智能控制感应式交通灯（精选8篇）
智能控制感应式交通灯 篇1
1 引言
在城市交通中,交通灯信号是管理交通网络的最重要元素之一。我国的国情是[1]:城市交通基础设施建设速度跟不上迅速增长的交通需求、出租车和私人小汽车迅速增加、轨道交通开始起步、交通管理技术水平低等,导致交通拥挤、交通事故、环境污染、以及能源燃料浪费等问题。以北京市为例,近几年来,北京的汽车拥有量每年平均递增率超过15%,个别年份甚至接近20%,而道路长度和道路面积的年平均增加率分别仅为1.2%和3.7%,给交通带来巨大压力。目前城市十字路口的红绿灯,有两种缺陷:
(1)在交通拥挤的大流量和交通正常时的普通流量采用相同的红绿灯信号周期T(信号灯表示绿、黄、红一个循环(从绿灯开始到下一次绿灯开始为止)所需的时间称为周期长T,以秒为单位表示,是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数),导致某十字路口在交通拥挤的大流量时信号周期T太短,造成交通东西和南北方向均阻塞即为交通点阻塞,如不及时采取措施,就会引起交通道路某条线,甚至面的局域瘫痪。
(2)一般根据路口车辆的多少预设固定的红绿灯信号绿信比。(绿信比是指在一个信号周期内绿灯时间分配给各个入口引道信号的比例,可表示为:λ=G t/ T,绿灯时间为G t,λ为该入口引道信号绿信比) 但固定信号绿信比会导致有些方向车辆早已通行完,而另外方向车辆排长队等待绿灯,致使交通效率大大降低。
针对以上情况,本文设计了一种新型无线十字路口交通灯智能动态感应控制系统。设在十字路口的主机无线收发东西南北公路的车流信息(由四个从机时时检测采集),计算优化改变交通灯的定时时间包括信号周期和信号绿信比,动态调节各方向(包括直行及左右转弯等)的通行时间。
2 系统描述
2.1 系统主要功能具体实现
(1)能显示十字路口东西、南北两个方向的红、黄、绿的指示状态。用两组红、黄、绿三色灯作为两个方向的红、黄、绿灯。变化规律为:东西绿灯,南北红灯->东西黄灯,南北红灯->东西红灯,南北绿灯->东西红灯,南北黄灯->东西绿灯,南北红灯……依次循环。
(2)能实现正常的倒计时功能。用两组数码管作为东西和南北方向的允许或通行时间的倒计时、显示。交通拥挤的大流量采用信号周期T为120s,显示时间为红灯55s、绿灯60s、黄灯5s。普通流量采用信号周期T为60s,显示时间为红灯25s、绿灯30s、黄灯5s。
(3)当某一方向上的车流量较大时延长该方向上绿灯时间,另一方向上缩短绿灯时间,以增加该方向上车辆的通行,减少拥塞。即动态调节某方向的绿信比,信号周期T不变。例如交通大流量时东西方向显示时间为红灯35s、绿灯80s、黄灯5s,南北方向显示时间为红灯80s、绿灯35s、黄灯5s,信号周期T为120s不变。
(4)能进行人机对话,人工调节信号周期和信号绿信比。
(5)具有监测大流量公路的事故信息和纪录车流量的历史资料等功能。
(6)能实现紧急状态处理的功能和实现系统整体复位功能。
2.2 系统硬件实现
如图1无线十字路口交通灯智能控制系统框图所示,由设在十字路口的主机和设在东西南北方向距离十字路口为300m-600m左右的公路上的从机,通过无线射频收发模块构成一个远距离的典型的多机通讯系统。主从机均选用PHLIPS公司生产的P89C66X单片机作为系统的核心微控制器。 P89C66X单片机有4个8位I/O口端,3个16位定时器/记数器,1个复用源,4个优选级嵌套中断结构,1个强大的UART和片内振荡器以及时序电路。P89C66X单片机增加的特征使其成为一个强大的控制器。我们选用其简练的I2C总线技术外扩I/O口,采用PCF8574A芯片驱动显示器和键盘,选用存储器I2C器件E2PROMAT24C128等[2]。主机外设为键盘、显示屏、红绿灯驱动控制、存储器、无线收发模块等。从机外设为车辆检测系统输入模块、无线收发模块、键盘显示等。主机在设定的采样时间120s内分别无线采集东西南北方向从机采集的车流量,经过计算比较,及时得出改变当前十字路口的交通灯的信号周期和信号绿信比。从机的任务为现场检测监控且无线接受主机命令,发射当前车流量工作。
3 从机硬件设计
图2为东西南北方向从机硬件设计框图。由P89C66X单片机、射频收发模块PTR2000、环形线圈(LD ) 传感器及其预处理电路组成。
3.1 车辆检测系统
3.1.1 环形线圈(LD )传感器[3]
检测车流可利用环形线圈(LD )传感器,其主要部件是埋设在公路下几厘米深处的环状绝缘电线, 如图3,环形线圈(LD )传感器原理图所示,当车辆通过LD 上方时,涡流效应会使LD电感量发生变化, 即车辆接近LD 时,电感量减小,车辆离开LD 时,电感量又恢复到没有车辆通过时的数值。因此检测电感量的变化便可得知车辆通过的情况。如果将LD作为振荡电路中谐振回路的电感,当LD的电感变化时,振荡频率会发生相应的变化,这样,只要检测振荡频率的变化即可得知车辆通过的情况。
一般是利用频差计算法来测量频率的变化量,但环形线圈存在的问题:①由于环形线圈的工作频率最大范围为(20~180kHz) ,如果临近的环使用相同的频率,则可能出现频率耦合,发生串扰,使所需的参数无法准确地检测。此外,环形线圈产生的高频振荡磁场,对无线电波及其附近的电磁仪表有干扰,因此,这就要求环形线圈的工作频率只能在一个相对窄的特定范围内。②当交通繁忙时或因外部环境的干扰、元器件参数的漂移等而引起振荡器频率的变换时,会出现漏计数和多计数的问题 ,影响所得数据的准确性。解决办法是采用锁相环预处理电路,在没有车辆经过时实现频率跟踪,同时将振荡器频率变换量转换成电压的变化量,用于判断车辆通过的情况。
3.1.2 利用集成锁相环设计的预处理电路[4]
本系统采用CD4046集成锁相环,它由线性压控振荡器(VCO )、两个独立的鉴相器(PD)以及一个射随器组成。由于内部的VCO不需要外接电感,因此在本系统不采用CD4046 集成锁相环内的压控振荡器。而采用外接集成压控振荡器MC1648,其LC谐振回路由外设LD 线圈和外接电容组成。外接电容由一个固定电容C 和两个背靠背的变容二极管组成,可获得比较大的可控范围。同时,在电路板上加屏蔽措施以减少外界干扰,采用稳性好的直流电源以减小电源波动的影响。鉴相器PDII 是鉴频鉴相器,利用PDII,环路一旦入锁输出将处于高阻状态,无源低通滤波器的电容C无放电回路,鉴相器相当于具有极高的增益,输入信号和输出信号可严格同步。利用锁相环设计的车辆检测系统框图如图4,利用锁相环设计的车辆检测系统框图所示。
