專利名稱：基于pwm技術產生電動機任意機械特性的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力系統電壓穩定研究和電動機特性試驗領域，特別是形成電動機任意特性的機械負荷的方法和裝置。
背景技術：
電動機的機械特性是電動機重要試驗內容，而電動機的機械負荷與電壓、轉速的關系千差萬別，要產生各種機械特性對電動機進行試驗一直是懸而未決的問題。另外產生任意的機械特性也是電力系統穩定性研究的需要。
根據國家標準《三相異步電動機試驗方法》(GB1032-85)，異步電動機的試驗內容廣泛，其核心內容是負載試驗，通過電動機試驗，我們通常得到的有空載特性曲線和額定電壓下的負載特性曲線，因此要想了解電動機在各種工作場合的負載特性，就必須測試出不同電壓下的工作特性曲線。異步電動機的轉矩-轉速特性曲線(簡稱T-n曲線)是異步電動機的一項重要特性。因為曲線的形狀以及曲線中的起動轉矩、最小轉矩、最大轉矩、額定轉矩都是衡量電機性能的重要指標。起動轉矩表示電機的起動性能，最小轉矩決定電機能否順利升速，最大轉矩則顯示電機的過載能力，額定轉矩表示電機的輸出功率，異步電動機的T-n曲線的測定方法大致分為兩大類第一類是在異步電動機空載起動過程中測量其角加速度來反映電動機的轉矩；第二類是利用測功機(或直流發電機)、轉矩轉速測量儀、傳感器、X-Y函數記錄儀等測定。
因此，準確地測定和利用這一特性曲線對于把握電機負載或以電機為代表的電力系統綜合負載的基本特性，對系統穩定的研究有著重要意義。
電壓穩定，指系統在受到擾動后，在系統特性和負荷特性共同作用下，維持負荷點電壓運行在平衡點附近的能力。電力系統的電壓穩定性，是指系統在滿足負荷功率需求的前提下，維持負荷電壓在其容許范圍內的能力，當系統具有這種能力時系統電壓穩定，反之就是系統電壓失穩。
電壓穩定的機理已經形成的共識是系統特性和負荷特性共同作用的結果，系統工作點強壯時(如無功充沛)，負荷特性影響不大，但出現連續故障，系統處于較薄弱的情況，電壓是否失穩乃至崩潰，負荷特性將起決定作用，對發生的電壓崩潰事故重現的仿真已經驗證了使用不同的負荷模型得到了不同的結果，說明負荷的穩定與否決定了電壓是否穩定。因此負荷模型的建立與深入研究成為電壓穩定研究中最重要、最關鍵的內容之一。
在電壓穩定分析中比較普遍采用的負荷模型是感應電動機機理模型，但模型應隨所帶機械負荷而變，只有這樣才能正確反映電動機在電壓穩定中的行為，因為電力系統中感應電動機占總負荷的比例60％-80％，所以描述和模擬電動機的任意性質的機械特性將是研究的突破口之一。
電動機的機械特性表示了電動機在穩定運行和過渡過程中的性能和特征，電動機的固有機械特性是在額定電壓下，由電動機所帶的機械負荷決定的。在忽略了機械損耗的條件下，電動機的轉速n與電動機的電磁轉矩Ms之間具有對應關系，用函數關系可寫成Ms＝f(n)，該關系式沒有表示出Ms與u、I等量的非線性關系。本發明則可以產生任意形式的機械特性，表現出f(u，i，w)的非線性的負荷特征。
從電動機的機械特性的基本分析，包括異步電動機與直流電動機的機械特性及其它們的控制方法分析比較來看，尤其是任意特性的產生卻是不容易的，電動機的機械特性M＝f(n，u，I，…)的產生是由所帶機械負荷的特性決定的，不是控制所能改變的。為了在實驗室模擬電動機的任意性質的機械負載，僅靠常規的控制思路和現有的實驗手段是不可能達到的，必須找到產生電動機任意機械特性的方案，為研究電壓穩定和其他電力系統安全與穩定問題創造條件。

發明內容
本發明所要解決的問題是提供一種能產生電動機任意機械特性的方法和裝置。
