高壓變頻器及其矢量控制策略的研究論文(PDF 103頁).pdf

東華大學 碩士學位論文 10KV單元串聯式高壓變頻器及其矢量控制策略的研究 姓名 李光 申請學位級別 碩士 專業(yè) 控制理論與控制工程 指導教師 王直杰 20080101 1O K V 單元串聯式高壓變頻器及其矢量控制策略的研究 摘要 隨著高壓電動機對調速性能 節(jié)能增效要求的增加 高壓變頻器 得到了日益增長的需求 對其結構原理和變頻調速算法的研究是當前 電氣傳動領域的熱點問題 本文對I O K V 單元串聯式高壓變頻器進行 了全面的研究與設計 分析了其電路原理和控制方式 給出了模擬量 控制電路的實現和I O K V 整機評價試驗結果 并對高壓變頻器的無速 度傳感器矢量控制策略進行了設計 本文首先分析了I O K V 高壓變頻器的主電路拓撲結構和功率單元 電路的設計原理 基于功率單元的串聯式結構和多電平移相式P W M 技 術 使變頻器的輸出電壓具有多級階梯電平和高開關頻率的特性 輸 出波形良好 接著 分析了控制電路的構成和功能 重點是模擬量控 制電路的設計和實現 運用M u l t i s i m 對電路進行了仿真 運用P r o t e l D X P 對電路進行設計并且完成P C B 制板 最終成功運用于I O K V 高壓 變頻器 對I O K V 單元串聯式高壓變頻器的整機評價試驗進行了詳細介 紹 通過在各種工況下的測試 給出了功率單元和整機的各項試驗數 據和波形 評價結果證實I O K V 高壓變頻器的整機特性和功率單元內 各器件滿足設計要求 最后對無速度傳感器矢量控制策略在I O K V 高壓變頻器上的應用 進行了研究 基于轉子磁鏈定向矢量控制理論 設計了磁鏈閉環(huán)無速 度傳感器矢量控制系統(tǒng) 并運用M A T L A B S i m u l i n k 對系統(tǒng)進行了仿真 研究 電流調節(jié)器 磁鏈調節(jié)器和速度調節(jié)器以期望的響應為基準的 設計方式 使實際值能很好的跟隨指令值 擾動觀測器解決了動態(tài)降 速的闖題 使系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能提升 對比分析了兩種改進電壓模型 磁鏈觀測器 仿真結果表明勵磁電流補償模型相比磁鏈參考值補償模 型具有更好的動態(tài)性能 觀測磁鏈值更加準確 在轉速估算方面 動 態(tài)轉速估計器結合速度濾波和超前校正補償的設計 使系統(tǒng)在高速和 低速狀態(tài)下都能取得良好的轉速轉矩特性 此外 對模型參考自適應 M R A S 方法進行了一些仿真研究 兩種轉速估算方法的仿真結果證明 了其可行性 關鍵詞 單元串聯式高壓變頻器 模擬量控制電路 無速度傳感器 轉子磁鏈定向 磁鏈觀測 轉速估計 I I T H ER E S E A R C Ho N10 K VC E L L S E R I E S H I G H V o I T A G EI N V E R T E RA N DI T SV E C T o R C o N T R o LS T R A T E G Y A B S T R A C T T h en e e di nh i g h v o l t a g em o t o rt oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fs p e e d d a t i o na n d g y 4 c i e n c y e a d st ot h e u s eo ft heregulationa n de n e r g ye t t l c l e n c yl e a d st om ee v e r i n c r e a s i n gU s eo Im e h i g h v o l t a g ei n v e r t e r T h e r e f o r e t h er e s e a r c ho f t h es t r u c t u r ea n dv a r i a b l e 廳e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o na l g o r i t h mi nh i g h v o l t a g ei n v e r t e rh a sb e e na k e yp r o b l e mi nt h ef i e l do fe l e c t r i c a ld r i v e T h i st h e s i sc a r r i e so u td e e p r e s e a r c ha n dd e s i g no nIO K Vc e l l s e r i e sh ig h v o l t a g ei n v e r t e r i n c l u d i n g t h e o r i e so ft h ec i r c u i t sa n dc o n t r o lm e t h o d t h ei m p l e m e n t a t i o no fa n a l o g c o n t r o lc i r c u i t e v a l u a t i o ne x p e r i m e n t so fIO K Vh i g h v o l t a g ei n v e n e g a n dt h es p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo n h i g h v o l t a g ei n v e r t e r F i r s t l y t h et o p o l o