专利名称：基于pwm技术产生电动机任意机械特性的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统电压稳定研究和电动机特性试验领域，特别是形成电动机任意特性的机械负荷的方法和装置。
背景技术：
电动机的机械特性是电动机重要试验内容，而电动机的机械负荷与电压、转速的关系千差万别，要产生各种机械特性对电动机进行试验一直是悬而未决的问题。另外产生任意的机械特性也是电力系统稳定性研究的需要。
根据国家标准《三相异步电动机试验方法》(GB1032-85)，异步电动机的试验内容广泛，其核心内容是负载试验，通过电动机试验，我们通常得到的有空载特性曲线和额定电压下的负载特性曲线，因此要想了解电动机在各种工作场合的负载特性，就必须测试出不同电压下的工作特性曲线。异步电动机的转矩-转速特性曲线(简称T-n曲线)是异步电动机的一项重要特性。因为曲线的形状以及曲线中的起动转矩、最小转矩、最大转矩、额定转矩都是衡量电机性能的重要指标。起动转矩表示电机的起动性能，最小转矩决定电机能否顺利升速，最大转矩则显示电机的过载能力，额定转矩表示电机的输出功率，异步电动机的T-n曲线的测定方法大致分为两大类第一类是在异步电动机空载起动过程中测量其角加速度来反映电动机的转矩；第二类是利用测功机(或直流发电机)、转矩转速测量仪、传感器、X-Y函数记录仪等测定。
因此，准确地测定和利用这一特性曲线对于把握电机负载或以电机为代表的电力系统综合负载的基本特性，对系统稳定的研究有着重要意义。
电压稳定，指系统在受到扰动后，在系统特性和负荷特性共同作用下，维持负荷点电压运行在平衡点附近的能力。电力系统的电压稳定性，是指系统在满足负荷功率需求的前提下，维持负荷电压在其容许范围内的能力，当系统具有这种能力时系统电压稳定，反之就是系统电压失稳。
电压稳定的机理已经形成的共识是系统特性和负荷特性共同作用的结果，系统工作点强壮时(如无功充沛)，负荷特性影响不大，但出现连续故障，系统处于较薄弱的情况，电压是否失稳乃至崩溃，负荷特性将起决定作用，对发生的电压崩溃事故重现的仿真已经验证了使用不同的负荷模型得到了不同的结果，说明负荷的稳定与否决定了电压是否稳定。因此负荷模型的建立与深入研究成为电压稳定研究中最重要、最关键的内容之一。
在电压稳定分析中比较普遍采用的负荷模型是感应电动机机理模型，但模型应随所带机械负荷而变，只有这样才能正确反映电动机在电压稳定中的行为，因为电力系统中感应电动机占总负荷的比例60％-80％，所以描述和模拟电动机的任意性质的机械特性将是研究的突破口之一。
电动机的机械特性表示了电动机在稳定运行和过渡过程中的性能和特征，电动机的固有机械特性是在额定电压下，由电动机所带的机械负荷决定的。在忽略了机械损耗的条件下，电动机的转速n与电动机的电磁转矩Ms之间具有对应关系，用函数关系可写成Ms＝f(n)，该关系式没有表示出Ms与u、I等量的非线性关系。本发明则可以产生任意形式的机械特性，表现出f(u，i，w)的非线性的负荷特征。
从电动机的机械特性的基本分析，包括异步电动机与直流电动机的机械特性及其它们的控制方法分析比较来看，尤其是任意特性的产生却是不容易的，电动机的机械特性M＝f(n，u，I，…)的产生是由所带机械负荷的特性决定的，不是控制所能改变的。为了在实验室模拟电动机的任意性质的机械负载，仅靠常规的控制思路和现有的实验手段是不可能达到的，必须找到产生电动机任意机械特性的方案，为研究电压稳定和其他电力系统安全与稳定问题创造条件。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种能产生电动机任意机械特性的方法和装置。
