（电气工程专业论文）异步电机调速系统和upfc的仿真研究.pdf

摘要 本文主要对交流异步电机调速系统和u p f c 进行仿真研究，在分析其数 学模型的基础上建立了仿真模型，得出相关结论。论文介绍了交流电气传 动技术和u p f c 的发展概况及发展现状，分析了电动机变频调速技术的主要 控制方法、基本组成和工作原理，研究了基于s p 删调制的异步电机变频调 速系统和基于坐标变换和转子磁场定向的异步电机矢量控制系统，同时分 析了u p f c 的基本原理和控制策略，研究了u p f c 对提高电能质量的影响。 论文分析了异步电机变频控制的机械特性和v f 控制特性，研究了 s p 唧调制变频技术；同时研究了基于坐标变换和转子磁场定向的异步电机 矢量控制系统，将定子电流解耦为励磁电流和转距电流，从而实现对转距 的单独控制。在此基础上搭建了上述两种控制方式的m a t l a b s i 哪l i 帐模 型，然后对两种系统仿真波形进行分析比较。经过对两种系统的仿真结果 进行分析，可以得到如下结论；采用s p w m 变频调速，可以使负载电动机 在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，有较好的调速性能；同时 由于矢量控制系统在调速过程中保持励磁电流不变，控制转矩电流就可以 控制电磁转矩，使得异步电机具有直流电机的控制性能。s p w m 变频调速 是现在比较普遍的变频调速方式，它适用于低速大功率场合，而矢量控制 系统则是高性能的交流调速系统，其调速性能优越，在未来交流传动中必 将发挥重要作用。 论文从动态电能质量的角度出发，分析u p f c 对电能质量的影响。在 研究u p f c 的基本原理和控制策略基础上，利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 软件包建立了u p f c 的仿真模型，并对系统谐波和u p f c 之间的关系进行 分析。本文分别考虑u p f c 向系统注入的谐波和u p f c 对系统内谐波的影 响，仿真结果验证了u p f c 动态模型和控制系统的正确性，它能有效提高 系统的稳态和暂态稳定性，抑制系统高次谐波，提高稳态电能质量。 关键词：异步电机u p f c 变频调速s p w m 矢量控制m a t l a b 仿真 a b s t r a c t t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ea s y n c h r o n i s mm a c h i n es p e e d - g o v e r n i n gs y s t e ma n d u p f c i tb u i l d st h es i m u l a t i o nm o d e lb a s e do na n a l y z i n gm a t h e m a t i c sm o d e l ，a n d d r a wt h ec o n c l u s i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fa ce l e c t r i cd r i v e t e c h n o l o g ya n du p f c ，a n a l y z i n gt h em a i nc o n t r o lm e t h o d s ，u l t i m a t ec o m p o s i t i o n a n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o m e t e rf r e q u e n c y v a r i a b l ea n ds p e e d g o v e r n i n g t e c h n o l o g y nr e s e a r c h e st h ea s y n c h r o n o u sm a c h i n ef r e q u e n c y - v a r i a b l e a n d s p e e d - g o v e r n i n gs y s t e mb a s e do ns p w m ，a n da s y n c h r o n o u sm a c h i n ev e c t o r c o n t r o ls y s t e mb a s e do nc o o r d i n a t ec o n v e r s i o na n dm a g n e t i cf i e l do r i e n t a t i o n i t a n a l y s e st h eb a s i cp r i c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g y ，a n dr e s e a r c h i n gt h ei n f l u e n c eo f u p f ci m p r o v i n gq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y t h i sp a p e ra n a l y s e sm e c h a n i c a la n dn 馐c e n t r a lc h a r a c t e r i s t i co fa s y n c h r o n o u s m a c h i n ef r e q