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(xué) 碩士學(xué)位論文 10KV單元串聯(lián)式高壓變頻器及其矢量控制策略的研究 姓名 李光 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩士 專業(yè) 控制理論與控制工程 指導(dǎo)教師 王直杰 20080101 1O K V 單元串聯(lián)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(dòng)機(jī)對(duì)調(diào)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(duì)其結(jié)構(gòu)原理和變頻調(diào)速算法的研究是當(dāng)前 電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題 本文對(duì)I O K V 單元串聯(lián)式高壓變頻器進(jìn)行 了全面的研究與設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)和I O K V 整機(jī)評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果 并對(duì)高壓變頻器的無速 度傳感器矢量控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì) 本文首先分析了I O K V 高壓變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率單元 電路的設(shè)計(jì)原理 基于功率單元的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)和多電平移相式P W M 技 術(shù) 使變頻器的輸出電壓具有多級(jí)階梯電平和高開關(guān)頻率的特性 輸 出波形良好 接著 分析了控制電路的構(gòu)成和功能 重點(diǎn)是模擬量控 制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 運(yùn)用M u l t i s i m 對(duì)電路進(jìn)行了仿真 運(yùn)用P r o t e l D X P 對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)并且完成P C B 制板 最終成功運(yùn)用于I O K V 高壓 變頻器 對(duì)I O K V 單元串聯(lián)式高壓變頻器的整機(jī)評(píng)價(jià)試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)介 紹 通過在各種工況下的測(cè)試 給出了功率單元和整機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù) 據(jù)和波形 評(píng)價(jià)結(jié)果證實(shí)I O K V 高壓變頻器的整機(jī)特性和功率單元內(nèi) 各器件滿足設(shè)計(jì)要求 最后對(duì)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(yīng)用 進(jìn)行了研究 基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制理論 設(shè)計(jì)了磁鏈閉環(huán)無速 度傳感器矢量控制系統(tǒng) 并運(yùn)用M A T L A B S i m u l i n k 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真 研究 電流調(diào)節(jié)器 磁鏈調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器以期望的響應(yīng)為基準(zhǔn)的 設(shè)計(jì)方式 使實(shí)際值能很好的跟隨指令值 擾動(dòng)觀測(cè)器解決了動(dòng)態(tài)降 速的闖題 使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能提升 對(duì)比分析了兩種改進(jìn)電壓模型 磁鏈觀測(cè)器 仿真結(jié)果表明勵(lì)磁電流補(bǔ)償模型相比磁鏈參考值補(bǔ)償模 型具有更好的動(dòng)態(tài)性能 觀測(cè)磁鏈值更加準(zhǔn)確 在轉(zhuǎn)速估算方面 動(dòng) 態(tài)轉(zhuǎn)速估計(jì)器結(jié)合速度濾波和超前校正補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì) 使系統(tǒng)在高速和 低速狀態(tài)下都能取得良好的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性 此外 對(duì)模型參考自適應(yīng) M R A S 方法進(jìn)行了一些仿真研究 兩種轉(zhuǎn)速估算方法的仿真結(jié)果證明 了其可行性 關(guān)鍵詞 單元串聯(lián)式高壓變頻器 模擬量控制電路 無速度傳感器 轉(zhuǎn)子磁鏈定向 磁鏈觀測(cè) 轉(zhuǎn)速估計(jì) 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(xué)學(xué)位論文原刨性聲明 本人鄭重聲明 我恪守學(xué)術(shù)道德 崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng) 所呈交的學(xué)位 論文 是本入在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果 除 文中已明確注明和引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容 論文為本人親督撰寫 我對(duì) 所寫的內(nèi)容負(fù)責(zé) 并完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者簽名 瘁材 冒期 年月目 東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同 意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允 許論文被查閱或借閱 本人授權(quán)東華大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或 部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù) 制手段保存和匯編本學(xué)位論文 保密口 在 