输入信号Ui(t)由频率稳定度高的晶体振荡器产生,经分频得到一个大小与压控振荡器的振荡频率(LD内无车辆通过时)相同的标准频率信号。因CD4046中的鉴相器PDII是对数字信号进行比较 ,它比较输入信号Ui(t)和压控振荡器输出信号Uo(t)之间的相位差,从而产生误差电压来调整压控振荡器的频率, 实现频率跟踪。同时将频率变化量转变为电压变化量Uf,用于鉴别是否有车辆通行,利用锁相环设计的车辆检测器具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点, 即使在交通最繁忙时间,也能保证检测无误。当有车辆通过LD时,环路滤波器输出的电压信号Uf会增加,控制VCO的频率变化,使其与输入信号频率相等。同时将Uf与电压比较器的参考电压Uref 进行比较, 产生一个脉冲信号输送到单片机的计数器进行计数。合理地选取参考电压Uref值,可减小因干扰引起的VCO 频率变化而产生多计数的问题。
3.2 无线收发芯片设计
本设计选用的无线数据传输模块为PRT2000,它是一种超小型、低功耗、高速率的无线收发数据模块。该芯片使用了433MHz IGM频段,是真正的单片UHF无线收发一体芯片。PTR2000通信速率最高可达20kbit/s,也可工作在其他速率,如4800bit/s、9600bit/s。PTR2000采用了低发射功率、高灵敏度设计,可满足无线管制的要求且无须使用许可证,是目前低功率无线数据传输的理想选择。正确地设置工作模式对于使用PTR2000模块至关重要,对于PTR2000模块而言,它的工作模式设置主要包括工作频道的设置和发送、接收 、待机状态的设置,这由TXEN、CS、PWR三个引脚共同决定,如表1所示。PTR2000与单片机P89C66X的接线如图2,可把PRT2000看作单片机的串口外设。PRT2000模块的Do,DI(数据输出,输入端)引脚接单片机的RXD及TXD进行串口数据传输。PRT2000模块的PWR引脚和TXEN引脚分别与单片机的两个I/O口相接,由程序控制。PRT2000模块的CS引脚接地。即系统工作在433.92MHz频道。
4 主从式多机串行通信[2,6]
4.1 主从式多机串行通信过程
在本系统中,单片机之间的数据通信采用通过PRT2000无线主从式多机通讯串口通信模式。主机负责发送从机地址、控制命令及调度,从机负责收集公路现场车流信息,进行一定的数据处理,根据主机的要求返回数据,并执行主机发出的命令。从机不主动发送命令或数据,一切都由主机控制。由于发送和接收共用同一物理信道,因此在任意时刻只允许一台从机处于发送状态。只有被主机呼叫的从机才能占用总线,应答主机。每台从机均分配有一个唯一的从机地址。主机与从机通信时,主机先呼叫某从机地址,唤醒被叫从机后,主、从两机之间进行数据交换,而未被呼叫的从机则继续处于等待状态。为了完成上述功能需通过设置单片机的串口控制寄存器SCON来实现,在此将单片机设置在工作方式3,即SM0=1、SM1=1。通信的数据格式为每帧11位,包括1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位和1 位停止位。片内定时器T1作为波特率发生器,选择传送的波特率为1200bit/s,则定时器T1的初值应设置为TL1=TH1=E8H,另外应禁止定时器T1中断,以免因定时器T1溢出而产生不必要的中断错误。当主机发送一帧地址信息时,应保持这帧数据的第9位TB8 为“1”;发送一帧数据信息时,应保持这帧数据的第9位TB8为“0”;所有从机最初均处于接收状态,即SM2=1状态,当接收帧数据的第9位为1时,所有从机均产生中断,接收这一帧地址数据并与各自的从机地址进行比较,以判断主机是否要与本机通信。当某一从机接收到的地址数据与该从机地址相等,则该从机为被呼叫从机,该从机将串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2清零,去接收主机发来的数据帧(数据帧的第9 位为0) ,此时不管接收到的第9位数据是否为1,都要产生串口中断,从而保证了主机与被叫从机间的正常数据通信。通信结束后,该从机又重新将串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2置为1,为下一次与主机进行通信做好准备其他从机则一直在SM2=1下继续等待,不会受到其他从机与主机通信的干扰。
4.2 通信协议中控制命令代码自定义
主机发送的控制命令代码定义如表2所示。为了实现多机通信,所有发射电路的振荡频率和所有接收电路的振荡频率都必须一致。为保证正常通信,数据传送方向必须为半双工传送,收发器在发射时必须屏蔽自己的接收中断,发射结束后再开放。
5 系统软件设计
该系统软件设计主要包括主机软件和从机软件两部分。其主机(十字路口单片机)的主程序和定时器T0(120秒定时)流程如图5所示。INTO外部中断为执行各个按键的散转程序(略)。从机的软件功能为在串口中断程序中完成与主机的握手通信传送数据,执行主机命令在采样时间内采集车流量等功能,程序流程图此处略。
6 结束语
应用于无线十字路口交通灯智能控制系统具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、通信可靠性高的特点。借助无线模块,完成对东西南北各方向的车流实时检测和控制,优化十字路口交通灯的配时,大大提高了车辆通行和公路利用效率,而且采用集成锁相环设计的感应车辆检测系统,准确度高并杜绝了漏计数和多计数的问题。本文提出的通信协议能够在多台单片机间安全地传送数据,实现了通信双方非接触式的数据传送。
参考文献
[1]秦建新.基于Linux的智能交通灯控制器设计[硕士学位论文].上海:上海交通大学,2008.
[2]周立功,夏宇闻.单片机与CPLD综合应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3]林薇,关可.锁相环在车辆检测器中的应用.西安公路交通大学学报,1999,19(1):95～96
[4]宋国峰等.锁相环集成电路CD4046及其在车速信号测量中的应用.潍坊学院学报,2006,29(8):38～41
[5]侯卫民,蒋景红.基于FPGA的数字锁相环的研究与实现.微计算机应用,2008,29(8):95～98
[6]求是科技编著.单片机典型模块设计实例导航.北京:人民邮电出版社,2003.