g i cs t r u c t u r eo fm a i nc i r c u i ta n dt h et h e o r yo f c e l l c i r c u i ti nIO K Vh i g h v o l t a g ei n v e r t e ra r e a n a l y z e d B a s e d o nt h e c e l l s e r i e ss t r u c t u r ea n dm u l t i l e v e lp h a s e s h i f t i n gP W Mt e c h n o l o g y t h e o u t p u tv o l t a g eo ft h ei n v e r t e rp o c e s s e st h ef e a t u r eo fm u l t i l e v e lw a v ea n d I I I h i g hs w i t c h f r e q u e n c yA f t e r w a r d s t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f c o n t r o l c i r c u i ta r ea n a l y z e d W ef o c u so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a n a l o gc o n t r o lc i r c u i t W ec a r r yo u ts i m u l a t i o n so ft h e s ec i r c u i t s o n M u l t i s i ma n da p p l yP r o t e lD X Pt od e s i g nt h ec i r c u i t sa n dP C B A n a lo g c o n t r o lc i r c u i th a sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yi n10 K Vh ig h v o l t a g ei n v e r t e r T h ee v a l u a t i o n e x p e r i m e n t s o f10 K Vc e l l s e r i e s h i g h v o l t a g e i n v e r t e ra r ep r e s e n t e di n d e t a i l s T h r o u g ht h e t e s t sw i t hd i f f e r e n t c o n d i t i o n s w eh a v eg i v e nt h ed a t aa n dw a v e so ft h ec e l la n dt h ew h o l e m a c h i n e T h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l e m a c h i n ea n dt h ed e v i c e si nc e l la r eq u a l i f i e df o rt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s F i n a l l y w ea p p l ys p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi n 10 K V h i g h v o l t a g ei n V e n e r B a s e do nr o t o r f l u xo r i e n t a t i o nv e c t o rc o n t r o l t h e o r y w ed e s i g nt h ef l u xc l o s e l o o ps p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l s y s t e ma n da p p l yM A T L A B S i m u l i n kt oc o m p l e t es i m u l a t i o n so fi t B y u s i n gt h ed e s i g nm e t h o do fs e t t i n gb a s i so f t h ee x p e c t e dr e s p o n s e c u r r e n t r e g u l a t o r f l u xr e g u l a t o ra n ds p e e dr e g u l a t o rm a k et h ea c t u a lo u t p u t f o l l o wt h ei n s t r u c t i o ni n p u tw i t hg o o dp e r f o r m a n c e D i s t u r b a n c eo b s e r v e r s o l v e st h e p r o b l e mo fd y n a m i cs p e e df a l l i n g a n d p r o m o t e s t h e p e r f o r m a n c eo fd y n a m i c a n t i d i s t u r b a n c ei n s y s t e m T w o m o d i f i e d v o l t a g em o d e l f