uβ, iα, iβ, 根据瞬时功率理论计算后得出在αβ坐标系中的瞬时有功功率p和无功功率q;再将系统检测到的值与给定的瞬时功率的偏差即p-pref和q-qref信号送入两个相应的滞环比较器中, 扇区划分器根据uα, uβ得出扇区θn的信号, 其中, 令qref=0 (以实现单位功率因数) , pref=PI调节器输出×直流电压;最后根据滞环比较器的输出以及电网电压矢量位置的判断运算, 确定驱动功率开关管的开关状态Sa, Sb, Sc。
2 双开关表直接功率控制
传统的直接功率控制系统中功率内环只采用了一个开关表, 存在无功功率调节不稳定的问题, 并且一个开关表的使用无法同时兼顾有功功率调节和无功功率调节, 并且开关表频率高, 损耗较高, 针对这一系列问题, 本文提出了一种改进的双开关表的控制策略, 即交替采用有功功率开关表和无功功率开关表, 即通过控制交替使用有功功率和无功功率开关表信号的占空比, 来实现有功功率和无功功率的合理调节。系统原理结构图如图3所示。
在图3中, q表输入为θn和Sq, 输出为Siq信号;p表输入为θn和Sp, 输出为Sip;i=a, b, c。当电子开关S转向q表时, Siq送到主电路开关管, 当电子开关S转向p表, Sip送到主电路开关管。电子开关S受占空比可调的方波信号源控制。当信号源为高电平1时, Sip送入开关管, 信号源为低电平0时, Siq送入开关管。
表1和表2的主要任务是完成对有功功率或无功功率调节, 单独用表1或表2均不能实现有功功率和无功功率的最有效的同时调节。如果只用表1即有功功率开关表, 对无功功率不进行控制, 就会导致功率因数的下降, 与此同时较大的无功功率影响有功功率跟踪给定的能力;而如果只用无功功率开关表, 则获得较高的功率因数就要失去对有功功率的控制能力, 也失去对直流电压的控制能力。对此, 在直接功率系统中, 我们可以交替使用表1和表2, 如果需加强对有功功率的调节, 就相应的增加表1的作用时间, 同时减少表2的作用时间;若需加强无功功率调节, 就减少表1作用时间, 增加表2作用时间;这样就可实现双开关表控制策略。
3 传统DPC与双开关表DPC的仿真结果对比分析
以Matlab7.5.0/Simulink作为三相电压型PWM整流器直接功率控制系统的仿真环境。本文设置的系统的仿真参数为ua=ub=uc=220V, f=50Hz, L=4m H, C=2200μF, R=5Ω, RL=36Ω, Udcr=600V, 输出功率为p=10k W。PI调节器参数为:KP=0.45, KI=0.938。
根据图1、表1和表2构建了三相电压型PWM整流器双开关表DPC系统在Simulink环境下的仿真模型, 如下图所示, 设置占空比保持在50%, 以保持良好的启动动态性能。
图4为传统直接功率控制时的系统输出瞬时有功功率波形, 可以看出有功功率在9KW左右浮动, 计算不十分准确, 而图5为双开关表的直接功率控制的系统输出的有功功率波形, 波形在10KW附近浮动, 更接近给定值, 计算更加。
图6为传统DCP无功功率波形图, 可以看出传统的DPC无功功率率波形非常稳定。图7为新型的双开关表DPC结构无功功率波形, 可以看出, 采用这种方式无功功率波形一直在小幅度波动, 但是总体上相比较传统的控制方法更加接近于0。
4 结论
基于瞬时功率理论, 本文介绍了传统直接功率控制的三相电压型PWM整流器控制系统并在此基础上对开关表进行改进, 即对瞬时有功功率和无功功率的控制分别设置了开关表, 并根据其原理搭建仿真模型, 仿真结果表明:双开关表具有良好的动态性能, 输出直流电压稳定, 跟踪能力强, 能实现单位功率因数。
摘要：本文介绍了三相电压型PWM整流器的数学模型, 针对基于滞环比较器的传统直接功率控制的诸多缺点, 提出双开关表直接功率控制的三相电压型PWM整流器。结果表明, 该控制策略可行, 并且改善了三相电压型PWM整流器的性能。
关键词：三相电压型PWM整流器,直接功率控制,双开关表
参考文献
[1]张兴, 张崇巍.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究[J].中国电机工程学报, 2001, 21 (10) :102-105.
[2]陈伟.三相电压型PWM整流器的直接功率控制技术研究与实现[D].华中科技大学, 2009-01-01.
[3]徐小品, 黄进.瞬时功率控制在三相PWM整流中的应用[J].电力电子技术, 2004, 38 (02) :30-31 (44) .
[4]屈莉莉, 张波.PWM整流器控制技术的发展[J].电气应用, 2007 (02) .
[5]王久和, 李华德, 王立明.电压型PWM整流器直接功率控制系统[J].中国电机工程学报, 2006, 26 (18) :54-60.
