（交通信息工程及控制专业论文）三电平逆变器交流传动系统及其控制的研究.pdf

摘要 多电平逆变器避免了功率器件串联引起的动态均压问题，同时降低了输出谐 波和电压变化率，减小了电磁干扰，相应地提高了电机效率，成为大功率交流传 动领域研究的重点。论文主要内容是研究以三电平逆变器为核心的交流传动系统 及其控制方式，理论分析并研制了适用于城市轨道交通车辆辅助系统的i g b t 三 电平逆变器和主传动系统的i p m 三电平逆变器。 论文详细分析了三电平逆变器基于方波控制方式时的输出电压波形，推导了 输出电压畸变率与控制角的关系，提出了适用于三电平逆变器的三种改进型s p w m 控制方式，并对空间电压矢量p w m 的控制原理和实现方式作了深入地分析。系统 地介绍了三电平逆变器研制的关键技术，提供了适用于主传动系统3 0 0 k v ai p m 三 电平逆变器的系统构成，并对其供电于3 0 0 k w 交流电机的牵引特性进行了试验研 究。 在分析了直接转矩控制技术的理论基础上，针对三电平逆变器交流传动系统 高性能控制的要求，结合直接转矩控制技术的特点，提出了一种基于不同牵引特 性时复合控制的直接转矩控制技术，既能简化空间电压矢量的选择，保持了中点 电压的平衡，又能有效地降低功率器件的开关频率。 论文最后介绍了另一种适用于城轨车辆辅助系统的8 0 k v a 逆变器，主电路采 用双重逆变器和组合变压器构成，其同样具有多电平逆变器的一些优点，为研发 适用于城轨交通车辆的逆变器提供另一种实现方式。 关键词：三电平逆变器，p w m 控制，空间矢量，直接转矩控制 a b s t r a c t m u l t i 。l e v e li n v e r t e ra v o i d st h e p r o b l e m o fd y n a m i c v o i t a g e d i s t r i b u t i o nc a u s e db ys e r i a l l i n k i n go fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e s ， d e c r e a s e so u t p u th a r m o n i c sa n dt h ec o n v e r t i n gr a t i oo fv o l t a g ea n d e n h a n c e st h ee m il e v e la n dm o t o re f f i c i e n c y ，t h u sb e i n gf o c u s e do ni nt h e f i e l do f a cd r i v e r a n g i n gf r o mm i d d l ep o w e rt ol a r g ep o w e r t h e d is s e r t a t i o nm a i n l yp r e s e n t st h ec o n s t r u c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g i e so f a cd r i v es y s t e mb a s e do nt h r e e l e v e l i n v e r t e r ，a n dd e v e l o p si g b t t h r e e l e v e li n v e r t e ra p p l i e dt os t a t i ca u x i l i a r ys y s t e mi nu r b a nr a i l t r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e sa n di p mt h r e e - l e v e li n v e r t e rf o rm a i nd r i v e s y s t e m a f t e rt h er e l a t i o n s h i po ft h eo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mw i t hc o n t r o l a n g e lb a s e do ns i n g l ep u l s ec o n t r o lm e t h o do ft h r e e - l e v e li n v e r t e ra r e g i v e n ，t h r e ek i n d s o fi m p r o v e ds p w mc o n t r o lm e t h o d si nt h ec a s eo f t h r e e l e v e li n v e r t e ra r ep r e s e n t e da n dt h e nc o n t r o lp r i n c i p l ea n dm e t h o d o f s p a c ev o l t a g ev e c t o r a r ea l s op r e s e n t e d t h ed i s s e r t a t i o n