u e n c y - v a r i a b l ec o n t r o l ，a n dr e a s a r c h e ss p w m i tr e s e a r c h e sv e c t o r c o n t r o ls y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，w h i c hb a s e so nc o o r d i n a t ec o n v e r s i o n a n dm a g n e t i cf i e l do r i e n t a t i o n i tc o n c e i v e st h em o d e l so fa b o v et w om o d u l a t i n g m e t h o d so nm a t l a b s i m u l i n k , a n di ta n a l y s e st h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，t h e n c o m p a r e st h et w os i m u l a t i o n s t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a ti fw ea d o p t s p w mv a r i a b l ef r e q u e n c ya n ds p e e dr e g u l a t i o n ，i tm a k e st h em o t o rr u nu n d e r s i n ew a v ea p p r o x i m a t e l y , a n dt h er e b o u n do ft o r q u ew i l lb es m a l l e s t , i ta l s oh a s g o o dc h a r a c t e r i s t i c o fs p e e dr e g u l a t i n g b e c a u s et h ef i e l dc u r r e n ti s c o n s t ， c o n t r o l l i n gt h et o r q u ec u r r e n tw i l lb et h es a m ew i t hc o n t r o l l i n ge l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mp e r f o r m e r sa sw e l la sd cm a c h i n eo ns p e e d r e g u l a t i n g ，a n di ti se x c e l l e n tc o n t r o lm o d e s p w mv a r i a b l ef r e q u e n c ya n ds p e e d r e g u l a t i o ni st h ep o p u l a rc o n t r o lm e t h o d , b u tt h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mi st h e e f f i c i e n ta cc o n t r o ls y s t e m , i tw i l lb et h ef u t u r ef a s h i o nb e c a u s eo fi t ss u p e r i o r i t y s p e e dr e g u l a t i n g t h ep a p e rr e s e a r c h st h ei n f l u e n c eo fu p f ci m p r o v i n gq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y i tb u i l d su p f cs i m u l a t i o nm o d e lu s e i n gs i m u l i n ko fm a t l a bb a s e do nu p f c b a s i cp r i n c i p l ea n dc o n t r a ls t r a t e g y , a n a l y s i n gt h ec o n n e c t i o no fs y s t e mh a r m o n i c a n du p f c t 1 1 er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tu p f cd y n a m i cm o d e la n d c o n t r o ls y s t e ma r er i g h t , a n di tc a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo fs y s t e ms t e a d ys t a t ea n d t r a n s i e n ts t a t e ，r e s t r a i ns y s t e mh i g h e rh a r m o n i c ，a n di m p r o v es t e a d ys t a t eq u a l i t y o fp o