基于双投开关选用的探讨 篇2
关键词：ATSII、PC级、CB级
引言
在现代电气设计对于双投开关的选用变得越来越多，我国国家标准以及IEC标准将ATSE分类为PC级和CB级两个级别，由于CB级ATSE存在着体积大，动作速度慢，机械联锁可靠性较差等缺点，其应用领域正在逐步缩小，而PC级ATSE由于其结构简单，体积小，自身联锁，转换速度快，安全，可靠已成为ATSE的主流。本文中针对两种转换开关的特点、结构及性能做一下客观的分析结合专业特点来谈谈对于双投开关选用方面的设计体会。
1.对双投开关选用的概述
在电气设计中，常遇到对于一、二级负荷做配电，如消防负荷等重要负荷，此时就需要双投切开关。而投切开关的选用往往值得细细考虑，否则可能对于用电设备及单位造成很大的经济及安全影响。
ATSC即双电源自动转换开关，由一个(或几个)转换开关电器和其他必需的电器(转换控制器)组成，用于监测电源电路、并将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的开关电器。作为消防负荷和其他重要负荷的末端互投装置，ATSE在工程中得到了广泛的应用，正确合理的选择ATSE可确保重要负荷的可靠供电，ATSE在重要负荷的供电系统中是不可缺少和重要的一个环节。
ATS C在我国的发展有4个阶段：两接触器型、两断路器型、励磁式专用转换开关和电动式专用转换开关。
两接触器型转换开关为第一代，是我国最早生产的双电源转换开关，它是由两台接触器搭接而成的简易电源，这种装置因机械联锁不可靠、耗电大等缺点，因而在工程中越来越少采用。两断路器式转换开关为第二代，也就是我国国家标准和IEC标准中所提到的C B级ATsE，它是由两断路器改造而成，另配机械联锁装置，可具有短路或过电流保护功能，但是机械联锁不可靠。励磁式专用转化开关为第三代，它是由励磁式接触器外加控制器构成的一个整体装置，机械联锁可靠，转换由电磁线圈产生吸引力来驱动开关，速度快。电动式专用转换开关为第四代，是PC级ATSE，其主体为符合隔离开关，为机电一体式开关电器，转换由电机驱动，转换平稳且速度快，并且具有过0位功能。
2，对Pc级和CB级的分析比较
1.从结构可靠性来讲，PC级ATSE可靠性高于采用断路器组成的CB级ATSE(PC级是一体式的，而CB级是由2个断路器和控制器组合的)。所以，高可靠性要求的场所，宜选用PC级ATSE。
2.从短路保护功能对比，PC级无短路保护功能(一体式相当于一个投切隔离开关)，CB级有短路保护功能(是靠断路器实现的)。PC级前面加上短路保护电气，系统就具备与CB级同样的保护功能，但成本高。可靠性要求高，宜选用PC级产品；要求成本低可选用CB级。
3.断开故障电源的时间不同，PC级ATS采用一体式转换结构，励磁驱动，简单可靠，动作时间快，一般100-200Ms。触头为银合金，触头分离速度大，有专门设计的灭弧室。体积小，只有CB级的1／2.具有耐短时电流。
CB级ATs是由两台断路器为基础，由控制器控制带有机械连锁的电动传动机构来实现2路电源的自动转换。切换时间1-2s。
4.要注意選择适合负载特.1生的ATSE，此点非常重要，否则可能一次切换就导致开关损坏。带电感负载的ATSE宜选用具有南京亚派科技APEQ3使用类别的ATSE.符合这种要求的开关，触头材料应当是银合金，开启速度要较快，还必须有专门的灭弧装置。
5.操作、维护、更换的方便性：PC级是体一性的，控制器应当是外置式设计，也就是可以不用拆开关就可以方便快捷更换控制器。而C B级，短路保护跳闸以后需要专门的操作才能够恢复。如果出现其中一个断路器故障，就必须整个更换新的同型号ATSE，出现故障将会导致长期停电。
3，结束语
断开开关表计闪毛病出在表内部 篇3
家住某县二小家属院的王某每月交七八十元的电费, 在他看来是很正常的事。可是王某家最近两个月的电费却涨到每月130多元, 比往常多了近1倍, 这就不能不令他起疑了, 因此拨打了该县电业局稽查大队的举报电话:“我把家里的总闸断开, 电能表照样走。我怀疑有人窃电, 请快点派人来检查。”
接到举报电话后, 稽查人员带齐设备迅速到达现场并展开了检查。先打开王某家的电能表箱进行了表端检查。电能表为直接接入电子式电能表, 进出相线、中性线均接线正确, 总开关也已拉开, 脉冲信号仍然不断闪烁。经对照表底11天又走了240个数, 往常就是在夏季高峰期整月最高也仅200个数, 他家的用电设备还是原来固定的用电设备。这确实存在问题。接着对电能表出线端至总开关的一段线路进行了测量, 这段线路并未接地, 也没发现向外输出电能的现象, 但发现电能表出线端子有烧损的痕迹。稽查人员当即将出相线拆开, 可电能表的脉冲信号还是闪烁个不停, 原来毛病出在电能表内部。在更换了新的电能表后, 拉开总开关, 电能表正常无信号;合上总开关, 电能表运转正常。稽查人员和王某终于松了口气, 认定不是人为窃电, 而是电能表“有病”, 多耗了两个多月的电能。
稽查人员随之将这块出线端子烧坏的电子式电能表进行了“解剖”, 诊断出了问题所在:由于之前出线端子压接不紧, 电能表长时间运行, 端子长时间发热后使得内部的锰铜分流片材质和性能发生了改变。原本正常用电情况下才计数, 变成不用电时电能表内部因材质变化而消耗电能也计数的情况。笔者建议, 供电企业的包片服务人员在电能表接线时, 一定要压紧接线端子的螺丝, 每年对端子螺丝重新紧固两次, 以防端子烧损出现此类现象。
双开关表 篇4