s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n go ft h r e e l e v e li n v e r t e r 3 0 0 k r a i p mt h r e e - l e v e li n v e r t e rf o rm a i nd r i v es y s t e mi nt h eu r b a nv e h i c l ea l s o d e v e l o p e da n dt h u st h et r a c ti o np r o p e r t ys u p p li e db y3 0 0 k wa cd r i v es y s t e m b a s e do nv 、f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) m e t h o di sr e a l i z e d o nt h eb a s iso ft h e o r ya n dm e t h o do fd t c ，g i v e na d v a n c e dc o n t r o l t h e o r i e sf o rt h r e e l e v e li n v e r t e ra cd r i v es y s t e m ，ac o m p o u n dc o n t r o l t e c h n o l o g y c h a r a c t e r i z e d b y d t c t e c h n o l o g y i s p r e s e n t e db a s e d o n d i f f e r e n tt r a c t i o np r o p e r t i e so fa s ms u p p l i e db yt h r e e l e v e li n v e r t e r i th a sm a n ya d v a n t a g e so fk e e p i n gt h eb a l a n c eo fn e u r a lp o i n tv o l t a g e ， s i m p l i f y i n gt h ec h o i c e o fs p a c ev o l t a g ev e c t o ra n dd e c r e a s e ds w i t c h f r e q u e n c yo fp o w e rd e v i c e s f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e s8 0k v ai n v e r t e rf o ru r b a n t r a n s i tv e h i c l e s i t sm a i nc i r c u i ti sc o m p o s e do fc a s c a d e di n v e r t e r sa n d c o m b i n e dt r a n s f o r m s i th a ss o m ea d v a n t a g e so fw h a tm u l t i - l e v e li n v e r t e r i s s oi tp r o v i d e sa n o t h e rk i n do ft o p o l o g ys t r u c t u r ef o ru r b a nt r a n s i t v e h i c l ei n v e r t e r s k e y w o r d s ： c o n t r o l ： t h r e e l e v e li n v e r t e r ： s p a c ev e c t o r ；d t c ( d i r e c t p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) t o r q u ec o n t r 0 1 ) 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独宴进行研究工作所取 三电干避琴努如免1 宣动尔晚 得的成果，撰写成博士琢老学位论文“盈基主翌纠的萼宝 ”。 除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 稼铴衿 硎弓年夕月幻日 同济大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1论文选题目的和意义 电力电子技术，控制理论和微电子技术的迅速发展及相互渗透，使交流传动 技术不断完善和不断创新。电力电子技术的发展为交流传动系统提供了必不可少 的物质基础，控制理论的发展和应用使交流传动系统的性能不断提高，微电子技 术的发展为新的控制理论在交流传动系统中实现奠定了数字化基础。目前，交 流传动系统已成为电气传动领域的主流，低压系统的变频调速技术已在国内广泛 应用，而对于中高压、大功率应用的研究尚处于起步阶段，主要依靠进口国外一 些如a b b 、s i e m e n s 、a b 、r o b i c o n 等著名电气公司的变频装置，这些产品在国内 的价格十分昂贵。