l u xo b s e r v e r sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lw i t hc o m p e n s a t i o no fm a g n e t i z i n g c u r r e n th a sb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n da b i l i t yo fo b s e r v a t i o nt h a n I V t h em o d e lw i t hc o m p e n s a t i o no ff l u xr e f e r e n c e O nt h ea s p e c to fs p e e d r e g u l a t i o n d m a n l i cs p e e de s t i m a t o rc o m b i n e st h ef i l t e rw i t ha d v a n c e d c o r r e c t i n gc o m p e n s a t i o n T h es p e e da n dt o r q u eh a v eg o o dp e r f o r m a n c e b o t ha th i g hs p e e d sa n da tl o ws p e e d s F u r t h e r m o r e w es t u d yo nM R A S a n dc a r r yo u ts o m es i m u l a t i o n s T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s e t w os p e e de s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r ef e a s i b l e K E YW O R D S c e l l s e r i e sh i g h v o l t a g ei n v e r t e r a n a l o gc o n t r o lc i r c u i t s p e e ds e n s o r l e s s r o t o rf l u xo r i e n t a t i o n f l u xo b s e r v a t i o n s p e e dr e g u l a t i o n V 東華大學學位論文原刨性聲明 本人鄭重聲明 我恪守學術道德 崇尚嚴謹學風 所呈交的學位 論文 是本入在導師的指導下 獨立進行研究工作所取得的成果 除 文中已明確注明和引用的內容外 本論文不包含任何其他個人或集體 已經發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內容 論文為本人親督撰寫 我對 所寫的內容負責 并完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔 學位論文作者簽名 瘁材 冒期 年月目 東華大學學位論文版權使用授權書 學位論文作者完全了解學校有關保留 使用學位論文的規(guī)定 同 意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版 允 許論文被查閱或借閱 本人授權東華大學可以將本學位論文的全部或 部分內容編入有關數據庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復 制手段保存和匯編本學位論文 保密口 在 年解密后適用本版權書 本學位論文屬于 不保密回 學位論文作者簽名 摩秈 日期 年月日 指導教師簽名 王互 日期 伊苫年 月1 汩 第1 章緒論 1 1 高壓變頻器概述 第1 章緒論 1 高壓變頻器的應用 我國高壓電動機調速現狀 大部分高壓電動機都有調速要求 但實際進行了高壓變頻改造的只是其中的 極少部分 大部分仍保留著原有的調速方式 如變極 串極 轉子串電阻 定子 調壓 電磁離合器 液力偶合器等調速方式 冶金行業(yè)的一些大型電機仍使用直 流電動機進行調速 特別是對于風機 泵類負載 選型按最大容量且留有一定裕度 實際運行時 這類負載常處于低負荷狀態(tài) 而用于這類負載的高壓電動機只能全速運行 通過 調節(jié)閥門 擋板調節(jié)流量 或者采用液力偶合器進行調速 閥門 擋板節(jié)流損失 嚴重 且響應慢 存在非線性區(qū) 執(zhí)行機構不很可靠 液力偶合器也存在嚴重的 偶合損失和轉差損失 且調速精度差 非線性嚴重 運行不可靠 如果這類高壓 電動機使用高壓變頻器調速 閥門擋板可全開 可有效節(jié)能降耗 采用變頻調速 其控制調節(jié)特性也遠優(yōu)于閥門擋板調節(jié) 此外 實現了軟啟動 避免了大啟動電 流造成的電機絕緣老化及由于大電動力沖擊對電機壽命的影響 也減輕了負載的 損耗 高壓變頻調速優(yōu)點 交流調速技術是當今節(jié)電 提高自動化水平及改善工藝流程以提高產品質 量 勞動生產率 改善環(huán)境的一種主要手段 變頻調速以其優(yōu)異的調速性能 軟 啟動功能 高效率 高功率因數 廣泛的適用范圍和優(yōu)良的節(jié)電效果及其他一些 優(yōu)點而被公認為最有發(fā)展前途的調速方式 對于高壓變頻器 隨著電力電子器件 的發(fā)展以及相關技術的進步 高壓變頻器的生產技術已逐步趨向成熟 并逐步得 到了用戶的認識 認可 在電力 冶金 石油石化 市政供水及污水處理 礦山 水泥制造 造紙等行業(yè)得到了越來越廣泛的應用 第1 章緒論 高壓變頻器應用行業(yè)及負載 