永磁同步电机直接转矩控制技术具有结构简单,易于实现,无需连续转子位置信息和旋转坐标变换等优点,近年来受到了广泛的关注[1]。永磁同步电机直接转矩控制系统根据磁链和转矩比较器输出以及定子磁链扇区,通过开关表选择适当的电压矢量,如图1所示。因此,永磁同步电机直接转矩控制系统本质上是一种滞环控制。开关表作为滞环控制规律,对系统的控制性能起着决定性的作用。
研究表明,当转矩角较大时,永磁同步电机直接转矩控制系统传统开关表不能满足转矩控制要求,从而引发转矩脉动[2]。
采用三相和两相混合导通方式,两电平电压源逆变器可以产生12个互差30°相角的电压矢量。将定子磁链圆均分为12个各占30°的磁链扇区,这样1个扇区内可用电压矢量数目增加到12个。由此,基于电压矢量对转矩的作用,文献[3]提出一个永磁同步电机直接转矩控制系统的优化开关表。仿真结果表明相比于传统开关表,其可有效抑制转矩脉动。
本文实验对比了传统开关表和基于12电压矢量优化开关表的控制效果。实验结果表明,虽然采用两相导通方式,逆变器能够产生新的可用电压矢量,有助于优化开关表来减小因开关表失效引起的转矩脉动,但是其引入了换相转矩脉动问题[4],实际系统控制效果并没有得到改善。
2 传统开关表
永磁同步电机直接转矩控制系统传统开关表如表1所示,其中电压矢量以及定子磁链扇区如图2所示。
图2中的电压矢量为两电平电压源逆变器采用三相导通方式生成的。为了保持电压矢量在1个扇区内对定子磁链幅值和转矩角增减效果的一致性,表1在1个扇区内只有4个可用电压矢量。
3 12电压矢量开关表
采用两相导通方式,两电平电压源逆变器可再生成6个互差60°相角的电压矢量,如图3所示。
三相导通方式下生成的电压矢量幅值为(2/3)Udc,两相导通方式下生成的电压矢量幅值为(槡3/3)Udc。由于直接转矩控制为滞环控制,电压矢量的幅值并不影响电压选择策略。因此,三相导通和两相导通方式下生成的电压矢量均可应用于永磁同步电机直接转矩控制系统。将定子磁链圆均分为12个扇区,则1个扇区内可用电压矢量数目为12个。两电平电压源逆变器采用三相和两相混合导通方式生成的12电压矢量及12定子磁链扇区如图4所示。文献[3]分析了这些电压矢量对定子磁链幅值和转矩的影响,从而得出一个优化开关表,如表2所示。仿真结果表明:与传统开关表比较,优化开关表可有效抑制因开关表失效引起的转矩脉动。
4 实验结果
下文给出表面式永磁同步电机和内置式永磁同步电机直接转矩控制系统在表1和表2控制下的实验结果。实验所用电机参数为:表面式永磁同步电机,极对数p=2,定子电阻Rs=1.3Ω,d轴电感Ld=4.54mH,q轴电感Lq=4.54mH,永磁体磁链Ψf=0.146Wb,最大相电流Imax=5.4A;内置式永磁同步电机,极对数p=6,定子电阻Rs=0.014 2Ω,d轴电感Ld=0.666 0mH,q轴电感Lq=0.874 5mH,永磁体磁链Ψf=0.06 Wb,最大相电流Imax=160A。
4.1 表面式永磁同步电机(SPMSM)
参考定子磁链幅值为0.146Wb,参考转速为100r/min。定子磁链幅值和转矩滞环控制宽度为0.01Wb和0.01N·m。
4.1.1 传统开关表
当转速为100r/min,电机空载时a相定子电流如图5a所示。电机加载时,a相定子电流,c相定子电流和负载转矩波形如图5b所示。
4.1.2 优化开关表
当转速为100r/min,电机空载时a相定子电流如图6a所示。电机加载时a相定子电流,c相定子电流和负载转矩波形如图6b所示。
4.2 内置式永磁同步电机(IPMSM)
直流母线电压为15V。参考定子磁链幅值为0.06Wb,参考转速为100r/min。定子磁链幅值和转矩滞环控制宽度为0.01Wb和0.01N·m。
4.2.1 传统开关表
当转速为100r/min,电机空载时a相定子电流如图7a所示。电机加载时a相定子电流波形如图7b所示。
4.2.2 优化开关表
当转速为100r/min,电机空载时a相定子电流如图8a所示。电机加载时a相定子电流波形如图8b所示。
4.3 实验结果分析
实验结果表明,与传统开关表相比,基于12电压矢量的优化开关表控制下的永磁同步电机直接转矩控制系统的性能并没有得到改善,相反电流和转矩脉动有所增大。这是由于两相导通方式带来的换相转矩脉动引起的。文献[3]的仿真结果忽略了换相转矩脉动,但实验结果表明:实际上换相转矩脉动恶化了控制性能,抵消了优化开关表对性能的改善。
5 结论
本文分析了永磁同步电机直接转矩控制系统的传统开关表以及基于12电压矢量的优化开关表,并实验对比了表面式和内置式永磁同步电机直接转矩控制系统在不同开关表控制下的系统特性。实验结果表明,虽然采用三相和两相混合导通方式能够产生更多的可用电压矢量,从而可以优化开关表,减小转矩脉动,但是两相导通带来了换相转矩脉动,使得实际系统控制效果并没有改善。因此,减小换相转矩脉动的影响是下一步的研究方向。
参考文献
[1]Zhong L,Rahman M F,Hu W Y,et al.A Direct TorqueController for Permanent Magnet Synchronous MotorDrives[J].IEEE Trans.Energy Conversion.,1999,14(3):637-642.
[2]李耀华,刘卫国.永磁同步电机直接转矩控制不合理转矩脉动[J].电机与控制学报,2007,10(2):148-152.
[3]李耀华,刘卫国.永磁同步电机直接转矩控制转矩脉动抑制[J].电气传动,2008,38(3):21-24.
