專利名稱：基于pwm技術(shù)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定研究和電動(dòng)機(jī)特性試驗(yàn)領(lǐng)域，特別是形成電動(dòng)機(jī)任意特性的機(jī)械負(fù)荷的方法和裝置。
背景技術(shù)：
電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是電動(dòng)機(jī)重要試驗(yàn)內(nèi)容，而電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷與電壓、轉(zhuǎn)速的關(guān)系千差萬(wàn)別，要產(chǎn)生各種機(jī)械特性對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)一直是懸而未決的問(wèn)題。另外產(chǎn)生任意的機(jī)械特性也是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的需要。
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》(GB1032-85)，異步電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)內(nèi)容廣泛，其核心內(nèi)容是負(fù)載試驗(yàn)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，我們通常得到的有空載特性曲線和額定電壓下的負(fù)載特性曲線，因此要想了解電動(dòng)機(jī)在各種工作場(chǎng)合的負(fù)載特性，就必須測(cè)試出不同電壓下的工作特性曲線。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線(簡(jiǎn)稱T-n曲線)是異步電動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要特性。因?yàn)榍€的形狀以及曲線中的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩都是衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩表示電機(jī)的起動(dòng)性能，最小轉(zhuǎn)矩決定電機(jī)能否順利升速，最大轉(zhuǎn)矩則顯示電機(jī)的過(guò)載能力，額定轉(zhuǎn)矩表示電機(jī)的輸出功率，異步電動(dòng)機(jī)的T-n曲線的測(cè)定方法大致分為兩大類第一類是在異步電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)過(guò)程中測(cè)量其角加速度來(lái)反映電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；第二類是利用測(cè)功機(jī)(或直流發(fā)電機(jī))、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、傳感器、X-Y函數(shù)記錄儀等測(cè)定。
因此，準(zhǔn)確地測(cè)定和利用這一特性曲線對(duì)于把握電機(jī)負(fù)載或以電機(jī)為代表的電力系統(tǒng)綜合負(fù)載的基本特性，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的研究有著重要意義。
電壓穩(wěn)定，指系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，在系統(tǒng)特性和負(fù)荷特性共同作用下，維持負(fù)荷點(diǎn)電壓運(yùn)行在平衡點(diǎn)附近的能力。電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)在滿足負(fù)荷功率需求的前提下，維持負(fù)荷電壓在其容許范圍內(nèi)的能力，當(dāng)系統(tǒng)具有這種能力時(shí)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，反之就是系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。
電壓穩(wěn)定的機(jī)理已經(jīng)形成的共識(shí)是系統(tǒng)特性和負(fù)荷特性共同作用的結(jié)果，系統(tǒng)工作點(diǎn)強(qiáng)壯時(shí)(如無(wú)功充沛)，負(fù)荷特性影響不大，但出現(xiàn)連續(xù)故障，系統(tǒng)處于較薄弱的情況，電壓是否失穩(wěn)乃至崩潰，負(fù)荷特性將起決定作用，對(duì)發(fā)生的電壓崩潰事故重現(xiàn)的仿真已經(jīng)驗(yàn)證了使用不同的負(fù)荷模型得到了不同的結(jié)果，說(shuō)明負(fù)荷的穩(wěn)定與否決定了電壓是否穩(wěn)定。因此負(fù)荷模型的建立與深入研究成為電壓穩(wěn)定研究中最重要、最關(guān)鍵的內(nèi)容之一。
在電壓穩(wěn)定分析中比較普遍采用的負(fù)荷模型是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)機(jī)理模型，但模型應(yīng)隨所帶機(jī)械負(fù)荷而變，只有這樣才能正確反映電動(dòng)機(jī)在電壓穩(wěn)定中的行為，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)占總負(fù)荷的比例60％-80％，所以描述和模擬電動(dòng)機(jī)的任意性質(zhì)的機(jī)械特性將是研究的突破口之一。