w e rs u p p l y k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ：u p f c ：v a r i a b l ef r e q u e n c ya n ds p e e d r e g u l a t i o n ： s p w mv e c t o rc o n t r o l ：m a t l a bs i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕壅盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 学能姗糍狡滞灰 签字日期： 秒7 年月，疹日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权鑫鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： d7 年月苫日 导师签名： 法天龟 签字日期：加，- 7 年f 月夕日 第一章前言 第一章前言 ： 1 1 交流异步电机和变频调速技术的发展历史 十九世纪先后，直流电气传动和交流电气传动相继诞生。在二十世纪七十 年代以前，由于直流传动具有优越的可控制性能，高性能的可调速系统一般都 采用直流电机。不变速传动或简单调速传动则采用交流电机，交流电机约占电 气传动总容量8 傩，这种分工在当时已成为举世公认的格局。其原因是：异步 电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路即定子绕组，这就使得它的速 度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流均可 方便地控制电动机的转速。直n - 十世纪七十年代，由于采用电力电子变换器 的高效交流变频器的开发成功，使得结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方 便、效率高、转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领域，一直被认为天经 地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了，交流电机也成为可调速传 动的一支主力军。 交流异步电机的调速种类繁多，从能量转换的角度上看，可把从定子传入 转子的电磁功率只分成两部分：一部分忍= 乞( 1 一s ) 是拖动负载的有效功 率，称作机械功率：另一部分只= 哦是传输给转子电路的转差功率，与转差 率s 成正比。调速时，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调 速系统效率高低的重要标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三 类： ( 1 ) 转差功率消耗型调速，如降压调速、绕线电机转子串电阻调速； ( 2 ) 转差功率回馈型调速，如绕线电机串级调速、双馈调速、内馈斩波调 速；。 ( 3 ) 转差功率不变型调速，如变压变频调速、变极对数调速。各种调速方 法各有其用途，目前工程应用最普遍的应是感应电机的变压变频调速。 在开始研究和应用交流调速时，人们对交流电机的动态模型还不十分清 楚，只能从其稳态模型出发来探讨调速方法。为了充分利用电机铁芯，希望在 调速时保持磁通不变，应使定子感应电动势与频率成正比，如果忽略定子电阻， 可近似为定子电压与频率成正比，于是出现了恒压频比的控制方法。至今这种 方法仍普遍应用于没有高动态性能要求的节能调速和一般工艺调速中，例如风 第一章前 言 机、水泵调速。在对调速性能有一定要求的场合下，工程研究人员则采用转速 闭环控制。从异步电机稳态模型可以证明，当磁通恒定时，电磁转矩近似与转 差频率成正比，因此控制转差频率就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频 率控制，可得到平滑而稳定的调速，从而获得较高的调速范围。 1 9 7 1 年德国学者f b l a s c h k e 发表论文，提出了交流电机的磁场定向控制 ( 即矢量控制) 的原理，为高性能的交流传动控制奠定了理论基础。异步电机 的矢量控制系统是采用坐标变换和磁场定向把异步电机等效成类似直流电机 的模型，从而可以仿照直流电机进行控制。 矢量控制理论的提出和成功应用，激发了人们研究高性能交流调速系统的 兴趣和热情。8 0 年代掀起了交流调速热，矢量控制理论进一步完善和发展， 矢量控制系统进一步简化与合理，一些新的控制策略和方法相继提出并被采 用。1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 提出了一种异步电动机的直接自控制理论 d i r e c t s e l f c o n t r o l ( d s c ) 通常称为直接转矩控制。直接转矩控制系统的 结构简单，转矩响应快，定子磁链模型不受转子参数变化的影响，因此，引起 人们极大的兴趣；但其输出转矩有脉动，磁链模型在低速时误差大，又使系统 的调速范围受到限制。 此外，不少学者还把现代控制理论一些成果，例如状态观测器、滑模变结 构控制、模型参考自适应控制等应用于交流传动系统的控制，以获得交流传动 系统的高性能。 随着交流调速技术、电力电子技术和微机控制技术的发展，目前，变频调 速技术主要将沿着三个方向发展和应用： ( 1 ) 一般性能的节能调速和工艺调速； ( 2 ) 高性能交流变频调速系统； ( 3 ) 特大容量、极高转速的交流变频调速。 