（机械工程专业论文）氧化铝熟料烧结高压变频驱动技术的研究.pdf

艮 at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n r e s e a r c ho nh v f r e q u e n c y d r i v e t e c h n o l o g y f o rc l i n k e rs i n t e r e da l um i n a b yl i uj i a n h u a s u p e i v i s o r ：p r o f e s s o rz o up i n g e n g in e e rl i u s i q i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 o c t o b e r2 0 0 7 1 分 太， 。j 。 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 弓。l 锄 j 1 日 期：口口声- 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 叁 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意o ) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 导师签名； 签字日期： f，1。气 r争摹毒， 鼾批 1 3 。 峋，tj mj一= ，吨 ， ，t， 翟， _ p 十 t， l j i 东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 目前，我国电动机的总装机容量己达4 亿多千瓦，其用电量约占全国总用电量的 6 0 。由于电动机选型时各种裕量考虑较大，选型容量普遍偏高，节能潜力巨大。在 我国火力发电厂中，风机和水泵通常采用高压电动机驱动，风量的调节靠挡板，流量 的调节靠阀门，电动机始终处于全速运行状态，这样不仅浪费了大量的电能，还会增 加管道的压力损失。实践证明，对于风机、水泵等流体机械来说，如果改用交流电机 变频调速装置来调节风量和流量，可节约电能2 0 3 0 。另外，有统计资料表明，约 有1 0 的电动机故障是由于启动的大电流及对绕组的过大电磁力引起的。通过对交流 电动机电源的变频改造可以改善启动性能，从而延长电动机的使用寿命，降低企业的 生产成本。 基于以上原因和实际需要，本文通过矩阵变换得到了异步电机在二相静止和二相 旋转坐标系下的数学模型，从而建立了排烟风机的数学模型。结合管网阻力的影响对 风机类机械特性曲线进行了修正，得到其简化模型。并把推导出的电动机拖动风机动 态数学模型在脚l 心中仿真实现。仿真结果证明该仿真模型能够较真实的反映电 机的实际物理模型，具有较高的可信度。其次，本文详细的分析了高压变频器拓扑结 构、变压器的连接方式及运行机理。第三，对网侧及输出侧电压、电流的谐波含量作 了仿真分析计算。结果表明，多重整流使得系统对电网的谐波污染小：单元串联的电 路结构使得输出电压总谐波畸变小，对电动机的危害小；随着电压调制比的降低，输 出谐波成分增加；系统全模块化设计，维护方便、简单。最后，用单片机实现正弦脉 宽调制和电压空间矢量脉宽调制的方法，实现对异步电机的变频调速。 关键词：高压变频器；正弦脉宽调制；变频调速 。s_，r卜 ，；， 唏v吨， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o 、v a d a y s ，m e r ea r eo v e ro 4b i l l i o nk i l o w a t t sm o t o r sa c c o u n t i n gf o r6 0p e r c e n tu p o n a l lp o w e rl o a d si nc h i n a t h em o t o rc 印a c 时c h o s e ni sl a 唱e rm a i ln e e d e d ，h e n c e ，t t l ep o 、e r c o n s e r v a t i o np o t e n t i a lo f m o t o rs y s t e mi sc o n s i d e r a b l e i i lm 趾yp o 、e rp l a n t si no u rc o u n t 巧 胁sa n dp u m p sa r ed r i v e nb yl l i g l l - v o l t a g em o t o r sa n dt l l en o wi sr e g u l a t e dr e s p e c t i v e l yb y b a m e sa n dv a l v e s t h em o t o r sa l w a y sr u na tr a t i n gs p e e d ，嬲g i v e sr i s et oa d d i t i o n a lp o 、v e r d i s s i p a t i o n s 肌dh i 曲p r e s s u r eo np i p e s i ti sp r 0 v e dt 1 1 a t 印p r o x i m a t