双电源转换开关现状及发展趋势 篇5
关键词：双电源转换开关,现状,发展
0 引言
机场、医院、高楼、消防以及重要的军事设施, 一旦发生停电事故, 将产生严重后果。因此, 诸多场所应配备双电源紧急供电系统, 将负载电路从一个电源转换至另一个备用电源, 以保证正常的供电需求。机电自动转换开关也就此呼之欲出, 它是一种机电一体化程度较高的高新技术机电结合产品, 具有独特的机电一体化设计, 高的性能价格比, 是开关家族中的新品。此外, 根据我国高层民用建筑设计防火规范规定:“一类高层建筑应按一级负荷供电, 二类高层建筑应按二级负荷要求供电。”“高层建筑的消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟、排烟、风机等的供电, 应在最末一级配电箱处设置双电源、甚至三电源自动转换装置”。可见, 随着现代化智能建筑的日益增多.双电源转换开关的应用更加广泛。本文结合最新资料, 国内外厂商产品说明书及有关会议论文、信息等情况, 并在此基础上进行一些补充, 就当前双电源转换开关的现状及发展进行如下综述。
1 当前双电源转换开关的现状
我国双电源转换开关的研制和生产在八十年代初还是空白.国内许多需双电源切换场所不得不采用普通接触器作为投切电器或采用手动双投刀开关、两只塑壳开关及断路器联合使用达到双电源转换这一目的。采用普通交流接触器作为投切电器存在以下问题:一是耗电、二是有噪音、三是切换不可靠、四是投切容量受普通交流接触器容量限制。采用手动双投刀开关、两只塑壳开关及断路器联合使用达到转换双电源这一目的.会造成配电设备体积庞大、切换速度慢、使用寿命短、维护保养困难、切换可靠性差。八十年代中期, 针对国内市场急需高性能的双电源自动转换开关的现状, 国内外部份电器代理商、发展商从国外相继引进了日本共立继器株式会社的MZ、VSK系列高、低压双电源转换开关, 法国溯高美公司由电动机驱动的SirCOVER标准型及vS型双电源转换开关, 韩国始永重电机株式会社的SYF、SYB、SYNB型双电源转换开关及美国的Zenith公司的ZTS口系列双电源转换开关.通过这些产品的引进, 丰富了我国电器元件的品种, 一定程度缓和了我国一些急需双电源转换场所用电设备的需求。表1所列是具有代表性的各国双电源转换开关的性能数据。从下表可以看出:短路分断能力高、投切容量大、体积小、操作可靠性高、产品智能化是当前具有国际水平的双电源自动转换开关的最基本的特征。这一产品的研制成功并批量投产, 一定程度上缩短了我国双电源转换开关与国际发达国家先进水平的差距。
2 双电源转换开关的发展
随着科学技术的不断发展.近十年来, 国外双电源转换开关发展非常迅速.它融合了现代材料机电、测量、控制和微机技术。产品不断更新换代, 其结构和技术性能有了崭新的变化, 促进双电源转换开关向大容量、高分断方向发展。此外电子技术的发展, 特别是集成电路和微处理器技术的发展与进步, 对传统的电磁机械保护式双电源转换开关已经产生了深刻的影响.可以这样说.离开了电子技术, 双电源转换开关将不可能获得大的发展。
2.1 采用微处理控制器的双电源转换开关
采用微处理控制器实现双电源转换开关高性能、多功能和智能化为了扩大双电源转换开关只单纯起转换双电源之作用。到可对转换开关和开关设备实现远程监控。建立可靠的管理控制接口, 实现设备的安全及经济运行。这一方面.美国Zenith公司是双电源转换开关研制、开发最杰出的代表。美国Zenith的系列ZST口双电源转换开关通过MX200高级微处理控制器的ZNET200网络通讯系统配合使用, 提供对系统参数、警报功能及数据采集的直接控制。系统还因ZENT200远程通讯端口的配装, 达到使用信号器modem 或PC进行控制的目的。下图为该公司研制、开发的发电开关设备能量管理监控系统。
该系统设备及数据包括:
(1) ATS位置及电源可用性;
(2) 远程测试 (负载/无负载/快速测试) ;
(3) 测试和训练状态;
(4) 延时运行和设置;
(5) 正常和应急电源的频率电压检测的抬取/开断设置;
(6) 禁止转换;
(7) 当开关不在自动位置的控制器操作;
(8) 可选的控制/监视辅助功能。
趋势/分析:Zenith公司的MX200微处理控制器、ZENT200网络通讯系统均以微处理控制系统为核心, 控制单元均由数据采集、智能识别和执行机构三个模块构成, 另根据需要可加装显示模块、通讯模块及检测模块, 极大丰富了双电源转换开关的智能化功能, 可见采用微电子技术是双电源转换开关实现多功能化和智能化晟有效的办法。
2.2 新技术、新材料、新工艺
新技术、新材料、新工艺的应用促进双电源转换开关向结构模块化、大容量、高分断方向发展。随着现代科学技术的高速发展, 世界工业发达国家对构成双电源转换开关这一电器元件的基础材料, 诸如:电触头材料、磁性材料、电阻材料、热双金属材料及绝缘材料的研究和开发十分重视。并研制出具有当代国际先进水平的小体积、大容量、高分断、结构模块化、产品性能智能化的双电源转换开关。
3 结语
综上所述, 当前具有国际水平的双电源转换开关最显著的特征是:大容量、短路分断能力高, 结构模块化、操作安全可靠、产品性能智能化。
参考文献
[1]国家标准GB/T 14048.11-2002《低压开关设备和控制设备第6部分:多功能电器第1篇:自动转换开关电器》[S].
[2]国际标准IEC60947-6-1:《低压开关设备和控制设备第6部分:多功能电器第1篇:自动转换开关电器》[S].1998 (1.2版) .