電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表示了電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行和過(guò)渡過(guò)程中的性能和特征，電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是在額定電壓下，由電動(dòng)機(jī)所帶的機(jī)械負(fù)荷決定的。在忽略了機(jī)械損耗的條件下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Ms之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，用函數(shù)關(guān)系可寫(xiě)成Ms＝f(n)，該關(guān)系式?jīng)]有表示出Ms與u、I等量的非線性關(guān)系。本發(fā)明則可以產(chǎn)生任意形式的機(jī)械特性，表現(xiàn)出f(u，i，w)的非線性的負(fù)荷特征。
從電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的基本分析，包括異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及其它們的控制方法分析比較來(lái)看，尤其是任意特性的產(chǎn)生卻是不容易的，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性M＝f(n，u，I，…)的產(chǎn)生是由所帶機(jī)械負(fù)荷的特性決定的，不是控制所能改變的。為了在實(shí)驗(yàn)室模擬電動(dòng)機(jī)的任意性質(zhì)的機(jī)械負(fù)載，僅靠常規(guī)的控制思路和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)手段是不可能達(dá)到的，必須找到產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的方案，為研究電壓穩(wěn)定和其他電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定問(wèn)題創(chuàng)造條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供一種能產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的方法和裝置。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種基于PWM技術(shù)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的方法，包括下列步驟(1)由三相對(duì)稱電源母線供電給三相異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)匹配的直流發(fā)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式，發(fā)出直流電；(2)通過(guò)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(hào)分別經(jīng)電壓變送器、電流變送器轉(zhuǎn)換成弱電壓uax、ubx、ubx，弱電流信號(hào)iax、ibx、ibx；(4)采集弱電壓信號(hào)uax、ubx、ubx和弱電流信號(hào)iax、ibx、ibx，并計(jì)算各相相電壓的幅值UX、相位；(5)檢測(cè)電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)；(6)由逆變電路觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)脈沖，在滿足并網(wǎng)的條件下，將逆變電路輸出的交流電并入三相對(duì)稱電源母線；(7)預(yù)先確定所需的電流波形，經(jīng)過(guò)分解成各次諧波分量，根據(jù)消除特定階次諧波的數(shù)學(xué)方法，解非線性的超越方程組，得到PWM波形的開(kāi)關(guān)角，PWM控制器根據(jù)該信號(hào)向任意波形發(fā)生器發(fā)出PWM波形，使任意波形發(fā)生器發(fā)出的電流同于上述預(yù)先確定所需的電流波形；(8)并網(wǎng)后的直流發(fā)電機(jī)、逆變電路即作為異步電動(dòng)機(jī)的等效機(jī)械負(fù)荷，通過(guò)PWM控制器發(fā)出的PWM波形的調(diào)制信號(hào)與開(kāi)關(guān)角，實(shí)現(xiàn)改變逆變電路的控制規(guī)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(guī)律是基于一種產(chǎn)生PWM開(kāi)關(guān)模式的方法，根據(jù)預(yù)先確定所需的電流波形分解得到的特定的諧波次數(shù)來(lái)計(jì)算得到PWM脈沖的開(kāi)關(guān)角，通過(guò)下述數(shù)學(xué)模型求解超越方程組，進(jìn)而確定開(kāi)關(guān)角利用PWM原理得到的任意波形表現(xiàn)為控制實(shí)際波形的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式中任意指定的系數(shù)為某一確定常數(shù)；利用波形的對(duì)稱性，使得該傅立葉級(jí)數(shù)的余弦分量、直流分量和偶次正弦分量為0，即得到數(shù)學(xué)模型的一般表達(dá)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(qū)間內(nèi)開(kāi)關(guān)角的數(shù)量；τn為區(qū)間內(nèi)第n個(gè)開(kāi)關(guān)角；k為基波和各次諧波的次數(shù)。ak為與k次諧波對(duì)應(yīng)的余弦傅立葉系數(shù)，bk為與k次諧波對(duì)應(yīng)的正弦傅立葉系數(shù)，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(gòu)成了一個(gè)具有N個(gè)未知數(shù)(τ1，τ2，…τN)的N維方程組。解此方程組，得到一組在
區(qū)間內(nèi)脈沖波開(kāi)關(guān)角，進(jìn)而可以得到整個(gè)周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)角。