e2 0 3 0p e r c e n t p o w e re n e r g yc 趾b es a v e da tt 1 1 es 锄el o a d si ft l l e 胁s0 rp 啪p sa r er e g u l a t e db y a l t e m a t i n gc u n e n ta d j u s t a b l es p e e de q u i p m e n ti n s t e a do fb a m e so rv a l v e s i na d d i t i o n ， s o m es t a t i s t i c 2 l ld o c u m e n t ss h o wt l l a tt i l e r ea r ea _ b o u tl0 m o t o rf i a u l t sc a u s e db yo v e r l 龇翟e s t a r t i n gc u n e n t 锄de l e c t i o m a g i l e t i cf o r c e a l t e m a t i n gc u l l e n ta d j u s t a b l es p e e dt e c h n i q u e s c 觚i m p r o v em o t o r ss t a n i n gp e r f o m 锄c e ，t l l e r e f o r e ，m o t o r sl o n g e v i t ) rc 锄b ep r o l o n g e d 锄dt i l ep r o d u c tc o s tc 锄b er e d u c e d b a s e do nt 1 1 er e a s o n sm e n t i o n e da 岫v e 锄dt l l ea c n l 2 l ln e e d s ，t l l em a t h e m a t i c a lm o d e lo f 邪y n c h o n o u sm o t o ru n d e r 圮c o r l d i t i o no f 似op h 弱eq u i e s c e n c ya n d “，0p h 弱e r o t a t i n gf h m ei sg a i n e d ， 肌dt l l e nt l l em a t h e m a t i c a jm o d eo fs u p e rd e n s e - p h a s e c o n v e y i n g l o a di s f o u i l d e d c o m b i n i n gt l l e s i t u a t i o no ft l l ee 腩c to fp i p en e t w o r k s i s t a n c eo nm a c h i n e r yc h 盯t e r i s t i c ，圮 s i m p l i f i e dm o d e li sg o t t o n t h ed y n 锄i c m a t l l e m a t i c a lm o d e ld e d u c e da _ b o u tm o t o rd r i v i n gb l o w 盯i ss p e c i f i c l ya c l l i e 斑t h e s i m u l a t i o n 他s m tt e s t i f i e s l a tt h i ss i m u l a t i o nm o d e li s c a p a _ b l eo fr e n e c t i n gp r t i c a l p h y s i c a lm o d e lo fm o t o r p o s s e s s i n gu p p e r 坨l i a k l i 劬s e c o n d l y t i l i sp a p e ra n a l y z e dm e t o p o l o g i c a l 蛐r u c 饥i r eo fk 曲v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e r c o 衄e c t i o nm o d e 觚do p e r a t i o n m e c h 撕s mo f 廿a n s f o n n e r t l l i r d l y w em a ( 1 ee m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o na _ b o u th 锄o m c c o n t e n to fv o l t a g e 锄dc u r t e n ti nl i n es i d e 锄do u t p u ts i d e t h er e s u l ti n d i c a t e sm a tm u l t i c o m m u t a t i o nm a l 【e ss y s t e m 川u c eh a n n o m cp o l l u t i o ni np o w e rn e t w o r k ；t 1 1 a tt l l ec i r c u i t s 仉l c t u