特别是各种轴承技术的突破进展，使得现代化工业生产中高速电机和超高 速电机被广泛运用于诸如高速机床、涡轮分子泵、离心机、压缩机、飞轮贮能 、以及小型发电设备等工业领域，此时研究一些高性能的变频调速系统，并最终 应用到高速和超高速电机的传动控制中就显得尤其重要。 自2 0 世纪5 0 年代末晶闸管的问世以来，电力电子器件至今己经经历了三 第一章前言 个平台： ( 1 ) 晶闸管( s c r ) ； ( 2 ) g t r 和g t 0 ： ( 3 ) m o s f e t 和i g b t 。 而且，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、集成化、智能化 等方向发展。 目前，用于变频传动的电力电子变换器从结构上可分为两种：即交交变频 器和交直交变频器。交交变频器是将电网的交流电直接变换成电压、频率均可 控制的交流电的变频器。其突出的优点是变换中间环节少，变换效率高，缺点 是输出频率最高一般只能达到电网频率的1 2 或1 3 ，因此调速范围受到限制， 应用也局限于一些低速的大功率传动场合。 交直交变频器是把工频电源先经过整流变为直流电源，再通过逆变器把直 流变为频率、幅值均可调的交流电的变频器。和交交变频相比，它多了一个能 量贮存环节。能量转换效率有所降低，但由于调速范围广，控制性能好，因此 获得了更为广泛的应用。根据中间直流电源性质的不同，交直交变频器又可分 为电流型和电压型两种。 电流型交直交变频器采用大电感作为直流环节的储能元件，其输出的电流 波形为方波或阶梯波。电流型变频器的优点是通过直流环节电压反向可以很方 便地把电机处于再生发电状态时的能量反馈给电网，使电机很方便地实现四象 限工作而不需要其它附加环节。但是它的缺点是电压谐波比较大，会引起电机 转矩有脉动，影响控制精度，而且由于直流环节大电感的存在，电流变化速度 受到限制，影响了系统的动态响应速度。另外，电流型变频器需要具有对称电 压阻断能力的器件，因此，当使用l g b t 或逆导型g t 。时需要串联上一个二极 管。目前电流型交直交变频器一般只用于要求频繁加减速的大容量电机传动， 而且在最近几年的发展中，电流控制的电压源变频器在工业应用中己逐渐替代 了电流型交直交变频器。 电压型交直交变频器采用大电容作为直流环节的储能元件，其输出端电压 波形为方波或阶梯波。根据输出端电压和频率控制实现方式的不同，电压型变 频器又可分为电压型嗍变频器和电压型嗍变频器。电压型p 舢变频器的变 第一章前言 频和变压由两个独立环节构成；逆变器只负责频率控制，整流环节则通过控制 中间直流环节的电压幅值来实现对变频器交流输出电压的控制。这种变频器的 缺点是输出电压波形一般为方波，谐波含量大，同时电压控制一般采用晶闸管 相控整流，不仅使整个控制电路变得复杂，系统的可靠性相应降低j 而且导致 低压输出时整流侧的功率因数低下而影响系统总的功率因数此外，输出的电 压和频率需要分别控制，特别是可控整流响应时间的存在，影响了系统的动态 响应速度。嗍型变频器是高性能电力电子开关器件成熟以前采用的变频实现 方案。除了一些要求高压大容量的特定场合，现在己经很少使用。 而采用p m j 技术，能够同时完成变频变压的电压型i ：1 变频器具有以下突 出优点： ( 1 ) 由于交频变压都由逆交器来完成，因此p w m 变频器整流环节一般采用 二极管不控全波整流，这样就克服了p 棚变频器网侧功率因数低的缺点，同时 变频器整体结构也变得更为简洁，可靠性更高； ( 2 ) 由于采用了p 删高频开关控制转矩脉动相应减少，性能得到了提高； ( 3 ) 由于不存在电压反向，电压源变频器输出电压电流谐波含量大幅减 少，p 唧变频器不需要用反向阻断器件，非常适合使用于m o s f e t 和工g b t 这 些最新的电力电子器件； ( 4 ) 采用p w 技术的变频器具有很高的器件开关频率，因此输出电流响应 速度大大提高，为矢量控制等高性能控制方式提供了必要的条件。 由于上述显著的优点，电压型嗍变频器已经获得了非常广泛的应用。目 前，采用高速功率器件的电压型嗍变频器的主导控制技术有： ( 1 ) 基于正弦波与三角波脉宽调制的s p w m 控制； ( 2 ) 基于消除指定次数谐波的h e p w 控制； ( 3 ) 基于电流滞环跟踪的c h p l m 控制； ( 4 ) 电压空间矢量控制( s v p 哪控制) ，或称磁链轨迹跟踪控制。 以上四类p 嗍变换器中。前两类是以输出电压接近正弦波为控制目标，第 三类以输出正弦波电流为控制目标，第四类则以被控电机的旋转磁场接近圆形 为控制目标。其中，电流滞环法的优点是控制简单、电流响应快、鲁棒性强； 而其缺点是开关频率不固定，电流纹波大，低调整比时造成开关频率高，对功 第一章前言 率器件不利，而且三相滞环需要相互独立控制，这在三相交流电机控制中显然 增加了控制复杂度。此外，在直流电压不够高、反电动势太大( 高速调速中) 或电流太小时，电流控制效果不理想。 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了交 流调速系统在静、动态性能上无法与直流传动相比拟的问题。由于矢量控制对 转速和转矩有良好的控制特性，速度调节精度好，因而成为交流调速领域中的 高性能技术而得以应用。传统的矢量控制技术多采用s p w 的电压源逆变器， 而如果能将其中的逆变器部分采用电压空间矢量控制技术，通过对电压源逆变 器的输出状态即电压矢量的控制，可以得到逼近圆形的磁量轨迹，这样就可以 大大减小电机的转矩脉动和谐波电流。