本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括三相異步電動(dòng)機(jī)、與三相異步電動(dòng)機(jī)同軸連接的直流發(fā)電機(jī)、逆變電路及其交流電機(jī)數(shù)字控制電路和計(jì)算機(jī)；交流電機(jī)數(shù)字控制電路由電壓電流采樣轉(zhuǎn)換電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路、與三相電源系統(tǒng)母線聯(lián)接的電網(wǎng)電壓整形電路、PWM控制器、濾波電路和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)構(gòu)成；電壓電流采樣轉(zhuǎn)換電路的輸入接逆變電路的輸出，電壓電流采樣轉(zhuǎn)換電路的輸出端與PWM控制器的數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接，電網(wǎng)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(qū)動(dòng)電路的輸入端相連接，逆變驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與逆變電路相連，逆變電路通過(guò)濾波電路和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)接入三相電源系統(tǒng)母線，計(jì)算機(jī)與PWM控制器的JATG口連接。
本發(fā)明是應(yīng)用一種任意負(fù)荷特性的模擬方法及裝置，即確定與應(yīng)用交流電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)，來(lái)研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與負(fù)荷模型的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)探尋電壓崩潰發(fā)生的機(jī)理和以電動(dòng)機(jī)為代表的綜合負(fù)荷的任意機(jī)械特性的模擬，這對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的研究，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性與穩(wěn)定性具有顯示意義與實(shí)用價(jià)值。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果(1)它是一種產(chǎn)生任意機(jī)械特性的新方法，原理先進(jìn)，易于實(shí)現(xiàn)。
(2)電機(jī)控制系統(tǒng)的電機(jī)、數(shù)字控制系統(tǒng)、電力電子部件三個(gè)部分布置緊湊、功能完備、擴(kuò)展便利，通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)綜合負(fù)荷的任意特性，克服了電動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)荷模擬的單一性、變化困難的缺陷；(3)通過(guò)綜合負(fù)荷的任意機(jī)械特性，可用于電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)，并可以直觀地了解與分析任意性質(zhì)的負(fù)荷模型對(duì)電壓穩(wěn)定的影響，進(jìn)而探尋電壓穩(wěn)定與電壓崩潰發(fā)生的機(jī)理與本質(zhì)特征；(4)采用PC機(jī)進(jìn)行控制，自動(dòng)化程度高，控制軟件界面友好，操作簡(jiǎn)便，易于維護(hù)；(5)與實(shí)際電力系統(tǒng)結(jié)合緊密，物理概念清晰，運(yùn)算速度快，實(shí)踐推廣容易，可操作性強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明基于PWM技術(shù)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的裝置與配電網(wǎng)系統(tǒng)母線的連接關(guān)系示意圖；圖2為本發(fā)明基于PWM技術(shù)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的裝置實(shí)例圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的工作原理作進(jìn)一步說(shuō)明。
本發(fā)明方法包括下列步驟1.由三相對(duì)稱電源母線供電給三相異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)匹配的直流發(fā)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式，發(fā)出直流電；2.通過(guò)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(hào)分別經(jīng)電壓變送器、電流變送器轉(zhuǎn)換成弱電壓uax、ubx、ubx，弱電流信號(hào)iax、ibx、ibx；4.采集弱電壓信號(hào)uax、ubx、ubx和弱電流信號(hào)iax、ibx、ibx，并計(jì)算各相相電壓的幅值UX、相位；5.檢測(cè)電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)；6.由逆變電路觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)脈沖，在滿足并網(wǎng)的條件下，將逆變電路輸出的交流電并入三相對(duì)稱電源母線；7.預(yù)先確定所需的電流波形，經(jīng)過(guò)分解成各次諧波分量，根據(jù)消除特定階次諧波的數(shù)學(xué)方法，解非線性的超越方程組，得到PWM波形的開(kāi)關(guān)角，PWM控制器根據(jù)該信號(hào)向任意波形發(fā)生器發(fā)出PWM波形，使任意波形發(fā)生器發(fā)出的電流同于上述預(yù)先確定所需的電流波形；8.并網(wǎng)后的直流發(fā)電機(jī)、逆變電路即作為異步電動(dòng)機(jī)的等效機(jī)械負(fù)荷，通過(guò)PWM控制器發(fā)出的PWM波形的調(diào)制信號(hào)與開(kāi)關(guān)角，實(shí)現(xiàn)改變逆變電路的控制規(guī)律，給出所需的任意確定性的電流波形。