基于PLC低压双电源智能开关设计 篇6
双电源切换控制主要用于三相交流(380V/220V 3N 50Hz)供配电控制。这类电源切换控制多数采用继电器逻辑控制电路实现,其特点是:其输入有两路供电电源A和B对负载供电。正常工作时,只电源A对负载供电,电源B作为备用电源;当电源A发生故障时,控制系统能快速切断故障电源A,使备用电源B接通。由此存在的问题是:1)无缺相保护功能。当发生任一相或两相缺相时,由于控制系统没有缺相检测和保护切换措施,造成缺相的故障电源不能切断,正常供电电源不能及时投入,又没有相应的信号提示,这样会导致负载长时间缺相运行,造成严重后果。2)故障电源恢复正常时,系统不能自动进行反切换,要靠人工操作反切换到正常工作状态。3)由于采用继电器逻辑控制电路实现,器件和电路的故障率高。采用PLC控制时,其缺相保护主要采取的技术方案是:设置有三相缺相检测信号回路,该三相缺相检测信号回路直接取自于三相电源的主回路,即用中间继电器分别接于电源主回路A和B的U相、V相和W相单相回路中,中间继电器常开触点分别作为PLC的输入信号,即作为编制PLC的A和B三相缺相检测逻辑控制程序时的输入条件。其次,利用PLC的特殊功能模块,可以实现对电源电压的精确的检测,从而又可以实现对电源的欠压和过压检测。
1 系统方案确定
PLC的双电源开关工作时,必须只能有一个电源与负载接通,且在一路电源故障时要实现自动切换。又由于在重要的会议室、机场、宾馆等紧急供电场所,各用电设备的总功率较大,必须使用发电机设备供电。那么根据设计要求,可设计总体结构方案如图1所示。
在图1中,A为主电源,B为备用电源,分别与PLC连接,作为PLC输入检测信号。首先进行主电源A的输入检测,当PLC检测A无任意相缺相时,相应的逻辑开关会闭合,使FX2N-4A/D接受经过PLC基本单元检测后传过来的无缺相的电压信号,则随后进行A电源的三相回路欠压检测,如果此时主电源A良好的话,相应的状态指示灯会亮,说明此刻主电源状态良好,同时主电源与负载接通。在主电源A出现故障后(即主电源A出现缺相或者欠压时),此时会启动发电机,使备用电源B启动,同时主电源会自动断开。备用电源B启动后,同样要进行三相回路的缺相检测和欠压检测,检测过程同A。检测无故障后,随即实现备用电源与负载的接通。
2 系统硬件设计
2.1 电气控制方案设计
电气控制过程分析:根据总体方案框图,设计电气控制方案如图2、图3、图4和图5所示。又如图2的电气控制过程图中,KA1,KA2,KA3分别作为主电源A的三相检测(如图2所示),有且当KA1,KA2,KA3线圈同时得电时(即无任意相缺相),才会驱动KM3线圈,使动和触点KM3闭合,从而进行A的三相欠压检测(如图5所示)。又当三相欠压检测后,电压在设定范围内时,驱动KA4,使触点KA4闭合,此时主电源状态显示灯HL1亮,说明此时A电源状态良好,同时驱动KA5线圈,使动合触点KA5闭合,允许A电源的投入使用。而后KA5闭合时,使KM1得电,负载与电源A接通。其次,主电源输入检测回路(图2)中的常闭触点KA5分别与发电机启动控制回路(图3)中的延时继电器线圈和备用电源检测回路(图4)中的三相检测回路相连接。目的是,如果主电源A状态良好的话,那么常闭触点KA5会得电断开,同时发电机启动控制回路(图3)中的延时继电器线圈便不会得电,则不会启动发电机;同时在备用电源检测回路(图4)中的三相检测回路中也会由于KA5的作用,不会进行备用电源的输入检测,避免备用电源的误动,从而实现控制系统的连锁保护作用。
如图3所示的发电机启动控制回路中,在主电源故障后,由于在主电源检测回路中的KA5不能得电,KA5常闭触点不能断开,所以延时继电器线圈会得电延时闭合。在这里延时继电器的作用是防止在主电源电压波动的情况下,发电机会产生误动的动作,使发电机启动。在延时时间到了以后,即确认主电源故障无误,延时闭合触点闭合,从而实现对发电机的启动。
图4所示的备用电源检测回路,KA6,KA7,KA8分别作为备用电源B的三相检测时,有且当KA6,KA7,KA8线圈同时得电时(即无任意相缺相),才会驱动KM4线圈,使动合触点KM4闭合,从而进行B的三相欠压检测(如图5所示)。又当三相欠压检测模块FX2N-4A/D检测到电压在设定范围内时,驱动KA9,使触点KA9闭合,此时备用电源B状态显示灯HL2亮,说明此时B电源状态良好,同时驱动KA10线圈,使触点动合KA10闭合,允许B电源的投入使用。
2.2 I/O口设计
I/O口分布如表1所示。
控制(工作)状态说明:正常工作时,对于A电源,成立的条件是,三相任意相无缺相现象,同时电压的范围在指定的工作电压范围之内,此时状态指示灯HL1亮,在此情况下,即使电源B状态良好,也会因为B电源控制回路动断触点KM1的作用使B电源不会投入使用。又如果A电源出现故障的话,在A电源控制回路的KM1线圈则不会得电,那么连接在B控制回路的动断触点KM1不会动作,使B投入使用。此后,如果A电源恢复正常的话,A电源控制回路KM1线圈得电,使电源B断开,如此循环。
2.3 系统外部连线电路设计
作为输入信号的KA1、KA2、KA3、KA6、KA7、KA8分别接在PLC的X0~X6,作为输出信号的KA4、KA10、KM1、KM2、KM3、KM4分别接在PLC的Y0~Y6,对应的接线如下图6所示。FX2N-4A/D在接受外部电路经降压和整流的电压信号后,转换成相应的数字信号传送到PLC中,PLC在经过相应的数字处理以实现电源的过压与欠压的检测。
3 系统软件设计
3.1 PLC控制系统程序设计主要步骤
PLC控制系统程序设计步骤主要主要可以分为五个步骤,分别为:
1)对于较为复杂的控制系统,需要绘制系统流程图,用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统可省去这一步。
2)设计梯形图。这是程序设计的关键一步。要设计好梯形图,首先要十分熟悉控制要求,同时还要有一定得实践经验。
3)根据梯形图编制语句表程序清单。
4)用程序编程器键入到PLC得用户存储器中,并检查键入的程序是否正确。
5)对程序进行调试和修改,直到满足要求为止。
主电源检测过程:PLC初始化→判断主电源A输入是否缺相→无缺相则进行主电源A的过压与欠压检测→主电源状态良好→主电源投入使用→与负载接通。备用电源的检测过程:A有缺相或有过压与欠压现象时,经延时后确认无误,起动发电机→进行备用电源B的缺相检测→进行备用电源B的过压与欠压检测→备用电源状态良好→备用电源投入使用,与负载接通。相应控制软件流程图如图7所示:
3.3 梯形图设计
PLC梯形图如图8所示(选用FX2N系列PLC),三相缺相检测采样信号回路中,作为U1和U2的三相缺相检测的开关量采样信号的KA1-KA3和KA6-KA8,其常开触点分别作用于PLC的输入端的XO-X2、X3-X5。在PLC梯形图程序中,辅助继电器Y0作为三相电源U1的三相缺相检测,其接通条件为常开输入XO、X1和X2的“与”逻辑;同理,内部中间继电器Y3作为三相电源U2的三相缺相检测,其接通条件为常开输入X3、X4和X5的“与”逻辑。
4 结束语
在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济,使用及维修方便;保证控制系统的安全、可靠;考虑到生产的发展和工艺的改进,在选择PLC时,应适当留有裕量。其次,如果以提高产品产量和安全为目标,则应将系统可靠性放在设计的重点;如果要求系统改善信息管理,则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。并且系统可以扩展无线发射模块,将检测的信息及时地发到安全控制中心,能为保护人生和财产安全做到很好的保障。
参考文献
[1]张鹤鸣,刘耀元,张辉先.可编程控制器原理及应用教程(第二版)[M].北京大学出版社,2011.