智能控制感应式交通灯 篇2
感应电动机智能软启动器研究
作者：薛晓 李昊伦
来源：《现代电子技术》2012年第20期
摘要：为了解决三相异步电动机起动电流较大的问题，采用了一种软起动模糊自适应控制器。据其起动特性，将电流误差和误差的变化率作为输入量，晶闸管的控制角作为输出量，设计出一种自调整比例因子的模糊自适应控制算法。随后做了Matlab环境下的仿真实验，并且与常规的PID控制方法和常规模糊控制方法进行比较，得到了模糊自适应控制算法具有优越性的结论。
关键词：软起动； 异步电动机； 模糊自适应； Matlab
T型路口全感应交通控制器的设计 篇3
关键词：EDA,VHDL,交通控制器
1 系统设计要求与分析
信号相位简称为相位,是指在一个交叉口某个方向上的交通流(或几个方向上不冲突的交通流组合)同时得到交叉口通行权(即该方向上的信号灯为绿色)的一个或几个交通流序列组。一个周期内有几个信号相位,则称该信号系统为几相位系统。“T”型路口相位的划分如图1所示,西路段上存在右转交通流,不存在左转交通流;东路段上存在左转交通流,不存在右转交通流;南段路上存在向北左转交通流和向北右转交通流。所有右转交通流不会与其它交通流发生空间上的冲突,所以不予控制,西路段向东交通流跟东路段向西的交通流可以共用一个相位,东路段的交通流不需要单独的相位进行控制,“T”型路口相位的划分只考虑三个相位[1],如图1所示。
A为东西相位,B为由东向西左转相位,C为南向北左转相位,所有的右转交通流不予控制,在设计时只需考虑对A、B、三个相位的控制即可。A相位的交通流可分为直行和右转,只需两个指示灯就能实现交通流的分流;B相位的交通流可分为直行和左转,也需要两个指示灯对交通流进行分流;C相位的交通流可分为右转和左转,也需要两个指示灯对交通流进行分流,所有右转交通流在空间上不会与其它交通流发生交叉,不需要单独进行控制,右转交通指示灯常保持绿色。
为了提高“T”型路口的车辆通行效率,减少绿灯放空时间,根据以上分析做出以下要求:
1)在A、B、C三个相位都有车的情况下,控制模块根据预先设定的相位顺序和周期自动轮流转换,按预定方案运行。
2)在A相位计时已到B相位没车、C相位有车的情况下,系统直接跳转到C相位;在B相位计时已到,C相位没车的情况下,系统跳转到A相位;在B、C都没车的情况下,A相位处于允许通行状态。
3)交通灯亮的时间以倒计时形式通过数码管显示出来。
2 具体设计方案
根据以上分析,“T”型路口共归纳出六种状态,在设计时采用状态机仍然是最佳选择,控制模块根据系统时钟和传感器信号决定状态的转换、跳转。正常情况下(三个相位都有车),六种状态依次转换,其它情况下系统根据传感器扑捉到的信号进行状态的跳转。六种状态分别是:1)A向绿灯,B向红灯,C向红灯;2)A向黄灯,B向红灯,C向红灯;3)A向红灯,B向绿灯,C向红灯;4)A向红灯,B向黄灯,C向红灯;5)A向红灯,B向红灯,C向绿灯;6)A向红灯,B向红灯,C向黄灯。A相位的红灯、黄灯、绿灯分别用AR、AY、AG表示;B相位的红灯、黄灯、绿灯分别用BR、BY、BG表示;C相位的红灯、黄灯、绿灯分别用CR、CY、CG表示。用“1”表示灯亮,用“0”表示灯灭。
根据T型路口配时方案分析,设定A向红灯36秒,绿灯25秒,绿灯与红灯之间有3秒的黄灯作为过渡;B向红灯为28秒加上18秒合计46秒,绿灯15秒,黄灯3秒;C向红灯28秒加上18秒,绿灯15秒,黄灯3秒。系统周期是每个相位红灯时间、绿灯时间、黄灯时间之和,合计为64秒。具体配时方案如表1所示。
控制模块的工作流程如图2所示。
3 主控模块设计
主控模块是系统的核心,它的作用是根据传感器和定时信号判断、调整和控制整个系统的状态,并控制定时电路工作,提供适当的灯光控制信号。正常情况下(A、B、C三个相位都有车)六种状态依次转换,其它情况下系统根据传感器扑捉到的信号进行状态的跳转。状态转换如图3所示。
1)状态说明
St0:A向绿灯,B向红灯,C向红灯。
St1:A向黄灯,B向红灯,C向红灯。
St2:A向红灯,B向绿灯,C向红灯。
St3:A向红灯,B向黄灯,C向红灯。
St4:A向红灯,B向红灯,C向绿灯。
St5:A向红灯,B向红灯,C向黄灯。
2)主控模块的输入输出信号定义
CLK:INPUT系统时钟信号。
REST:INPUT统复位信号,高电平有效。
SA:INPUT A相位传感器信号,“1”表示有车,“0”表示无车。
SB:INPUT B相位传感器信号,“1”表示有车,“0”表示无车。
SC:INPUT C相位传感器信号,“1”表示有车,“0”表示无车。
AG:OUTPUT A相位绿灯。
AY:OUTPUT A相位黄灯。
AR:OUTPUT A相位红灯。
BG:OUTPUT B相位绿灯。
BY:OUTPUT B相位黄灯。
CG:OUTPUT C相位绿灯。
CY:OUTPUT C相位黄灯。
CR:OUTPUT C相位红灯。
3)主控模块的VHDL设计
当进行状态转换时,定时器必须清零,此时状态标志位clr为0,en为0;保持状态时,定时器一直进行定时,此时状态标志位clr为1,en为1。
4)主控模块仿真
图5为主控模块仿真波形图(局部)。
仿真结果表明主控模块实现了六种状态的依次转换及根据传感器获得的信号进行状态的跳转,符合设计要求。
4 25秒计时模块
1)25秒计时模块的输入输出信号
CLK:INPUT系统时钟信号。
SA:INPUT A相位传感器信号。
EN25:INPUT计时器开始计时的使能信号。
DOUT25A:OUTPUT A相位8位输出。
DOUT25B:OUTPUT B相位8位输出。
DOUT25C:OUTPUT C相位8位输出。
2)25秒计时模块的VHDL设计
3)25秒计时模块的仿真
图7为25秒计时模块仿真波形图。
5 系统整体组成
系统整体组成[2]如图8所示,由14个单元电路组成,图中的14个单元电路分别为交通控制单元JTKZ3:根据东西直行相位、由东向西左转相位、由南向北左转相位的传感器信号SA、SB、SC以及来自时基发生电路的时钟信号CLK,发出指示灯的控制信号,同时向各计时单元、显示控制单元发出使能控制信号EN25A、EN15B、EN15C、EN03A、EN03B、EN03C;25秒、15秒、3秒计时单元CNT25S、CNT15SB、CNT15SC、CT03SA、CT03SB、CT03SC:根据SA、SB、SC、CLK及JTKZ3发出的有关使能控制信号EN25A、EN15B、EN15C、EN03A、EN03B、EN03C,按要求进行计时,并将其输出传送到显示控制单元;显示控制单元XSKZ4:根据JTKZ3发出的有关使能控制信号EN25A、EN15B、EN15C、EN03A、EN03B、EN03C选择计时单元CNT25S、CNT15SB、CNT15SC、CT03SA、CT03SB、CT03SC的输出并将其传送到各个译码单元;译码单元YMQ:将显示控制单元XSKZ4的输出作为输入并进行译码,并向有关数码显示管发出显示驱动信号。
如图8所示,图中共使用了六个译码单元,每两个单元一组,分别对应于各个相位定时单元输出的高4位、低4位,译码单元将显示控制单元的输出作为输入,将输入的4位二进制数译码为驱动7段数码管的显示信号。
6 系统整体仿真
图9为T型路口交通控制器的仿真波形图(局部)。
从图9可以看出,系统根据传感器的信号值的不同,实现了六种状态的依次转换及跳转,实现了灯色的控制及倒计时显示,验证了设计的正确性。
参考文献
[1]赵丹.逻辑控制在交通灯上的研究与应[D].湖北:武汉理工大学,2008.