本发明提供的技术方案是一种基于PWM技术产生电动机任意机械特性的方法，包括下列步骤(1)由三相对称电源母线供电给三相异步电动机，通过三相异步电动机驱动匹配的直流发电机同轴转动；通过励磁调节方式，发出直流电；(2)通过逆变电路将直流电变换成交流电；(3)将接入母线上的电压互感器和电流互感器输出的电压、电流信号分别经电压变送器、电流变送器转换成弱电压uax、ubx、ubx，弱电流信号iax、ibx、ibx；(4)采集弱电压信号uax、ubx、ubx和弱电流信号iax、ibx、ibx，并计算各相相电压的幅值UX、相位；(5)检测电网电压过零点；(6)由逆变电路触发电路发出触发脉冲，在满足并网的条件下，将逆变电路输出的交流电并入三相对称电源母线；(7)预先确定所需的电流波形，经过分解成各次谐波分量，根据消除特定阶次谐波的数学方法，解非线性的超越方程组，得到PWM波形的开关角，PWM控制器根据该信号向任意波形发生器发出PWM波形，使任意波形发生器发出的电流同于上述预先确定所需的电流波形；(8)并网后的直流发电机、逆变电路即作为异步电动机的等效机械负荷，通过PWM控制器发出的PWM波形的调制信号与开关角，实现改变逆变电路的控制规律，给出所需的任意确定性的电流波形。
上述改变逆变电路的控制规律是基于一种产生PWM开关模式的方法，根据预先确定所需的电流波形分解得到的特定的谐波次数来计算得到PWM脉冲的开关角，通过下述数学模型求解超越方程组，进而确定开关角利用PWM原理得到的任意波形表现为控制实际波形的傅立叶级数表达式中任意指定的系数为某一确定常数；利用波形的对称性，使得该傅立叶级数的余弦分量、直流分量和偶次正弦分量为0，即得到数学模型的一般表达式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
区间内开关角的数量；τn为区间内第n个开关角；k为基波和各次谐波的次数。ak为与k次谐波对应的余弦傅立叶系数，bk为与k次谐波对应的正弦傅立叶系数，Um为输入逆变器的直流电压的一半。如果令qk是基波的k次波的幅值，则有b1=q1b3=q3...bN=qN]]>这构成了一个具有N个未知数(τ1，τ2，…τN)的N维方程组。解此方程组，得到一组在
区间内脉冲波开关角，进而可以得到整个周期内的开关角。
本发明还提供了实现上述方法的装置包括三相异步电动机、与三相异步电动机同轴连接的直流发电机、逆变电路及其交流电机数字控制电路和计算机；交流电机数字控制电路由电压电流采样转换电路、逆变驱动电路、与三相电源系统母线联接的电网电压整形电路、PWM控制器、滤波电路和并网开关构成；电压电流采样转换电路的输入接逆变电路的输出，电压电流采样转换电路的输出端与PWM控制器的数据采集卡的输入端连接，电网电压整形电路的输出端与PWM控制器的外部中断接口连接，PWM控制器的输出端与逆变驱动电路的输入端相连接，逆变驱动电路的输出端与逆变电路相连，逆变电路通过滤波电路和并网开关接入三相电源系统母线，计算机与PWM控制器的JATG口连接。
本发明是应用一种任意负荷特性的模拟方法及装置，即确定与应用交流电机的数字控制系统，来研究电力系统电压稳定与负荷模型的关系，并以此为基础探寻电压崩溃发生的机理和以电动机为代表的综合负荷的任意机械特性的模拟，这对电力系统电压稳定的研究，提高系统的可靠性、安全性与稳定性具有显示意义与实用价值。
本发明具有以下优点和积极效果(1)它是一种产生任意机械特性的新方法，原理先进，易于实现。
(2)电机控制系统的电机、数字控制系统、电力电子部件三个部分布置紧凑、功能完备、扩展便利，通过软件可以实现综合负荷的任意特性，克服了电动机机械负荷模拟的单一性、变化困难的缺陷；(3)通过综合负荷的任意机械特性，可用于电动机的试验，并可以直观地了解与分析任意性质的负荷模型对电压稳定的影响，进而探寻电压稳定与电压崩溃发生的机理与本质特征；(4)采用PC机进行控制，自动化程度高，控制软件界面友好，操作简便，易于维护；(5)与实际电力系统结合紧密，物理概念清晰，运算速度快，实践推广容易，可操作性强。