我国曾创造铁路运行最高记录的2 0 0k m h 动车组，其牵引系 统是巨资购买日本m i t s u b i s h i 公司的三电平变频系统。国内先进的城市轨道交 通车辆大都依靠进口，即使部分实现国产化，有关交流传动系统的核心技术也并 没有得到转让，仍受控于他人。 多电平逆变器避免了器件串联引起的动态均压问题，同时降低了电压变化率 和输出谐波，减少了电磁干扰，相应地提高了电机效率，成为中大功率交流传动 领域研究的重点，许多国际著名电气公司都开发了以三电平逆变器为核心的交流 传动系统，容量从几百千瓦到几百兆瓦，成功应用于钢铁轧机、矿井提升机、电 力机车、城市轨道交通车辆等领域。因而，在我国正大力发展城市轨道交通和高 速铁路的时期，开发出具有自主知识产权的交流传动系统中的三电平辅助逆变器 和牵引逆变器，不仅可以创造巨大的经济效益，而且具有深远的社会意义。 1 2电力电子技术的发展 电力电子学诞生后，通常把相应的半导体学科分为两个分支：一个是以集成 电路为核心的微电子学，另一个是以大功率半导体器件为代表的电力电子学脚。 电力电子技术是应用电力电子器件对电能进行变换与控制的一种现代技术，是电 力、电子、控制三大电气工程技术之间的边缘学科，与计算机科学、微电子学等 许多领域密切相关，是一门多学科互相渗透的综合性技术学科。电力电子技术的 发展主要体现在电力电子器件的发展和电力电子交流技术的发展两个方面。 同济大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 1电力电子器件的发展历程删 电力电子器件，既是电力电子技术的物质基础，又是电力电子技术发展的强 大动力。电力电子技术的每次飞跃都是以新器件的出现为契机，一代器件带动一 代应用装置。电力电子器件的发展经历了不控型器件、半控型器件、电流全控型 器件、电压型全控器件和功率集成电路等阶段。 1 9 4 8 年，第一只晶体管诞生，1 9 5 7 年在晶体管的基础上研制了反向阻断型 可控硅s c r ( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) ，后称晶闸管( t h y r i s t o r ) 。这 是一种半控型器件，从此开始了电力电子技术的新时代口1 。到7 0 年代，晶闸管 已形成系列产品，并研制出许多派生器件，如不对称晶闸管a s c r ( a s y m m e t r i c a l t h y r i s t o r ) 、逆导型晶闸管r c l ( r e v e r s e c o n d u c t i n gt h y r i s t o r ) 、双向晶闸 管( b i d i r e c t i o n a lt h y r i s t o r ) 、光控晶闸管l a s c r ( 1 i g h ta c t i v a t e ds i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) 等。7 0 年代后期，可关断晶闸管g o ( g a t et u r n - o f f t h y r i s t o r ) 及电力晶体管g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 及其模块相继实用化。这 些全控型器件在中、大容量的变流装置中逐渐取代了传统的晶闸管。而功率场效 应管( p o w e rm o s f e t ) 的应用，标志着电力电子器件在高频化进程中有了重大进 展。复合器件的研制是8 0 年代后期电力电子器件中较为瞩目的成就之一，绝缘栅 双极晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb ip o l a rt r a n s i s t o r ) 和m o s 栅控晶闸管m c t ( m o sc o n t r o l l e dt h y r i s t o r ) 被认为最有发展前途的复合器件，这些器件实现了 高压、大电流参数同其动态参数之间较为合理的折衷，是较为理想的高频、高压 大电流器件。i g b t 集中了m o s f e t 和b j t 的优点，电流密度高，安全工作区宽， 具有输入阻抗高、开关速度快、开关损耗小、通态压降低、耐压高、耐冲击、易 并联等优点，使用极为方便。静电感应晶体管s i t ( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ) 和静电感应晶闸管s i t h ( s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o r ) 利用门极电场改变空 间电荷区的宽度来开闭电流通道，同时具有高压、大电流和高频的特点。 集成门极换流晶闸管i g c r ( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt u r n o f f t h y r i s t o r ) 是在g t o 的基础上，采用缓冲层和透明阳极，使其可以在没有缓冲 电路的情况下工作，显著减少了通态和开关损耗，并大大降低了对门控单元的要 求。