智能控制感应式交通灯 篇4
随着“两网改造”工程的实施, 人们已经研制出了各种各样的电能信息自动采集与管理系统, 电力系统的自动化管理需要对脉冲进行采集。我国原有的感应式电度表功能单一, 已不能适应电力系统自动化管理的需求, 电度表是整个系统的基础部分, 它的选择是关系到系统成败的关键之一。由于电子式电度表的抗雷击、寿命、可靠性等性能有待进一步考验, 感应式电度表的用量最大, 其可靠性已由长期运行实践证实[1], 因此研究感应式电度表改造为脉冲表的方法, 在提高电能管理的现代化水平、推动社会发展等方面都具有非常重要的意义。
2、感应式电度表的工作原理
传统的电度表通常称为感应式电度表, 当电度表接入电路中时, 三部分相位角相互间隔90o且不同空间位置的磁通将穿过铝盘, 不断变化的磁通, 使电度表中的电压元件和电流元件在铝盘上产生交变的移进磁场, 进而产生感应电流即涡流, 与交变磁场相互作用产生电力磁矩, 它就是以此电力磁矩为动力来驱动由齿轮组、蜗轮、蜗杆等元件构成的传动装置, 从而带动转动式机械计度器的滚轮组来反映铝盘的转数, 记录出负荷在一定时间内所消耗的电能量。由于工作磁通总是不断地随周期变化, 在铝盘上产生的移进磁场也不断产生作用, 使铝盘不断地转动, 从而使计度器不断地工作。铝盘的转数N与负载功率W和时间t成正比, 满足:
其中N为铝盘的转数, A=Pt为负载在时间t内消耗的电能 (单位为:K W·h) , C为电能表常数 (单位为:r/K W·h) 。
因此, 可用机械计数器滚轮组上的数字显示累计电能的大小。显然, 传统的计数器结构是不能满足电能信息自动化管理系统的要求的。为实现电能信息的自动化管理, 就必须借助相应的传感器将电能消耗变为脉冲, 并由传感器接口电路将信息传送到由C P U为核心组成的最小计算机系统。
3、感应式电度表的改造
目前, 把感应式电度表改造为脉冲电度表常用的方法主要有:
(1) 将铝盘局部涂黑, 利用反射式光电传感器把电能消耗转换为脉冲[1]。
(2) 在铝盘上加工一狭缝隙或小孔, 利用透射式光电传感器把电能消耗转换为脉冲[1]。
(3) 将铝盘改制为红外光栅盘, 利用反射式红外光电传感器把电能消耗转换为脉冲[2]。
虽然这些方法都能将电能消耗转换为脉冲量输出, 但它们都对电度表的内部结构进行了不同程度的改变, 从而使电度表的精度、可靠性等参数发生了变化, 若要再次使用, 必须对它们进行校正, 否则就不能为电力管理部门提供可靠、准确的数据, 结果会造成一定的损失。
我们采用对射式光电传感器对感应式电度表进行改造, 无需对原有电度表的内部结构进行任何改变, 即可完成电能到脉冲的转换。利用对射式光电传感器既能保证设备的先进性、经济性, 又能保证其计量的可靠性、准确性。
3.1 电度表的改造原理
对射式光电传感器[3]是将发光元件与接受元件分离, 发光元件与接收元件分别安装在被测物体通过路径的两侧, 当有检测物体通过时光路被挡, 接收元件动作, 就会发出一个控制信号。
对射式光电传感器具有结构紧凑、可靠性高、不易受干扰、感应距离远、反映速度快、使用寿命长、安装方便等优点, 非常适用于对感应式电度表的改造。把感应式电度表齿轮 (该齿轮为铝盘和计度器之间且紧靠计度器的齿轮) 的转动变为脉冲的原理[4]如图1所示。
3.2 电度表脉冲产生电路模块
感应式电度表的脉冲产生电路如图2所示。把对射式光电传感器按照图示的方式放置, 发光元件与接收元件分别安装在齿轮通过路径的两侧。铝盘转动时, 带动相应的齿轮转动, 当齿轮的主轴通过光电传感器时, 发光二极管发出的光被挡, 光电三极管截止, 其集电极输出高电平;反之光电三极管的集电极输出低电平。在铝盘转动的过程中, 光电三极管周期性的截止、导通, 从而形成脉冲。该脉冲先经过由C和R构成的滤波电路, 干扰信号被滤除;然后送至由LM311、220K电阻等元件组成的施密特触发器进行脉冲整形, 从而输出一定幅度的标准矩形波[5,6];最后经光电耦合器输出, 实现了以光为媒介的电→光→电信号转换传输, 解决了电源和传输线的干扰问题, 从而输出稳定、清晰、准确的脉冲。这种电度表脉冲产生电路在现代网络化、数字化、自动化的系统中具有广泛的应用。
4、结语
同其它脉冲转换电路模块相比, 以对射式光电传感器为核心的脉冲转换电路模块设计更为优化, 电路简单、清晰、工作可靠、驱动能力强、传输效率高、抗干扰能力强、成本低廉、易于安装, 很好地满足了电能信息自动管理系统的要求。经过应用实践证明, 该方法是切实可行的, 具有极其广阔的应用前景。
摘要：在对感应式电度表进行研究、分析的基础上, 介绍了一种将感应式电度表改进为脉冲电度表的转换电路模块, 该模块工作可靠、成本低、体积小, 可方便地置于感应式电度表中。这种设计方法具有很高的使用价值, 满足了电能信息自动化管理系统的要求。
关键词：感应式电度表,脉冲电度表,光电传感器
参考文献
[1]梁福平, 刘国中.传感器在电能表自动抄表系统中的应用[J].北京机械工业学报, 1998, 13 (4) :1-5.
[2]孙建设.电表脉冲数传仪[J].传感技术学报, 2005, 18 (3) :646-649.
[3]余成波, 胡新宇, 赵勇.传感器与自动检测技术[M].北京:高等教育出版社, 2010:61-77.
[4]郁有文, 常见, 程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2009:50-78.
[5]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 2011:112-457.