图1为本发明基于PWM技术产生电动机任意机械特性的装置与配电网系统母线的连接关系示意图；图2为本发明基于PWM技术产生电动机任意机械特性的装置实例图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的工作原理作进一步说明。
本发明方法包括下列步骤1.由三相对称电源母线供电给三相异步电动机，通过三相异步电动机驱动匹配的直流发电机同轴转动；通过励磁调节方式，发出直流电；2.通过逆变电路将直流电变换成交流电；3.将接入母线上的电压互感器和电流互感器输出的电压、电流信号分别经电压变送器、电流变送器转换成弱电压uax、ubx、ubx，弱电流信号iax、ibx、ibx；4.采集弱电压信号uax、ubx、ubx和弱电流信号iax、ibx、ibx，并计算各相相电压的幅值UX、相位；5.检测电网电压过零点；6.由逆变电路触发电路发出触发脉冲，在满足并网的条件下，将逆变电路输出的交流电并入三相对称电源母线；7.预先确定所需的电流波形，经过分解成各次谐波分量，根据消除特定阶次谐波的数学方法，解非线性的超越方程组，得到PWM波形的开关角，PWM控制器根据该信号向任意波形发生器发出PWM波形，使任意波形发生器发出的电流同于上述预先确定所需的电流波形；8.并网后的直流发电机、逆变电路即作为异步电动机的等效机械负荷，通过PWM控制器发出的PWM波形的调制信号与开关角，实现改变逆变电路的控制规律，给出所需的任意确定性的电流波形。
如图1所示，本发明装置包括三相异步电动机2、由励磁电路4提供励磁电压的直流发电机3、逆变电路5及其交流电机数字控制电路和计算机14，三相异步电动机2与直流发电机3通过平衡连接轴通过机械连接关系形成同轴机组；交流电机数字控制电路由电压电流采样转换电路8、9、逆变驱动电路10、与三相电源系统母线1联接的电网电压整形电路12、PWM控制器13、滤波电路6和并网开关7构成；电压电流采样转换电路由电压和电流互感器8及电压和电流变送器9组成；电压电流采样转换电路8、9的输入接逆变电路5的输出，电压电流采样转换电路8、9的输出端与PWM控制器13的数据采集卡的输入端连接，电网电压整形电路12的输出端与PWM控制器13的外部中断接口连接，PWM控制器13的输出端与逆变驱动电路10的输入端相连接，逆变驱动电路10的输出端与逆变电路5相连，逆变电路5通过滤波电路6和并网开关7接入三相电源系统母线1，计算机14与PWM控制器13的JATG口连接。
本发明用三相380V配电网1作为电源带动异步电动机2，此时异步电机2相当于电网的负载，作为电动机运行；三相异步电动机2与直流电机3同轴，由机械上的相互连接带动直流电机3，此时直流电机3作为发电机运行发出直流电，直流电通过逆变电路5转换成为三相交流电输出；逆变电路5输出的三相交流电与三相电网并网，从逆变电路5到并网后的三相电网相当于异步电动机的负载。
图2中，三相异步电动机额定功率为1.1kW，额定频率为50Hz，额定转速为1410rad/min，额定电压为380V，额定电流为2.67A，星型连接；直流发电机额定功率为1.1kW，励磁方式为它励(励磁电压为220V)，额定电压为220V，额定电流为6.5A，额定转速为1500r/min。