i e g t ( i n j e c t i o ne n h a n c eg a t et r a n s i s t o r s ) 与i g b t 一样，它也分平面 栅和沟槽栅两种结构，它兼有i g b t 和g t o 两者的一些优点：低的饱和压降，宽 2 同济大学博士学位论文第一章绪论 的安全工作区，低的栅极驱动功率，和较高的工作频率。i e g t 之所以有前述这 些优良的特性，是由于其利用了“电子注入增强效应 。智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 是集成了i g b t 及其驱动电路，且内藏电流与导 熟等传感器，具有过压、欠压、过流、短路和过热保护功能。功率集成电路p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是电力电子技术和微电子技术相结合的高新科技 产品，是微型化电力电子装置发展的方向。这些新的器件都是9 0 年代后电力电 子技术领域的研究成果。总之，电力电子器件正朝着大容量、模块化、智能化、 集成化、高速化的方向迅速发展。 1 2 2 用新型半导体材料制造的电力电子器件州 目前。硅材料功率器件已发展相当成熟。为了实现对理想功率器件特性的追 求，越来越多的功率器件研究工作转向采用新型半导体材料制作的研究。 1 )高压砷化镓高频整流二极管 随着变换器开关频率的不断提高，对快恢复二极管的要求也随之提高。砷化 镓二极管具有比硅二极管优越的高频开关特性，但是由于工艺技术等方面的原 因，砷化镓二极管耐压较低，实际应用受到限制。为适应高压、高速、高效率和 低e m i 应用需要，高压砷化镓高频整流二极管已在m o t o r o l a 公司研制成功。与 硅型快恢复二极管相比，这种新型的二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变 化小、开关损耗低和反向恢复特性好。 2 )碳化硅电力电子器件 在用新型半导体材料制成的电力电子器件中，最有希望的是碳化硅功率器 件，其性能指标高，工作温度司达6 0 0 ，p n 结的耐压达5k v - l o k v 。碳化硅 具有下列优异的物理特点：高禁带宽度、快饱和电子漂移速度、高击穿强度、低 介电常数和高热导率。这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频及大功 率的应用中是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流水平下，碳化硅器件 的漂移区电阻要比硅型低2 0 0 倍，即使高耐压的碳化硅场效应管导通压降大，也 比单极性、双极性硅器件低的多。而且，碳化硅器件的开关时间可达1 0 个n s ， 并具有十分优越的正向偏置安全工作区。采用碳化硅等新型半导体材料制成的电 力电子器件，可实现人们对“理想器件一的追求将是本世纪电力电子器件研制 3 同济大学博十学位论文第一章绪论 的重点。 1 2 3电力电子变流技术的发展睡1 2 1 电力电子器件的主要用途是构成各种变换器，使直流( d c ) 和交流( a c ) 电能 相互转换，即形成以下四种变流技术：d c - d c 、a c - d c 、d c - a c 、a c a c ，各种形式 的变换器在工业、军事和家庭生活等均有着广泛的应用。变换器新的应用需求是 变流技术发展的内在动力。近年来，变流技术的发展非常迅速，其典型的发展有 以下方面： ( 1 ) 低输出电压技术。现代微处理器的重复峰值电压要求为1 i - i 8v ，便 携式d c - d c 变换器的输出电压为1 2v 。这些低电压负载要求变换器体积 小，效率高和功率密度大，而且有快速的瞬态反应。 ( 2 ) 高频化和软开关技术。为缩小变换器的体积，提高其效率和功率密度， 减小电力电子器件的开关应力，改善系统动态响应，在小功率的应用中采 用高频化和软开关技术。 ( 3 ) 谐波抑制技术。为提高单相和三相变换器输入端的功率因数，减少对 电网的谐波污染，有源功率因数校正技术正走向实用化。 ( 4 ) 大功率中、高电压变流技术。这是电力电子技术最新发展动向之一， 主要应用于大功率电动机交流传动系统和电力系统。在这一领域中有许多 挑战性的前沿课题：如新型变频器拓扑研究，多电平逆变器、交一交矩阵 式变频器及其控制策略的研究；大功率变换系统及其e m c 保护及控制：新 型灵活交流输电系统等。 1 2 。4 多电平逆变器拓扑结构综述n h 帕 在交流传动系统中，传统的逆变器为两电平逆变器，其简化拓扑结构如图1 1 所示，逆变器每相交流输出侧的相电压只有两种电平，而多电平逆变器每相交流 输出侧的相电压有多个取值电平，为低压器件构成高压大容量装置开辟了方向。 三电平逆变器在多电平逆变器中，是最简单却最有实用价值的，其简化拓扑结构 如图i 2 所示。 4 同济大学博士学位论文 第一章绪论 p e e n p e l 臼 e n 图1 1 两电平逆交器拓扑结构 图1 2 三电平逆变器拓扑结构 三电平逆变器主电路拓扑结构是德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年首次提出n 钔， 德文为d r e i p u n k t s h a l t u n g ，直译为中文为三点式电路。