年解密后適用本版權(quán)書 本學(xué)位論文屬于 不保密回 學(xué)位論文作者簽名 摩秈 日期 年月日 指導(dǎo)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(yīng)用 我國高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速現(xiàn)狀 大部分高壓電動(dòng)機(jī)都有調(diào)速要求 但實(shí)際進(jìn)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(diào)速方式 如變極 串極 轉(zhuǎn)子串電阻 定子 調(diào)壓 電磁離合器 液力偶合器等調(diào)速方式 冶金行業(yè)的一些大型電機(jī)仍使用直 流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速 特別是對(duì)于風(fēng)機(jī) 泵類負(fù)載 選型按最大容量且留有一定裕度 實(shí)際運(yùn)行時(shí) 這類負(fù)載常處于低負(fù)荷狀態(tài) 而用于這類負(fù)載的高壓電動(dòng)機(jī)只能全速運(yùn)行 通過 調(diào)節(jié)閥門 擋板調(diào)節(jié)流量 或者采用液力偶合器進(jìn)行調(diào)速 閥門 擋板節(jié)流損失 嚴(yán)重 且響應(yīng)慢 存在非線性區(qū) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)不很可靠 液力偶合器也存在嚴(yán)重的 偶合損失和轉(zhuǎn)差損失 且調(diào)速精度差 非線性嚴(yán)重 運(yùn)行不可靠 如果這類高壓 電動(dòng)機(jī)使用高壓變頻器調(diào)速 閥門擋板可全開 可有效節(jié)能降耗 采用變頻調(diào)速 其控制調(diào)節(jié)特性也遠(yuǎn)優(yōu)于閥門擋板調(diào)節(jié) 此外 實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng) 避免了大啟動(dòng)電 流造成的電機(jī)絕緣老化及由于大電動(dòng)力沖擊對(duì)電機(jī)壽命的影響 也減輕了負(fù)載的 損耗 高壓變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn) 交流調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電 提高自動(dòng)化水平及改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì) 量 勞動(dòng)生產(chǎn)率 改善環(huán)境的一種主要手段 變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能 軟 啟動(dòng)功能 高效率 高功率因數(shù) 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(diǎn)而被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式 對(duì)于高壓變頻器 隨著電力電子器件 的發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步 高壓變頻器的生產(chǎn)技術(shù)已逐步趨向成熟 并逐步得 到了用戶的認(rèn)識(shí) 認(rèn)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(yīng)用 第1 章緒論 高壓變頻器應(yīng)用行業(yè)及負(fù)載 行業(yè)可應(yīng)用負(fù)載 火力發(fā)電引風(fēng)機(jī) 送風(fēng)機(jī) 電動(dòng)給水泵 循環(huán)水泵 凝結(jié)水泵 灰漿 渣 泵 磨煤 機(jī) 排粉機(jī)等 冶金除塵風(fēng)機(jī) 除鱗水泵 退火爐風(fēng)機(jī) 送水泵 主排風(fēng)機(jī) 鼓風(fēng)機(jī) 軋機(jī)主傳 動(dòng) 空壓機(jī)等 石油石化注水泵 電潛泵 輸油泵 管道泵 排風(fēng)機(jī) 壓縮機(jī) 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(fēng)扇 排水泵 介質(zhì)泵 礦井提升機(jī)等 水泥窯爐引風(fēng)機(jī) 壓力送風(fēng)機(jī) 冷卻器吸塵風(fēng)機(jī) 生料研磨機(jī) 窯爐供氣風(fēng)機(jī) 冷卻器排風(fēng)機(jī) 分選器風(fēng)機(jī) 主吸塵風(fēng)機(jī)等 造紙打漿機(jī)等 制藥清洗泵等 其他風(fēng)洞試驗(yàn)等 2 高壓變頻器典型結(jié)構(gòu) 三種典型結(jié)構(gòu) 逆變器橋臂直接串聯(lián) 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(lián)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(fēng)光 上?？七_(dá)等 逆變器橋臂直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)是較為成熟的兩電平結(jié)構(gòu) 但由于受功率器件耐壓 的限制 逆變器橋臂需多個(gè)功率器件直接串聯(lián) 由于各器件的動(dòng)態(tài)電阻 極電容 各不相同 存在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的均壓問題 同時(shí)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求串聯(lián)器件通斷時(shí)間 一致 二極管箝位三電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是 電路結(jié)構(gòu)簡單 使用元器件較少 不存在 元件均壓問題 每個(gè)主開關(guān)器件所承受的電壓僅為直流側(cè)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(jié)構(gòu)相比 此種結(jié)構(gòu)輸出電 平數(shù)增加 相電壓由5 個(gè)增加到7 9 個(gè) 這種多級(jí)的電壓階梯波減少了d v d t 對(duì) 電動(dòng)機(jī)絕緣的沖擊 線電壓由3 個(gè)增加到5 個(gè) 這樣在同等開關(guān)頻率條件下 可 使輸出電壓波形質(zhì)量有較大改善 缺點(diǎn) 作為三電平結(jié)構(gòu) 諧波畸形仍較大 需 2 第1 章緒論 輸出濾波器 