（电力电子与电力传动专业论文）具有光伏水泵控制功能的通用变频装置研制.pdf

t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fg e n e r a li n v e r t e rw i t h p h o t o v o l t a i cp u m pc o n t r o lf u n c t i o n a b s t r a c t a f t e rd e c a d e so fd e v e l o p m e n t ，t h e p h o t o v o l t a i ep u m ps y s t e mh a s b e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fs o l a re n e r g ya p p l i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，w i t hi t s t r e m e n d o u ss o c i a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e s ，t h ep h o t o v o l t a i cp u m ps y s t e m h a sb e e ng e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n o w a d a y s ，c o n v e r t e r su s e di nt h e p h o t o v o l t a i ep u m ps y s t e mg i v ep r i o r i t yt os p e c i a la n dl o w e rp o w e ro n e sw i t h s i n g l ef u n c t i o n ，l o w e rm a r k e ts h a r ea n dh i g hc o s t ，w h i c hm a ya f f e c tt h e d e v e l o p m e n to ft h ep h o t o v o l t a i cp u m ps y s t e m a l t h o u g hg e n e r a li n v e r t e r s w i t hm u t u a lt e c h n o l o g y ，a d v a n c e dc r a f t w o r k ，l o w e rc o s ta n dh i g hq u a l i t ya r e s e r i e s ，n o n eo ft h e mc a nb eu s e di nt h ep h o t o v o l t a i ep u m ps y s t e md i r e c t l y i n t h i s p a p e r - ag e n e r a li n v e r t e rw i t hp h o t o v o l t a i cp u m ps y s t e mc o n t r o l f u n e t i o ni sd e v e l o p e d ，a n di tc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f g e n e r a l i n v e r t e r sw i t ht h ep h o t o v o l t a i cp u m ps y s t e m t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e r i s ： 1 b a s e do nt h es t u d yo fc h a r a c t e r i s t i c s ，p r i n c i p l e so fg e n e r a li n v e r t e r sa n d t h et h e o r yo fv f ，t h es t r u c t u r e so ft h em a i na n dc o n t r o lc i r c u i to fs y s t e m a r ed e s i g n e d ； 2 b ya n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fs p a c ev e c t o r , t h ea l g o r i t h mo fs p a c ev e c t o r p w mi si m p l e m e n t e di ns o f t w a r e b yv i r t u eo fa no p t i m i z e ds u b s e c t i o n s y n c h r o n o u