交流电机数字控制电路是为以TMS320F2407A为核心的交流电机数字控制系统(DSP)。通过A/D转换接口将传感器测得的电气参数(电压、电流)和机械参数(速度、位置)送入微处理器。微处理器通过D/A接口和驱动器件来控制电机运动，或者直接控制开关元件来控制电机运动。TMS320F2407A是美国TI公司新近推出的一种适于工业控制，尤其适用于电动机控制的定点DSP芯片，是TMS320F2407增强型。其内部总线采用哈佛结构，指令执行速度为40MIPS，绝大部分指令可以在单周期(25ns)内执行完毕，系统含有两个事件管理器(EVM)，每个EVM包括2个16位时钟和8个通道的脉宽调制(PWM)单元，异步串行口(SCI)同步串行口(SPI)等，应用这些配置大大简化电机控制系统的硬件结构，并且它的高速处理特性可以使得很多先进的控制算法得以实现，因此该实施方案属于系统最小、实时性最强、性能最优的一种方案。由三相异步电动机、直流发电机、逆变电路及其交流电机数字控制电路所构成，三相异步电动机与直流发电机通过平衡连接轴，通过机械连接关系形成同轴机组；所述逆变电路及其交流电机数字控制电路由输出电压电流采样、晶闸管触发电路、晶闸管开关组、电网电压整形电路、PWM控制器和任意波形发生器所构成；其中，电压变送器和电流变送器的输出端分别与交流电机数字控制电路上的数据采集卡的输入端连接，交流电机数字控制电路的输出端分别与晶闸管触发电路和PWM控制器的输入端相连接，晶闸管触发电路与晶闸管开关组相连，逆变电路通过滤波电路和并网开关接入三相电源系统母线。
通过改变交流电机数字控制系统对逆变电路的控制规律，是基于通用的电压型逆变器的特定谐波消除方法，以自然采样三角载波SPWM法取得的开关切换角序列为初值，采用1/4周期对称脉冲波形，以产生特定次或消除某些次谐波为目标，采用牛顿迭代法，解非线性的超越方程组，求取SHEPWM波形的开关角度，即计算得出任意波形发生器的PWM，PWM控制器根据该信号向任意波形发生器发出PWM波形，从而实现异步电动机的机械特性的任意变化，这样模拟任意性负荷特性，并实现负荷变化对电压稳定的影响。
系统的所有控制调节全部由软件完成，最后直接输出逻辑电平型的脉宽调制控制信号PWM去驱动功率开关器件。电流反馈信号从串联在主回路中的电流互感器取出，在经隔离放大后送给DSP内部ADC接口，转换成数字量，构成电流环。速度反馈信号由光电脉冲编码器里取出直接连到DSP上，经内部QEP电路得到电动机的速度和方向，从而完成速度闭环控制。
特定谐波消除SHEPWM的数学模型，通过开关时刻的优化选择，产生选定次或消除某些次的谐波，即利用SHEPWM原理得到的任意波形表现为我们控制实际波形的傅立叶级数表达式中任意指定的系数为某一固定常数。利用波形的对称性，可以使得该傅立叶级数的余弦分量，直流分量和偶次正弦分量为0，即得到一般表达式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
区间内开关角的数量；τn为区间内第n个开关角；k为基波和各次谐波的次数。如果令qk是基波的k次波的幅值，则有b1=q1b3=q3...bN=qN]]>这构成了一个具有N个未知数(τ1，τ2，…τN)的N维方程组。解此方程组，得到一组在
区间内脉冲波开关角，进而可以得到整个周期内的开关角，这就是SHEPWM的数学模型。特定谐波消去PWM(SHEPWM)被认为是一种优化的PWM方法。利用SHEPWM的数学模型，可以得到任意次谐波、任意量的波形特征。由于SHE方法的数学模型是非线性超越方程组，实时求解非常困难，长期以来限制了SHE技术在工程上的使用。有了数值计算方法的发展和高速数字信号处理器件DSP的出现，给这一方法提供了应用契机。采用牛顿叠代算法，方便地实现在大范围内高速度、高精度实时求解非线性超越方程组。
权利要求