不易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì) 對(duì)功率器件耐壓要求較高 輸出電壓等級(jí)受一 定限制 5 0 l 單元串聯(lián)式多電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是 采用功率單元串聯(lián)的方式 而不是傳統(tǒng)的 器件串聯(lián)方式 不存在均壓問題 功率單元采用技術(shù)成熟 價(jià)格低廉的低壓I G B T 驅(qū)動(dòng)功率小 通過改變每相串聯(lián)的單元數(shù)或每個(gè)功率單元的額定輸出電壓即可達(dá) 到不同的變頻器輸出電壓等級(jí) 控制方式相對(duì)簡單 因每一級(jí)結(jié)構(gòu)的相同性 便 于對(duì)每一級(jí)進(jìn)行P W M 控制 然后進(jìn)行波形重組 網(wǎng)側(cè)存在輸入移相變壓器 輸 入諧波小 輸入功率因數(shù)高 輸出波形良好 諧波分量小 d v d t 小 電機(jī)轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)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(dòng) 功率單元 模塊化 容易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì) 保證個(gè)別功率單元故障時(shí)不影響整機(jī)工作 電源電 壓和輸出電壓一致 便于實(shí)現(xiàn)工頻旁路 缺點(diǎn) 功率器件過多 裝置體積 重量 大 再生能量回饋困難 主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī) 水泵類負(fù)載 4 9 目前功率單元串聯(lián)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(zhuǎn)換的控制策略 主要有以下幾種 1 階梯波脈寬調(diào)制 階梯波調(diào)制就是用階梯波來逼近正弦波 在階梯波調(diào)制中 可以通過選擇每 個(gè)電平持續(xù)時(shí)間的長短 來實(shí)現(xiàn)低次諧波的消除和抑制 具有調(diào)制比變化范圍 寬 算法簡單 通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 可以在主功率器件開關(guān)頻率最低的情況下 實(shí) 現(xiàn)變頻器輸出電壓波形畸變最小的控制目標(biāo) 2 正弦脈寬調(diào)制 S P w M 其基本原理是使用幾個(gè)三角波信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào) 每相 比較 產(chǎn)生S P W M 信號(hào) 將三角載波進(jìn)行合適的移相 可以實(shí)現(xiàn)選定次數(shù)諧波的消除 該方法具有 簡單 直觀等優(yōu)點(diǎn) 其缺點(diǎn)是功率管的開關(guān)頻率高 開關(guān)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(diào)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(fù) 肋3 種狀態(tài) 將三相的3 種狀態(tài)進(jìn) 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(jù)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(gè)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(duì)某一個(gè)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(shí)切換來逼近 在二極管箝位的多電平電路中 對(duì)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(shí)現(xiàn)電容電壓的平衡 空間矢量脈寬調(diào)制具 有 在大范圍的調(diào)制比內(nèi)具有很好的性能 無須大量的存儲(chǔ)空間來存放角 度值 結(jié)構(gòu)簡單 控制方便 直流母線電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn) 4 高性能高壓變頻器要求 目前高壓變頻器以風(fēng)機(jī) 水泵 壓縮機(jī)類負(fù)載為主 除了這類負(fù)載的應(yīng)用 高壓變頻器還可廣泛應(yīng)用于軋機(jī) 卷揚(yáng)機(jī)等調(diào)速要求較高的各類負(fù)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(zhuǎn)矩控制 從目前 看 用于這類負(fù)載的交 直 交高壓變頻器還不多 除了少數(shù)雙三電平結(jié)構(gòu) 整流 逆變部分采用相同結(jié)構(gòu)的全控型三電平P W M 結(jié)構(gòu) 的高壓變頻器 三菱 M E L V E C 3 0 0 0 系列應(yīng)用于寶鋼 鞍鋼軋機(jī)主傳動(dòng) 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(shí)理論上可以 實(shí)際應(yīng)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(shí)際應(yīng)用不詳 其他還未見應(yīng)用 5 目前存在問題 可靠性和價(jià)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(diǎn) 且高壓變頻器拖動(dòng)的負(fù)載一般比較重要 可 靠性是更為關(guān)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(rèn)可 特別是國產(chǎn)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(chǎn)品可靠性 并擁有一個(gè)合理的價(jià)格 是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵 綜上所述 高壓變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) P W M 控制策略 矢量控制的實(shí) 現(xiàn)都是目前變頻調(diào)速領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) 也是解決可靠性和價(jià)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(xiàn)狀 