r ei nu l l i ts e r i e sm a k e sh 删o m cd i s t o r t i o nl i t t l e ，m o t o rd 乏u n a g es m a l l ；、i t l lv o l t a g e m o d u l a t i o nr a t i od e b 嬲i n g ，o u t p u th a h n o i l i cc o m p o n e n ti sa d d e d ；t l l ew h o l em o d u l 盯d c s i g n ， m a i n t e n 锄c ec o n v e i l i e n c e ，s i m p l e n e s s a tl a s t ，t l l i st h e s i sd e s c r i b e sm ei i l l p l e m e n t a t i o n so f s i n ep u l s ew i d mm o d u l a t i o n ( s p w m ) 锄ds p a c ev | e c t o rp u l s ew i d mm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t 0a c h i e v et l l ep u 叩o s eo fv 撕a b l e - 舶q u e n c ya d i u s t i n g - s p e e df o ri n d u c t i o n m o t o r s k e y w o r d s ：h i g hv o l t a g ef k q u e n c yc o n v e n e r ；s p w m ；v v v f i i 一 tl【r卜 q l 一 l ! 东北大学硕士学位论丈目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 变频器技术发展历史2 1 3 变频器技术国内外研究现状5 1 3 1 国内研究现状5 1 3 2 国外研究现状：6 1 4 本文主要研究内容6 第2 章排烟风机负荷数学模型的建立7 2 1 排烟风机负荷数学模型的推导7 2 1 1 负荷中电动机模型的建立8 2 1 2 排烟风机负荷转矩特性分析16 2 2 排烟风机负荷仿真分析l7 2 3 本章小结2 2 第3 章高压变频器拓扑结构的比较研究2 3 3 1 高压变频调速方案2 3 3 1 1 高一低一高方案2 3 3 1 2 高一低变频方案2 4 3 1 3 高一高直接变频方案2 5 3 2 常用的高压变频器拓扑结构2 6 3 2 1g t o 晶闸管高一高变频器2 6 3 2 2 多电平级联型高一高变频器2 6 3 2 3 高压i g b t 及i g c t 高一高变频器2 7 3 2 4 直接串联i g b t 数字式中压变频器2 8 3 3 多电平级联型高压变频器结构的确定2 9 第4 章变频器结构设计32 4 1 整流电路多重联结及谐波分析3 2 4 1 1 整流变压器的联结方式设计33 4 1 2 单元串联网侧谐波分析3 4 4 2 变频器移相p w m 控制及谐波分析4l 4 3 本章小结4 6 第5 章基于p w m 变频调速的系统设计4 7 5 1 交流调速的脉宽调制( p w m ) 控制技术4 7 5 1 1 正弦波脉宽调制4 7 ，lr隧殳 东北大学硕士学位论文目录 5 1 2 电压空间矢量脉宽调制：4 8 5 2p w m 调速系统的硬件设计51 ，5 2 1 系统总体结构5l 5 2 2 系统主体电路设计5 2 5 2 3 系统保护与控制电路设计5 4 5 3p w m 调速系统的软件设计5 5 5 4 实验结果分析5 6 5 5 实际运行结果5 8 结论5 9 参考文献6 0 致谢6 3 十0一 ， 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 本课题来源于中铝公司技术开发项目“高压变频调速技术在氧化铝工业上的应 用”，是一个科研和工程相统一的项目。 随着现代工业的飞速发展及市场竞争的日益加剧，加上能源供应紧张和能源价格 不断攀升，企业采用新技术实现节能降耗、降低生产成本、提高市场竞争力，已是大 势所趋。 中国铝业股份有限公司所属氧化铝生产企业拥有大量拖动风机、泵类负载的大型 高压电动机，其中绝大部分都运行在通过风门或阀门调节流量的节流状态，造成大量 能源浪费，存在巨大节能空间：对该类高压电机进行调速改造，不仅可大幅度降低电 能消耗，而且可提高设备装备水平，改善设备运行状态，节约设备维修费，并可改善 工艺控制效果，是氧化铝生产企业的一条节能降耗的重要途径。 氧化铝厂烧成窑排烟风机现均是由高压异步电动机拖动，恒速运转；而在生产过 程中，需根据工艺需求调节风机的送风量，以便将炉窑内的燃烧状况控制在最佳水平。 目前，送风量调节是通过调节风门的开度来实现的。风门控制是目前国内企业风机中 广泛采用的一种流量控制与调节技术1 1 】【2 】。但是该控制方法存在以下两方面的缺点【3 1 。 ( 1 ) 采用调节风门的方法调节风量，虽然比较简单，但会导致风机长期处于高管 阻运行状态，降低了系统的运行效率，造成大量的能源浪费。