行業(yè)可應用負載 火力發(fā)電引風機 送風機 電動給水泵 循環(huán)水泵 凝結水泵 灰漿 渣 泵 磨煤 機 排粉機等 冶金除塵風機 除鱗水泵 退火爐風機 送水泵 主排風機 鼓風機 軋機主傳 動 空壓機等 石油石化注水泵 電潛泵 輸油泵 管道泵 排風機 壓縮機 鹵水泵 除垢泵 等 市政供水供水泵 給水泵 污水泵 凈化泵 清水泵等 及水處理 礦山主排風扇 排水泵 介質泵 礦井提升機等 水泥窯爐引風機 壓力送風機 冷卻器吸塵風機 生料研磨機 窯爐供氣風機 冷卻器排風機 分選器風機 主吸塵風機等 造紙打漿機等 制藥清洗泵等 其他風洞試驗等 2 高壓變頻器典型結構 三種典型結構 逆變器橋臂直接串聯 電流源型R O C K W E L L 電壓源型成都佳靈 二極管箝位三電平 A B B S i a r a e t m 日立 三菱 中山明陽 功率單元串聯多電平 R O B I C O N 安川 三墾 東芝 日立 三菱 北 京利德華福 北京合康億盛 北京先行 北京新電 創(chuàng)拓 原東方凱齊 山東風光 上海科達等 逆變器橋臂直接串聯結構是較為成熟的兩電平結構 但由于受功率器件耐壓 的限制 逆變器橋臂需多個功率器件直接串聯 由于各器件的動態(tài)電阻 極電容 各不相同 存在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的均壓問題 同時該拓撲結構要求串聯器件通斷時間 一致 二極管箝位三電平結構的優(yōu)點是 電路結構簡單 使用元器件較少 不存在 元件均壓問題 每個主開關器件所承受的電壓僅為直流側的一半 有效地解決了 電力電子器件耐壓不夠高的問題 與常規(guī)二電平電路結構相比 此種結構輸出電 平數增加 相電壓由5 個增加到7 9 個 這種多級的電壓階梯波減少了d v d t 對 電動機絕緣的沖擊 線電壓由3 個增加到5 個 這樣在同等開關頻率條件下 可 使輸出電壓波形質量有較大改善 缺點 作為三電平結構 諧波畸形仍較大 需 2 第1 章緒論 輸出濾波器 不易實現冗余設計 對功率器件耐壓要求較高 輸出電壓等級受一 定限制 5 0 l 單元串聯式多電平結構的優(yōu)點是 采用功率單元串聯的方式 而不是傳統(tǒng)的 器件串聯方式 不存在均壓問題 功率單元采用技術成熟 價格低廉的低壓I G B T 驅動功率小 通過改變每相串聯的單元數或每個功率單元的額定輸出電壓即可達 到不同的變頻器輸出電壓等級 控制方式相對簡單 因每一級結構的相同性 便 于對每一級進行P W M 控制 然后進行波形重組 網側存在輸入移相變壓器 輸 入諧波小 輸入功率因數高 輸出波形良好 諧波分量小 d v d t 小 電機轉矩 脈動小 噪音低 功率單元有足夠的濾波電容 能承受電壓較大波動 功率單元 模塊化 容易實現冗余設計 保證個別功率單元故障時不影響整機工作 電源電 壓和輸出電壓一致 便于實現工頻旁路 缺點 功率器件過多 裝置體積 重量 大 再生能量回饋困難 主要應用于風機 水泵類負載 4 9 目前功率單元串聯形式是占主流的 也是比較適合國情的 3 高壓變頻器控制策略 適用于多電平功率轉換的控制策略 主要有以下幾種 1 階梯波脈寬調制 階梯波調制就是用階梯波來逼近正弦波 在階梯波調制中 可以通過選擇每 個電平持續(xù)時間的長短 來實現低次諧波的消除和抑制 具有調制比變化范圍 寬 算法簡單 通用性強等優(yōu)點 可以在主功率器件開關頻率最低的情況下 實 現變頻器輸出電壓波形畸變最小的控制目標 2 正弦脈寬調制 S P w M 其基本原理是使用幾個三角波信號和一個參考信號 每相 比較 產生S P W M 信號 將三角載波進行合適的移相 可以實現選定次數諧波的消除 該方法具有 簡單 直觀等優(yōu)點 其缺點是功率管的開關頻率高 開關損耗大 裝置效率低 3 注入3 次諧波P W M 為了提高直流母線電壓的利用律 仿照二電平電路S P W M 方法中的注入3 次諧 波方法 通過在較高頻率的參考正弦波中 注入合適大小的3 次諧波 來提高基 波輸出電壓的幅值 3 第1 章緒論 4 空間矢量脈寬調制 S V P W M 將兩電平S V P I 張I 方法加以推廣 即可得到三電平或多電平S V P I 他I 以三相三電 平為例 每一相的輸出可為正 療 零 力 負 肋3 種狀態(tài) 將三相的3 種狀態(tài)進 行組合 可得至I 2 7 種狀態(tài) 由此可得到三相三電平的六角形空間矢量圖 如圖所 示 2 脯磷嬲驟 鞠 z 2 u A 念弧嬲 受彩隰澎 7 歷 飛代 圖I I 三相三電平空間矢量圖 在2 7 種空間電壓矢量中 有2 4 種非零矢量 6 種空間位置重合 3 種零矢量 根據摸長的不同 可將2 7 種空間矢量分為長矢量 中矢量 短矢量和零矢量四種 2 4 種非零矢量將空間分成1 2 個3 0 的區(qū)域 多電平變換器空間電壓矢量的思想與 兩電平S P W q V l 是一樣的 即對某一個空間電壓矢量 用位于該區(qū)域的部分或全部電 壓矢量適時切換來逼近 在二極管箝位的多電平電路中 對同樣的輸出波形 可 以通過選擇不同的矢量合成的方法來實現電容電壓的平衡 空間矢量脈寬調制具 有 在大范圍的調制比內具有很好的性能 無須大量的存儲空間來存放角 度值 結構簡單 控制方便 直流母線電壓利用率高等優(yōu)點 4 高性能高壓變頻器要求 目前高壓變頻器以風機 水泵 壓縮機類負載為主 除了這類負載的應用 高壓變頻器還可廣泛應用于軋機 卷揚機等調速要求較高的各類負載 高性能高 壓變頻器需要解決再生能量回饋問題并采取矢量控制或直接轉矩控制 從目前 看 用于這類負載的交 直 交高壓變頻器還不多 除了少數雙三電平結構 整流 逆變部分采用相同結構的全控型三電平P W M 結構 的高壓變頻器 三菱 