sm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ； 3 a c c o r d i n g t ot h et h e o r yo f p b o t o v o l t a i cp u m ps y s t e m ，t h et r a c k i n g t h e o r i e s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc v t ( c o n s t a n tv o l t a g et a c k i n g ) a n dt m p p t ( t r u em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) u s e di nm a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g o fp h o t o v o l t a i cc e i l sa r e a n a l y z e d ，a n dt h e s e m e t h o d sa r er e a l i z e di ng e n e r a li n v e r t e r ； 4 t h et r a i t so fg e n e r a li n v e r t e r sa n dt h ep h o t o v o l t a i c p u m ps y s t e ma r e c o m b i n e dw i t h ，a n dt h ec o n t r o ld i a g r a mo fs y s t e mi sd e s i g n e d ，a l s ot h e f u n o t i o nm o d u l e so fs y s t e ma r er e a l i z e di ns o f t w a r e ； 5 p r o t o t y p eo f5 7 k v ai sd e v e l o p e d ，a n de x p e r i m e n ti sc a r r i e do u to nt h e p r o t o t y p e t e s t i n g r e s u l t sv a l i d a t et h e d e s i g nm e t h o d s a r ev a l i da n d r a t i o n a l ； k e y w o r d s ：g e n e r a li n v e r t e r ；s v p w m ；v f ；p h o t o v o l t a i ep u m ps y s t e m m p p t ；m o d u l a r i z a t i o n i 】 插图清单 图2 1 通用变频装置硬件结构图5 图2 2 通用变频装置主电路结构图5 图2 - 3 通用变额装置控制电路框图，6 图2 4 异步电机变频调速控制特性7 图2 - 5p w m 逆变电路9 图2 - 6 三相电压空间矢量分布9 图2 7 电压空间矢量合成示意图1 0 图2 - 8 第一扇区内逆变器三相电压1 0 图2 9r c 滤波后相电压波形1 1 图2 - 1 0s v p w m 调制时不同扇区的开关状态1 2 图3l 光伏水泵系统结构示意图1 3 图3 - 2 不同日照下光伏阵列i - v 和p v 特性曲线1 4 图3 3 直接逆变拓扑结构1 4 图3 - 4 带前缴升压变换的逆变拓扑结构1 4 图3 - 5c y t 方式跟踪原理图1 5 图3 - 6t i p p t 方式跟踪原理图1 5 图37c v t 方式跟踪控制结构图，1 6 图3 8d p d v 控制原理框图1 7 图3 9d p 控制原理框图1 8 图3 1 0t m p p t 方式跟踪流程图1 8 图3 - 1 1 水位打开保护流程图。1 9 图3 一1 2 低日照保护流程图2 0 图4 一l 具有光伏水泵控制功能的通用变频系统的基本结构2 3 图42 主电路结构2 4 图4 - 3d s p 电源5 v 一3 3 v 电路2 8 图4 4 直流母线电压采样2 8 图4 - 5 交流输出电流采样z 9 图4 - 6 温度采样2 9 图4 7 通信电路3 0 图4 - 8 监控系统原理结构图3 0 图4 - 9 监控系统主程序流程图3 0 图4 - 1 0 具有光伏水泵控制功能的通用变频系统控制框图3 2 图4 - 1 l 主程序流程图3 3 图4 - 1 2 中断程序流程图3 3 图4 - 1 3 步长和占空比计算流程图3 5 图4 1 4 扇区计算流程图3 5 图5 一l 过载保护曲线示意图3 6 图5 2 过载保护流程圈。3 7 图5 3 防失速保护流程图3 8 图5 - 4 内置p i d 调节器流程图4 0 图5 - 5 直流制动流程圈4 l 图6 一l 通用变频控制实验电路示意图4 4 图6 - 25 h z 时u 相电流波形4 4 图6 - 35 0 h z 时u 相电流波形。