其主电路采用常规的两 电平电路结构，在每相桥臂中点与直流侧电源中点用一对反并联的功率器件辅助 中点箝位，从而逆变器的每相交流输出电压有三种电平，其一相主电路原理如图 1 3 所示。1 9 8 0 年日本学者n a b a e 提出，中点采用二极管筘位而两个功率主管串 联的方案，即中点箝位式三电平逆变器( n e u t r a lp o i n tc l a m p e dt h r e e l e v e l i n v e r t e r ) i s p 其一相主电路的原理如图1 4 所示。这种结构中，主管器件在关 断时仅承受直流侧电压的一半，适用于在高压大功率领域的应用。1 9 8 3 年，美 国学者b h a g w a t 和s t e f a n o v i c 将三电平结构推广到多电平，进一步发展了中点 箝位式的多电平结构引。 图1 3h o l t z 方案的一相主电路原理图 图1 4n a b a c 方案的一相主电路原理图 多电平( 设为n 电平) 逆变器与传统的两电平逆变器相比，在相同条件下 具有以下优点： ( 1 ) 可产生2 n 一1 层阶梯型输出电压，保证有更为接近正弦的波形，谐波 含量减小； ( 2 ) 开关器件每次开关时电压变化率d v d t 小，为两电平逆变器的1 ( n s 同济大学博士学位论文 第一章绪论 一1 ) ，器件的开关应力减小；电流变化率d i d t 也相应减小，电机的转矩 脉动和电磁噪音降低，电磁干扰( e m i ) 问题大大减轻： ( 3 ) 效率高，在同样谐波含量时，多电平逆变器开关频率大大降低，开关 损耗明显减少： ( 4 ) 适用于高压、大功率应用场合。 多电平结构为高压大功率电压型逆变器的研制开辟了新思路，目前多电平逆 变器的电路拓扑结构主要分两大类：输出电压级联式和电平箝位式。输出电压级 联式结构包括多重逆变器结构在内，通过叠加低压逆变器的输出而得到高压输 出。图1 5 所示是一种经输入曲折变压器隔离减压，经整流滤波后形成多路直流 电源。每个电源连接三相两电平逆变器，将多个逆变器串联便形成高压装置n 7 1 ， 也有通过单相桥式逆变器串联而成的结构。这类结构的优点是：输入侧功率因数 高，输出侧各个单元相对独立，可实现模块化，易于扩展。缺点是增加了输入或 输出耦合变压器，系统体积、重量和造价都很高。 图1 5 三相逆变桥级联多电平主电路原理图 电压箝位式结构的原理是通过箝位串联使用低压器件而直接输出高压，主要 有二极管箝位式和电容悬浮式。二极管箝位式结构以三电平为例，主电路结构如 6 同济大学博士学位论文 第一章绪论 图1 6 所示，每个功率器件承受的正向电压是直流侧电压的半，其结构紧凑， 控制相对简单。但随着电平数增加，筘位的二极管数量也增多。不同级的直流侧 电容在传递功率时可能出现不均衡的现象，箝位二极管承受的电压就不均匀，系 统实现和控制比较困难，因而在高压大功率装置中，以三电平、五电平应用较多。 随着研究的深入和控制技术的提高，这种结构电压均衡的问题已得到解决，二极 管箝位的多电平逆变器是研究最为广泛的一种，在有源滤波、无功调节和交流传 动等领域都得到广泛应用。 为解决二极管箝位式电路中二极管数量过多问题， t a m e y n a r d 和h f o e h 两位学者在1 9 9 2 年的p e s c 年会上提出采用悬浮电容来代替箝位二极管工作n 引， 主电路拓扑结构如图1 7 所示。工作原理同二极管箝位式相似，随着电平数增多， 在电压合成、开关状态的选择等方面具有更大的灵活性，但其控制相对复杂。在 高压大功率实际系统中，电容体积大，成本较高，在各种斩波电路、电力系统中 的应用研究居多，而在传动系统中的应用较少。 在二极管箝位式和电容悬浮式多电平拓扑结构的基础上，彭方正学者在2 0 0 0 年的i s a 年会上提出了多电平变换器统一模型【 一，如图1 8 所示，利用两电平 一相桥臂模块搭积成n 电平逆变器的拓扑结构，其每一级模块都是独立工作， 相邻功率器件状态互锁。该模型较好的概述了多电平变换器的拓扑结构，但大量 使用了箝位器件、二极管和电容，主电路非常复杂，因而实际应用较少。 最近二十年。欧洲、日本和北美的学者对多电平变流技术的研究进度突飞猛 进，拓扑结构和控制技术层出不穷，在高压大功率传动系统中的应用研究更是当 今研究热点之一。在国内，陶生桂教授等从9 0 年代初就开展对三电平逆变器的 研究潘1 。在八五期间承担了国家八五攻关项目子项目“g t 0 三点式逆变器及 其控制 ，并开发了多台不同功率等级的三电平逆变器和小功率的五电平逆变器。 近年来，清华大学、浙江大学、西安交通大学、西安理工大学、华中理工大学、 山东大学等许多高校都开展了对多电平交流技术研究，提出s p 骱v i 、最优p i 5 q c l 、空 间矢量p w m 等多种控制方法；但大都处于试验室研究阶段，因此要实现多电平变 流技术产业化的道路，还需国内研究人员紧密合作，同心协力，加快研制具有我 国自主知识产权的多电平变换器产品，促进我国交流传动产业的发展。 