M E L V E C 3 0 0 0 系列應用于寶鋼 鞍鋼軋機主傳動 S i e m e n sS I M O V E R TM V A B B 4 第1 章緒論 A C S l 0 0 0 整流部分選用P W M 整流時理論上可以 實際應用不詳 R O C K W E L L A B 的P o w c r f l c x7 0 0 0 電流源型理論上可以 實際應用不詳 其他還未見應用 5 目前存在問題 可靠性和價格是影響用戶選用高壓變頻器的兩大問題 鑒于高壓變頻器用戶 以國有或國家控股企業(yè)為主的特點 且高壓變頻器拖動的負載一般比較重要 可 靠性是更為關鍵的問題 從目前看 高壓變頻器可靠性和最初相比有很大提高 但并未得到用戶的普 遍認可 特別是國產的一些品牌 干擾問題是影響可靠性的最重要因素之一 提 高產品可靠性 并擁有一個合理的價格 是提高產品競爭力的關鍵 綜上所述 高壓變頻器的主電路拓撲結構 P W M 控制策略 矢量控制的實 現都是目前變頻調速領域研究的熱點 也是解決可靠性和價格問題的重要方面 1 2 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)綜述 1 2 1 研究的歷史及現狀 在上個世紀很長一段時間里 直流電機由于其調速性能好 控制性能簡單等 優(yōu)點 在高性能變速電氣傳動領域中占統(tǒng)治地位 但是 直流電機結構中存在著 換向器 電刷等結構 因而不能在大容量 高轉速 高可靠性 易于維護及節(jié)能 等方面滿足更高的要求 而交流電機雖然控制比較復雜 但其結構簡單 堅固耐 用 運行可靠 制造成本低 易于維護 可工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點 在工業(yè)領域 得到了廣泛的應用 早期的交流電機控制多是建立在電機穩(wěn)態(tài)模型的基礎上 因為在許多應用場 合 對電機調速系統(tǒng)的要求是 有一定的調速范圍而速度響應不必太快 所采用 控制方法簡單 最好不要使用電機內部參數 也不希望在電機軸上加裝速度傳感 器以構成速度反饋等 其控制規(guī)律完全不考慮過渡過程 這就使得設計結果與實 際相差較大 系統(tǒng)在穩(wěn)定性 啟動及動態(tài)響應等方面的性能不能令人滿意 其中 比較有代表性的是v f 比恒定的變頻調壓技術 由于缺乏對轉矩的有效控制 系 統(tǒng)帶載能力差 動態(tài)響應慢 但由于該方法實現簡單 因而被廣泛地應用于風機 5 第l 章緒論 水泵等調速性能要求不高的場合 交流電機控制從2 0 世紀7 0 年代開始發(fā)生了革命性的變化 1 9 7 1 年 美國 P C C u s t m a n 和A A C l a r k 申請了專利 感應電機定子電壓的坐標變換控制 同年 德國西門子公司的EB l a s c h k e 等提出了 感應電機磁場定向的控制原理 奠定了矢量控制的理論基礎 這種原理的基本出發(fā)點是 考慮到異步電機是一個 多變量 強耦合 非線性的時變參數系統(tǒng) 很難直接通過外加信號準確控制電磁 轉矩 但若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標 利用從靜止坐標軸系到 旋轉坐標軸系之間的變換 則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉矩電流分量 分解成兩個垂直的直流變量 并分別進行控制 這樣 通過坐標變換重建的電動 機模型就可等效為一臺直流電動機 從而可像直流電動機那樣進行快速的轉矩和 磁通控制 l 矢量控制實現了交流電機磁通和轉矩的解耦控制 大大改善了異步 電機的動態(tài)控制性能 使交流調速系統(tǒng)的性能已經能達到直流調速系統(tǒng)的水平 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 上個世紀8 0 年代又出現了感應電機直接轉矩控制 D T C D T C 控制思想新 穎 算法簡化 控制系統(tǒng)的動態(tài)響應快 目前D T C 也實現了產品化 2 1 在異步電機矢量控制策略中需要知道電機轉速信息 但是速度傳感器的采用 提高了成本并且?guī)砹艘恍┎槐?可以通過交流異步電機參數實時計算出電機的 轉速 從而可以不需要速度傳感器實現磁場定向控制和速度閉環(huán)控制 因此 近 年來異步電機的無速度傳感器控制成了電氣傳動領域的一個重要研究方向f 1 7 2 7 無速度傳感器矢量控制相比有速度傳感器控制有許多優(yōu)勢 由于速度傳感器 及其連線的消除 降低了系統(tǒng)成本 增強了控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性 減少 了電機的軸向尺寸 保持了異步電機結構簡單 機械堅固的優(yōu)點 在系統(tǒng)設計上 無速度傳感器體現出不同于有速度傳感器的一些特點 1 無速度傳感器控制中轉速閉環(huán)只能采用辨識的轉速進行反饋 控制精度依賴于辨 識精度 2 一些磁通控制方法不能獨立運用 因為在磁通觀測里轉速也是一個 使磁通計算穩(wěn)定的參數 所以兩者在某些模型下需同時計算 2 羽 3 低頻范圍磁 鏈觀測難度大 磁鏈觀測在本質上是對電機反電勢的積分 2 9 1 而這會存在初值和 積分漂移問題 并且在電子供電頻率很低時 各項參數的誤差對反電勢的影響較 大 定子電阻的誤差對反電勢計算誤差影響也變大 4 電機多參數辨識受到限 6 第1 章緒論 制 S h i n n a k a 等人從理論上證明了在無速度傳感器控制中 在轉子磁通幅值恒 定的條件下 轉子電阻和轉速不可能同時辨識出來 這給無速度傳感器控制中轉 