在上個(gè)世紀(jì)很長一段時(shí)間里 直流電機(jī)由于其調(diào)速性能好 控制性能簡單等 優(yōu)點(diǎn) 在高性能變速電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位 但是 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)中存在著 換向器 電刷等結(jié)構(gòu) 因而不能在大容量 高轉(zhuǎn)速 高可靠性 易于維護(hù)及節(jié)能 等方面滿足更高的要求 而交流電機(jī)雖然控制比較復(fù)雜 但其結(jié)構(gòu)簡單 堅(jiān)固耐 用 運(yùn)行可靠 制造成本低 易于維護(hù) 可工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn) 在工業(yè)領(lǐng)域 得到了廣泛的應(yīng)用 早期的交流電機(jī)控制多是建立在電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上 因?yàn)樵谠S多應(yīng)用場(chǎng) 合 對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求是 有一定的調(diào)速范圍而速度響應(yīng)不必太快 所采用 控制方法簡單 最好不要使用電機(jī)內(nèi)部參數(shù) 也不希望在電機(jī)軸上加裝速度傳感 器以構(gòu)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(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí) 際相差較大 系統(tǒng)在穩(wěn)定性 啟動(dòng)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(diào)壓技術(shù) 由于缺乏對(duì)轉(zhuǎn)矩的有效控制 系 統(tǒng)帶載能力差 動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 但由于該方法實(shí)現(xiàn)簡單 因而被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)機(jī) 5 第l 章緒論 水泵等調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合 交流電機(jī)控制從2 0 世紀(jì)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(qǐng)了專利 感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)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(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理 奠定了矢量控制的理論基礎(chǔ) 這種原理的基本出發(fā)點(diǎn)是 考慮到異步電機(jī)是一個(gè) 多變量 強(qiáng)耦合 非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng) 很難直接通過外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁 轉(zhuǎn)矩 但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo) 利用從靜止坐標(biāo)軸系到 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的變換 則可以把定子電流中的勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量 分解成兩個(gè)垂直的直流變量 并分別進(jìn)行控制 這樣 通過坐標(biāo)變換重建的電動(dòng) 機(jī)模型就可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī) 從而可像直流電動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和 磁通控制 l 矢量控制實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制 大大改善了異步 電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制性能 使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)能達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)的水平 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 上個(gè)世紀(jì)8 0 年代又出現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快 目前D T C 也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化 2 1 在異步電機(jī)矢量控制策略中需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)的 轉(zhuǎn)速 從而可以不需要速度傳感器實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制和速度閉環(huán)控制 因此 近 年來異步電機(jī)的無速度傳感器控制成了電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)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(shì) 由于速度傳感器 及其連線的消除 降低了系統(tǒng)成本 增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性 減少 了電機(jī)的軸向尺寸 保持了異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單 機(jī)械堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上 無速度傳感器體現(xiàn)出不同于有速度傳感器的一些特點(diǎn) 1 無速度傳感器控制中轉(zhuǎn)速閉環(huán)只能采用辨識(shí)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋 控制精度依賴于辨 識(shí)精度 2 