[2]赵全利.PLC基础及应用教程(三菱FX2N系列)[M].机械工业出版社.2011.
[3]李海,崔雪.电工技术[M]..武汉大学出版社2011.
[4]张宪.电工技术(电工学I)[M].国防工业出版社,2003.
双开关表 篇7
随着电力电子技术的快速发展，促进了三相电压型PWM整流器成为电力电子技术的研究热点，因其具有网侧电流正弦化、低谐波输入电流、单位功率因数、能量双向流动和恒定直流电压控制等优点，能够实现电能的“绿色变换”，得到了广泛的应用[1]。直接功率控制(DPC)是对三相PWM整流器瞬时功率进行快速控制的有效方法，同时由于整流器DPC系统具有算法简单、动作响应快以及不受坐标变换影响[2]的特点，具有较好的应用开发前景。国内外学者对PWM整流器的直接功率控制进行了广泛的研究，提出了一系列卓有成效的方案[3]，传统采用滞环比较器的DPC控制系统中，开关表是其核心，对控制效果尤为明显[4]。为了解决开关频率不固定带来的性能影响和电路参数设计的困难，文献[5]中提出双开关表方法，这种策略提高了系统的动态特性，但所采用的双开关表结构实质是单独控制有功功率和无功功率，使得系统的稳态性能不够理想。文献[6]中采用的电压-电流双闭环控制，这种策略未考虑实际直流电压的非线性，不能完全消除电流直轴与交轴分量的耦合，开关损耗较大。为此本文在DPC系统结构的基础上提出一种新的三电平开关状态表，优化对有功功率和无功功率的控制，减少开关损耗，仿真和实验结果表明了该方法的可行性。
1 三相PWM电压型整流器主电路拓扑及数学模型的建立
三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图1所示。图中ua、ub、uc为三相对称电源相电压;ia、ib、ic为三相线电流;L和R是交流侧滤波电感和电阻，C是直流侧电容，i0表示负载的电流。Q1-Q6为开关管，设Sx(x=a,b,c)为a,b,c相桥臂的开关状态，Sx=1表示上桥臂开通，下桥臂关断，Sx=0表示下桥臂开通，上桥臂关断。
图1中对交流侧用基尔霍夫电压定理(KVL)得:
其中，ura=SaUdc+UON,urb=SbUdc+UON,urc=ScUdc+UON,UON为下桥臂结点O与电源中性点N之间的电压。由三相对称可得:
在直流侧运用基尔霍夫电流定理(KCL)得:
其中，idc=Saia+Sbib+Scic。
式(1)和(3)可得三相电压型PWM整流器在三相坐标系中的数学模型如式(4)所示:
2 PWM整流器的直接功率控制
2.1 瞬时有功功率和无功功率的计算
瞬时有功功率P定义为瞬时相电压矢量与瞬时相电流矢量的标量积，瞬时无功功率Q定义为瞬时相电压矢量与瞬时相电流矢量的矢量积，则有:
同理可得P,Q在αβ坐标系下的表达式:
m为单位矢量，垂直于αβ坐标系。
2.2 传统DPC系统结构
如图2所示，根据Sp、Sq和扇区信号θn查找矢量开关表来控制主电路开关管的通断，Sp、Sq是通过P、Q和Pref、Qref比较后产生的有功、无功功率状态变量，它的值影响着开关频率、谐波电流和功率的跟踪能力，2 Hp和2 Hq为有功、无功功率滞环比较器的限幅宽度。
传统电源电压矢量在12扇区开关表如表1所示。
3 新型直接功率控制开关表的设计
构建DPC系统的核心是状态开关表，而开关表构建的核心在于电压矢量的选择。现将基于三电平比较器的开关状态表的控制规则，将比较误差细分。以扇区θ1为例:滞环量化Δp1成三个等级Sp=-1,0,1，滞环量化Δq1成两个等级Sq=1,0。Sp,Sq与瞬时功率误差的关系定义如下:
为了以相对较低的开关频率获得相应等效的高开关频率，以减少开关损耗，同时能够提高PWM整流器的波形质量，需设置扇形边界死区控制策略，在两个扇形中间的±Δθ范围内开关量取零空间矢量，设置当Δθ=0.5°时，此时每一个扇区的θi=29°，每一个边界死区θij=1°，用来减少两扇区中间区域存在对整流器DPC性能的影响，得到新的开关状态表，如表2所示。
4 系统参数设计与仿真分析
4.1 系统参数设计
Uac=110V，电源频率f=50Hz，滤波电感L=4mH，直流侧电容C=1.7e-3uF，网侧等效电阻R=0.1Ω，PI控制器参数KPI=0.75,KI=0.0004，直流侧负载R1=50Ω，给定直流侧电压Udcr=200V，滞环宽度Hp=Hq=40W。
4.2 系统仿真分析
为了验证DPC的性能，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，系统在负载R1=50Ω的仿真结果如下图所示:相比于图3(a)，图4(a)中交流侧A相电压ua与相电流ia相位差更小，傅里叶分析改进后a相电流的谐波含量仅为1.94%与改进前5.64%相比降低很多，表明这种新型的直接功率控制性能更加优良。相比图3(b)，图4(b)中有功功率p的平均值更加稳定在给定值pref，无功功率q的值给定零值附近微弱波动。整流器输入的有功和无功功率实现了解耦，从而实现了单位功率因数控制，相比图3(c)，图4(c)中拥有更低的直流电压纹波，直流侧电压更加稳定且接近跟踪给定电压Udcr。
5 结束语
三相电压型PWM整流器的控制包含功率估算，滞环比较和开关表三个主要部分，其中开关表是控制的核心，本文在三相电压型PWM整流器、功率控制的数学模型的基础上，结合整流器直接功率控制传统开关表的特点，设计了用三电平比较器代替两电平比较器并设置扇形边界死区的控制策略，建立一个新的开关表，从而改善了整个DPC系统的性能，仿真结果表明，本文提出的控制策略的可行性。
摘要：为了提高三相电压电压型PWM整流器的性能,改善传统开关表的直接功率控制时开关损耗大且不固定,以及有功功率和无功功率控制解耦能力不足的问题,文中通过对PWM整流器和瞬时功率理论研究的基础上,提出一种基于三电平比较器的新的开关表直接功率的方法,并通过设置扇形边界死区的控制策略细分开关表,这种新开关表通过消除两个扇区中间区域的错误控制,能较好的降低主电路开关频率,增加功率控制性能,使交流侧电流输入谐波率更小,提高整流器的功率因数。在MATLAB/Simulink环境下,对改进前后直接功率控制的稳态性能进行比较,验证了该设计方法的可行性,具有应用参考价值。
关键词：PWM整流器,开关表,直接功率控制,仿真
参考文献
[1]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.