子電阻的辨識增加了難度 2 8 1 1 2 2 磁通觀測和轉速估計方法分類 轉速估計 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的關鍵問題是對轉子速度的辨識 一旦得到轉速 觀測值 就可以構成速度閉環(huán)控制 以下列舉當前采用較廣泛的轉速計算方法 1 轉差頻率估計法 根據異步電機轉速表達式 O r 國 一q 得出轉速可以通過同步頻率減去滑 差頻率求出 這種方法算法簡單 無延時 理論上可以達到很好的性能 但在無 速度傳感器系統(tǒng)中 準確地瞬時轉子磁鏈角頻率不易得到 動態(tài)瞬時轉差角頻率 的估計往往有震蕩 實現起來不容易 而且沒有任何誤差校正環(huán)節(jié) 可能導致系 統(tǒng)不穩(wěn)定 3 0 3 l 2 模型參考自適應法 M R A S 這種方法辨識轉速的主要思想是將含有轉速的方程作為可調模型 將不含轉 速的方程作為參考模型 兩個模型具有相同物理意義的輸出量 利用兩個模型輸 出量的偏差根據一定自適應率來調整可調模型中的待測參數一轉速 參考模型和 可調模型的選擇不同可以有多種M R A S 方法 1 電壓模型和電流模型構成的 M R A s 2 基于反電勢的M R A S 3 基于無功功率的M R A S 4 基于觀測器 的M R A S 在諸多方法中 很有代表性的是S c h a u d e r 提出的轉速自適應辨識方 法 3 2 1 將不含轉速的定子電壓模型作為參考模型 含有轉速的轉子電流模型作為 可調模型 兩者的輸出為轉子磁鏈 根據P o p o v 的超穩(wěn)定性理論 最終選擇比例 積分自適應律進行速度估計 在靜止兩相坐標軸上 參考模型 p 鈿 M L I u 唧一足鋤一仃t p 鋤 可調模型 p 等鋤一 專一拋 乙 由于利用定子電壓作為參考模型 且引入了積分環(huán)節(jié) 7 1 1 1 2 因此低速性能受到影 第1 章緒論 響 正因為如此 才有人提出了后三種方法 比如E Z P e n g 等人以電機反電勢作 為模型的輸出 避免了積分環(huán)節(jié) 但是在低速時仍然受到電子電阻影響 后從無 功功率的角度出發(fā) 用反電勢與電流的叉乘作為模型的輸出 消去了參考模型中 的定子電阻 3 3 閉環(huán)觀測器方法 無速度傳感器控制中使用的幾種閉環(huán)觀測器有 全階自適應狀態(tài)觀測器 擴 展卡爾曼濾波器 擴展龍貝格觀測器 滑模觀測器等 3 0 1 3 5 1 全階自適應狀態(tài)觀測器 采用靜止坐標系中的電機模型并加以電流誤差 反饋補償 把轉速當作參數進行辨識 2 擴展卡爾曼濾波器 E K F 擴展卡爾曼濾波算法是線性卡爾曼濾波器在 非線性系統(tǒng)中的推廣應用 將電機轉速也看作一個狀態(tài)變量 考慮電機五階非線 性模型 在每一步估計時都重新將模型在該運行點線性化 再沿用線性卡爾曼濾 波器的遞推公式進行估訓3 4 1 3 擴展龍貝格觀測器 E L O 適用于非線性時變確定性系統(tǒng) 在E L O 中將 轉速看成是狀態(tài)變量 E L O 在磁通觀測的同時觀測了轉速 E L O 與E K F 相比具 有算法簡單 便于調節(jié)的優(yōu)點 4 滑模觀測器方法 采用估計電流偏差來確定滑?？刂茩C構 并使控制系 統(tǒng)的狀態(tài)最終穩(wěn)定在設計好的滑模超平面上 以上這些方法多建立在電機理想模型條件下 不同程度上依賴于電機參數 和運行狀態(tài) l l 并且在低速范圍尤其在同步頻率為零附近具有難以解決的穩(wěn)定性 問題 4 1 于是有人提出了基于非理性特性的方法 其中有 利用齒諧波信號的轉 速辨識方法 旋轉高頻注入轉子凸極檢測法 漏感脈動檢測法 d q 阻抗差異定 向法 飽和凸極檢測方法 這些方法具有對電機參數變化的魯棒性 但會不同程 度地受負載或工作點影響 對采樣有較高的精度要求 鍆 磁鏈觀測 在高性能無速度傳感器控制中 磁鏈觀測是必需的 電機控制性能主要由磁 鏈觀測的精度決定 轉子磁鏈可以從電機數學模型中推導出來 也可以利用狀態(tài) 觀測器或狀態(tài)估計理論得到閉環(huán)的觀測模型 基于電動機模型的計算方法簡單 易行 但由于沒有對計算偏差以及積分器初值偏差引起的誤差校正功能 計算結 第1 章緒論 果不易收斂于真值也就是電機的實際值 2 1 為此需要設計具有 誤差反饋 環(huán)節(jié) 的狀態(tài)觀測器來保證被觀測值的收斂性 傳統(tǒng)的磁鏈觀測方法有電壓模型法 電流模型法以及組合模型法 l l 1 電壓模型法 根據定子電流和定子電壓的檢測值估算轉子磁鏈 電壓 模型法的優(yōu)點是算法簡單 算法中不含轉子電阻 因此受電機參數變化影響小 不需轉速信息 它的缺點是 低速時 隨著定子電阻壓降作用明顯 測量誤差掩 沒了反電動勢 使觀測精度較低 純積分環(huán)節(jié)的誤差積累和漂移問題嚴重 可能 導致系統(tǒng)失穩(wěn) 根據兩相靜止坐標系上公式 R 仃 p 鋤 厶 糾 卜3 整理后即得計算轉子磁鏈的電壓模型 印 等 心筇一礙鋤 d t 心鋤 1 4 j 筇 J 印 圖1 2 在兩相靜止坐標系上計算轉子磁鏈的電壓模型 中r 唾 2 電流模型法 電流模型法根據定子電流和轉速檢測值估算轉子磁鏈 電流模型法使用轉速國作為輸入信息 另外它還涉及時變特性顯著的參數 即轉 子時間常數Z 當電機的運行溫度發(fā)生變化或磁路出現飽和時 Z 變動范圍較大 常需進行實時辨識才能保證磁鏈觀測精度 但由于電流模型法不涉及純積分項 其觀測值是漸近收斂的 這是它的一大優(yōu)點 同時低速的觀測性能強于電壓模型 法 但高速時不如后者 l o 根據兩相靜止坐標系上公式 1 乃p 砂椰 三 印 