如圖1所示，本發(fā)明裝置包括三相異步電動(dòng)機(jī)2、由勵(lì)磁電路4提供勵(lì)磁電壓的直流發(fā)電機(jī)3、逆變電路5及其交流電機(jī)數(shù)字控制電路和計(jì)算機(jī)14，三相異步電動(dòng)機(jī)2與直流發(fā)電機(jī)3通過(guò)平衡連接軸通過(guò)機(jī)械連接關(guān)系形成同軸機(jī)組；交流電機(jī)數(shù)字控制電路由電壓電流采樣轉(zhuǎn)換電路8、9、逆變驅(qū)動(dòng)電路10、與三相電源系統(tǒng)母線1聯(lián)接的電網(wǎng)電壓整形電路12、PWM控制器13、濾波電路6和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)7構(gòu)成；電壓電流采樣轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路8、9的輸入接逆變電路5的輸出，電壓電流采樣轉(zhuǎn)換電路8、9的輸出端與PWM控制器13的數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接，電網(wǎng)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(qū)動(dòng)電路10的輸入端相連接，逆變驅(qū)動(dòng)電路10的輸出端與逆變電路5相連，逆變電路5通過(guò)濾波電路6和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)7接入三相電源系統(tǒng)母線1，計(jì)算機(jī)14與PWM控制器13的JATG口連接。
本發(fā)明用三相380V配電網(wǎng)1作為電源帶動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)2，此時(shí)異步電機(jī)2相當(dāng)于電網(wǎng)的負(fù)載，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；三相異步電動(dòng)機(jī)2與直流電機(jī)3同軸，由機(jī)械上的相互連接帶動(dòng)直流電機(jī)3，此時(shí)直流電機(jī)3作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行發(fā)出直流電，直流電通過(guò)逆變電路5轉(zhuǎn)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(wǎng)并網(wǎng)，從逆變電路5到并網(wǎng)后的三相電網(wǎng)相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。
圖2中，三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率為1.1kW，額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為1410rad/min，額定電壓為380V，額定電流為2.67A，星型連接；直流發(fā)電機(jī)額定功率為1.1kW，勵(lì)磁方式為它勵(lì)(勵(lì)磁電壓為220V)，額定電壓為220V，額定電流為6.5A，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。
交流電機(jī)數(shù)字控制電路是為以TMS320F2407A為核心的交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)(DSP)。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換接口將傳感器測(cè)得的電氣參數(shù)(電壓、電流)和機(jī)械參數(shù)(速度、位置)送入微處理器。微處理器通過(guò)D/A接口和驅(qū)動(dòng)器件來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，或者直接控制開(kāi)關(guān)元件來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。TMS320F2407A是美國(guó)TI公司新近推出的一種適于工業(yè)控制，尤其適用于電動(dòng)機(jī)控制的定點(diǎn)DSP芯片，是TMS320F2407增強(qiáng)型。其內(nèi)部總線采用哈佛結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度為40MIPS，絕大部分指令可以在單周期(25ns)內(nèi)執(zhí)行完畢，系統(tǒng)含有兩個(gè)事件管理器(EVM)，每個(gè)EVM包括2個(gè)16位時(shí)鐘和8個(gè)通道的脈寬調(diào)制(PWM)單元，異步串行口(SCI)同步串行口(SPI)等，應(yīng)用這些配置大大簡(jiǎn)化電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并且它的高速處理特性可以使得很多先進(jìn)的控制算法得以實(shí)現(xiàn)，因此該實(shí)施方案屬于系統(tǒng)最小、實(shí)時(shí)性最強(qiáng)、性能最優(yōu)的一種方案。