近年来，国内外学者对此表现了浓厚的 兴趣。 当今世界高速和超高速电机已被广泛运用于诸如高速磨头、涡轮分子泵、 离心机、压缩机、飞轮贮能以及小型发电设备等工业领域。传统的，为高频电 动机提供高频率电源的是高频发电机组，随着电力电子技术，和微电子技术的 发展，高频逆变器无论是在高频化方面，还是在性能上都有了长足的进步。然 而，目前国内市场上输出在5 0 0 h z 以上的高性能、高频变频器基本上都是进口 的。因此，在国内研制性能好、成本低的高频专用变频器一定是大有可为的。 1 2u p f c 的发展历史 自从美国西屋科技中心的l c r y u g i 于1 9 9 2 年首次提出u p f c 的概念以来， u p f c 引起了各国电力专家的重视，并在u p f c 的控制系统和仿真方面进行了 大量工作。到目前为止，基于u p f c 的各种研究大多处于理论研究阶段。随着 研究的深入，u p f c 在电力系统中的应用化条件已经具备，目前世界上第一台 u p f c 已于1 9 9 8 年7 月在美国的i n e z 变电站投入使用。 作为一种新型的f a c t s 器件，u p f c 的控制方法是现在研究较多的课题 之一，许多学者都提出了新的l i p f c 控制器设计思想。应用u p f c 控制电力 网络潮流的研究一文在分析u p f c 的电路原理后，导出了u p f c 的动态数学 模型，提出了基于网络阻抗法的u p f c 网络接口算法，设计了u p f c 控制系统。 应用接口算法、u p f c 的动态数学模型以及u p f c 控制系统对含u p f c 的电力 网络进行了仿真计算。计算结果表明接口算法和u p f c 控制系统有效性。 第一章前言 u p f c 控制器设计原理及方案提出了一种利用统一潮流控制器( u p f c ) 两个 逆变器的调制波相移蕊暖和调制系数毛如控制线路有功、无功的方法，并就此 提出一种u p f c 试验装置的控制方案。基于本地可测量参数的u p p c 暂态能 量控制分析了u p f c 的动态运行机理，推导出计及u p f c 直流电容器动态特 性的u p f c 动态数学模型，并在此基础上利用u p f c 装置的本地可测量状态参 数u p f c 安装处的系统电压和功率，估算出u p f c 暂态能量最小控制的输入信 号( 转子角度差) ，从而实现了控制的输入参数本地化。含u p f c 的电力系统 暂态稳定数字仿真在简要分析u p f c 的工作原理的基础上，综合考虑了u p f c 的电压调节和潮流控制的作用，建立了u p f c 的动态模型，设计了相应的控制 系统，通过算例计算，验证了方法的有效性。 u p f c 对于线路潮流的控制和提高系统暂态稳定性研究，也是当今研究的 主流问题。u p f c 对动态电能质量影响的分析研究从动态电能质量的角度 出发，分析u p f c 对电能质量的影响。研究结果表明u p f c 向系统输入谐波， 但可以通过提高p w m 的载波频率并在u p f c 两侧加滤波器，使谐波成分几乎 可忽略；同时，u p f c 对系统谐波又有很好的抑制作用，在系统产生谐波时， 可以充当有源滤波器。 u p f c 的潮流控制与暂态稳定性研究从u p f c 控制 潮流的基本原理出发，详细地讨论了它对线路潮流的调节情况，建立了利用 u p f c 控制潮流的3 种优化模型，并针对u p f c 对潮流的控制受功角变化的影 响较大的特点，提出了一种有效的分段潮流控制策略，从而可大幅度地改善系 统的暂态稳定性。基于统一潮流控制器( ，f c ) 的电力系统稳态潮流控制的 模型和算法在分析统一潮流控制器的基础上，导出了u p f c 的潮流控制模型， 提出了易于同常规p q 分解潮流计算相结合的算法。含u p f c 的电力系统最 优潮流计算通过详细的理论分析，考虑统一潮流控制器( u p f c ) 的电压调节 和潮流控制作用，以u p f c 串联侧输出电压的横向分量和纵向分量以及并联侧 输出电流的横向分量为控制输入。设计了u p f c 的控制器；以单机无穷大系统 为例，较全面地仿真了u p f c 及其控制参数对系统暂态稳定性的影响以及 u p f c 的电压调节和潮流控制能力。 f a c t s 器件在电力市场条件下的应用是当今一个崭新的课题。研究表明 适当调节线路f a c t s 装置的参数可以有效地解决网络传输阻塞问题，降低购 第一章前言 电成本，避免由于网络输电阻塞引起节点电价的震荡。f a c t s 在阻塞管理 中的应用探讨了输电阻塞这一电力系统运行中常见的问题。以u p f c 控制器 为例，分析了装设有u p f c 控制器的电力市场长期网络阻塞消除方法，并利用 i e e e3 0 节点的例子验证了该方法的可行性。这些f a c t s 装置的研究成果对 于u p f c 的进一步研究具有极大的参考价值和推动作用。对于f a c t s 能否在电 力市场中发挥更大的作用，还有待于进一步的研究。 1 3 变频调速技术和u p f c 的发展方向n 1 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大 电能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集，变换和传输，因此它的共 性技术必定是分成功率和控制两大部分，前者要解决与高压大电流有关的技术 问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者解决( 基于现在控制理论的控 制策略和智能控制策略) 的硬、软件开发问题( 在目前状况下主要是全数字控 制技术) 。