一些磁通控制方法不能獨(dú)立運(yùn)用 因?yàn)樵诖磐ㄓ^測(cè)里轉(zhuǎn)速也是一個(gè) 使磁通計(jì)算穩(wěn)定的參數(shù) 所以兩者在某些模型下需同時(shí)計(jì)算 2 羽 3 低頻范圍磁 鏈觀測(cè)難度大 磁鏈觀測(cè)在本質(zhì)上是對(duì)電機(jī)反電勢(shì)的積分 2 9 1 而這會(huì)存在初值和 積分漂移問題 并且在電子供電頻率很低時(shí) 各項(xiàng)參數(shù)的誤差對(duì)反電勢(shì)的影響較 大 定子電阻的誤差對(duì)反電勢(shì)計(jì)算誤差影響也變大 4 電機(jī)多參數(shù)辨識(shí)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(zhuǎn)子磁通幅值恒 定的條件下 轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)速不可能同時(shí)辨識(shí)出來 這給無速度傳感器控制中轉(zhuǎn) 子電阻的辨識(shí)增加了難度 2 8 1 1 2 2 磁通觀測(cè)和轉(zhuǎn)速估計(jì)方法分類 轉(zhuǎn)速估計(jì) 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是對(duì)轉(zhuǎn)子速度的辨識(shí) 一旦得到轉(zhuǎn)速 觀測(cè)值 就可以構(gòu)成速度閉環(huán)控制 以下列舉當(dāng)前采用較廣泛的轉(zhuǎn)速計(jì)算方法 1 轉(zhuǎn)差頻率估計(jì)法 根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式 O r 國 一q 得出轉(zhuǎn)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(shí) 理論上可以達(dá)到很好的性能 但在無 速度傳感器系統(tǒng)中 準(zhǔn)確地瞬時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈角頻率不易得到 動(dòng)態(tài)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差角頻率 的估計(jì)往往有震蕩 實(shí)現(xiàn)起來不容易 而且沒有任何誤差校正環(huán)節(jié) 可能導(dǎo)致系 統(tǒng)不穩(wěn)定 3 0 3 l 2 模型參考自適應(yīng)法 M R A S 這種方法辨識(shí)轉(zhuǎn)速的主要思想是將含有轉(zhuǎn)速的方程作為可調(diào)模型 將不含轉(zhuǎn) 速的方程作為參考模型 兩個(gè)模型具有相同物理意義的輸出量 利用兩個(gè)模型輸 出量的偏差根據(jù)一定自適應(yīng)率來調(diào)整可調(diào)模型中的待測(cè)參數(shù)一轉(zhuǎn)速 參考模型和 可調(diào)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(gòu)成的 M R A s 2 基于反電勢(shì)的M R A S 3 基于無功功率的M R A S 4 基于觀測(cè)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(zhuǎn)速自適應(yīng)辨識(shí)方 法 3 2 1 將不含轉(zhuǎn)速的定子電壓模型作為參考模型 含有轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子電流模型作為 可調(diào)模型 兩者的輸出為轉(zhuǎn)子磁鏈 根據(jù)P o p o v 的超穩(wěn)定性理論 最終選擇比例 積分自適應(yīng)律進(jìn)行速度估計(jì) 在靜止兩相坐標(biāo)軸上 參考模型 p 鈿 M L I u 唧一足鋤一仃t p 鋤 可調(diào)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?yàn)槿绱?才有人提出了后三種方法 比如E Z P e n g 等人以電機(jī)反電勢(shì)作 為模型的輸出 避免了積分環(huán)節(jié) 但是在低速時(shí)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(shì)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(cè)器方法 無速度傳感器控制中使用的幾種閉環(huán)觀測(cè)器有 全階自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)器 擴(kuò) 展卡爾曼濾波器 擴(kuò)展龍貝格觀測(cè)器 滑模觀測(cè)器等 3 0 1 3 5 1 全階自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)器 采用靜止坐標(biāo)系中的電機(jī)模型并加以電流誤差 反饋補(bǔ)償 把轉(zhuǎn)速當(dāng)作參數(shù)進(jìn)行辨識(shí) 2 擴(kuò)展卡爾曼濾波器 E K F 擴(kuò)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(yīng)用 將電機(jī)轉(zhuǎn)速也看作一個(gè)狀態(tài)變量 考慮電機(jī)五階非線 性模型 在每一步估計(jì)時(shí)都重新將模型在該運(yùn)行點(diǎn)線性化 再沿用線性卡爾曼濾 波器的遞推公式進(jìn)行估訓(xùn)3 4 1 3 擴(kuò)展龍貝格觀測(cè)器 E L O 適用于非線性時(shí)變確定性系統(tǒng) 在E L O 中將 轉(zhuǎn)速看成是狀態(tài)變量 E L O 在磁通觀測(cè)的同時(shí)觀測(cè)了轉(zhuǎn)速 E L O 與E K F 相比具 有算法簡單 便于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn) 4 滑模觀測(cè)器方法 采用估計(jì)電流偏差來確定滑?？