[2]王久和,李华德,王立明.电压型PWM整流器直接功率控制系统[J].中国电机工程学报,2006,26(18):54-60.
[3]Patrycjusz Antoniewicz,Marian P Kazmierkowski.Virtual-flux-based predictive direct power control of AC/DC converters with online inductance estimation[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,55(12):4381-4390.
[4]周永鹏,赵金程.三相电压型PWM整流的新型直接功率控制[J].电气传动,2011,41(3):38-45.
[5]王久和,李华德.一种新的电压型PWM整流器直接功率控制策略[J].中国电机工程学报,2005,25(16):48-52.
双开关表 篇8
开关磁阻电机SRM(Switched Reluctance Motor)是遵循“磁阻最小原理”设计的双凸极非线性可变磁阻电动机。由于SRM结构简单、调速范围广、效率高、损耗小、控制灵活、可靠性高等特点,已经成为目前研究的热点[1]。开关磁阻电机控制系统要求实时性高,它需要实时地判断转子位置、相电流等信息,进而控制SRM的换相,实现电机的连续运转。要达到开关磁阻电机性能最优,不仅要设计合理可靠的硬件电路,而且要设计合适的控制策略和控制算法[2]。
文献[3]采用双极性励磁策略,通过以DSP搭建控制器电路,对8 / 6极开关磁阻电机进行了实验,验证了控制策略的可行性。文献[4]针对传统光电传感器所存在的问题,提出了一种应用于直线开关磁阻电机发电控制系统的直接位置检测传感器技术,设计了功率变换器主电路和基于单片机的控制系统,实现了电机的发电运行控制。文献[5]针对4k W、四相8 / 6极开关磁阻电机,采用V850单片机为控制核心设计了控制硬件系统,采用电流环闭环控制策略设计了软件系统。文献[6]采用无位置传感器检测转子位置,设计了7.5k W4相(8 / 6极)开关磁阻电机调速系统。文献[7]利用MCF5213芯片设计控制系统,并采用角度控制与电压斩波相结合的控制策略,实验表明该系统具有良好的运行特性。
本文以三相12/8极36k W开关磁阻电机为控制对象,以美国产16位DSP TMS320LF2407A为主控制芯片设计了硬件电路,采用双闭环速度控制策略设计了控制系统软件。同时对功率驱动电路、转子位置信号检测与整形滤波电路及电流检测电路的设计进行了详细的介绍,并通过软件流程图的方式阐明了控制系统软件流程与工作过程。最后通过实验表明该控制策略的合理有效性。
2 控制系统组成
开关磁阻电机控制系统是一种新型机电一体化交流调速系统,主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、位置检测器和电流检测器5个部分组成如图1所示。
习惯上把电源、功率变换器、检测器和处理器合称为控制器。功率变换电路是控制电路与开关磁阻电机之间的桥梁,而在控制器和功率变换电路还需要一个重要的衔接单元,即驱动电路。
2.1 开关磁阻电机
开关磁阻电机是整个系统的执行元件,采用双凸极结构设计,并且一般定子和转子相数不等,以便能使电机自起动。电机转子由导磁硅钢片叠制而成,用于给定子绕组提供磁通路。本设计中采用三相12 / 8极开关磁阻电机。
2.2 功率变换器
功率变换器是系统的能量转换元件,在控制器指令下起开关作用,能够使各相绕组及时开通、断开,保证电机产生预期的电磁转矩,且为各相绕组储能提供回馈途径。
2.3 控制器
控制器是开关磁阻电机调速系统的控制核心,它综合处理位置传感器和电流传感器反馈的位置信号和电流信号,向功率开关等器件提供控制指令,并采样并处理各种保护信号,实现对SR电机的运行状态控制。
2.4 位置检测器
开关磁阻电机是一种自同步电机,需要位置检测和电流检测以进行闭环控制。位置检测器检测转子位置以及计算电机速度。在本控制系统中,位置检测采用两个间隔为15°的光电耦合开关作为位置传感器检测位置信号。电流检测提供电流信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。电流检测通过霍尔式电流传感器对每相电流进行检测。在本设计中,将采集到的电压信号通过外部引脚输入到DSP的A / D转换接口,将模拟信号转换为数字信号进行软件判断控制。
3 控制器硬件设计
本设计的主控芯片采用TMS320LF2407A,它具有更高的精度和速度,而且存储量大,具有逻辑控制功能和各种中断处理能力以及丰富的数字输入 / 输出接口、通信接口、专用电动机控制PWM输出口和指令集,各种控制硬件集成在同一芯片中。它能处理各种输入信号、输出PWM信号用于控制功率器件的开关,响应各种保护信号,做出相应保护措施等。12 / 8相开关磁阻电机控制系统硬件原理图如图2所示。
控制系统硬件原理图如图2所示。控制系统由数字处理器DSP、外部时钟源和外围电路构成。外围电路主要包括位置信号检测与整形电路、电流检测与信号处理电路、功率变换电路等组成。