4 4 图6 - 41 0 h z 时u n 、w 电压波形4 4 图6 54 5 h z 时l r n 、v n 电压波形4 4 图6 - 65 i t z 时叫、v n 电压波形4 5 图6 73 0 1 t z 时涮、聊电压波形4 5 图6 - 82 0 h z 时u v 线电压波形4 5 图6 - 94 0 h z 时u v 线电压波形。4 5 图6 一1 0u v 线电压波形4 5 图6 - 1 1u n 电压波形，4 5 图6 1 2 软起动电压波形( t - 2 s ) 4 6 图6 1 3 软起动电压波形( t = l o s ) 4 6 图6 1 4 自由停机电压波形4 6 图6 1 5 减速停机+ 直流制动电压波形4 6 图6 1 6 减速停机电压波形( t = 4 s ) 4 6 图6 - 1 7 减速停机电压波形( t = 1 0 s ) 4 6 图6 1 8u + = 2 7 6 v 起动直流电压电流波形( k p = i ，k i = 2 s ) 4 7 图6 1 9u 。= 2 7 6 v 起动直流电压电流波形( k p = i ，k i = 3 0 0 r n s ) 4 7 图6 2 0 搜索起始电压【，。= 3 1 0 v 时起动直流电压电流波形4 7 图62 1 搜索起始电压睨= 3 5 0 v 时起动直流电压电流波形4 7 图6 2 2c r y 方式稳态直流电压电流波形，4 8 图6 - 2 3t m p p t 方式稳态直流电压电流波形4 8 图表清单 表6 - 1 系统主要功能及性能指标 表62 日照强度为6 7 2 w m 2 时光伏阵列最大功率点跟踪实验数据 表6 - 3 日照强度为6 9 0 w m 2 时光伏阵列最大功率点跟踪实验数据 表6 4 日照强度为7 2 0 w m 2 时光伏阵列最大功率点跟踪实验数据 表6 - 5 日照强度为7 9 6 酬m 2 时光伏阵列最大功率点跟踪实验数据 v i i i 4 2 4 8 4 8 4 8 4 9 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金艘王些太堂或其 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谢意。 学位论文作者签字：孑】、枷霞 签字日期：刀年f 月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蜓王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，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 查阅或借阅。本人授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：j 小括雹 签字日期：卯年岁月弘日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名；，_ f 够 签字醐：夕 月日 电话： 邮编： 致谢 论文是在导师丁明教授的悉心指导下完成的，在此向导师表示最衷心 的感谢1 在整个攻读硕士学位期间，丁老师在学业上给了我很多关心，使 我在知识储备和学术水平上都得到了很大的提高，并将终身受益。丁老师 学识渊博、思维开阔、治学严谨，特别是他对工作废寝忘食、一丝不苟的 态度，为我树立了治学的榜样，并将激励我不断前进。 在能源所学习期间，始终得到苏建徽教授、张国荣副研究员和茆美琴 教授在学习上的耐心指导，他们博学、忘我的工作作风，使我受益匪浅。 非常感谢三位老师给予我无私的关心和帮助。 还要感谢给予我帮助和关心的其他能源所的老师们! 他们是：汪海宁 老师、杜燕老师、刘翔老师、张键老师、杜雪芳老师、刘宁老师和陈林老 师。 感谢给予我帮助和快乐的其他同学和好友i 他们是：王世芳、杨向真 师姐、梁海涛师兄、阮景义、张铁良、马炎、申翔、赖纪东、蒋永和、周 玉柱、李冉、张军军、茹心芹和焦道海以及能源所的其他同学! 我要特别感谢我的家人和亲人。多谢他们不断的支持和鼓励。相信今 后同样的支持和鼓励中能够不断的完善自己，取得更大的进步。 1 1 1 作者：孙艳霞 2 0 0 7 年5 月1 0 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着经济的发展，对能源的消耗越来越大。为解决能源紧张闯题，一 方面需要节能，另一方面还必须开发利用新能源。 我国电机总装机容量达4 亿k w ，年耗电量占全国总耗电量的6 0 ， 这些电机中的大部分缺乏经济可靠的调速手段，每天都在浪费着大量的能 源，“十一五”规划把电机调速节电作为节能的一个重要方面n l 。在诸多 的电机调速装置中，以交流变频调速装置为最佳，它体积小重量轻，精 度高、效率高、转矩大、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、适 应性强、功率因数大、操作简单i l l 。