本發明提供的技術方案是一種基于PWM技術產生電動機任意機械特性的方法，包括下列步驟(1)由三相對稱電源母線供電給三相異步電動機，通過三相異步電動機驅動匹配的直流發電機同軸轉動；通過勵磁調節方式，發出直流電；(2)通過逆變電路將直流電變換成交流電；(3)將接入母線上的電壓互感器和電流互感器輸出的電壓、電流信號分別經電壓變送器、電流變送器轉換成弱電壓uax、ubx、ubx，弱電流信號iax、ibx、ibx；(4)采集弱電壓信號uax、ubx、ubx和弱電流信號iax、ibx、ibx，并計算各相相電壓的幅值UX、相位；(5)檢測電網電壓過零點；(6)由逆變電路觸發電路發出觸發脈沖，在滿足并網的條件下，將逆變電路輸出的交流電并入三相對稱電源母線；(7)預先確定所需的電流波形，經過分解成各次諧波分量，根據消除特定階次諧波的數學方法，解非線性的超越方程組，得到PWM波形的開關角，PWM控制器根據該信號向任意波形發生器發出PWM波形，使任意波形發生器發出的電流同于上述預先確定所需的電流波形；(8)并網后的直流發電機、逆變電路即作為異步電動機的等效機械負荷，通過PWM控制器發出的PWM波形的調制信號與開關角，實現改變逆變電路的控制規律，給出所需的任意確定性的電流波形。
上述改變逆變電路的控制規律是基于一種產生PWM開關模式的方法，根據預先確定所需的電流波形分解得到的特定的諧波次數來計算得到PWM脈沖的開關角，通過下述數學模型求解超越方程組，進而確定開關角利用PWM原理得到的任意波形表現為控制實際波形的傅立葉級數表達式中任意指定的系數為某一確定常數；利用波形的對稱性，使得該傅立葉級數的余弦分量、直流分量和偶次正弦分量為0，即得到數學模型的一般表達式ak=0k=0,1,2,3,...bk=0k=2,4,6,...bk=4Umkπ[1+2Σ1N(-1)ncos(kτn)]k=1,3,5,7,...]]>其中N表示
區間內開關角的數量；τn為區間內第n個開關角；k為基波和各次諧波的次數。ak為與k次諧波對應的余弦傅立葉系數，bk為與k次諧波對應的正弦傅立葉系數，Um為輸入逆變器的直流電壓的一半。如果令qk是基波的k次波的幅值，則有b1=q1b3=q3...bN=qN]]>這構成了一個具有N個未知數(τ1，τ2，…τN)的N維方程組。解此方程組，得到一組在
區間內脈沖波開關角，進而可以得到整個周期內的開關角。
本發明還提供了實現上述方法的裝置包括三相異步電動機、與三相異步電動機同軸連接的直流發電機、逆變電路及其交流電機數字控制電路和計算機；交流電機數字控制電路由電壓電流采樣轉換電路、逆變驅動電路、與三相電源系統母線聯接的電網電壓整形電路、PWM控制器、濾波電路和并網開關構成；電壓電流采樣轉換電路的輸入接逆變電路的輸出，電壓電流采樣轉換電路的輸出端與PWM控制器的數據采集卡的輸入端連接，電網電壓整形電路的輸出端與PWM控制器的外部中斷接口連接，PWM控制器的輸出端與逆變驅動電路的輸入端相連接，逆變驅動電路的輸出端與逆變電路相連，逆變電路通過濾波電路和并網開關接入三相電源系統母線，計算機與PWM控制器的JATG口連接。
本發明是應用一種任意負荷特性的模擬方法及裝置，即確定與應用交流電機的數字控制系統，來研究電力系統電壓穩定與負荷模型的關系，并以此為基礎探尋電壓崩潰發生的機理和以電動機為代表的綜合負荷的任意機械特性的模擬，這對電力系統電壓穩定的研究，提高系統的可靠性、安全性與穩定性具有顯示意義與實用價值。
本發明具有以下優點和積極效果(1)它是一種產生任意機械特性的新方法，原理先進，易于實現。
(2)電機控制系統的電機、數字控制系統、電力電子部件三個部分布置緊湊、功能完備、擴展便利，通過軟件可以實現綜合負荷的任意特性，克服了電動機機械負荷模擬的單一性、變化困難的缺陷；(3)通過綜合負荷的任意機械特性，可用于電動機的試驗，并可以直觀地了解與分析任意性質的負荷模型對電壓穩定的影響，進而探尋電壓穩定與電壓崩潰發生的機理與本質特征；(4)采用PC機進行控制，自動化程度高，控制軟件界面友好，操作簡便，易于維護；(5)與實際電力系統結合緊密，物理概念清晰，運算速度快，實踐推廣容易，可操作性強。