刂茩C(jī)構(gòu) 并使控制系 統(tǒng)的狀態(tài)最終穩(wěn)定在設(shè)計(jì)好的滑模超平面上 以上這些方法多建立在電機(jī)理想模型條件下 不同程度上依賴于電機(jī)參數(shù) 和運(yùn)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(hào)的轉(zhuǎn) 速辨識(shí)方法 旋轉(zhuǎn)高頻注入轉(zhuǎn)子凸極檢測(cè)法 漏感脈動(dòng)檢測(cè)法 d q 阻抗差異定 向法 飽和凸極檢測(cè)方法 這些方法具有對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性 但會(huì)不同程 度地受負(fù)載或工作點(diǎn)影響 對(duì)采樣有較高的精度要求 鍆 磁鏈觀測(cè) 在高性能無速度傳感器控制中 磁鏈觀測(cè)是必需的 電機(jī)控制性能主要由磁 鏈觀測(cè)的精度決定 轉(zhuǎn)子磁鏈可以從電機(jī)數(shù)學(xué)模型中推導(dǎo)出來 也可以利用狀態(tài) 觀測(cè)器或狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀測(cè)模型 基于電動(dòng)機(jī)模型的計(jì)算方法簡單 易行 但由于沒有對(duì)計(jì)算偏差以及積分器初值偏差引起的誤差校正功能 計(jì)算結(jié) 第1 章緒論 果不易收斂于真值也就是電機(jī)的實(shí)際值 2 1 為此需要設(shè)計(jì)具有 誤差反饋 環(huán)節(jié) 的狀態(tài)觀測(cè)器來保證被觀測(cè)值的收斂性 傳統(tǒng)的磁鏈觀測(cè)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(jù)定子電流和定子電壓的檢測(cè)值估算轉(zhuǎn)子磁鏈 電壓 模型法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單 算法中不含轉(zhuǎn)子電阻 因此受電機(jī)參數(shù)變化影響小 不需轉(zhuǎn)速信息 它的缺點(diǎn)是 低速時(shí) 隨著定子電阻壓降作用明顯 測(cè)量誤差掩 沒了反電動(dòng)勢(shì) 使觀測(cè)精度較低 純積分環(huán)節(jié)的誤差積累和漂移問題嚴(yán)重 可能 導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn) 根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系上公式 R 仃 p 鋤 厶 糾 卜3 整理后即得計(jì)算轉(zhuǎn)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(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 中r 唾 2 電流模型法 電流模型法根據(jù)定子電流和轉(zhuǎn)速檢測(cè)值估算轉(zhuǎn)子磁鏈 電流模型法使用轉(zhuǎn)速國作為輸入信息 另外它還涉及時(shí)變特性顯著的參數(shù) 即轉(zhuǎn) 子時(shí)間常數(shù)Z 當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行溫度發(fā)生變化或磁路出現(xiàn)飽和時(shí) Z 變動(dòng)范圍較大 常需進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)才能保證磁鏈觀測(cè)精度 但由于電流模型法不涉及純積分項(xiàng) 其觀測(cè)值是漸近收斂的 這是它的一大優(yōu)點(diǎn) 同時(shí)低速的觀測(cè)性能強(qiáng)于電壓模型 法 但高速時(shí)不如后者 l o 根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系上公式 1 乃p 砂椰 三 印 國 z 沙椰 卜5 整理后即得計(jì)算轉(zhuǎn)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(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)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(jié)合的方法 結(jié)合了兩種開環(huán)磁 鏈觀測(cè)器的優(yōu)點(diǎn) 即在高速時(shí)讓電壓模型起作用 通過低通濾波器將電流模型的 觀測(cè)值濾掉 在低速時(shí)讓電流模型起作用 通過高通濾波器將電壓模型觀測(cè)值濾 掉 為實(shí)現(xiàn)兩種模型的平滑過渡 可令它們的轉(zhuǎn)折頻率相等 l 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的磁鏈觀測(cè)還有兩類方法 狀態(tài)觀測(cè)器和基于定 予電壓模型的改進(jìn)觀測(cè)器 采用狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈分為全維磁鏈觀測(cè)器和降維磁鏈觀測(cè)器 2 1 全維磁鏈觀測(cè)器模型中 建立兩相靜止坐標(biāo)系中的電機(jī)狀態(tài)方程為電機(jī)模型 與實(shí)際電機(jī)參考模型構(gòu)成反饋系統(tǒng) 由兩個(gè)模型的輸入相同且通過反饋項(xiàng)使觀測(cè) 誤差最終被消除 由于該觀測(cè)器的維數(shù)與電動(dòng)機(jī)的實(shí)際維數(shù)相等 所以稱為全維 狀態(tài)觀測(cè)器 降維磁鏈觀測(cè)器模型中 由于電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈的兩個(gè)分量 據(jù)此可將4 維方程降維 構(gòu)成 磁鏈的降維觀測(cè)器 基于定子電壓模型的改進(jìn)方法 電壓模型法不需要轉(zhuǎn)子回路信息 其設(shè)計(jì)是 基于定子回路動(dòng)態(tài)方程完成的 這是它的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn) 同時(shí)也存在如前所述的 一些缺點(diǎn) 為了保持電壓模型法轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器的優(yōu)點(diǎn) 并克服其存在的缺陷 就出現(xiàn)了改進(jìn)的電壓模型法 這種轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器取消了普通電壓模型法關(guān)于反 電動(dòng)勢(shì)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(chǎn)生的狀態(tài)估計(jì)相 l O 第1 章緒論 位滯后由參考轉(zhuǎn)子磁鏈的濾波信號(hào)來補(bǔ)償 1 1 1 2 3 研究的前沿問題 在經(jīng)典矢量控制理論的基礎(chǔ)上 開始研究以定子磁鏈和氣隙磁鏈定向的磁場(chǎng) 定向控制系統(tǒng) 4 1 刪 其主要目的是為了避免檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的困難和對(duì)時(shí)變的 轉(zhuǎn)子參數(shù)的依賴性 