由三相異步電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、逆變電路及其交流電機(jī)數(shù)字控制電路所構(gòu)成，三相異步電動(dòng)機(jī)與直流發(fā)電機(jī)通過(guò)平衡連接軸，通過(guò)機(jī)械連接關(guān)系形成同軸機(jī)組；所述逆變電路及其交流電機(jī)數(shù)字控制電路由輸出電壓電流采樣、晶閘管觸發(fā)電路、晶閘管開(kāi)關(guān)組、電網(wǎng)電壓整形電路、PWM控制器和任意波形發(fā)生器所構(gòu)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(jī)數(shù)字控制電路上的數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接，交流電機(jī)數(shù)字控制電路的輸出端分別與晶閘管觸發(fā)電路和PWM控制器的輸入端相連接，晶閘管觸發(fā)電路與晶閘管開(kāi)關(guān)組相連，逆變電路通過(guò)濾波電路和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)接入三相電源系統(tǒng)母線。
通過(guò)改變交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)逆變電路的控制規(guī)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(kāi)關(guān)切換角序列為初值，采用1/4周期對(duì)稱脈沖波形，以產(chǎn)生特定次或消除某些次諧波為目標(biāo)，采用牛頓迭代法，解非線性的超越方程組，求取SHEPWM波形的開(kāi)關(guān)角度，即計(jì)算得出任意波形發(fā)生器的PWM，PWM控制器根據(jù)該信號(hào)向任意波形發(fā)生器發(fā)出PWM波形，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的任意變化，這樣模擬任意性負(fù)荷特性，并實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化對(duì)電壓穩(wěn)定的影響。
系統(tǒng)的所有控制調(diào)節(jié)全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平型的脈寬調(diào)制控制信號(hào)PWM去驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件。電流反饋信號(hào)從串聯(lián)在主回路中的電流互感器取出，在經(jīng)隔離放大后送給DSP內(nèi)部ADC接口，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，構(gòu)成電流環(huán)。速度反饋信號(hào)由光電脈沖編碼器里取出直接連到DSP上，經(jīng)內(nèi)部QEP電路得到電動(dòng)機(jī)的速度和方向，從而完成速度閉環(huán)控制。
特定諧波消除SHEPWM的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，產(chǎn)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(xiàn)為我們控制實(shí)際波形的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式中任意指定的系數(shù)為某一固定常數(shù)。利用波形的對(duì)稱性，可以使得該傅立葉級(jí)數(shù)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(dá)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(qū)間內(nèi)開(kāi)關(guān)角的數(shù)量；τn為區(qū)間內(nèi)第n個(gè)開(kāi)關(guān)角；k為基波和各次諧波的次數(shù)。如果令qk是基波的k次波的幅值，則有b1=q1b3=q3...bN=qN]]>這構(gòu)成了一個(gè)具有N個(gè)未知數(shù)(τ1，τ2，…τN)的N維方程組。解此方程組，得到一組在
區(qū)間內(nèi)脈沖波開(kāi)關(guān)角，進(jìn)而可以得到整個(gè)周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)角，這就是SHEPWM的數(shù)學(xué)模型。特定諧波消去PWM(SHEPWM)被認(rèn)為是一種優(yōu)化的PWM方法。利用SHEPWM的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型是非線性超越方程組，實(shí)時(shí)求解非常困難，長(zhǎng)期以來(lái)限制了SHE技術(shù)在工程上的使用。有了數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展和高速數(shù)字信號(hào)處理器件DSP的出現(xiàn)，給這一方法提供了應(yīng)用契機(jī)。采用牛頓疊代算法，方便地實(shí)現(xiàn)在大范圍內(nèi)高速度、高精度實(shí)時(shí)求解非線性超越方程組。
權(quán)利要求
1.一種基于PWM技術(shù)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的方法，包括下列步驟(1)由三相對(duì)稱電源母線供電給三相異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)匹配的直流發(fā)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式，發(fā)出直流電；(2)通過(guò)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(hào)分別經(jīng)電壓變送器、電流變送器轉(zhuǎn)換成弱電壓，弱電流信號(hào)；(4)采集弱電壓信號(hào)和弱電流信號(hào)，并計(jì)算各相相電壓的幅值、相位；(5)檢測(cè)電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)；