圖1為本發明基于PWM技術產生電動機任意機械特性的裝置與配電網系統母線的連接關系示意圖；圖2為本發明基于PWM技術產生電動機任意機械特性的裝置實例圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明的工作原理作進一步說明。
本發明方法包括下列步驟1.由三相對稱電源母線供電給三相異步電動機，通過三相異步電動機驅動匹配的直流發電機同軸轉動；通過勵磁調節方式，發出直流電；2.通過逆變電路將直流電變換成交流電；3.將接入母線上的電壓互感器和電流互感器輸出的電壓、電流信號分別經電壓變送器、電流變送器轉換成弱電壓uax、ubx、ubx，弱電流信號iax、ibx、ibx；4.采集弱電壓信號uax、ubx、ubx和弱電流信號iax、ibx、ibx，并計算各相相電壓的幅值UX、相位；5.檢測電網電壓過零點；6.由逆變電路觸發電路發出觸發脈沖，在滿足并網的條件下，將逆變電路輸出的交流電并入三相對稱電源母線；7.預先確定所需的電流波形，經過分解成各次諧波分量，根據消除特定階次諧波的數學方法，解非線性的超越方程組，得到PWM波形的開關角，PWM控制器根據該信號向任意波形發生器發出PWM波形，使任意波形發生器發出的電流同于上述預先確定所需的電流波形；8.并網后的直流發電機、逆變電路即作為異步電動機的等效機械負荷，通過PWM控制器發出的PWM波形的調制信號與開關角，實現改變逆變電路的控制規律，給出所需的任意確定性的電流波形。
如圖1所示，本發明裝置包括三相異步電動機2、由勵磁電路4提供勵磁電壓的直流發電機3、逆變電路5及其交流電機數字控制電路和計算機14，三相異步電動機2與直流發電機3通過平衡連接軸通過機械連接關系形成同軸機組；交流電機數字控制電路由電壓電流采樣轉換電路8、9、逆變驅動電路10、與三相電源系統母線1聯接的電網電壓整形電路12、PWM控制器13、濾波電路6和并網開關7構成；電壓電流采樣轉換電路由電壓和電流互感器8及電壓和電流變送器9組成；電壓電流采樣轉換電路8、9的輸入接逆變電路5的輸出，電壓電流采樣轉換電路8、9的輸出端與PWM控制器13的數據采集卡的輸入端連接，電網電壓整形電路12的輸出端與PWM控制器13的外部中斷接口連接，PWM控制器13的輸出端與逆變驅動電路10的輸入端相連接，逆變驅動電路10的輸出端與逆變電路5相連，逆變電路5通過濾波電路6和并網開關7接入三相電源系統母線1，計算機14與PWM控制器13的JATG口連接。
本發明用三相380V配電網1作為電源帶動異步電動機2，此時異步電機2相當于電網的負載，作為電動機運行；三相異步電動機2與直流電機3同軸，由機械上的相互連接帶動直流電機3，此時直流電機3作為發電機運行發出直流電，直流電通過逆變電路5轉換成為三相交流電輸出；逆變電路5輸出的三相交流電與三相電網并網，從逆變電路5到并網后的三相電網相當于異步電動機的負載。
圖2中，三相異步電動機額定功率為1.1kW，額定頻率為50Hz，額定轉速為1410rad/min，額定電壓為380V，額定電流為2.67A，星型連接；直流發電機額定功率為1.1kW，勵磁方式為它勵(勵磁電壓為220V)，額定電壓為220V，額定電流為6.5A，額定轉速為1500r/min。
