基于DSP的交流异步调速技术在矿井主提升中的研究与应用

时间:2020-10-07 14:49:42 机电毕业论文 我要投稿

基于DSP的交流异步调速技术在矿井主提升中的研究与应用

  摘要:矿井主提升是矿井开采生产的重要环节,主提升机多采用大功率电机。随着空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的发展,交流异步电机的调速性能有了大幅改善。本文介绍了SVPWM的基本原理,并采用德州仪器公司的TMS320F2808作为控制核心,设计出一套交流调速系统,控制性能优秀,可较好的满足矿井主提升的调速要求。

基于DSP的交流异步调速技术在矿井主提升中的研究与应用

  关键词:矿井主提升;交流调速;空间矢量控制

  引言

  矿井生产过程中,主提升是非常重要的一个环节,所有井下产出的原煤都需经主提升机提升至地面。为了生产和检修的需要,提升机必须具有优秀的调速性能。过去为了满足提升机调速性能,常使用直流电机作为驱动,然而直流电机本身结构复杂,造价高昂,维护费用高。三相交流异步电机结构简单,成本低廉,早已在生产生活中大量应用,受限于调速装置无法满足矿井提升机的要求。随着交流调速技术的发展,脉宽调制(PWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)等技术日趋成熟。同时,电力电子技术、控制理论等学科不断发展,异步电机的交流调速越来越多的应用于实际工程中。

  一、异步电机的SVPWM控制理论

  1.1 电压空间矢量和磁链空间矢量

  近年来,异步电机的调速控制方式已经发展到了全数字化的控制方式。由于SVPWM模型简单,转矩脉动小且具有较好的谐波抑制能力,在现代交流电机控制中应用广泛。

  电压空间矢量按照电压所在绕组的空间位置确定,电机定子绕组定义了一个三相静止的平面坐标系。

  定子电压UA,UB,UC分别施加在三个轴线上,形成三个电压空间矢量UA,UB,UC。三者按正弦规律变化,合成的空间矢量U是一个以电源角频率ω旋转的空间矢量。

  U=UA+UB+UC (1-1)

  对于电流空间矢量I和磁链空间矢量ψ,有

  U=RI+ (1-2)

  忽略定子运行的电阻,式(1-2)可变换为

  ψ=ψ0+UtΔt(1-3)

  上式中,ψ0为磁链矢量的初始值,Δt为电压矢量Ui作用的时间。

  1.2 电压空间矢量分析

  图1所示为一个典型的PWM变流器的逆变部分,图中上桥臂V1,V2,V3三个功率管在导通状态下表示为1,关断状态下表示为0。下桥臂V2,V4,V6与其状态正好相反。显然,电路有8种开关状态(000,001,011,010,100,110,111,101),因此,三相逆变电路输出

  二、电压空间矢量SVPWM的.实现

  2.1 系统硬件设计

  对于矿井主提升机而言,功率动辄上百千瓦甚至上千千瓦,考虑到系统的安全稳定、抗干扰以及检修的方便性等因素,本系统采用控制部分与功率部分两部分在空间上隔离运行,强弱电独立供电。控制部分主要有CPU、电源等模块。功率部分是系统的强电部分,由主开关电路、电流检测电路等组成。图3为系统硬件总框图。

  TMS320F2808是IT公司的16位DSP,片内有128KB的FLASH、36KB的RAM。EVA和EVB,每个事件管理器包含两个16位通用定时器、16个脉宽调制通道、4个比较单元、4个捕获单元以及2个正交编码脉冲电路。在系统控制电路中,采用DSP中的脉宽调制单元实现PWM输出可极大节省波形生成电路,简化软硬件设计,提高程序读写效率。

  矿井日常生产中,井上井下提升机车房内生产环境较为恶劣,DSP电路板在制作完成之后需进行封装,避免受潮。

  2.2 软件设计

  DSP主程序将完成系统初始化、模块初始化、中断系统设置等工作。这些模块包括:输入/输出模块、ADC模块、事件管理器EVA和EVB模块。

  TPWM值选取越小,则电机旋转磁场越逼近正圆形,图4为主程序流程图。

  图4 主程序流程图

  由于功率器件开关频率的限制,TPWM取值无法过小,DSP周期寄存器的周期为TPWM/2,为方便编程,将t1、t2 置换为t1/ (TPWM/2)、t2/(TPWM/2)。

  三、结语

  在矿井实际生产中,功率单元选用英飞凌公司的IGBT,驱动一台1140kW的三相交流异步电机,应用效果良好。

  基于TMS320F2808 DSP的全数字控制系统通过软硬件结合实现了空间矢量脉宽调制控制,配合功率模块、过程控制模块、故障诊断模块、总线通讯模块等各个部分,实现了矿井主提升的全自动化、数字化,调速性能优秀。

  参考文献:

  [1]李华德.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2009.

  [2]苏奎峰.TMS320X281X DSP原理及C程序开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

  [3]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

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