感应电机自适应电流解耦逆控制 篇5
在高性能感应电机(IM)应用中,矢量控制[1]可以获得较高的控制性能,它包括速度和电流控制,其中电流控制的好坏直接影响整个系统的精度。传统的反馈控制,不能同时使系统镇定、系统动态控制、系统扰动消除达到最优。而自适应逆控制[2]则恰恰解决了反馈的这一缺陷,它利用被控对象传递函数的逆模型作为串联控制器来对系统的动态特性作开环控制,从而避免了因反馈而可能引起的不稳定性问题,自适应逆控制方法已经越来越多地应用于各种科研和生产场合[3,4,5]。
感应电机是多输入多输出、多变量、强耦合的系统,这给电机的控制增加了难度,文献[6]巧妙地将电机模型转换后,使每个矩阵有了具体的物理含义,从而实现了电机dq轴定子电流模型的解耦,大大简化了模型的复杂程度。但电机长期运行时,某些参数会发生改变,使电机模型变得不再准确,传统控制方法的控制精度也大打折扣。为了降低控制器对电机参数的敏感性,采用能够进行在线学习的自适应逆控制算法,克服反馈控制缺点的同时,提高了控制器的鲁棒性。
2 感应电机模型
由鼠笼式感应电机模型在两相同步旋转轴系中的电压方程和磁链方程可得其状态空间方程为[7]
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其中,
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电磁转矩方程:
Te=pLm(iqseidre-idseiqre) (2)
运动方程:
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各参数含义如下:udse,uqse分别为d轴和q轴定子电压;idse,iqse,idre,iqre分别为定子和转子电流;Rs,Rr是定子和转子电阻;ωe为同步角速度,ωr为转子角速度;Ls,Lr,Lm,LrlLsl,分别为定子电感,转子电感,互感,转子漏感和定子漏感;J为转动惯量;P是感应电机极对数;Te,Tl为电磁转矩和负载转矩。
经简化和变换,(1)式又可写成
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文献[6,7]将方程中的矩阵赋予具体的物理含义后进行解耦,得到感应电机定子侧dq轴相同的传递函数:
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3 定子电流自适应逆控制
感应电机模型解耦后,得到了一个较为简单的一阶传递函数,可以用多种方法实现电流控制。但这个传递函数是强烈依赖于电机的Rs,Ls,Lm等参数的,而这些参数随着温度、速度及电磁饱和等因素的变化发生改变,这就使得传统电流控制的效果大打折扣。为了提高电机电流控制对电机参数变化的鲁棒性,采用自适应逆控制策略,可得到一个随参数变化而进行在线自我调整的控制器。
3.1 结构
由于定子电流已实现解耦,因此可以对dq轴的电流分别进行控制。当电机参数随时间改变时,式(5)所描述的电流模型也会随之改变,因此,将该模型看做一个黑匣子,假设其内部结构是未知的,进而对该匣子建模和逆建模。感应电机电流自适应逆控制结构如图1所示,(a)图为电机模型建立及电流控制结构图,(b)图为控制器建立结构图。
3.2 控制算法
首先对这个“未知”的控制对象建模,如图(a),暂不考虑虚线框内的控制器。对象模型选为一个有限脉冲响应的FIR滤波器,则调整滤波器权系数到合适的值就可建立对象模型。
假设权值向量和第k个输入向量分别是:
W=[ω1,ω2,…,ω1,…,ωn]T
和 Xk= [x1k,x2k…,xlk,…,xkn]T
则滤波器的第k个输入向量的输出值为:
Yk=XTkW (6)
因此可以通过调节权值W使输出达到期望值,而LMS(最小均方)算法的调节原则就是使由实际滤波器输出与期望输出产生的误差信号εk达到均方最小,所以
Wk+1=Wk+α(-∇k)=Wk+αεkXk (7)
其中α是收敛因子,控制了算法的稳定性和自适应速率,一般要求
undefined
且ℝ=E[XkXundefined]是自适应滤波器的输入相关矩阵[8]。
由此就得到了一个最优的最小均方差意义上的对象模型,然后以相似的过程通过(b)结构的逆建模过程可得到一个最优的最小均方差意义上的对象逆模型,此时就可以把这个逆模型作为控制器应用于图(a)中控制对象的输出,使其跟踪参考输入信号。
4 仿真试验
为了验证上述算法的有效性,通过MATLAB进行计算机仿真,仿真所用的电机参数如下:Rs=0.0396Ω ,Rr=0.0544Ω ,Lsl=Lrl=2mH,Lm=89mH,p=4,采样时间为0.1s,d轴参考电流2.5A,q轴参考电流为幅值3A,周期4s,占空比0.5的方波。建模和逆建模时学习率均选为α=0.2。控制器的精度在很大程度上取决于被控对象模型的精度,图2为对象建模误差平方曲线,可以看出模型的精度很高。逆模型的精度可以通过观察被控对象与逆模型脉冲响应的卷积来评价,卷积越接近于1,精度越高,由图3可以看出,该卷积几乎为1。t=0.1s时给定d轴阶跃参考电流,电机输出情况如图4所示,在经过0.1s的延迟后,能够很好地跟踪给定信号。为了检验控制器对参数的鲁棒性,在t=2s时,将定子电阻变为原来的1.5倍,结果如图5所示,输出电流几乎不受影响,可见,该控制器对参数变化具有较强的鲁棒性。为了检验该算法对突变电流信号的跟踪能力,q轴参考电流选为方波信号,图6的仿真结果表明,跟踪情况良好。
5 结论
本文在对多变量、强耦合感应电机解耦的基础上,利用自适应逆控制算法,提高了控制器对电机参数变化的鲁棒性,达到了对感应电机的电流控制的目的,仿真结果验证了该方法的有效性。
参考文献
[1]陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,1998.
[2]B.Widrow,E.Walach.Adaptive inverse control[M].NJ:Prentice Hall,1996.
[3]Shen Shuguang,Wang Guangjun.“Adaptive inverse control ap-plication on thermal system based on least squares support vec-tor machine,”Asia Simulation Conference-7th International Conference,pp.1026-1030,Oct.2008.
[4]Chou T.-Y.,Liu T.-H.,Cheng T.-T..“Design and implementation of an adaptive inverse controller for a micro-permanent magnet synchronous motor control system,”.Elec-tric Power Applications.vol.3,no.5,pp.471-481,Sep-tember2009.
[5]Guang Zeng,Peng Lu,Yanmin Su,Jinggang Zhang.“Re-search on adaptive inverse control strategy for Static Var Com-pensator,”IEEE Trans on Power Electronics and Motion Con-trol Conference,pp.2394-2397,May2009.
[6]KAWABATA Y,KAWAKAMI T,SASAKURA Y,et al.“New design method of decoupling control system for vector controlled induction motor,”IEEE Trans on Power Electronics,vol.19,no.1,pp.1-9,2004.
[7]程金路,张承进,张承慧.感应电机自校正解耦电流控制,山东大学学报(工学版),vol.35,no.2,pp.56-60,April2005.