经过测算发现，两台高 压风机出口全压约为3 2 l ( p a ，而实际运行需要风压仅为1 8 2 9l ( p a ，经验计算表明， 风机进行变频改造后，功率节约为：p 1 一p 2 = 3 0 9 2 1 6 = 9 3 ( k w ) 一台风机年节约电 量为：w = 9 3 7 5 0 0 = 6 9 7 5 ( 万k 讹) ，年节电率为3 0 ，两台烧成窑引风机可实现年 节电量1 3 9 5 万k w h 。 ( 2 ) 电动机直接启动，对电网和管网都构成较大的冲击。 为了克服以上两方面的缺点，必须对高压异步电动机的运转方式进行改变，即由 原来的恒速运转变为变频调速。 交流电动机的变频调速是各种调速方法中最先进的技术方案之一，变频调速以其 显著的节能效益、高精确的调速精度、宽广的调速范围、完善的电力电子保护功能、 以及强大的控制和通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认。 高压交流变频调速技术是9 0 年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术。过 去受价格、可靠性以及容量等因素的限制，在我国一直未能得到更广泛的应用。近年 来，随着电力电子器件、控制理论和计算机技术的迅速发展，变频器的价格不断下降， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 可靠性不断提高，高压大容量变频器已经在冶金、电力、石化等行业得到广泛应用， 节能效果非常显著。 为此，中铝总部将“高压变频调速技术在氧化铝工业上的应用”项目确定为重大科 技成果产业化和推广应用项目，在各分公司进行产业化试验，为氧化铝生产的节能降 耗探索新的途径，为下一步针对高电压、大容量风机、水泵的节能改造积累经验，起 到示范作用。 在高压调速领域，国外的产品和技术相对成熟。目前，世界著名的电气公司都有 自己的中压变频器产品，竞争十分激烈；国内已有成熟定型的高压变频器。国内一些 厂家如冶金自动化研究所、天传、利得华福、希望等致力于推出基于i g b t 器件的中 大容量变频器。但和国外公司如s i e m e n s 、a b b 以及r o b i n c o n 等相比，无论性 能还是批量都还有一定差距。国外生产的变频装置，特别是高压大容量变频装置，只 向国内提供成套设备，并不向国内提供技术，装置价格也偏高，很难满足国内企业对 节能降耗的需求。因此，开展可关断器件大容量变频器的研究，对国产高压变频器推 广使用，尽早实现国产化以替代进口，对电气传动领域和国民经济的发展都有重大意 移f 4 1 【5 1 o 近年来，国内外电力半导体器件性能价格比的提高，对三相异步电动机进行变频 调速经济效益显著。同时，此研究项目的开展将会促进我国变频调速传动制造厂的技 术改造及电机产品的更新换代。特别是在热电厂和火力发电厂中给水泵、引( 送) 风机 和灰浆泵等耗电多的自用机械，配用变频器供电的三相异步电动机实行变频调速节电 潜力很大。 高压变频交流调速系统设计技术是否完善决定了高压变频器对电网与电动机的影 响程度。谐波大，对电动机的冲击很大，甚至影响到它的正常运行。主要存在的问题 有：变频器对电网的谐波污染、谐波引起电动机的效率下降和温升提高、谐波引起电磁 噪音与振动、低速时的冷却效果差、电动机绝缘结构承受高压冲击、变频器对其他用 电设备有影响。 为了减小对电网、电动机的冲击和影响，提高整个调速系统性能和效率，在高压 ， 变频改造中必须对变频驱动技术进行研究选择与三相异步电动机相匹配的变频器，来i 提高整体系统性能和效率，以达到节能降耗，降低产品成本的目的。 。l 1 2 变频器技术发展历史 直流电动机拖动和交流电动机拖动均诞生于1 9 世纪，距今己有1 0 0 多年的历史， 并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内， 占整个电力拖动8 0 左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机( 包括异步电动机 和同步电动机) ，而在需要进行调速控制的拖动系统中，则基本上采用的是直流电动机。 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点【6 】： ( 1 ) 需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； ( 2 ) 由于直流电动机存在着换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； ( 3 ) 结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机； 而与直流电动机相比，交流电动机则存在以下优点： ( 1 ) 结构坚固，工作可靠，易于维护保养； ( 2 ) 不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； ( 3 ) 容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 因此，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并 在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。