其中，通用变额器因功能丰富、通用 性强、节能效果显著和调速性能好被广泛应用于空调、电梯、冶金、机械 等行业【1 1 ，占据了中、小功率变频调速绝大部分市场。 在新能源开发利用方面，集中在太阳能和风能的开发利用，特别是在 太阳能开发利用方面，各国政府纷纷采取措施，刺激太阳能工业的发展， 倾向于将研发资金转向光伏产品的开发和商品化，并且正在大力开发相应 的太阳能产品，积极鼓励本国人民利用这种能源。在太隐| 能光伏应用领域 中，光伏水泵经过几十年的发展，已经成为一个重要分支，其具有的巨大 社会效益和经济效益受到社会越来越多的关注闭。然而，到目前为止，光 伏水泵系统中用到的变换器仍以专用、小功率为主。这些专用、小功率变 换器功能单一、市场占有率低、成本较高，势必将影响光伏水泵系统的发 展。 通用变频器虽然市场很大，成本较低，但不能直接应用于光伏水泵系 统。本课题的研究目的是在对通用变频器结构、原理、功能以及光伏阵列最 大功率点跟踪控制方法研究的基础上，结合通用变频系统和光伏水泵系统的应 用特点，研制具有光伏水泵控制功能的通用变频装置，这项研究不仅可以拓宽 通用变频器的应用领域，而且对光伏水泵系统向高功率方向发展起到很好的促 进作用，具有一定的现实意义。 1 2 变频调速技术的发展 电力电子器件是电力电子技术的物质基础和技术关键，是现代交流调 速装置的支柱，其发展直接影响和决定交流调速的发展。5 0 年代，硅晶 闸管的河世，解决了交流电机变频电源的问题。6 0 年代后期，可关断晶 闸管g t o 实现了门极可关断功能，并使斩波控制频率扩展到1 k h z 以上。 7 0 年代中期，高功率晶体管和功率m o s f e t 问世，功率器件实现了场控， 打开了高频应用的大门。8 0 年代，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 问世，它 综合了功率m o s f e t 和双极型功率晶体管两者的功能。目前，电力电子 器件正向高压、大功率、高频化、组合化和智能化方向发展。电力电子器 件的不断进步为交流电机控制系统的完善提供了强有力的物质保障，电力 电子器什制造取得的每个阶段的进步都为交流调速技术取得的阶段性进 步奠定了坚实的基础。电力电子器件的发展使得高频化的p w m 技术成为 可能，使得变频装置也向着高频化、高功率密度化、高性能化和智能化等 方向发展，使得变频装置的调速性能更加优良，使用领域也更加广泛，经 济效益更加可观，越来越多的公司单位投入生产和研究，更促进了变频调 速技术的应用推广和进步 3 1 1 1 1 1 【6 驯。 变频调速技术的进步，还离不开控制理论的发展。交流电机是一个多 变量、非线性的被控对象，其控制比较复杂。从2 0 世纪6 0 年代至今，变 频调速控制理论主要经历了三个阶段：恒v f 控制、矢量控制和直接转矩 控制。恒v f 控制是从电机的稳态方程出发研究其控制特性的，其动态性 能不理想，但是在变频调速初级阶段，因v f 控制简单，节能效果显著， 适合风机、水泵这类对动态性能要求不高的负载，也得到了广泛应用j 矢 量控制的提出是在2 0 世纪7 0 年代初。它是用矢量变换的畜法研究电机的 动态控制过程，它利用状态重构和估计的现代控制概念，巧妙地实现了交 流电机的磁通和转矩的重构和解耦控制。采用矢量控制，提高了交流调速 系统的调速范围和动态性能，但是这种控制方式受电机转子参数影响较 大：直接转矩控制是在其转速环内，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转 矩，直接转矩控制系统具有和矢量控制系统相同的静、动态性能，这种控 制方法无需复杂计算，不受电机参数的影响，但是其输出转矩会产生脉动， 影响系统的低速性能。除了上述三种控制方法外，又发展了新的控制方法， 如二次性能指标的最优控制、双位模拟调节器控制、滑模( s l i d i n gm o d e ) 变结构控制、模糊控制和自适应控制等，目前这些控制理论在交流调速方 面都还处于仿真研究阶段，没有很好地应用到实际系统中，相信随着计算 机在实时控制系统中的应用，这些新的控制理论会在实际系统中得到普遍 应用，交流电机的变频调速性能会得到很好的改善1 3 1 1 i 【郴懈l 。 可靠性高实时性好是对控制系统的基本要求。最初，交流电机控制 系统一般采用由分立元件构成的模拟电路，后来发展到模拟数字混合电 路，然而由于这些电路数据处理能力有限，对于大多数高性能的交流变频 调速控制算法而言，不能满足系统在实时性和精确性方面的要求，直到 2 0 世纪8 0 年代初诞生了第一块数字信号处理器( d s p ) 之后，这种状况才 逐步得到改善。d s p 的出现，使得以单片机为控制核心的全数字化控制系 统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前，数字信号处理器在不断 提高速度的同时，片内还集成了越来越多的外围电路接口，在提高运算处 理功能的同时，极大简化了控制系统外围电路的设计，不仅使交流调速装 置设计简化，还大大提高了交流调速装置的调速性能，缩短了交流调速装 置的研发周期q 【“1 1 1 1 6 i p l 。 