其主要发展方向有如下几项： ( 1 ) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控 制、磁场控制、直接转距控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略， 有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、 鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法 等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各 种各样的自动化、自诊断技术等； ( 2 ) 开发清洁电能的变频器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因 数为1 ，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机 的转距脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的p w 控制是有效的。对大容 量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能 的变换； ( 3 ) 缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成 度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以 及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方 式的改变( 如水冷、蒸发冷却和热管) 对缩小装置的尺寸也很有效； ( 4 ) 高速度的数字控制。以3 2 位高速微处理器为基础的数字控制模板有 第一章前言 足够的能力实现各种控制算法，w in d o w s 操作系统的引入使得可自由设计，图 形编程的控制技术也有很大的发展； ( 5 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。电机模拟器、负载模拟器以及 各种c a d 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。 以u p f c 为代表的灵活交流超输电系统( f a c t s ) 的控制技术以其响应速 度快、无机械运动部件以及可以综合系统广泛的信息而明显优于传统的电力系 统潮流和稳定控制措施，因此它必将是未来在输电行业广泛应用的一种技术。 电力系统潮流和稳定控制对电网安全和经济运行的意义已是众所周知的，该研 究开发项目另一诱人的因素是，这一技术可以辐射到市场更广泛的配电系统 中，将在配电系统无功电压控制、电能质量改善以及储能技术中得到应用。采 用f a c t s 技术提高现有超高压输电线路的输送能力是解决电力工业发展资金 不足问题，充分利用好现有固定资产的有效途径。 1 4 论文的主要内容 本论文的研究先从电力电子变换器入手，探讨了基于正弦波与三角波脉宽 调制的s p w 逆变器的工作原理、控制电路以及基于s p n 调制技术的 m a t l a b s i m u l i n k 建模、仿真和结果的分析；还研究了矢量变换控制系统的工 作原理、数学模型、系统构成，其中主要分析了坐标变换和转子磁链定向，然 后建立了异步电机系统的i m l a b s i m u l l n k 模型，并根据仿真结果进行分析。 论文同时分析了统一潮流控制器u p f c 的基本工作原理，提出直流电容端 电压的控制策略、串联变换器的控制策略和并联变换器的控制策略，并建立 u p f c 的m a t l a b 仿真模型，设计u p f c 的串联侧和并联侧脉冲控制环节。然 后将该模型运用于双节点系统中，根据仿真结果验证该模型的正确性和有效 性。 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 第二章基于sp w m 调制的异步电动机 变频调速系统 交流电机调速系统中，可以通过改变电机的供电频率来实现控制电机转速 的目的但变频的同时也必须协调地改变电机的供电电压，即实现同时变压变频 ( v v v f ) 。否则，电机将出现磁饱和或欠励磁，对电机一般都是不利的，通过 p w m 控制方式对异步电机调速系统的主电路进行控制，是进行能量转换并实现 w v f 控制思想的有效手段。不仅如此p w m 技术与数字控制技术的结合还是异 步电机其它高性能调速方法的基础。 2 1 异步电机变频控制时的机械特性但。3 1 2 1 1 正弦波恒压恒频供电时的机械特性 在异步电机中，电磁转矩公式使用= 0 ) 的方式表达为： = 瓦顽面再m p 了s r i z u l 硒2 丽 ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中： 为电磁转矩、妫转差率； 冠、马。为定、转子绕组电阻折算值； 五、置为定、转子绕组电抗折算值； 助旋转磁场的磁极对数、衲绕组相数； u 为电源的相电压、彳为电源电压频率。 根据式( 2 1 ) 可做出转矩一转差率曲线，为便于和负载机械特性相比较， 我们希望用以= 厂( r ) 曲线来描述转矩与转速的关系。