数字处理器DSP利用转子位置传感器、电流传感器以及保护电路反馈的信号,测量当前转子的位置、绕组电流的大小,通过DSP计算出当前转子速度、转子位置及相电流值,并准确地给出转子绕组的通电时刻、换相时刻以及响应过压和过流保护等功能。
3.1 功率器件驱动电路设计
在开关磁阻电机调速系统中,由于控制电路不能直接驱动电机,要想实现对电机的有效驱动,需要一个重要的中间环节,即功率驱动电路。功率驱动电路是DSP与开关磁阻电机之间的桥梁和重要的链接单元,直接影响着开关磁阻电机调速系统的性能。
在本设计中,功率变换器主电路采用不对称半桥式结构,驱动电路采用HCPL316J作为驱动芯片,与其它驱动芯片相比,HCPL316J增加了过流保护、欠压保护和IGBT软关断的功能。驱动电路如图3所示。图中,C_QD接所驱动IGBT的集电极,当该IGBT的管压降高过( 大于5.6V),HCPL316J的6脚(FAULT)自动锁存驱动信号,且输出一个故障信号HP_Fault。
3.2 转子位置信号检测与整形滤波电路
开关磁阻电机调速系统是一个位置闭环检测控制系统,位置检测是开关磁阻电机的重要环节。转子位置传感器主要用来检测转子的相对位置,通过DSP对控制算法进行运算后,给IGBT发送控制指令,驱动IGBT开关管的开通、关闭,并计算出各相绕组通电顺序及电机当前转速。位置信号检测与整形电路如图4所示,图中470Ω为光电开关的限流电阻,22k为光电开关的上拉电阻。位置信号经过TLP521光电耦合器进行滤波,再经过74LS14进行整形,然后送入DSP的CAP捕获端口,进行换相和测速控制。
3.3 电流检测与信号处理电路
电流检测是SRM调速系统直接转矩补偿控制需的信号,也是实现过流保护所需的信号。本设计中电流检测采用霍尔传感器,通过检测调理电路把检测到的三相电流送入DSP的AD口进行采样处理,并通过DSP对控制算法进行运算,实现直接转矩补偿控制,其电流检测电路图如图5所示。选择的电流传感器型号为TBC500LTB,经过信号I / V转换,输出0-4V电压信号,其中4V对应600A。由于电流的峰值保护值设定为540A,则此时对应的电流传感器的输出信号为3.6V的电压信号,经过R128和R129分压调理后将电压值调理到3.24V,输入到TL084运算放大器。然后信号(图5中I1)送入DSP的AD口;为了防止电压信号过高损坏DSP(TMS320LF2407的AD口最高输入电压为3.3V),采用1N4148进行嵌位保护。
4 控制器软件设计
SRM控制系统是实时性软件控制系统。根据SRM电机控制流程和软件功能的实现,可以将程序分为主程序和中断服务程序两个模块。主程序实现各个子程序初始化,完成后进入系统运行状态,等待响应各个中断,并对任务进行调度和管理。
4.1 控制系统状态流程
控制软件是基于状态流程图设计的,图6所示是SRM电机控制状态流程图,显示了相互之间的状态转移关系。当SRM的电机控制器上电复位时,软件将对所有程序变量进行初始化并对所有的外围设备进行初始化使能。当这些动作完成后,电机进入待机状态,等待启动指令。当控制器接收到启动指令后,立即调用电机运行程序,并对电机控制所使用的变量进行初始化,然后对分数阶转速控制器中使用的控制参数进行初始化。在子程序的最后,将清除中断标志并使能中断。一旦电机运行子程序完成变量初始化,状态流程图中所有的其它功能皆由中断服务程序控制来实现。
4.2 双闭环速度控制器设计
SRM电机调速系统采用双闭环控制结构,其控制结构框图如图7所示。内环为电流环,通过安装在各相的电流传感器采样各相电流作为反馈信号。它根据速度控制环的输出快速地调节电流,使系统有较好的动态响应。外环为速度环,在闭环回路中,通过实测转速与给定转速比较,计算出误差补偿量,进行转速调节。速度环利用分数阶控制器来完成转速闭环中误差控制,使稳态误差为零。通过给定转速与反馈转速的误差计算出电流给定信号,作为内环电流环的输入。
分数阶PIλ 控制器是传统整数阶PI控制器的广义化形式,它包含一个积分阶次,其中λ可以在(0,2)内任意取值。它是把传统的整数阶PI控制器推广到任意阶领域。由于分数阶PIλ 控制器比传统的整数阶PI控制器多了一个控制参数,且参数的取值范围比较大,因此,其鲁棒性要比整数阶PI控制器强,并能取得一些优于整数阶PI控制器的控制效果[8]。
其控制算法如下:
式中:u (t)为t时刻调节器的输出;Kp为比例常数;KI为积分常数;e(t)为t时刻调节器的偏差;D-λ为任意阶积分项,其中λ为积分阶次。
根据实际响应情况,设置速度闭环控制器控制参数,可得到较好的控制效果。图8所示为设定转速为500r / min时,双闭环控制策略下合成转矩波形图。从图8可以看出,在双闭环控制策略下电机的合成转矩在长时间范围内保持基本不变,扭矩波动范围很小,表明了控制系统的鲁棒性强和控制策略的可行性,获得了良好控制效果。
5 结论
本文以三相12 / 8开关磁阻电机作为硬件设计和软件设计对象,利用光电式位置传感器实现位置闭环控制;采用DSPTMS320LF2407A为主控制芯片,功率变换器选用三相不对称半桥式。控制系统的硬件设计了位置信号检测与整形电路、电流检测与处理电路等,通过这些电路的设计,构成了完整的开关磁阻电机控制系统的设计。