(6)由逆變電路觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)脈沖，在滿足并網(wǎng)的條件下，將逆變電路輸出的交流電并入三相對(duì)稱電源母線；(7)預(yù)先確定所需的電流波形，經(jīng)過(guò)分解成各次諧波分量，根據(jù)消除特定階次諧波的數(shù)學(xué)方法，解非線性的超越方程組，得到PWM波形的開(kāi)關(guān)角，PWM控制器根據(jù)該信號(hào)向任意波形發(fā)生器發(fā)出PWM波形，使任意波形發(fā)生器發(fā)出的電流同于上述預(yù)先確定所需的電流波形；(8)并網(wǎng)后的直流發(fā)電機(jī)、逆變電路即作為異步電動(dòng)機(jī)的等效機(jī)械負(fù)荷，通過(guò)PWM控制器發(fā)出的PWM波形的調(diào)制信號(hào)與開(kāi)關(guān)角，實(shí)現(xiàn)改變逆變電路的控制規(guī)律，給出所需的任意確定性的電流波形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于改變逆變電路的控制規(guī)律是基于一種產(chǎn)生PWM開(kāi)關(guān)模式的方法，根據(jù)預(yù)先確定所需的電流波形分解得到的特定的諧波次數(shù)來(lái)計(jì)算得到PWM脈沖的開(kāi)關(guān)角，通過(guò)下述數(shù)學(xué)模型求解超越方程組，進(jìn)而確定開(kāi)關(guān)角；利用PWM原理得到的任意波形表現(xiàn)為控制實(shí)際波形的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式中任意指定的系數(shù)為某一確定常數(shù)；利用波形的對(duì)稱性，使得該傅立葉級(jí)數(shù)的余弦分量、直流分量和偶次正弦分量為0，即得到數(shù)學(xué)模型的一般表達(dá)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(qū)間內(nèi)開(kāi)關(guān)角的數(shù)量；τn為區(qū)間內(nèi)第n個(gè)開(kāi)關(guān)角；k為基波和各次諧波的次數(shù)；αk為與k次諧波對(duì)應(yīng)的余弦傅立葉系數(shù)，bk為與k次諧波對(duì)應(yīng)的正弦傅立葉系數(shù)，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(gòu)成了一個(gè)具有N個(gè)未知數(shù)(τ1，τ2，…τN)的N維方程組。解此方程組，得到一組在
區(qū)間內(nèi)脈沖波開(kāi)關(guān)角，進(jìn)而可以得到整個(gè)周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)角。一種基于PWM技術(shù)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的裝置，其特征是包括三相異步電動(dòng)機(jī)、與三相異步電動(dòng)機(jī)同軸連接的直流發(fā)電機(jī)、逆變電路及其交流電機(jī)數(shù)字控制電路和計(jì)算機(jī)；交流電機(jī)數(shù)字控制電路由電壓電流采樣轉(zhuǎn)換電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路、與三相電源系統(tǒng)母線聯(lián)接的電網(wǎng)電壓整形電路、PWM控制器、濾波電路和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)構(gòu)成；電壓電流采樣轉(zhuǎn)換電路的輸入接逆變電路的輸出，電壓電流采樣轉(zhuǎn)換電路的輸出端與PWM控制器的數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接，電網(wǎng)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(qū)動(dòng)電路的輸入端相連接，逆變驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與逆變電路相連，逆變電路通過(guò)濾波電路和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)接入三相電源系統(tǒng)母線，計(jì)算機(jī)與PWM控制器的JATG口連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于PWM技術(shù)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)任意機(jī)械特性的方法和裝置，包括三相異步電動(dòng)機(jī)、與三相異步電動(dòng)機(jī)同軸連接的直流發(fā)電機(jī)、逆變電路及其交流電機(jī)數(shù)字控制電路和計(jì)算機(jī)。本發(fā)明通過(guò)軟件對(duì)逆變器的控制規(guī)律的把握和改變，可以實(shí)現(xiàn)以電動(dòng)機(jī)為主要代表的綜合負(fù)荷的任意機(jī)械特性，克服了傳統(tǒng)負(fù)荷建模的單一性、實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)困難的缺陷；通過(guò)綜合負(fù)荷的任意機(jī)械特性的模擬與方案的實(shí)現(xiàn)，不僅可以有條件分析任意負(fù)荷模型對(duì)電壓穩(wěn)定的影響，而且可進(jìn)一步地利用綜合負(fù)荷的任意機(jī)械特性分析與研究電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H02J3/00GK1764058SQ200510019540
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者陳允平, 翁利民, 劉琨 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)