7 同济大学博士学位论文 e e e e 图 1 6 二极管箝位式三电平逆变器主电路原理 图 1 7电容悬浮式三电平逆变器主电路原理 l ： t ： i ： ： l ： i ： i i i ： = = ? ：、 四电乎； 、 图1 8 统一模式的多电平逆变器主电路原理 8 n 电平 第一章绪论 耋c p t t j z q z c ”j ： j d 1 2n ：cd 3 2 ，6 二i ： cd 究 ，2 j ： c l d 4 z c t i j z c 2 ：t z c d 2 2c t ：r ：一 jj | t 4 j z t 6 j ： c r 2 j ： e i lc m z s q z ： 彤j ： j 一 一， 一t 勺l ： c r 6 二i z t 2 j ： ，t l j ： 。t 誓 z q ： j 广。nt 4 j z c t 6 j l ： c 功 ： e ii j z 上j ： ： c tj z c ： j z c ， 0 ： 2c i i 2l l： 2c i 同济大学博士学位论文第一章绪论 1 3 交流传动控制技术的发展删 1 3 1 数字控制技术 随着微电子技术的飞速发展，电路集成度越来越高，微处理器性能也不断提 高，交流传动系统基本上实现数字控制技术。与传统的模拟控制( 或称连续控制) 比较，数字控制具有如下所述的优点阳1 ： ( 1 ) 程序控制：按照控制规律通过编制程序来实现对过程的控制，若控制 规律改交，只需改变软件，而不必改变系统的硬件结构。 ( 2 ) 精度高：模拟控制器的精度由元件的精度决定，元件的精度达1 0 。3 已不 容易。数字控制器精度由字长决定，可根据系统的要求决定字长。 ( 3 ) 稳定性好：数字控制器中用“0 和“1 的组合表示数字量，稳定性 比模拟系统好。 ( 4 ) 分时控制：通过对数字控制器的输入、输出通道配置多路开关即可组 成多路模拟输入、输出通道，此时数字控制器可按照一定的次序分时采集、 处理、输出不同通道的信息，便实现分时控制。 同时，数字控制也存在着如模拟量数字量化时产生的量化误差，直接影响到 控制的精度和平滑性；若微处理器有限的处理速度使得采样周期不能足够短，对 控制实时性会产生不良影响。有时甚至导致闭环系统不稳定；系统数字化程度和 性能受到微处理器性能的制约等问题。但随着微电子技术的进步和集成制造工艺 的提高，超大规模集成电路、可编辑逻辑器件、1 6 位、3 2 位乃至6 4 位微处理器 的应用，电子设计自动化技术的发展，数字控制技术日趋完善，正向小型化、模 块化、硬件软件化、智能化方向发展。 1 3 2 交流传动调速技术 交流传动调速控制的依据是交流电机的转速公式。原则上讲，改变极对数， 改变转差率s 和调节频率f 都可以调速。对于同步电动机，在运行中改变极对数 会引起失步，因此只能变频调速：而对于异步电动机，以上三种方法均可采用， 但是变极调速是有级调速，而改变转差功率的各种调速方法，如定子调压调速、 电磁调速( 滑差电机) 、转子变电阻( 或斩阻) 调速都是耗能型调速方法，只有 变频调速是最为理想的调速方法。借助于电力电子技术和控制理论的发展，许多 9 同济大学博士学位论文 第一章绪论 新的调速技术得到了迅速发展。 在变频调速中，用变频器进行功率变频，但变频的同时必须协调地改变电动 机的端电压，否则电动机将出现过励磁或欠励磁。用于交流传动中的变频器实际 上是变压( v v ) 变频( v f ) 器，即v w f 。w v f 控制技术分为两种，一种是把w 与v f 分开完成，称为脉冲幅值调制，简称p a m 方式。另一种是将w 与v f 集中 于逆变器一起来完成，这种控制技术称为脉冲宽度调制，是1 9 6 4 年德国学者 s c h o n u n g 把通信系统的脉宽调制技术应用于交流传动中，简称p 删技术。p w m 技 术有等脉宽p 删法，正弦波p 删法( s p 矾t 法) ，磁链追踪型p 删法和电流跟踪型 p 删法等。等脉宽p w m 法是为了克服p a m 方式中逆变器只能输出频率可调的方波 电压而不能调压的缺点而发展起来的，是p 删法中最为简单的一种。其缺点是输 出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。s p 删法是从电动机供电电源的角 度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。磁链追踪型 p 删法与s p v 哪i 法不同，它是从电动机的角度出发的，着眼点在于如何使电动机 获得圆形磁场。电流追踪型p 删法虽然也采用电压源逆变器，却是控制输出电流 的，其基本思想是将电动机定子电流的检测信号与正弦波电流给定信号用比较器 进行比较控制。 上述的p 删法都是按电压频率比恒定的方式进行开环控制，它只控制电机 的磁通，而没有控制电机的转矩。转差频率控制是以异步电动机的稳态方程为基 础，能在一定程度上控制电机的电磁转矩，改善调速系统的动态性能。转差频率 控制仅仅引入速度闭环，未能对瞬时转矩闭环控制，系统的动态特性差。 传动系统要获得好的动态特性就必须对电机的瞬时电磁转矩进行有效的控 制。1 9 6 9 年，德国学者h a s s e 提出矢量控制的概念，后由德国学者f b l a s c h k e 于1 9 7 1 研究并发展呻1 ，形成一个完善的转子磁场定向的旋转矢量控制理论，简 称矢量控制。其基本思路是以产生同样的旋转磁场为准则，保持转子磁链幅值不 变，利用坐标交换建立三相交流绕组电流、两相交流绕组电流和在旋转坐标上的 正交绕组直流电流之间的等效关系，从而可以按直流电动机的控制规律来控制交 流电动机。