将厂_ s 曲线顺时针旋转 9 0 0 就得到了电机的自然机械特性，如图2 1 所示： 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 s o l 磊 图2 1 恒压频比时异步电动机的机械特性 由图2 1 可知，恒压恒频时异步电机的机械特性曲线的形状主要决定于以 下三点： ( 1 ) 同步转速点( = 0 ，刀m = n o ) ，在异步电动机中，n o = 6 0 f p 。 ( 2 ) 起动点( = 乃，= 0 ) ，异步电动机的起动转矩为： = 瓦丽再m 葡p r 百2 u l 面2 五丽 ( 2 - 2 ) 这时胛j | l ，= 0 ，a n = n o ，s = l 。 ( 3 ) 临界点( = 砭，玎肘= ) ，是临界转速，与对应的转差率 称为临界转差率，计算公式为： 2 瓦是异步电机所能产生的最大转矩，计算公式为： ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 2 1 2 基频以上调速时的机械特性 设变频后的频率为六电压为虬，则频率调节比巧和电压调节比k 分别 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 为： k 2f , f n 飞 k u = u x | u n 式( 2 5 ) 中： 厶为电动机的额定频率； 为电动机的额定相电压。 将六和q 代入式( 2 1 ) ，即得变频后的转矩公式为： ( 2 - 5 ) = 蕊南面两m p s 再r 2 k 硒 u u 死2 而 倍6 ) = n o 工 - ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中： 为频率为正的转差率； 工为频率为六时的同步转速5 吃为频率为六时的转差。 这里，已是以工为分母的，8 x 换算成以为分母的“折算值” s a n x n o n = k f s x q _ 铆 式( 2 - 8 ) 中为额定频率时的同步转速。 基频以上调速时的一个重要特点是，虬= = 定值。即一般情况下，电 动机不可能在超过额定电压的情况下运行。此时，临界点的坐标如下： ( 1 ) 临界转矩( 最大转矩) 将六和虬代入式( 2 4 ) ，得： ( 2 - 9 ) 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 为： 式( 2 9 ) 中为石= z 时的临界转矩； 式( 2 9 ) 中令k = 1 ，则有 ( 2 1 0 ) 因为巧l 时，t ( 一+ 置) ? 墨，如果略去墨式( 2 1 0 ) 可以化简 瓦丽m p u 高2 夸 ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中为巧2 1 ( 六= 厶) 时的临界转距。 式( 2 - 1 1 ) 表明，临界转矩的大小与巧2 成反比，故随着巧的增加，临界 转矩的减小是十分明显的。 ( 2 ) 临界转差率 变频后，由式( 2 3 ) 得 = 丽霖k 甭a i 西 式( 2 - 1 2 ) 中j 缸为石= 六时的临界转差率( 以，为分母) 。 由此求出的是以j 为分母的，将它折算成以，作分母时为 。呜铲两i 褊 k ，见。 式( 2 1 3 ) 中y os 触的折算值( 以工为分母) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 由于s 救和s 救均和电压无关，如果忽略墨不计，则上式变为 尺 食赢引蹦 ( 2 1 4 ) 由于转差率s 的表达式为：s ：一a n = n o - - y m 以o 其中1 m 为转子的转速，n o 为转子磁场的转速，a n 为两者之差。故由式 ( 2 8 ) 得 a n 般2 s 缸s 删n o 刀剧 ( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 中刀缸为z = z 时的i 临界转差。 以上各式中，凡下标中带有“x ”者均为石= 六时的值，带“n 均为石= 厶 时的值。由此可见，向上变频时临界转差几乎不变。 我们可以作出不同频率下的一组机械特性曲线，如图2 2 所示。由图可知： ( 1 ) 六升高时，同步转速随之升高，但最大转矩咒几乎按1 巧2 的规律 减小。 ( 2 ) 临界转差砌缸变化很小，但因临界转矩减小很多，故机械特性的倾 斜度加大，工作区的机械特性略为变软。 图2 2 基频以上调速时的机械特性 挑他加啪呲。 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 2 1 3 基频以下调速时的机械特性 ( 1 ) 临界转矩( 最大转矩) 为保持磁通不变，基频以下调速时应使k = 一，当k = 巧由i 一0 时，有 巧( 五+ 五) = 墨 如果忽略巧( 五+ 五) 不计则由式( 2 9 ) 得 咒器k 即在基频以下频率很低的情况下，的大小与疋成正比。 ( 2 ) 临界转差率 当巧由1 一。时，如果忽略巧( 墨+ 丘) 则由式( 2 1 3 ) 得 s 。譬呱 ( 2 一i s ) ( 2 1 7 ) 所以，。和，z x 都随k 厂减小而减小。 我们可以作出不同频率下的一组机械特性曲线。如图2 3 所示，由图可知： ( 1 ) 六不同时，在相同转矩时的速度降仇变化很小，所以工作区的机 械特性曲线大致是平行的，保持了较硬的机械特性。 ( 2 ) 随着六的下降，临界转矩逐渐减小，电动机的带负载能力也随之 下降。 