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近年来,出于节约能源的迫切需要和产品质量不断提高的要求,大容量电动机的高压变频调速技术得到了广泛的应用,在国内,基本覆盖了电力、冶金、石油、化工、造纸等主要行业。因此国内变频调速系统的研究非常活跃,主要的问题是利用耐压有限的功率开关器件实现高压变频调速,解决的办法是把低压的开关器件以一定的拓扑结构连接,用低电压串联形成高电压。传统的控制系统采用集中式控制,系统安装调试比较复杂,功能相对局限且不易扩展,很难实现控制的智能化。而分布式控制系统结构简单,数据处理方式灵活,有很强的扩展性,其模块化的结构具有很强的容错性,因此是高压变频系统实现智能控制的发展趋势。
针对传统控制系统过于复杂的缺点,本文提出一种高压变频的分布式控制策略,系统采用“中央控制单元-总线-分布控制单元”的分布式控制。
1 分布式控制的原理
设计的高压变频器要求产生的相电压的变化在0～4 320V范围之内,系统使用低压功率器件,采用电压串联叠加的方法实现高压[1],其高压变频系统实现原理如图1所示。图中,24个分布的单元,每个单元均由相同的控制和驱动系统组成。控制单元采用PWM控制方式调节驱动单元的输出电压使之在0～540V之间变化。24个单元分成三相,每相由8个单元串联连接,产生的相电压的变化在0～4 320V范围。三组功率单元星形联相形成分布式控制的拓扑结构,以低压的功率器件实现高压输出。每组叠加出用于电机驱动的一相电压波形,相电压之间的相位差为120°。这样,线电压可以控制在0～7500V,以适应高压电机的控制要求。
分布单元驱动电路如图2所示,由三相桥式整流电路和方波逆变器组成。两个方波逆变器的输出电压uao和ubo是脉宽可调的方波,而两桥臂中点a和b之间的电压uab是uao和ubo方波电压的叠加,即uab＝uao-ubo。假定uao和ubo之间的相位角之差为180°+Φ,则调节Φ角即可调节输出电压的脉宽,因而使输出电压的基波分量和谐波分量的幅值也发生变化。这样,既改善了输出电压的波形,也达到了调节输出电压的目的。
2 分布式控制系统的设计
本文设计的高压变频控制系统结构如图3所示。分布式系统由中央控制单元、CAN总线光纤通信部分和分布单元控制器三部分组成。中央控制单元以CAN总线和分布单元控制器建立通信,建立任务分工,协调控制系统的运行。以分布式控制系统代替传统的集中式的控制系统,解决了集中式控制方式在数据就地采集、处理和独立控制等方面的问题,减少了中央处理单元的负担,而且扩展了系统功能,实现了高压变频器的远程智能化监视和控制,改进了系统的性能,同时也更加符合工业现场的应用;由于CAN总线的通信采用光纤作为介质,中央控制单元及分布式单元通过两根光纤和HUB连接即可完成系统的组装;由于分布单元结构相同,可采用硬件ID软件识别的方法使系统的可替换性和伸缩性增强。
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