谈智能化系统的感应雷防护 篇6
智能建筑是计算机技术、通信技术及信息技术等系统集成的现代化建筑,建筑物内微电子设备采用最新的网络技术为用户提供信息服务。这些微电子设备普遍存在着绝缘程度低,对过压耐受能力差的致命弱点,一旦遭雷电干扰,轻则造成系统运行失灵,重则造成永久性损坏。
雷电电磁脉冲已进入新的防雷理论,国际电工委员会(IEC)将雷电电磁脉冲的防护作为标准推荐各国使用。我国于94年制定的建筑物防雷设计规范也首次把防雷电波侵入的措施作为强制性国家标准执行。
雷电是一种自然现象,它的巨大能量众所周知。几个世纪来,人类对雷击的破坏性的研究、探索和采取预防的措施,已经有了一套比较成熟的理论。雷电具有两大特点,一是幅值大,二是持续时间短。由雷电流产生的磁场是一瞬变的电磁场,这一瞬变磁场的辐射对在一定范围内的微电子设备造成干扰,又因瞬变磁场产生的电磁感应对电压与雷电流的大小及变化速率成正比,并与雷击处的距离成反比,同时雷电流极大的幅值和陡度,其感应电压可达相当高的幅值,是对微电子设备安全运行的最大威胁,其也可沿着传输线、供电线侵入、干扰甚至损坏设备。
一般说来,保护建筑物及建筑物内部设备不受雷电损害的根本办法,就是使建筑物具有一套完善的防雷设施,包括对直击雷、侧击雷和感应雷的防护三大部分。直击雷、侧击雷防护设施主要是保护建筑物本身不受雷电损害,将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散,以及减弱雷击时巨大的雷电流沿着建筑物泄入大地时对建筑物内部空间产生的各种影响;感应雷防护措施是限制、阻塞雷电脉冲沿电源线或数据、信号线进入设备,从而保护建筑物内各类电器设备的安全。目前,我国各种建筑、设施大多数仍在使用传统的避雷针防雷。用避雷针防止直接雷击实践证明是经济和有效的。但是,随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备的使用和联网,避雷针对这些电子设备的保护却显得无能为力。避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波入侵过电压,而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。基于这种情况,现对感应雷的防护措施进行描述:
2. 电源防雷
弱电设备的电源雷电侵害主要是通过低压线路侵入。我国《建筑物防雷设计规范》提出:在电气接地装置与防雷的接地装置共用或相连的情况下,当低压电源线路用全长电缆或架空线换电缆引入时,宜在电源引入的总配电柜处装设过电压保护器。但随着科技的不断发展及人们对雷电危害认识的不断提高,建筑物的电源总进线处都相应设置了浪涌保护,浪涌保护可采用三极保护的概念,三级相互配合,充分发挥各级器件的优点,以实现整体性能。第一级保护对于直接雷击电流进行泄放,或者当电源传输线路遭受直接雷击时传导的巨大能量进行泄放,对于有可能发生直接雷击的地方,必须进行CLASS-I的防雷。第二级保护是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护,对于前级发生较大雷击能量吸收时,仍有一部分对设备或第三级防雷器而言是相当巨大的能量会传导过来,需要第二级防雷器进一步吸收。同时,经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP,当线路足够长感应雷的能量就变得足够大,需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。第三级防雷器是对LEMP和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护。
3. 数据信号防雷
感应雷由通信及网络线路入侵分为两种情况:a、当地面突出物遭雷打击时,电压将邻近土堆击穿,进而击穿通信及网络线路电缆外皮,使高压侵入网络系统;b、雷云对地面放电时,在通信及网络线路上感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的网络系统设备。因此仅做好电源部分防护是不够的,还应做好信号部分的防护措施。信号保护器可采用通流容量大的粗保护与具有快速反应的细保护相结合的多级保护电路,将来自信号线路上的感应电流通过臂电支路泄放到大地。对子信息系统,分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定,细保护要根据电子设备的敏感度来进行选择。
4. 联合接地
智能化系统的接地装置利用建筑物的联合接地装置,应在各中心机房、弱电间、弱电竖井处设弱电专用接地端子,弱电系统的设备、安装金属配件、机柜和线管等均应与弱电专用接地端子可靠联结。设计时应采取以下几方面措施:
(1)智能化系统接地采用联合接地,接地电阻要求小于1欧姆。
(2)智能化系统应设置专用的接地干线,干线采用50×4紫铜排。接地干线沿桥架/线槽外侧敷设。
(3)接地干线应与建筑总等电位联接端子板、弱电机房及弱电间内的接地引出线、接地端子板/箱焊接连通。
(4)各弱电机房、弱电间应设置弱电接地端子板/箱。所有弱电设备的工作接地均接至接地端子排,再与接地干线排连接。端子板应与接地干线、接地引出线焊接连通。
(5)各弱电机房、弱电间内的弱电系统设备、安装金属配件、机柜(壳)、静电地板、金属墙身、龙骨、线管/槽等均应与弱电专用接地端子可靠联结。综合布线系统机柜接地连接线不应小于16mm2,其余设备接地连接线不少于4mm2。
(6)室外设备的防雷保护:室外设备设电源、信号避雷器,并可靠接地。
(7)弱电主机房内应按要求设置汇集铜母排。
所有防雷必须在直击雷完善的前提下进行感应雷的防护,以确保智能化系统安全、有效的进行运作。
摘要：随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备的使用和联网,避雷针对这些电子设备的保护却显得无能为力。避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波入侵过电压,而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。基于这种情况,智能化系统必须进行感应雷防护。
关键词：智能建筑,感应雷,防护
参考文献
[1]GB50057-94,建筑物防雷设计规范[s].
[2]GB50174-94,电子计算机房设计规范[s].
[3]GB7450-87,电子设备雷击保护导则[s].
智能控制感应式交通灯 篇7
平面交叉口形式简单,交通组织方便,是城市路网中最基本的交叉口形式。由于机动车、非机动车和行人都处在同一个平面内,与道路相比,平面交叉口的交通行为非常复杂,易遭受到交通环境、人流、车流的影响,尤其在大交通量情况下,会造成长时间延误,甚至堵塞,安全性能也会下降[1,2]。
平面交叉口独立信号控制多采用定周期、多时段定周期、半感应、全感应等几种方式[4]。由于交通存在着变化性和随机性,后两种方式增加了车辆检测器并根据其提供的信息来调整周期长和绿信比,可使车辆在停车线前尽可能少停车,达到交通流畅的效果。
2 单路口感应信号控制优化设计