交流電機數字控制電路是為以TMS320F2407A為核心的交流電機數字控制系統(DSP)。通過A/D轉換接口將傳感器測得的電氣參數(電壓、電流)和機械參數(速度、位置)送入微處理器。微處理器通過D/A接口和驅動器件來控制電機運動，或者直接控制開關元件來控制電機運動。TMS320F2407A是美國TI公司新近推出的一種適于工業控制，尤其適用于電動機控制的定點DSP芯片，是TMS320F2407增強型。其內部總線采用哈佛結構，指令執行速度為40MIPS，絕大部分指令可以在單周期(25ns)內執行完畢，系統含有兩個事件管理器(EVM)，每個EVM包括2個16位時鐘和8個通道的脈寬調制(PWM)單元，異步串行口(SCI)同步串行口(SPI)等，應用這些配置大大簡化電機控制系統的硬件結構，并且它的高速處理特性可以使得很多先進的控制算法得以實現，因此該實施方案屬于系統最小、實時性最強、性能最優的一種方案。由三相異步電動機、直流發電機、逆變電路及其交流電機數字控制電路所構成，三相異步電動機與直流發電機通過平衡連接軸，通過機械連接關系形成同軸機組；所述逆變電路及其交流電機數字控制電路由輸出電壓電流采樣、晶閘管觸發電路、晶閘管開關組、電網電壓整形電路、PWM控制器和任意波形發生器所構成；其中，電壓變送器和電流變送器的輸出端分別與交流電機數字控制電路上的數據采集卡的輸入端連接，交流電機數字控制電路的輸出端分別與晶閘管觸發電路和PWM控制器的輸入端相連接，晶閘管觸發電路與晶閘管開關組相連，逆變電路通過濾波電路和并網開關接入三相電源系統母線。
通過改變交流電機數字控制系統對逆變電路的控制規律，是基于通用的電壓型逆變器的特定諧波消除方法，以自然采樣三角載波SPWM法取得的開關切換角序列為初值，采用1/4周期對稱脈沖波形，以產生特定次或消除某些次諧波為目標，采用牛頓迭代法，解非線性的超越方程組，求取SHEPWM波形的開關角度，即計算得出任意波形發生器的PWM，PWM控制器根據該信號向任意波形發生器發出PWM波形，從而實現異步電動機的機械特性的任意變化，這樣模擬任意性負荷特性，并實現負荷變化對電壓穩定的影響。
系統的所有控制調節全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平型的脈寬調制控制信號PWM去驅動功率開關器件。電流反饋信號從串聯在主回路中的電流互感器取出，在經隔離放大后送給DSP內部ADC接口，轉換成數字量，構成電流環。速度反饋信號由光電脈沖編碼器里取出直接連到DSP上，經內部QEP電路得到電動機的速度和方向，從而完成速度閉環控制。
特定諧波消除SHEPWM的數學模型，通過開關時刻的優化選擇，產生選定次或消除某些次的諧波，即利用SHEPWM原理得到的任意波形表現為我們控制實際波形的傅立葉級數表達式中任意指定的系數為某一固定常數。利用波形的對稱性，可以使得該傅立葉級數的余弦分量，直流分量和偶次正弦分量為0，即得到一般表達式ak=0k=0,1,2,3,...bk=0k=2,4,6,...bk=4Umkπ[1+2Σ1N(-1)ncos(kτn)]k=1,3,5,7,...]]>其中N表示
區間內開關角的數量；τn為區間內第n個開關角；k為基波和各次諧波的次數。如果令qk是基波的k次波的幅值，則有b1=q1b3=q3...bN=qN]]>這構成了一個具有N個未知數(τ1，τ2，…τN)的N維方程組。解此方程組，得到一組在
區間內脈沖波開關角，進而可以得到整個周期內的開關角，這就是SHEPWM的數學模型。特定諧波消去PWM(SHEPWM)被認為是一種優化的PWM方法。利用SHEPWM的數學模型，可以得到任意次諧波、任意量的波形特征。由于SHE方法的數學模型是非線性超越方程組，實時求解非常困難，長期以來限制了SHE技術在工程上的使用。有了數值計算方法的發展和高速數字信號處理器件DSP的出現，給這一方法提供了應用契機。采用牛頓疊代算法，方便地實現在大范圍內高速度、高精度實時求解非線性超越方程組。
權利要求