矢量控制使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，是交流传动 控制理论上一个质的飞跃。但是传统的矢量控制技术还存在着不少问题。如矢量 控制要以转子磁链定向，然后才能把定子电流分为磁通分量和转矩分量，使二者 l o 同济大学博士学位论文第一章绪论 互相垂直，处于解耦状态。因而需要先求得转予磁链的相位，然后才能进行坐标 变换。但是异步电动机的转子磁链是无法直接测量的，这就影响了以转子磁链定 向的矢量控制技术的可靠性。若采用了现代控制技术中的自适应控制方法，允许 参数有相当大的偏差，转子参数的变化不致引起系统动态特性的恶化。以转子磁 场定向的矢量控制技术既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子 参数变化的影响，系统比较复杂。 还有一种矢量控制的方法称为转差矢量控制法，也称磁场加速法。磁场加速 法的出发点是异步电动机的转矩主要还是决定于电机的转差率。在运行状态突变 的动态过程中电机的转矩之所以出现偏差，是因为电机中出现了暂态电流，阻碍 了运行状态的突变，影响了动作的快速性。如果在控制中，只要能使电机的定子， 转子或气隙磁场中有一个始终保持不变，那么电机中的暂态电流就基本上不会出 现，电机的转矩就和稳态工作时一样，主要由转差率决定。在保持转子磁链的大 小和转速恒定的条件下求得的定子电流的控制方法就是转差矢量控制法。转差矢 量控制系统简单，得到了较多的推广应用。但是转差矢量控制的性能同样也受到 转子参数变化的影响。 直接转矩控制，德语为d s r ( d i r e k t es e l b s t r e g e l u n g ) ，英语为d s c ( d i r e c t s e l fc o n t r 0 1 ) 啮j 刚或d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) i s 7 o 是继矢量控制之后发展 起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。直接转矩控制技术具有新颖 的控制思想，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，易于实现数字化且有 着优良的静、动态性能，因而得到了迅速的发展和改善。直接转矩控制技术的实 质是以定子磁链的定向控制，主要有以下特点： ( 1 )由于选择在定子坐标下进行磁链、转矩的控制，转子参数变化对系统 表现为状态干扰而非参数干扰，能够通过闭环控制克服其影响，鲁棒性好； ( 2 ) 直接在定子坐标系下分析电动机的数学模型和控制电动机的磁链和转 矩，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，控制结构简单，易于实现， 便于全数字化控制； ( 3 ) 可对定子磁链进行幅值和形状的调节，易于实现弱磁控制，因而调速 范围宽； ( 4 ) 可根据定子磁链与定子电压矢量的关系给出变频器的开关控制信号， 同济大学博士学位论文第一章绪论 易于优化系统工作状态，降低开关频率。 直接转矩控制是近年来国内外学者在研究交流传动控制领域中的热点之一。 虽在低速域的转矩、磁链脉动，高速域的谐波处理等方面有显著的改善，仍有一 些难以逾越的困难，其中主要有以下方面： ( 1 ) 如何更合理地选择定子电压矢量，提高转矩给定突变时的响应速度； ( 2 ) 进一步提高闭环调速系统的鲁棒性，实现大范围内的高性能调速： ( 3 ) 克服电机参数对磁链模型的影响，提高低速域性能等。 1 4 论文的主要内容和安排 论文对三电平逆变器进行了系统的研究，理论分析了三电平逆变器的多种控 制方式，并对三电平逆变器直接转矩控制系统进行了研究。工作中对三电平逆变 器工程化的关键技术深入分析，研制了一台7 5 k v ai g b t 三电平逆变器，对三电 平逆变器的方波控制方式、1 2 0 0 导电正余弦形参照波的s p i 删! 控制方式、三角形 载波错开1 4 周期的改进s p w m 控制方式进行了试验分析，此逆变器可用于 7 5 0 v d c 网压供电的城轨交通车辆辅助系统；并开发了一台3 0 0 k v ai p m 三电平逆 变器，频率范围为0 5 - - - 2 0 0 h z ，可实现异步电机在恒转矩、恒功率、降功率特性 的运行，可用于交流传动车辆主传动系统中。同时和永济电机厂合作，开发了一 台适用于城轨车辆在1 5 0 0 v d c 网压供电的辅助系统用8 0 k w l 多重逆变器。论文共 分六章，内容安排如下： 第一章主要对电力电子技术和交流传动控制技术进行了综述。介绍了电力电 子器件的发展和变流技术的研究热点，着重分析了多电平拓扑结构的发展和研究 现状，讨论了交流传动调速技术的发展和直接转矩控制技术的优缺点，同时说明 了本论文的选题目的和研究意义。 第二章对三电平逆变器构成的交流传动系统的原理做了阐述。分析了逆变器 供电异步电机的调节特性，并推导了三相异步电动机的在静止坐标系的数学模 型。在分析了三电平逆变器工作原理的基础上，建立了其数学模型，并对空间电 压矢量及其对中点电压的影响做了详细的分析。 第三章对直接转矩控制系统做了研究。综述了直接转矩控制技术的发展历程 和国内外的研究现状及发展动态。