但是，直至2 0 世纪7 0 年 代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限 制了交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如 风机、水泵等需要进行调速控制的电机拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速 和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。经历了2 0 世纪 7 0 年代中期的第2 次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步 重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。有统计资料表明，工业用电的一半是 不变速的风机、水泵消耗的。因此，在这一领域有着极大的节能潜力。 交流电动机调速有过多种尝试，如交流电动机的电磁滑差离合器、液力耦合器、 液力调速离合器、y 启动器和变频调速器等，其中液力耦合器、变频调速器因综合 性能最佳而得到普遍的重视1 7 】。 由于电动机容量裕度较大，基本在很低的功率因数下运行，使用液力耦合器时， 输入电流中有很大的无功电流分量；而在使用变频器时，由于变频器内部相当于提供了 无功补偿器，使变频器输入端功率因数很高，无功电流分量很小，因而输入电流较使 用液力耦合器小很多。采用变频运行方式可以将机组降低到额定功率的3 0 5 0 运 行，需要的最小风量大约为最大风量的2 5 左右。显然，此时采用变频调速节能效益 更为显著，变频调速的技术性能更优i 嚣j 。 随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器 的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著发展【9 】。由于各种复杂控制技术在变频 器技术中的应用，使变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广。目前变 频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生 产的所有领域。此外，在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。 冶金行业大型转机设备多采用高压异步电动机，上世纪八十年代到九十年代初， 高压电机要实现调速，主要采用三种方式： ( 1 ) 液力耦合器方式。即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置，通过液面的 高低调节电机和负载之间耦合力的大小，实现负载的速度调节。 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 串级调速。串级调速必须采用绕线式异步电动机，将转子绕组的一部分能量 通过整流、逆变再送回到电网，这样相当于调节了转子的内阻，从而改变了电动机的 滑差；由于转子的电压和电网的电压一般不相等，所以向电网逆变需要一台变压器， 为了节省这台变压器，现在国内市场应用中普遍采用内馈电机的形式，即在定子上再 做一个三相的辅助绕组，专门接受转子的反馈能量，辅助绕组也参与做功，这样主绕 组从电网吸收的能量就会减少，达到调速节能的目的。 ( 3 ) 高低方式。由于当时高压变频技术没有解决，就采用一台变压器，先把电网 电压降低，然后采用一台低压的变频器实现变频；对于电机，则有两种办法，一种办 法是采用低压电机；另一种办法，则是继续采用原来的高压电机，需要在变频器和电 机之间增加一台升压变压器。 上述三种方式，发展到目前都是比较成熟的技术【1 0 】【1 1 】。液力耦合器和串级调速的 调速精度都比较差，调速范围较小，维护工作量大，液力耦合器的效率相比变频调速 还有一定的差距，所以这两项技术竞争力已经不强了。至于高低方式，能够达到比较 好的调速效果，但是相比真正的高压变频器，还有如下缺点：效率低，谐波大，对电 机的要求比较严格，功率较大时( 5 0 0 k w 以上) ，可靠性较低。高低方式的主要优势 在于成本较低。 2 0 世纪9 0 年代起逐步采用高压变频调速方式，目前，主流的高压变频器产品主 要有三种类型1 1 z 1 4 j ： ( 1 ) 电流源型：电流源型逆变部分采用s g c t 直接串联解决耐压问题，直流部 分用电抗器储存能量，目前的技术水平可以做到7 2 k v 输出电压，所以适应国内大部 分电压为6 k v 这一现状。电流源型变频器输入侧的功率因数比较低，电抗器的发热量 较大，效率比电压源型变频器低，由于采用电流控制，输出滤波器的设计比较麻烦， 而两电平变频器的共模电压和谐波、d v d t 问题较突出，所以对电机的要求较高。虽然 电流源型变频器有可回馈能量的优点，但是需要回馈能量的负载毕竟不是太多，尤其 是通用型的变频器，所以电流源型变频器的市场竞争能力已经逐渐变弱。 ( 2 ) 功率单元串联多电平型：此变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压， 输入侧的降压变压器采用移相方式，可有效消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电 平正弦p w m 技术，可适用于任何电压的普通电机，另外，在某个功率单元出现故障 时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机的运行，减少停机时造成的 损失。系统采用模块化设计，可迅速替换故障模块。由此可见，单元串联多电平型变 频器的市场竞争力是很明显的。 ( 3 ) 三电平型：三电平型变频器采用钳位电路，解决了两只功率器件的串联的问 题，并使相电压输出具有三个电平。三电平逆变器的主回路结构环节少，虽然为电压 源型结构，但易于实现能量回馈。三电平变频器在国内市场遇到的最大难题是电压问 题，其最大输出电压达不到6 k v ，所以往往需要采用变通的方法，要么改变电机的电 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 压，要么在输出侧加升压变压器。这一弱点限制了它的应用。 1 3 变频器技术国内外研究现状 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技 术和计算机技术之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。交流变频调速技 术发展至今己有3 0 多年的历史，由低压变频器构成的交流调速系统，因其技术上的不 断创新，使系统在性能上不断地完善，并在电气传动调速领域挑战直流调速系统，因 此在电气传动领域得以广泛的应用。高压变频技术在发达国家技术已基本成熟，随着 新的电力电子器件的不断出现，新的技术层出不穷，使其得以广泛的推广应用。在大 功率调速领域采用交流变频调速系统已成为高压电气传动调速领域的发展趋势【” 1 们。 这是因为高压大功率( 这里的高压泛指3k v6k v 1 0l 【v 三个电压等级，大功率是指 3 1 5 k w 以上) 交流调速系统无论是在性能上，还是在价格上都优于直流系统。高压变 频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新和电力电子器件及材料的开发及制造 工艺水平提高基础之上的，尤其是在高压大容量g t o ，i g b t i g c t 器件的开发成功， 促进了高压大功率变频技术得以迅速发展，使得高压变频技术日趋完善。 1 3 1 国内研究现状 目前，在国内有大量的低压变频器厂商，其大部分为a c 3 8 0 v 的中小功率产品， 而在高压大功率变频器方面，却为数不多。能够研制、生产、并提供服务的高压变频 器厂商，仅有少数的具备科研能力或资金实力的个别企业。国内仅有少部分的中、高 压电机进行了变频调速改造，且普遍采用v f 控制方式。高压变频器的品种和性能还 处于发展阶段，每年市场仍需大量进口。这些状况主要表现在如下几个方面【1 7 _ 9 j ： ( 1 ) 国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。 ( 2 ) 具有研发能力和产业化规模的企业少。 ( 3 ) 国产高压变频器的功率等级较低，目前不超过3 5 0 0 k w 。 ( 4 ) 国内高压变频器的技术标准还有待规范。 ( 5 ) 与高压变频器相配套的产业很不发达。 ( 6 ) 生产工艺落后，勉强满足变频器产品的技术要求，但是价格低廉。 ( 7 ) 变频器中使用的功率半导体，驱动电路，电解电容等关键器件完全依赖进口。 ( 8 ) 与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济 中。 ( 9 ) 已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。 ( 1 0 ) 能够进行四象限运行的高压变频器尚在研究与开发中。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 2 国外研究现状： 国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全 数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大 特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。其现阶段 发展情况主要表现如下【2 2 】： ( 1 ) 技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。 ( 2 ) 能够提供特大功率的变频器，目前已超过1 0 0 0 0 k w 。 ( 3 ) 变频调速产品的技术标准比较完备。 ( 4 ) 与变频器相关的配套产业及行业初具规模。 ( 5 ) 能够生产变频器中的功率器件，如i g b t 、i g c t 、s g c t 等。 ( 6 ) 高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。 ( 7 ) 产品国际化，当地化加剧。 ( 8 ) 新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用于产品中。 ( 9 ) 目前，没有l o k v 产品。 