1.一種基于PWM技術產生電動機任意機械特性的方法，包括下列步驟(1)由三相對稱電源母線供電給三相異步電動機，通過三相異步電動機驅動匹配的直流發電機同軸轉動；通過勵磁調節方式，發出直流電；(2)通過逆變電路將直流電變換成交流電；(3)將接入母線上的電壓互感器和電流互感器輸出的電壓、電流信號分別經電壓變送器、電流變送器轉換成弱電壓，弱電流信號；(4)采集弱電壓信號和弱電流信號，并計算各相相電壓的幅值、相位；(5)檢測電網電壓過零點；(6)由逆變電路觸發電路發出觸發脈沖，在滿足并網的條件下，將逆變電路輸出的交流電并入三相對稱電源母線；(7)預先確定所需的電流波形，經過分解成各次諧波分量，根據消除特定階次諧波的數學方法，解非線性的超越方程組，得到PWM波形的開關角，PWM控制器根據該信號向任意波形發生器發出PWM波形，使任意波形發生器發出的電流同于上述預先確定所需的電流波形；(8)并網后的直流發電機、逆變電路即作為異步電動機的等效機械負荷，通過PWM控制器發出的PWM波形的調制信號與開關角，實現改變逆變電路的控制規律，給出所需的任意確定性的電流波形。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于改變逆變電路的控制規律是基于一種產生PWM開關模式的方法，根據預先確定所需的電流波形分解得到的特定的諧波次數來計算得到PWM脈沖的開關角，通過下述數學模型求解超越方程組，進而確定開關角；利用PWM原理得到的任意波形表現為控制實際波形的傅立葉級數表達式中任意指定的系數為某一確定常數；利用波形的對稱性，使得該傅立葉級數的余弦分量、直流分量和偶次正弦分量為0，即得到數學模型的一般表達式ak=0k=0,1,2,3,···bk=0k=2,4,6,···bk=4Umkπ[1+2Σ1N(-1)ncos(kτn)]k=1,3,5,7,···]]>其中N表示
區間內開關角的數量；τn為區間內第n個開關角；k為基波和各次諧波的次數；αk為與k次諧波對應的余弦傅立葉系數，bk為與k次諧波對應的正弦傅立葉系數，Um為輸入逆變器的直流電壓的一半；如果令qk是基波的k次波的幅值，則有b1=q1b3=q3···bN=qN]]>這構成了一個具有N個未知數(τ1，τ2，…τN)的N維方程組。解此方程組，得到一組在
區間內脈沖波開關角，進而可以得到整個周期內的開關角。一種基于PWM技術產生電動機任意機械特性的裝置，其特征是包括三相異步電動機、與三相異步電動機同軸連接的直流發電機、逆變電路及其交流電機數字控制電路和計算機；交流電機數字控制電路由電壓電流采樣轉換電路、逆變驅動電路、與三相電源系統母線聯接的電網電壓整形電路、PWM控制器、濾波電路和并網開關構成；電壓電流采樣轉換電路的輸入接逆變電路的輸出，電壓電流采樣轉換電路的輸出端與PWM控制器的數據采集卡的輸入端連接，電網電壓整形電路的輸出端與PWM控制器的外部中斷接口連接，PWM控制器的輸出端與逆變驅動電路的輸入端相連接，逆變驅動電路的輸出端與逆變電路相連，逆變電路通過濾波電路和并網開關接入三相電源系統母線，計算機與PWM控制器的JATG口連接。
全文摘要
本發明涉及一種基于PWM技術產生電動機任意機械特性的方法和裝置，包括三相異步電動機、與三相異步電動機同軸連接的直流發電機、逆變電路及其交流電機數字控制電路和計算機。本發明通過軟件對逆變器的控制規律的把握和改變，可以實現以電動機為主要代表的綜合負荷的任意機械特性，克服了傳統負荷建模的單一性、實驗室實現困難的缺陷；通過綜合負荷的任意機械特性的模擬與方案的實現，不僅可以有條件分析任意負荷模型對電壓穩定的影響，而且可進一步地利用綜合負荷的任意機械特性分析與研究電力系統的安全與穩定。
文檔編號H02J3/00GK1764058SQ200510019540
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月30日 優先權日2005年9月30日
發明者陳允平, 翁利民, 劉琨 申請人:武漢大學