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 图2 3 基频以下调速时的机械特性 2 2v f 控韦l j 4 - a 2 2 1 异步电机变压变频调速的控制特性 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素，即希望电机中每极磁通 量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种 浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重 时会因绕组过热而损坏电机。我们知道，三相异步电机定子每相电动势的有效 值是： 乓= 4 4 4 f n l r w l 丸 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中： e ，为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) ； 石为定子频率( h z ) ； m 为定子每相绕组串联匝数； 玮l 为基波绕组系数； 丸为每极气隙磁通量( w 6 ) 。 由式( 2 - 1 8 ) 可知，只要控制好色和z 便可达到控制磁通丸的目的。当频 率石从额定值石向下调节时，必须同时降低，使乓石= 常值，即采用 恒定的电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制 的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电 压乓，则可以得到u f , = 常值，这就是恒压频比的控制方法。 n 一吣加 叭 呲 。 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 在基频以上调速时，频率可以从石往上增高，但电压u 却不能超过额 定电压u ，最多只能保持u l = u 。由式( 2 1 8 ) 可知，这将迫使磁通与频 率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图2 4 所示的异步电机变 压变频调速控制特性。如果电机在不同转速下都达到额定电流，即都能在温升 允许条件下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电气传动原理，在基频 以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速；而在基频以上，转速升 高时转矩降低，属于“恒功率调速”。 图2 - 4 异步电机变压变频调速控制特性 2 2 2 带补偿的控制曲线 ( 1 ) 基本思想 针对疋= k ，下降时，a 虬在虬中所占比例增大，造成丸和下降的 情况，采用适当提高调压比而使k k 厂的方法，来补偿比值也玑的增 大，而保持丸等于常数，最终使电动机的最大转矩得到补偿。这种方法称为 转矩补偿，因为是通过提高v f 比而得到的，故又称w f 控制。 ( 2 ) 完全补偿的v f 曲线 完全补偿的含义是，不论六在六厶的范围内为多大，通过补偿，都能 使最大转矩与额定频率时的最大转矩相等，简称为全补偿。由式( 2 4 ) 和式( 2 9 ) 令= ，可得： 瓦雨群急丽= 瓦雨阿m p k 丽e u l v 2 雨丽浯埘4 砥【墨+ 墨2 + o + 五) 2 】4 形厶 r + 墨2 + 厶，2 c 墨+ 五) 2 】。 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 骆坐r i 筹群x 2+ 墨2 + ( 义l + ) 2 分子分母同除以墨，可得 k =剐+ t 埘c 半) 2 】 1 + 、c 学2 ( 2 2 0 ) ( 2 一z 1 ) 由式( 2 1 9 ) 做出的k ，- - - f ( k ，) 函数曲线如图2 5 所示。曲线常简称为 v f 线。满足式( 2 1 9 ) 所示关系的机械特性曲线簇如图2 6 所示。由图可以看 出，在所有频率下的临界转矩瓦都与碥相等。 在设定v f 曲线时，只能根据最终负载的要求来设定。因此，在轻载或空 载的时候，就会出现补偿过分，如果变频器的v f 线设定不当，也会出现补偿 过分，会使铁心饱和，丸的波形由正弦波变成平项波，而励磁电流l 则变为 尖顶波，严重时甚至会引起变频器过电流保护动作。 图2 - 5 全补偿时的k 。巧曲线 第二章基于s p w m 调制的异步电动机变频调速系统 图2 6 全补偿时的机械特性 ( 3 ) 变频器对v f 控制的安排 式( 2 1 9 ) 表明，全补偿的v f 线与电动机的参数有关。并且，转矩补偿的 实质是用提高电压的方法来补偿阻抗压降的。而阻抗压降的大小是和电流厶的 大小有关的，因此，电动机的负载大小不同，其v f 线也不同。还有，由于应 用场合的不同，对转矩的要求也不同。从而对补偿程度的要求也不同。这就要 求变频器提供励磁电流1 。则变为尖顶波，严重时甚至的v f 线具有可选择性， 对于v f 线的初始部分，多数变频器不作处理，这对于低频启动时增大启动转 矩不无好处。因而，实际的变频器v f 线如图2 7 中的实线所示。 图2 7 变频器设置的v f 曲线 2 3s p w m 调制变频技术 s p m j 调制技术是p m j 多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波 脉宽调制，其输出波形是与正弦波等效的