國 z 沙椰 卜5 整理后即得計算轉子磁鏈的電流模型 9 第l 章緒論 少 F 古萬他 妒 q 巧J 少 1 6 申r 蕾 V r B 圖1 3 在兩相靜止坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型 3 組合模型法 這是將電壓 電流模型相結合的方法 結合了兩種開環(huán)磁 鏈觀測器的優(yōu)點 即在高速時讓電壓模型起作用 通過低通濾波器將電流模型的 觀測值濾掉 在低速時讓電流模型起作用 通過高通濾波器將電壓模型觀測值濾 掉 為實現兩種模型的平滑過渡 可令它們的轉折頻率相等 l 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的磁鏈觀測還有兩類方法 狀態(tài)觀測器和基于定 予電壓模型的改進觀測器 采用狀態(tài)觀測器觀測轉子磁鏈分為全維磁鏈觀測器和降維磁鏈觀測器 2 1 全維磁鏈觀測器模型中 建立兩相靜止坐標系中的電機狀態(tài)方程為電機模型 與實際電機參考模型構成反饋系統(tǒng) 由兩個模型的輸入相同且通過反饋項使觀測 誤差最終被消除 由于該觀測器的維數與電動機的實際維數相等 所以稱為全維 狀態(tài)觀測器 降維磁鏈觀測器模型中 由于電動機的定子電流可以看作是已知的輸入量 而需要求解的只是電動機的轉子磁鏈的兩個分量 據此可將4 維方程降維 構成 磁鏈的降維觀測器 基于定子電壓模型的改進方法 電壓模型法不需要轉子回路信息 其設計是 基于定子回路動態(tài)方程完成的 這是它的一個顯著優(yōu)點 同時也存在如前所述的 一些缺點 為了保持電壓模型法轉子磁鏈觀測器的優(yōu)點 并克服其存在的缺陷 就出現了改進的電壓模型法 這種轉子磁鏈觀測器取消了普通電壓模型法關于反 電動勢的純積分環(huán)節(jié) 而代之以一階慣性濾波環(huán)節(jié) 慣性環(huán)節(jié)產生的狀態(tài)估計相 l O 第1 章緒論 位滯后由參考轉子磁鏈的濾波信號來補償 1 1 1 2 3 研究的前沿問題 在經典矢量控制理論的基礎上 開始研究以定子磁鏈和氣隙磁鏈定向的磁場 定向控制系統(tǒng) 4 1 刪 其主要目的是為了避免檢測電機轉子磁鏈的困難和對時變的 轉子參數的依賴性 但是在這兩個參考坐標系上電動機的模型并不是完全解耦 的 控制比較繁瑣 目前僅僅處于研究階段 離實用尚有一定距離 脈寬調制 P W M 技術繼續(xù)得到發(fā)展 早期的P W M 調制僅僅以獲得正弦 電壓為目的 后來出現了針對某一特定目標以及為提高電壓利用率的優(yōu)化P W M 調制方法 以達到如電流諧波畸變率小 效率最優(yōu) 轉矩脈動最小等優(yōu)化目標 4 7 4 9 1 o 現代控制理論在交流變頻調速中得到了廣泛應用 矢量控制系統(tǒng)中采用狀態(tài) 觀測器觀測轉子磁鏈 自適應控制理論以及卡爾曼濾波器用于電機參數 轉速的 自辨識 自適應控制等 都取得了明顯的效果 目前 神經網絡 模糊控制等智能控制技術在電機控制中的研究越來越廣泛 隨著智能控制理論與應用的日益成熟 可能會給交流傳動領域帶來革命性的變 化 1 3 本文研究的主要內容 根據以上的綜述和分析 我們確立了本課題的研究方向 以1 0 K V 單元串聯 式高壓變頻器為研究對象 研究其整體拓撲結構及電路功能原理并設計相關電 路 對變頻器進行實驗評價以驗證其設計是否符合要求 研究設計高壓變頻器上 的矢量控制策略以為其高性能實現做準備工作 本文共分7 章 主要工作及章節(jié)安排如下 第1 章詳細闡述分析論文的選題背景 研究背景 并介紹課題的技術難點以 及論文的主要工作 第2 章將研究1 0 K V 單元串聯式高壓變頻器主電路的拓撲結構和功率單元主 電路的設計 詳細分析其工作原理 并介紹高壓變頻器內控制電路的構成 第3 章將重點介紹模擬量控制電路的設計原理 該電路由作者承擔設計 運 第1 章緒論 用仿真軟件M u l t i s i m 進行了仿真研究 將給出仿真波形和電路的P C B 設計實現 該電路最終成功運用于1 0 K V 高壓變頻器 取得良好效果 作者參與了1 0 K V 高壓變頻器的整機現場評價試驗 第4 章將給出1 0 K V 單 元串聯式高壓變頻器實驗評價內容 第5 章和第6 章是本文理論研究重點 內容為高壓變頻器的矢量控制策略 將對轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)進行詳細的研究 并對高壓變頻器上按轉子磁 鏈定向無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)進行設計 包括調節(jié)器的設計 磁鏈觀測器的 設計和轉速估計器的設計 采用M A T L A B S i m u l i n k 對系統(tǒng)進行建模及仿真 通 過仿真驗證系統(tǒng)設計的正確性 1 2 第2 章1 0 I O 單元串聯式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實現 第2 章1 0 K V 單元串聯式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實現 從本章開始 將對1 0 K V 單元串聯式高壓變頻器進行系統(tǒng)的研究與設計 第 2 章和第3 章將對其硬件設計進行研究分析 第4 章將給出1 0 K V 高壓變頻器的 現場評價試驗內容 本章將研究1 0 K V 高壓變頻器的主電路拓撲結構 功率單元 電路的設計以及控制電路的構成 2 110 K V 單元串聯式高壓變頻器主電路的構成 由單元串聯式多電平變頻器向高壓交流電動機供電時 變頻器和電動機都與 高壓等級的交流電網沒有直接聯系 電網電壓經過二次繞組多重化的隔離變壓器 降壓后給功率單元供電 單相多個獨立的低壓P W M 變頻功率單元輸出端串聯起 來 實現變壓變頻的千伏級高壓輸出 直接供給高壓電動機 l 1 0 K V 高壓變頻器主電路拓撲結構如圖2 1 所示 電網輸入為三相1 0 K V 經過移相變壓器 隔離變壓器 整流變壓器 變?yōu)? 