1.一种基于PWM技术产生电动机任意机械特性的方法，包括下列步骤(1)由三相对称电源母线供电给三相异步电动机，通过三相异步电动机驱动匹配的直流发电机同轴转动；通过励磁调节方式，发出直流电；(2)通过逆变电路将直流电变换成交流电；(3)将接入母线上的电压互感器和电流互感器输出的电压、电流信号分别经电压变送器、电流变送器转换成弱电压，弱电流信号；(4)采集弱电压信号和弱电流信号，并计算各相相电压的幅值、相位；(5)检测电网电压过零点；(6)由逆变电路触发电路发出触发脉冲，在满足并网的条件下，将逆变电路输出的交流电并入三相对称电源母线；(7)预先确定所需的电流波形，经过分解成各次谐波分量，根据消除特定阶次谐波的数学方法，解非线性的超越方程组，得到PWM波形的开关角，PWM控制器根据该信号向任意波形发生器发出PWM波形，使任意波形发生器发出的电流同于上述预先确定所需的电流波形；(8)并网后的直流发电机、逆变电路即作为异步电动机的等效机械负荷，通过PWM控制器发出的PWM波形的调制信号与开关角，实现改变逆变电路的控制规律，给出所需的任意确定性的电流波形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于改变逆变电路的控制规律是基于一种产生PWM开关模式的方法，根据预先确定所需的电流波形分解得到的特定的谐波次数来计算得到PWM脉冲的开关角，通过下述数学模型求解超越方程组，进而确定开关角；利用PWM原理得到的任意波形表现为控制实际波形的傅立叶级数表达式中任意指定的系数为某一确定常数；利用波形的对称性，使得该傅立叶级数的余弦分量、直流分量和偶次正弦分量为0，即得到数学模型的一般表达式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
区间内开关角的数量；τn为区间内第n个开关角；k为基波和各次谐波的次数；αk为与k次谐波对应的余弦傅立叶系数，bk为与k次谐波对应的正弦傅立叶系数，Um为输入逆变器的直流电压的一半；如果令qk是基波的k次波的幅值，则有b1=q1b3=q3···bN=qN]]>这构成了一个具有N个未知数(τ1，τ2，…τN)的N维方程组。解此方程组，得到一组在
区间内脉冲波开关角，进而可以得到整个周期内的开关角。一种基于PWM技术产生电动机任意机械特性的装置，其特征是包括三相异步电动机、与三相异步电动机同轴连接的直流发电机、逆变电路及其交流电机数字控制电路和计算机；交流电机数字控制电路由电压电流采样转换电路、逆变驱动电路、与三相电源系统母线联接的电网电压整形电路、PWM控制器、滤波电路和并网开关构成；电压电流采样转换电路的输入接逆变电路的输出，电压电流采样转换电路的输出端与PWM控制器的数据采集卡的输入端连接，电网电压整形电路的输出端与PWM控制器的外部中断接口连接，PWM控制器的输出端与逆变驱动电路的输入端相连接，逆变驱动电路的输出端与逆变电路相连，逆变电路通过滤波电路和并网开关接入三相电源系统母线，计算机与PWM控制器的JATG口连接。
全文摘要
本发明涉及一种基于PWM技术产生电动机任意机械特性的方法和装置，包括三相异步电动机、与三相异步电动机同轴连接的直流发电机、逆变电路及其交流电机数字控制电路和计算机。本发明通过软件对逆变器的控制规律的把握和改变，可以实现以电动机为主要代表的综合负荷的任意机械特性，克服了传统负荷建模的单一性、实验室实现困难的缺陷；通过综合负荷的任意机械特性的模拟与方案的实现，不仅可以有条件分析任意负荷模型对电压稳定的影响，而且可进一步地利用综合负荷的任意机械特性分析与研究电力系统的安全与稳定。
文档编号H02J3/00GK1764058SQ200510019540
公开日2006年4月26日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者陈允平, 翁利民, 刘琨 申请人:武汉大学