对比研究了定子磁链不同的观测模型，分析了 1 2 同济火学博士学位论文第一章绪论 直接转矩控制技术中磁链闭环和转矩闭环基础。结合三电平逆变器构成的交流传 动系统特点，提出了在不同牵引特性区域时的一种复式控制技术，并对此进行了 仿真研究。 第四章研究了三电平逆变器的控制方式。讨论了三电平逆变器在方波控制方 式的输出电压波形及电压畸变与控制角的关系：提出了三种适用于三电平逆变器 的改进型s p w m 控制方式，对适用于多电平逆变器的两个等腰三角形载波的s p w m 控制方式引起中点电压偏移的原因做了解析，提出了抑制中点电压偏离的改进方 法，并进行了仿真分析；对三电平逆变器空间电压矢量p w m 控制技术的原理和实 现方式做了详细分析。 第五章对三电平逆变器研制的关键技术做了系统地分析。介绍了功率器件 i g b t 最新发展，分析了其直流特性和动态特性，利用外部特性功能模拟方法建 立了i g b t 的直流模型和动态模型，进行直流特性和动态特性的仿真分析，并对 i p m 做了简单介绍；对i g b t 的驱动电路的要求和参数选择做了分析，介绍了两 种适用的i g b t 驱动模块；对功率器件的吸收电路做了分析，重点介绍了电容三 角形吸收电路的工作原理和实际应用效果：对逆变器的散热系统做了介绍，推导 了功率器件损耗和散热器热阻计算方法，并简单分析了热管和热管散热器优势和 应用；介绍了3 0 0 k r ai p m 三电平逆变器，分析了在系统可编程技术的应用优势， 提供了供电于3 0 0 k w 交流电机时不同牵引特性的试验波形。 第六章介绍了另一种适用于城轨交通车辆的8 0 k r a 辅助逆变器，主电路采用 两个两电平逆变器和组合变压器构成了三电平系统，着重介绍了其系统构成和控 制方式，并提供了试验结果和试验波形。 最后一章对全文的工作做了总结和展望。 同济大学博士学位论文 第二章三电平逆变器构成的交流传动系统 第二章三电平逆变器构成的交流传动系统 2 1 三电平逆变器的工作原理 二极管箝位的i g b t 三电平电压型逆变器主电路如图2 1 所示，该结构的特点 是采用两个功率主管串联，电压中点有一对二极管箝位，因而各主管承受的电压 是直流侧电压的一半，即主管的耐压比二电平逆变器中可降低一半。 u 。上c 。 t - j z q ： c 邵 z c 2 一一r n z d 3 2 门 ： l d 究 ，2 j ： - d 1 2 - o d 4 z：t o z d 62c q z c d 2 zc q z c u i 暑曹r 2 jrt 4 j ： t 6 j l z c t 2 j 0 时，电容c p 充电， 其电压u c e 增加，电容c n 放电，其电压u c s 减小，所以中点电压u m o = ( u c n u c p ) 2 就减小；同理，当i b 0 时，电容c p 放电，其电压u c p 减小，电容c n 充电， 其电压u c n 增加，因此中点电压u m o 就增加。半矢量p o o 作用时，如图2 7 ( b ) 所示，中点电流等于b 相和c 相负载电流之和，即i m = i b + i c - i 。；而半矢量o n n 作用时，如图2 7 ( c ) 所示，中点电流等于a 相负载电流，即i m = i 。，可见这一对 半矢量对中点电压的影响是相反的。因此中点电流是影晌中点电压的根本原因， 而中点电流的大小取决于负载的大小。 pp p a o c “ ! 础 ：c n a o n p o o 空间电压矢量作用时等值电路图 n ( c ) o i c n 假设中点电压发生偏移，u m o = u d 4 时，有效的空间电压矢量增加到2 4 个， 如图2 8 所示。零矢量和大矢量不会发生变化：中矢量个数不变，但方向和幅值 发生改变，在扇区i i 、中矢量顺时针偏离了亏角，而在扇区i 、i i i 、v 中矢量逆时针偏离了号角；半矢量增j , - j - 6 个，其方向不变，但幅值发生了改变， p 型矢量幅值减小了一半，而n 型矢量幅值增加了一半。 7乞图 n阳 n 同济大学博士学位论文 第二章三电平逆变器构成的交流传动系统 对采用二极管箝位的多电平逆变电路，由于其中点浮动，中点电压发生偏移 是其固有缺陷。在应用时，须考虑对中点电压的控制。中点电压控制技术归纳起 来大体上可分两类：交错控制和滞环控制。交错控制的原理是通过交错使用对中 点电压影响相反的半矢量，实现对中点电压的影响等效为零，由于矢量的选择方 法不同，出现了许多优化控制方式。滞环控制是一种闭环控制，通过检测中点电 压的大小和中点电流的方向，调整半矢量的作用时间，实现中点电压的偏移限制 在一定误差范围内。 “ 撑 哪3 一乒】粤 - 二p 1 ；槭l i ：， 斤两1 。二 图2 8 中点电压发生偏移u d 4 时的空间电压矢量， 同济大学博士学位论文第三章直接转矩控制系统的研究 第三章直接转矩控制的研究 直接转矩控制技术经过多年的不断的发展和完善，并吸取其它控制技术的优 点，在静态、动态性能得到了极大的提高改善，现已进入实用阶段。a b b 公司是 一直在推行直接转矩控制技术，其推出的a c s 6 0 0 直接转矩控制系列变频器，静 态速度控制精度为o 1 o 5 ，可产生小于5 m s 的转矩阶跃上升时间( 是基于在两 电平逆变器基础上) 。在高压大功率的交流传动系统中，s i e m e n s 、t o s h i b