1 4 本文主要研究内容 本文的主要研究内容概括如下： ( 1 ) 通过矩阵变换得到了异步电机在二相静止和二相旋转坐标系下的数学模型， 从而建立了排烟风机的数学模型。结合管网阻力的影响对风机类机械特性曲线进行了 修正，得到其简化模型。并把推导出的电动机拖动风机动态数学模型在m a t l a b 中 的具体实现。 ( 2 ) 分析比较了各种变频调速方案和变频器的拓扑结构；详细的分析了单元串联 高压变频器拓扑结构、变压器的连接方式及运行机理。 ( 3 ) 给出了单元模块的脉宽调制控制方法，并对网侧及输出侧电压、电流的谐波 含量作了仿真分析计算。 ( 4 ) 基于目前传统的s p w m ，s v p w m 技术，研究了单片机控制的脉宽调制 ( p w m ) 变频调速系统，在此基础上进行各种控制策略的研究，用汇编语言编制控制 程序实现正弦波脉宽调制和电压空间矢量脉宽调制，生成p w m 波实现了对异步电机 的变频调速。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章排烟风机负荷数学模型的建立 第2 章排烟风机负荷数学模型的建立 交流调速系统的设计，必须配合排烟风机的负荷，即作为动力源的高压异步电 机拖动风机系统【2 3 1 。考虑网管阻力对电机的影响这一实际问题，建立起一个更准确 地反映整个系统的数学模型，不仅有助于控制系统的设计工作，而且对于实现控制 功能也显得尤为重要。近年来，交流电动机的控制技术取得了突破性的进展，将矢 量控制理论应用到交流电机的调速控制中，可使交流系统的调速性能完全和直流系 统相媲美1 2 4 1 。对于电机矢量控制系统的研究，传统的解析方法是无能为力的。构造 真实的物理系统，由实验来分析研究不但周期长、投资大，而且不宜分析系统的各 种性能。因此采用数字仿真的方法是必要的。 2 1 排烟风机负荷数学模型的推导 电机调速的关键是控制转速，转速是通过转矩来改变的。直流电机之所以有良 好的调速性能就是因为它的转矩容易控制。而影响交流电机转矩的因素很多。其转 矩公式为 丁= q 九c o s 国f 其中，丸是气隙有效磁通，l 是转子电流，缈r 是转子阻抗角，c 二为电磁常数。 和丸两个变量既不成直角又不是独立变量。转矩的这种复杂关系成为异步电 机难以控制的根本原因。而矢量控制理论通过电动机的统一控制理论和坐标变换理 论，将异步电机的数学模型等效的转换成直流电机的数学模型。采用矢量控制时， 交流电机控制的犹如他励直流电机，因此具有直流电机的全部优良控制性能【z 引。 异步电机定子通过三相平衡电流f 、如、t 和两相垂直的平衡电流乞、可产 生等效的旋转磁场。因而三相平衡电流f 。、厶、t 和两相电流t 、之间存在着确 定的矢量变换关系。以产生同样的旋转磁场为准则，在三相定子坐标系下的定子电 流f 、厶、通过三相二相坐标变换可以等效成两相静止坐标系下的交流电流l 、 。再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流 屯、乞。这样就实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流 电机的磁链和电流分别控制的目的。d g 绕组相当于直流电机的励磁绕组和电枢绕 组。由于这些被控矢量在物理上不存在，我们还必须再经坐标变换，从旋转坐标系 回到静止坐标系，把上述直流给定量变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标 系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。 电气传动控制系统动态性能的好坏完全取决于在动态过程中能否迅速而准确的 控制电动机的电磁转矩。交流异步电动机的物理结构决定了它的数学模型具有多变 量、非线性、强耦合的性质。其电磁转矩是定转子电流、定转子绕组参数和转子磁 链间的复杂函数，不易控制。采用坐标变换可以将异步电动机的数学模型在按转子 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章排烟风机负荷教学模型的建立 磁场方向的两相同步旋转坐标系上等效为一台他励直流电动的模型。尽管该等效模 型并不是完全意义上的他励直流电动机，但从控制理论的角度上看，二者作为控制 对象是等效的【2 6 1 。也就是说，利用矢量变换对异步电动机的数学模型进行变换后， 所得到的等效模型具有他励直流电动一样的控制特性。 2 1 1 负荷中电动机模型的建立 ( 1 ) 电机模型分析中的数学基础 一个物理对象的数学模型，在不改变其物理特性的前提下，采用一定的变换手 段，可以获得相对简单的数学表述【2 7 】，对异步电动机的数学分析也不例外。 1 ) 坐标变换的约束条件。 电机是电磁能量转化的物理实体，为了不改变电机在坐标变换后的物理特性， 在变换式必须遵守一定的原则，这里采用功率不变的原则。 设在某坐标系下的电路或系统的电压和电流向量分别为甜和f ，在新的坐标系 下，电压和电流向量变成甜和f ，其中 材2 “2 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 定义新向量与原向量的坐标变换关系为 “= e “。 ( 2 - 3 ) f = e f ( 2 - 4 ) e 、c f 分别为电压和电流的变换阵 如果变换前后功率不变，则 p = f 7 = ，材。 ( 2 - 5 ) 将式( 2 - 3 ) ，( 2 - 4 ) 代入式( 2 5 ) ，得到 ，r “= ( g f ) r g l ，= f 。r c r g 材= f r 甜 ( 2 6 ) 因此 g 7g = e ( 2 7 ) 式中e 为单位矩阵 一般情况下，为了使变换矩阵简单好记，把电压和电流变换取为同一矩阵，即 一8 一 嘶砌；以晰北；如 东北大学硕士学位论丈第2 章排烟风机负荷数学模型的建立 令 c = e = c ( 2 - 8 ) 则 c = c 7 ( 2 9 ) 因此，在变换前后功率不变，且电压和电流选取相同变换阵的条件下，变换阵 的逆与其转置相等一变换是正交变换。 2 ) 三相二相变换( 3 s 2 s 变换) 考虑在三相静止坐标系爪及c 和两相静止坐标系口、间的变换，该变换服从 功率不变的约束条件【2 6 1 。 为了方便起见，取彳与口轴重合，设三相系统每相绕组的有效匝数为3 ，二相 系统每相绕组的有效匝数为2 ，又设c 3 ，：为由三相坐标系变到二相坐标系得变换 阵，c 2 ，为其反变换阵，按照变换前后功率不变的原则可以导出 厅 c 3 ，22 括 r巨 乃2 、了 l一三一三 。笪一鱼 22 1ll 压汪汪 lo 2 l 3 1 22 2 1 3 1 22 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 可以证明，c 3 ，：既是电流变换阵也是电压变换阵，同时还是磁链的变换阵。 3 ) 二相二相旋转变换( 2 j 2 ，变换) 二相静止坐标系口、和二相旋转坐标系m 、丁之间的变换，称为二相二相旋 转变换。坐标系m 、丁以同步转速彩，旋转，可以导出，二相旋转坐标系到二相静止 坐标系得变换阵为 = ( ：；嚣】 二相静止到二相旋转坐标系得变换阵为 _ ( 孟矧 协 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章排烟风机负荷数学模型的建立 式中够为m 轴与口轴的夹角。 ( 2 ) 三相交流异步电机的基本动态数学模型 讨论之前，首先假设【2 3 2 4 】： 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 空间电角度) ，所产生 的磁动势沿气隙圆周按正弦分布； 2 ) 忽略磁路饱和，各相绕组的自感和互感都是线性的； 3 ) 忽略铁心损耗； 4 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响； 5 ) 不论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子 侧，折算后的每相绕组匝数都相等。 这样，实际电机绕组就被等效成为图2 1 所示的三相异步电动的物理模型。几 图中，定子三相绕组轴线彳、占、c 在空间是固定的，以彳轴为参考坐标轴，转子绕 组轴线口、6 、c 随转子旋转，转子口轴与定子彳轴间的电角度口为空间角位移变量， 并规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合右手螺旋定则， 图2 1 三相异步电动机物理模型 f i g 2 1p h y s i c a lm o d e lo f t h r e ep h a s e 鹊y n c h r o n o u sm o t o r 因此可得到异步电机三相原始数学模型： 电压方程： u ：脚+ 坐 协 磁链方程： l l ，= l i 运动方程： h 2 丢等 转矩方程： 一1 0 一 ( 2 - 1 4 ) 一 ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 东北大学硕士学位论文第2 章排烟风机负荷教学模型的建立 乙= 一玎p 厶m 【( 0 + 屯，+ f c 0 ) s i n 9 + ( r + 0 + 七乞r ) s i n ( 口+ 1 2 0 。) ( 2 1 7 ) + ( ，+ 0 + f c ，) s i n ( 口一1 2 0 。) 】 式中电流矢量： 磁链矢量： 电压矢量： 电阻矩阵： 电感矩阵： = j r = ( 如屯0，0 ) r ( 2 - 1 8 ) y = ( 缈。) 7 ( 2 - 1 9 ) u = ( ) r ( 2 2 0 ) r = r o 0 r 0o oo 0o oo oo 0o 0o o o r o oo 0 足o0 00 母0 oo o r l mm 蛆ma cm 佃m 尚诤m 栅 m 弘l 嚏m 既mb a rm 嘛r m b 口 m c m c bk cm c 种m c b rm c c r m “m 。bm n cl 盱m 衲r m o 惜 m b 啊mb 噶mb c m b ml b r m b 嘲r m 靠mc 咀mc cm 撇mc 由rl c r ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 实际上，可以认为电机中交链各绕组的磁通只有两类：一类是只与定子或转子 某一绕组交链而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的公共磁通。定子漏磁通 所对应的电感是定子漏感厶，转子漏磁通所对应得电感是转子漏感厶，。如果用厶所 表示与主磁通对应得定子电感，用厶