本文选择单个路口进行感应信号控制设计,选用的路口考虑了直行、左转、右转,针对交通的实际情况,本文考虑了小车、公共汽车、重型运输车、自行车以及行人,道路上车辆构成比例合理,并且不同时段交通流量变化比较大,这样可以检验感应控制对不断变化的交通量的适应情况。
2.1 路况分析
根据感应信号控制的适应性特点,本文的路口构造见图1。
在此路口中,东进口有2个直行车道(每股车道的宽度为3 m,下同),另有1个单独的右转车道;北进口有1个直行车道,有1个单独的右转车道;南进口有1个单独的左转车道,还有1个直行车道。
2.2 行车种类及行车速度构成
针对交通的实际情况,考虑了小车、公共汽车、重型运输车、自行车以及行人。道路上车辆构成比例以及车速值见表1。
2.3 路口的交通流量
从实际情况出发,考虑了不同时段的交通量,且不同时段的交通量变化比较大,这样可以检验感应控制对不断变化的交通量的适应情况。该路口在不同时间段交通量见表2。
(veh/h)
2.4 感应控制的设计思想
此路口的感应信号控制主要有3个阶段:第1个阶段是东进口车辆直行,第2个阶段是南北向车辆直行,第3个阶段是南进口直行和左转。根据此路口的实际情况,各个阶段是依次给予通行权的,首先是第1阶段,然后是第2阶段,最后是第3阶段,各个阶段之间没有跳跃。具体设计思想如下:
(1)阶段1(stage_1),东进口首先给与绿灯,保证其7 s绿灯时间。
东进口信号灯在达到最小绿灯时间后,检测时间t是否在时间区间[2,50]内,如果不在此区间,则将阶段1和阶段2进行交换,即南北直行放绿灯,东进口改变为红灯。当检测到时间t在时间区间[2,50]时,且时间在时间区间[40,50]内,则判断东进口是否有车辆到达。如果东进口有车辆到达,则东进口绿灯信号维持不变,如果没有车辆到达,则阶段1和阶段2进行交换,即南北直行放绿灯,东进口改变为红灯。
(2)阶段2(stage_2),南北直行给予通行权。
阶段2持续时间达到5 s时,将进行信号转换(需要说明的是,阶段2持续5 s并不是绿灯持续时间为5 s,此阶段绿灯实际显示时间是15 s),由阶段2转到阶段3。
(3)阶段3(stage_3),南进口直行、左转给与通行权。
此阶段首先要保证其4 s绿灯时间。当信号灯达到最小绿灯时间后,检测时间t是否在时间区间[70,90][0,5]内,如果不在此区间,则将阶段3和阶段1进行交换,即给与南进口直左红灯,给予东进口直行绿灯。当检测到时间t在时间区间[70,90]和[0,5]时,且时间在时间区间[80,90]和[0,5]内,则判断南进口是否有车辆到达。如果南进口有车辆到达,则南进口直左绿灯信号维持不变,如果没有车辆到达,则将阶段3和阶段1进行交换,即给与南进口直左红灯,给予东进口直行绿灯。
2.5 感应器的铺设
感应器有环形线圈、超声检测器、红外检测器等[6],如图2所示。当车辆的前端靠近感应器时,感应器会向信号控制器发送一个脉冲,当车辆的未端离开感应器时,感应器会向信号控制器发送另外一个脉冲。这些信息最终将由信号控制逻辑(signal control logic)来解译。针对论文提出的感应信号控制的设计思想,路口运用了大量的感应器,此路口周围的感应器位置及其标号见图2。
此路口设置的感应器有感应器6、41、42。感应器6是为了检测路口南进口是否有车辆驶来,距离停车线33 m;感应器41、42是为了检测东进口是否有车驶来,距离停车线33 m。
2.6 路口的定时控制设计
路口的定时控制相位、相序图见图3,定时配时结果参考文献[2]。
3 仿真分析
针对不同的交通量,取4个不同时间段进行评价,这4个不同的时间段分别是900～1 800 s、1 801～2 700 s、2 701～3 600 s、3 601～4 500 s。在这4个时间段中,主干道的交通量依次增加。程序运行4 800 s,取900～4 500 s之间的数据进行评价,这是因为开始时间段道路上没有车辆,前900 s将不进行分析,因而可以确保数据的真实性、科学性。
运行VISSIM软件,在3D模式下,感应控制运行效果见图4。由于要对车辆平均行程时间、平均延误进行评价分析,所以需要输出下列文件:*.RSZ文件(用于评价车辆平均行程时间)、*.VLZ文件(用于评价车辆平均延误时间)。
3.1 行程时间的评价
在得到行程时间评价所需要的数据之前,首先需要在路图中设定行程截面(Travel time section)。见图5。
在道路的定时控制和感应控制中,测量地点和测量的距离都完全相同。图5为测试断面的大体位置,相同标号组成一个测试断面。截面3(No.3)距离285.1 m,截面4(No.4)距离298.9 m,截面5(No.5)距离240.1 m。
运行VISSIM软件,可以得到*.RSZ文件。不同控制方式在不同时间段的行程时间见表3。
从表3中可以看出,不论交通量如何变化,采用感应信号控制方式取得的控制效果明显好于定时控制。
(1)截面3检测的是主干道的行程时间,当交通量相对小的时候,感应控制时的行程时间比定时控制时的行程时间节省了10%左右。当交通量比较大的时候,感应控制的效果更明显,行程时间节省了近40%,这是由于在感应控制的信号设计过程中,充分考虑了主干道的交通量变化,当主干道交通量变大时,主干道得到的绿灯时间也将相应地增大。
(3)截面4是检测路口南北方向车辆的行程时间。从表4中可以看出,在路口主干道(东西方向)行程时间缩短的前提下,路口南北方向的行程时间也得到了极大的提高。这充分表明,路口采用感应信号控制方式以后通行能力得到了很大的提高。
(4)截面5检测的是路口南进口左转车辆的行程时间,从图表中可以看出,其通行能力有所下降,但是变化不大。这与感应控制程序设计思路相适应,在感应控制设计过程中,首先要保证的是主干道的通畅,当主干道车流量增大的时候,路口北进口右转车辆将受到限制,这样,路口右转车辆的行车时间自然将增加。
3.2 延误时间的评价
测定延误时间所需的截面与测定行程时间所需的截面相同,见图5。运行VISSIM,可以得到*.VLZ文件。不同时间段的交通延误见表4。
从表4中可以看出,延误时间在感应控制中大大缩短。这是因为在相同的一段路程内,行驶条件相同的情况下,行程时间的增加必定是由于延误时间的增加造成的。
4 结语
平面交叉口的交通问题其实就是交叉口交通冲突的问题,其解决的关键也是如何减少和消除这种交通冲突,信号控制技术作为一种减少交叉口交通冲突的办法,有其应用的必然性和合理性。在实际交通信号控制中,定时控制由于控制方案的设计基础是对交叉口既往交通的统计结果,所以应用显得单调、呆板,不适应交叉口交通流的变化,感应控制方式比定时控制方式具有更高效率。论文对单路口进行感应信号控制优化设计,通过VISSIM仿真,验证了论文所提出的感应信号控制方法明显优于定时控制方法,这也说明本文的设计思想是可行的。论文借助VISSIM仿真软件进行交通仿真,在运用VISSIM软件进行路网构建过程中,充分考虑了现实交通状况,如拐弯处减速、驾驶员的驾驶特性、车辆的加减速度等,其仿真结果更加准确。
参考文献
[1]杨佩昆,吴兵.交通管理与控制[M].北京:人民交通出版社,2003:89-136.
[2]陆化普.城市交通现代化管理[M].北京:人民交通出版社,1998:56-58.
[3]伍建国.平面交叉口控制策略及仿真系统研究[D].西安:西安公路交通大学,2000.
[4]陶云.平面交叉口独立信号控制研究[D].成都:西南交通大学,2002:33-39.
[5]吴娇蓉.交通系统仿真及应用[M].上海:同济大学出版社,2004.