個低壓 獨立 移相二次繞 組電源 每個二次繞組電源接入功率單元模塊 并經過整流 濾波和逆變輸出單 相交流電源 由此 每相由8 個額定輸出電壓為6 9 0 V 的功率單元串聯而成 使 輸出的相電壓額定值得到5 5 2 0 V 線電壓為 3 5 5 2 0 V 9 5 6 1 V 接近1 0 K V 采用對調制波疊加3 次諧波的方式 可以使單元輸出P W M 波基波幅值增加 整 機空載時輸出能力最高為輸入電壓的1 1 5 倍 一 移相變壓器的作用是降壓 提供獨立電源 電流多重化 降壓可以使用低耐 壓功率管 降低d v d t 獨立電源是輸出電壓重組的要求 電流多重化可以降低 電網側電流諧波 剮 對電網污染少 輸入電流波形接近正弦波 在1 0 K V 結構中 8 個二次繞組通過不同的聯結方式使它們之間的電流相位差為7 5 0 反映在變壓 器一次繞組中的電流波形就是各個二次繞組不同相位電流波形 經折算后的值 的疊加 構成4 8 脈波整流電路 這就形成多重化連接多階梯波的電流波形 理 論上可消除電網側4 7 次以下諧波 輸入功率因數可達o 9 5 以上 鈣 不必采用輸 入濾波器和功率因數補償裝置 1 3 第2 章1 0 K V 單元串聯式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實現 圖2 11 0 K V 高壓變頻器整體拓撲結構 2 2 單元主電路設計 圖2 1 中的每個功率單元都是三相輸入 單相輸出的低壓P W M 電壓型逆變 器 其結構原理圖如圖2 2 它是交 直 交單相變頻器 由三相不可控整流環(huán)節(jié) 濾波環(huán)節(jié) 逆變環(huán)節(jié)構成 整流部分選用1 8 0 0 V 的整流二極管 電解電容選型 為4 0 0 V 9 0 f 4 考慮到3 個電解電容串聯電壓保護值為1 2 0 0 V 加上V c e 浪涌電壓的影響 逆變環(huán)節(jié)采用耐壓值為1 7 0 0 V 的4 個低壓絕緣柵雙極型晶體 管 I G B T 組成 逆變器由4 個I G B T 構成 輸出電壓和頻率均為可調 它有四種開關組合情 況 1 墨和甌同時導通 輸出端有正的直流母線電壓 廠 2 S 和馬同時導通 1 4 第2 章1 0 i f 7 單元串聯式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實現 輸出端有負的直流母線電壓一U 3 墨和島同時導通 或4 S 和甌同時導通 則輸出端電壓為0 所以 每個功率單元輸出電壓為U 0 一U 三種狀態(tài)電平 每相8 個單元疊加 由于采用多重化P W M 技術 即每一相中各串聯功率單元的 載波信號錯開一定的電角度與參考波進行調制 就可產生1 7 種不同的電平等級 分別為士8U 4 7 U 4 6 U 士5 U 4 U 4 3U 4 2 U 士U 和0 經疊加可得 具有1 7 級階梯電平的相電壓波形 和3 3 級階梯電平的線電壓波形 使得輸出波 形接近正弦波 輸出電流諧波小 逆變器采用多電平移相式P W M 技術 同一相的功率單元輸出相同的基波電 壓 但串聯各單元的8 對載波 每對含正反向信號 之間錯開2 2 5 0 以載波的周 期來算 每個單元的輸出實現多電平P W M 每個功率單元的I G B T 開關頻率為 1 K H z 單相8 個功率單元串聯時 等效的輸出相電壓開關頻率為8 K H z R S T 1 一 Z Z Z 歹 I I 屯KI K 一 廣1 7 L 一 I 鼉 廣 lJ r 廠 一 1 廣 1 島 I qK 一 JI2 q 一一 2 2I2 另 1 圖2 2 功率單兀電路 采用功率單元串聯 而不是用傳統(tǒng)的器件串聯來實現高壓輸出 所以不存在 器件均壓的問題 每個功率單元承受全部的輸出電流 但僅承受1 8 的輸出相電 壓和1 2 4 的輸出功率 功率單元采用低的開關頻率可以降低開關損耗 而高的 等效輸出開關頻率和多電平可以大大改善輸出波形 波形的改善除減小輸出諧波 外 還可以降低噪聲 d v d t 值和電機的轉矩脈動 所以這種變頻器對電機無特 殊要求 可用于普遍籠型電機 且不必降額使用 對輸出電纜長度也無特殊限制 這種主電路拓撲結構雖然使器件數量增加 但由于I G B T 驅動功率很低 且不必 采用均壓電路 吸收電路和輸出濾波器 可使變頻器的效率高達9 6 以上 4 9 1 由于采用模塊化結構 所有功率單元可以互換 安裝維修比較方便 由于采用二 第2 章1 0 K V 單元串聯式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實現 極管不可控整流電路 能量不能回饋電網 變頻器不能四象限運行 因為采用了 功率單元串聯結構 可便于采取功率單元旁路技術和功率單元冗余設計 當功率 單元故障時 控制系統(tǒng)可將故障單元自動旁路 變頻器仍可繼續(xù)運行 2 3 控制電路的構成 控制電路要完成以下功能 電機控制 多電平P W M 系統(tǒng)狀態(tài)檢測和保護 運行參數設定 參數和狀態(tài)量顯示 通信 I G B T 控制 保護 單元狀態(tài)檢測等 功能 功能框圖如圖2 3 所示 1 C P U 和F P G A 在控制系統(tǒng)中 采用一片集成度高的電機控制專用D S P F 2 8 1 2 其功能包 括 電機控制策略 A