但是在這兩個(gè)參考坐標(biāo)系上電動(dòng)機(jī)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(shí)用尚有一定距離 脈寬調(diào)制 P W M 技術(shù)繼續(xù)得到發(fā)展 早期的P W M 調(diào)制僅僅以獲得正弦 電壓為目的 后來出現(xiàn)了針對(duì)某一特定目標(biāo)以及為提高電壓利用率的優(yōu)化P W M 調(diào)制方法 以達(dá)到如電流諧波畸變率小 效率最優(yōu) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小等優(yōu)化目標(biāo) 4 7 4 9 1 o 現(xiàn)代控制理論在交流變頻調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用 矢量控制系統(tǒng)中采用狀態(tài) 觀測(cè)器觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈 自適應(yīng)控制理論以及卡爾曼濾波器用于電機(jī)參數(shù) 轉(zhuǎn)速的 自辨識(shí) 自適應(yīng)控制等 都取得了明顯的效果 目前 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模糊控制等智能控制技術(shù)在電機(jī)控制中的研究越來越廣泛 隨著智能控制理論與應(yīng)用的日益成熟 可能會(huì)給交流傳動(dòng)領(lǐng)域帶來革命性的變 化 1 3 本文研究的主要內(nèi)容 根據(jù)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(lián) 式高壓變頻器為研究對(duì)象 研究其整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電路功能原理并設(shè)計(jì)相關(guān)電 路 對(duì)變頻器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)是否符合要求 研究設(shè)計(jì)高壓變頻器上 的矢量控制策略以為其高性能實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)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(xì)闡述分析論文的選題背景 研究背景 并介紹課題的技術(shù)難點(diǎn)以 及論文的主要工作 第2 章將研究1 0 K V 單元串聯(lián)式高壓變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率單元主 電路的設(shè)計(jì) 詳細(xì)分析其工作原理 并介紹高壓變頻器內(nèi)控制電路的構(gòu)成 第3 章將重點(diǎn)介紹模擬量控制電路的設(shè)計(jì)原理 該電路由作者承擔(dān)設(shè)計(jì) 運(yùn) 第1 章緒論 用仿真軟件M u l t i s i m 進(jìn)行了仿真研究 將給出仿真波形和電路的P C B 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 該電路最終成功運(yùn)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(jī)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)試驗(yàn) 第4 章將給出1 0 K V 單 元串聯(lián)式高壓變頻器實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容 第5 章和第6 章是本文理論研究重點(diǎn) 內(nèi)容為高壓變頻器的矢量控制策略 將對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的研究 并對(duì)高壓變頻器上按轉(zhuǎn)子磁 鏈定向無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) 包括調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 磁鏈觀測(cè)器的 設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速估計(jì)器的設(shè)計(jì) 采用M A T L A B S i m u l i n k 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模及仿真 通 過仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性 1 2 第2 章1 0 I O 單元串聯(lián)式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 第2 章1 0 K V 單元串聯(lián)式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 從本章開始 將對(duì)1 0 K V 單元串聯(lián)式高壓變頻器進(jìn)行系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 第 2 章和第3 章將對(duì)其硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析 第4 章將給出1 0 K V 高壓變頻器的 現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)內(nèi)容 本章將研究1 0 K V 高壓變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 功率單元 電路的設(shè)計(jì)以及控制電路的構(gòu)成 2 110 K V 單元串聯(lián)式高壓變頻器主電路的構(gòu)成 由單元串聯(lián)式多電平變頻器向高壓交流電動(dòng)機(jī)供電時(shí) 變頻器和電動(dòng)機(jī)都與 高壓等級(jí)的交流電網(wǎng)沒有直接聯(lián)系 電網(wǎng)電壓經(jīng)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(gè)獨(dú)立的低壓P W M 變頻功率單元輸出端串聯(lián)起 來 實(shí)現(xiàn)變壓變頻的千伏級(jí)高壓輸出 直接供給高壓電動(dòng)機(jī) l 1 0 K V 高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 1 所示 電網(wǎng)輸入為三相1 0 K V 經(jīng)過移相變壓器 隔離變壓器 整流變壓器 變?yōu)? 