智能控制感应式交通灯 篇8
1.1 空气动力学模型
假设风速为V, 风机叶片半径为R, 则风机扫掠面的风功率PW为:
其中, ρ为大气密度 (1.225 kg/m3) 。同时假设Cp为风能利用系数, 主要决定风力机的叶片能转化多少风能为机械能, 即:
其中, Cp理论上最大值为16/27≈0.593, Cp的值可以通过叶尖速比λ和桨距角β计算出来, 叶尖速比表达式为:
其中, ωtur为风力机转速。在叶尖速比λ和叶片桨距角β已经给定的情况下, 可用下式计算风能转换系数Cp为:
其中, 。根据式 (4) 可以得到不同的λ和β值对应的Cp曲线。
1.2 风电机组轴系模型
风电机组在正常稳态运行方式下, 可以通过其解耦控制实现机械部分与电气部分的解耦, 轴系扭振基本上可以通过变频器滤除。但当电力系统出现严重故障 (如三相短路故障) 时, 其轴系振荡就会表现出来, 这一部分只有通过对发电机与风力机质块惯量模型的仔细模拟才能发现, 因此在这部分建模时需要用风力机与发电机的两质量块模型来表示轴系, 其两质量块数学模型方程式为:
式中, K为轴的刚度系数;ωtur、ωgen为风力机与发电机转子转速;ωs为同步转速;D为阻尼系数;Htur、Hgen为风力机、发电机惯量;θs为两质量块之间相对角位移;TM为风力机的机械转矩;Te为发电机的电磁转矩。
1.3 双馈机组的发电机数学模型
双馈感应发电机是在普通绕线式异步感应电机的基础上, 外加连接在转子滑环与定子之间的变频器及其控制系统构成的。同步旋转参考坐标系下双馈感应电机的方程式为:
式中, Usd、Usq分别为定子的直轴和交轴侧电压;Urd、Urq分别为转子的直轴和交轴侧电压;Rs、Rr分别为定子绕组和转子绕组的电阻;ψsd、ψsq为定子直轴和交轴的磁链;ψrd、ψrq为转子直轴和交轴的磁链;ωs为坐标系旋转角速度, 即为同步转速;s为电机的转差率。
磁链方程式为:
式中, Lm为定子和转子之间的互感;Ls、Lr为定子绕组与转子绕组的自感;isd、isq为定子直轴和交轴的电流;ird、irq为转子直轴和交轴的电流。
1.4 变频器控制系统模型
双馈变速风电机组通过变频器实现了有功和无功功率的解耦控制, 从而达到控制机组变速运行和提供控制无功电压能力的目的。双馈感应发电机实现输出无功和有功功率的解耦控制, 主要通过转子侧变频器采用定子磁场定向的控制方法。电网侧变频器实现与电网之间的功率交换, 主要是通过有功、无功的解耦控制基于电网侧变频器电压定向矢量控制的控制方案。
1.4.1 转子侧变频器控制模型
转子侧变频器的控制目标是实现对双馈电机定子绕组有功功率与无功功率的解耦控制。为了实现双馈感应电机有功、无功的解耦控制, 以及在仿真软件中计算的方便性, 设usd=Us, usq=0。在假设上述条件可行的情况下, 双馈感应电机的定子有功、无功可以表示为:
式中, ird、irq分别为转子电流在同步旋转坐标系d、q轴上的分量;Ps、Qs分别为定子绕组有功、无功功率;Us为双馈感应电机相电压幅值。
转子绕组的d轴电流分量ird控制定子绕组有功功率Ps, 转子绕组q轴电流分量irq控制定子绕组的无功功率Qs。由于ird、irq之间不存在耦合关系, 因此定子绕组有功功率Ps和无功功率Qs的解耦控制得以实现。
DFIG机组一般都采用电压源型变流器, 通过控制变频器加在转子上的外电压来控制转子电流, 因此需要建立转子电压向量与转子电流向量之间的关系。经推导可得转子外电压控制转子电流的方程为:
其中, σ=1-Lm2/LsLr。在定子电压定向坐标系下, 虽然转子有功与无功电流分量是解耦的, 但由这两个分量控制的电压矢量urd与urq没有完全解耦, 因此需分别增加前馈输入-sωsσLrirq+s LmUs/Ls与sωsσLrird, 便可实现电压的解耦控制。正是由于双馈感应发电机的这种解耦控制特性, 导致了其机组无法在系统功率发生缺额时快速地做出频率响应。
1.4.2 电网侧变频器控制模型
电网侧变频器控制系统的控制目标是: (1) 保持直流电压ud恒定; (2) 保持交流测相电流的正弦波形; (3) 保持交流测相电压和相电流同相位。
2 双馈风电机组频率控制方法
固定转速的异步恒速风电机组, 由于转子转速与系统频率的耦合作用较强, 当系统的频率降低时, 固定转速风电机组转速随之降低并释放出部分旋转动能, 以提供频率响应。而目前在风电中广泛应用DFIG风电机组, 由于其转速与电网频率完全解耦, 使其在系统频率发生改变时无法提供频率支持。因此, 笔者通过研究大量国内外专家学者对双馈感应电机无法对系统频率做出快速响应的解决办法, 总结出了2种较为有效的频率控制方法。
2.1 增加附加频率控制环节
为了在频率变化的暂态过程中表现出风电机组的惯量, 需要对变速风电机组增加附加频率控制环节。在系统出现功率缺额而导致频率变化时, 通过适当的附加控制频率控制环节降低双馈电机的转子转速, 释放转子的部分动能, 使得双馈机组能够对频率控制有所作用。其附加的频率控制环节如图1所示。
该控制器动态调整双馈感应电机转子磁链矢量的位置, 从而使发电机减速, 允许短时的输出功率升高, 使其能够在电力系统出现功率缺额的过程中帮助降低频率变化率。
2.2 增加分布式信号过滤器
转子侧变频器控制系统包括频率控制、转速延时恢复、转速保护系统和与常规机组配合等4个控制模块。其频率控制方案如图2所示。
上述频率控制方案给系统频率控制增加了分布式信号过滤器, 不仅能够有选择地快速响应系统频率的变化, 提供频率支持, 还能够使系统频率更快恢复到最优状态。仿真结果表明了该频率控制策略对暂态频率偏差具有快速的响应能力, 同时也证明了基于双馈感应风电机组的风电场能够在一定程度上参与电网的频率控制。
3 结语
本文主要研究了双馈感应发电机的频率响应特性, 由于DFIG的解耦控制, 使其无法像普通异步机组一样对系统的频率变化做出快速响应。通过对目前已有的双馈机组频率控制策略的分析, 明确了双馈变速风电机组可以通过增加频率控制环节, 达到使双馈机组参与电网频率控制的目的, 从而提高了风电机组接入系统时的暂态稳定性。在今后的研究工作中, 关于频率控制策略方面的研究, 建议从以下2个方面展开: (1) 在目前已有频率控制模型的基础上, 强化模型对频率响应的快速有效性, 以达到更好的控制效果。 (2) 对频率控制模块的参数进行系统地研究分析, 找出更合适的参数, 使频率控制模块发挥最大功效。
摘要：简要回顾了双馈感应发电机机组结构的各部分数学模型, 通过分析得出由于双馈风电机组有功和无功的解耦控制, 无法帮助电网改善频率响应, 因此要提高风电机组接入系统时暂态频率的稳定性, 就要进一步改善风电机组的频率响应特性。现着重研究了双馈感应发电机的频率控制原理及多种频率控制策略, 并分析了各种控制策略的优缺点。
关键词：双馈感应发电机组,DFIG,数学模型,频率响应,频率控制策略
参考文献
[1]蒋佳良.风电并网运行的频率稳定问题研究[D]:[硕士学位论文].乌鲁木齐:新疆大学, 2010
[2]黄萃.风力发电系统的暂态仿真模型研究[J].浙江电力, 2010 (7)