個(gè)低壓 獨(dú)立 移相二次繞 組電源 每個(gè)二次繞組電源接入功率單元模塊 并經(jīng)過整流 濾波和逆變輸出單 相交流電源 由此 每相由8 個(gè)額定輸出電壓為6 9 0 V 的功率單元串聯(lián)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(duì)調(diào)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(jī)空載時(shí)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(dú)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(dú)立電源是輸出電壓重組的要求 電流多重化可以降低 電網(wǎng)側(cè)電流諧波 剮 對(duì)電網(wǎng)污染少 輸入電流波形接近正弦波 在1 0 K V 結(jié)構(gòu)中 8 個(gè)二次繞組通過不同的聯(lián)結(jié)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(gè)二次繞組不同相位電流波形 經(jīng)折算后的值 的疊加 構(gòu)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(wǎng)側(cè)4 7 次以下諧波 輸入功率因數(shù)可達(dá)o 9 5 以上 鈣 不必采用輸 入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置 1 3 第2 章1 0 K V 單元串聯(lián)式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 圖2 11 0 K V 高壓變頻器整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2 2 單元主電路設(shè)計(jì) 圖2 1 中的每個(gè)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gè)電解電容串聯(lián)電壓保護(hù)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(gè)低壓絕緣柵雙極型晶體 管 I G B T 組成 逆變器由4 個(gè)I G B T 構(gòu)成 輸出電壓和頻率均為可調(diào) 它有四種開關(guān)組合情 況 1 墨和甌同時(shí)導(dǎo)通 輸出端有正的直流母線電壓 廠 2 S 和馬同時(shí)導(dǎo)通 1 4 第2 章1 0 i f 7 單元串聯(lián)式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 輸出端有負(fù)的直流母線電壓一U 3 墨和島同時(shí)導(dǎo)通 或4 S 和甌同時(shí)導(dǎo)通 則輸出端電壓為0 所以 每個(gè)功率單元輸出電壓為U 0 一U 三種狀態(tài)電平 每相8 個(gè)單元疊加 由于采用多重化P W M 技術(shù) 即每一相中各串聯(lián)功率單元的 載波信號(hào)錯(cuò)開一定的電角度與參考波進(jìn)行調(diào)制 就可產(chǎn)生1 7 種不同的電平等級(jí) 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(jīng)疊加可得 具有1 7 級(jí)階梯電平的相電壓波形 和3 3 級(jí)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(shù) 同一相的功率單元輸出相同的基波電 壓 但串聯(lián)各單元的8 對(duì)載波 每對(duì)含正反向信號(hào) 之間錯(cuò)開2 2 5 0 以載波的周 期來算 每個(gè)單元的輸出實(shí)現(xiàn)多電平P W M 每個(gè)功率單元的I G B T 開關(guān)頻率為 1 K H z 單相8 個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí) 等效的輸出相電壓開關(guān)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(lián) 而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出 所以不存在 器件均壓的問題 每個(gè)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(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗 而高的 等效輸出開關(guān)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(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 所以這種變頻器對(duì)電機(jī)無特 殊要求 可用于普遍籠型電機(jī) 且不必降額使用 對(duì)輸出電纜長度也無特殊限制 這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加 但由于I G B T 驅(qū)動(dòng)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(dá)9 6 以上 4 9 1 由于采用模塊化結(jié)構(gòu) 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(lián)式高壓變頻器的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 極管不可控整流電路 能量不能回饋電網(wǎng) 變頻器不能四象限運(yùn)行 因?yàn)椴捎昧?功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu) 可便于采取功率單元旁路技術(shù)和功率單元冗余設(shè)計(jì) 當(dāng)功率 單元故障時(shí) 控制系統(tǒng)可將故障單元自動(dòng)旁路 變頻器仍可繼續(xù)運(yùn)行 2 3 控制電路的構(gòu)成 控制電路要完成以下功能 電機(jī)控制 多電平P W M 系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和保護(hù) 運(yùn)行參數(shù)設(shè)定 參數(shù)和狀態(tài)量顯示 通信 I G B T 控制 保護(hù) 單元狀態(tài)檢測(cè)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(jī)控制專用D S P F 2 8 1 2 其功能包 括 電機(jī)控制策略 A