总之，随着电力电子器件制造技术、电机控制理论和高性能微处理器 技术的快速发展变频调速技术得到了长足的发展，变频调速装置正朝着 主控一体化、小型化、低电磁噪音化、专业化、系统化和智能化方向发展 1 3 1 p 1 1 1 7 1 。 1 3 本文主要工作 以设计具有光伏水泵控制功能的通用变频装置为目标，采用v f 控制 方法，应用电压空问矢量脉宽调制技术制作了基于d s p 的实验样机。主 要工作如下： 1 确定主电路结构和组成，设计主电路原理图。 2 确定控制电路的结构和组成，设计控制电路原理图。 3 根据设计性能指标，选择高性价比的核心控制芯片和功率器件。 4 根据设计要求，依据电路理论计算确定电路各元件配置参数，合理 选择元器件。 5 完成主电路和控制电路p c b 板设计。 6 综合通用变频系统和光伏水泵系统的应用特点，确定了合理的控制 结构。 7 研究电压空间矢量磁通正弦基本原理，分析了m f 算法，利用优化 分段同步调制技术对该算法进行了软件实现。 8 根据光伏水泵系统的应用特点，研究了c v t 和t m p p t 这两种最大 功率点跟踪方法的原理和特点，弗探讨了其在通用变频装置中的实 现方法。 9 ，根据系统要求，编写了合理的通信协议，完善了监控程序设计。 1 0 较完整地编写了系统软件，实现了设想功能。 1 1 制作了容量为5 7 k v a 原理样机，并在原理样机上傲了大量实验研 究。 第二章通用变频器理论 变频器至今并无确切的定义，按其作用可理解为改变电机电源频率及 电压值的自动化电气装置( 或设备) 。变频器由电力电子器件、电子器件和 微处理器等组成，接在电源和电机之间，使异步电机实现无级调速。在变 频器的应用中，通用变频器使用范围最为广泛，已经占据了0 5 - 5 0 0 k v a 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场1 9 ”1 。下面就通用变频器的特点、 构成和p w m 脉宽调制方式进行讨论。 2 1 通用变频器特点 通用变频器的“通用”二字包含两方面的含义：一是可以和通用的笼 型异步电机配套使用；二是具有多种可供选择的功能”m 。1 。适用于各种不 同性质的负载，与专用变频器相比，通用变频器最主要特点是晟大范围应 用于备种场合。通用变额器的特点体现在以下几个方面： 频率给定方式灵活 t i l l ”i 通用变频器设计了灵活的频率设定功能和频率控制接口，如频率给定 可以是数字的，也可以是模拟的；频率给定方式可以是键盘、通信和外部 端子等。为了方便系统构成闭环控制，通用变频器还内置了数字p i d 给 定。灵活的频率给定方式使通用变频器使用方便，通用性较强。 调速控制方式多样 变频嚣常见的控制方式有：开环v f 控制、闭环v f 控制、矢量控 制和直接转矩控制。由于不同的负载对调速性能要求各异，采用的控制方 式也就不一样，如风机、水泵类负载对调速性能要求不高，以节能为主， 通常采用v f 控制。高性能通用变频器内部都设计了几种控制方式供用户 选择，如艾默生t d 3 0 0 0 、台达v f d b 和安川c i m r 。g 7 a t ”1 等产品都集成 了开环矢量控制、闭环矢量控制和v f 控制等。控制方式的多样性拓宽了 通用变频器的应用领域。 功能丰富 为了满足不同负载的不同运行工况要求，通用变频器设计了多种功 能。常见功能有：软起动、滑差补偿、自动节能、点动运行、直流制动、 防失速、瞬时停电再起动、频率升降速控制、频率跳跃处理、转矩提升和 多档加、减速时间控制等，部分通用变频器的功能指令参数都有上千条。 丰富的功能使通用变频器可以满足大多数工况使用要求。 应用范围广m 2 l 通用变频器频率给定方式灵活，调速控制方式多样、功能丰富，使其 在越来越多的领域得到应用。目前通用变频器被广泛应用于钢铁、有色、 石油、石化、化工、化纤、注塑、电力、机械、纺织、造纸、医药、建材、 城市供水、污水处理和楼宇中央空调等行业。 基于上述诸多特点，通用变颓器倍受市场青睐，特别是在认识到电机 变频调速具有巨大的节能潜力后，通用变频器市场发展更迅速，应用也更 广泛了。 2 2 通用变频器结构 就通用变频器而言，目前国内外品牌约有1 2 0 多种，外观不同，结构 各异，但其基本的电路结构是相似的，硬件电路一般包括两部分；功率主 电路和控制电路。如图2 - 1 所示。 2 2 1 主电路 图2 1 通用变频装置硬件结构图 变频器主电路按拓扑结构可分为两种：交交变频( 直接变频) 和交一 直一交变频( 侧接变频) 。交一直一交拓扑结构是通用变频器中采用的主要形 式，如图2 2 所示。 工 频 电 源 图2 - 2 通用变频装置主电路结构图 交 流 输 出 从图2 2 可以看出，通用变频装置主电路主要包括三部分：整流电路、 平波电路和逆变电路o l 。其中，整流电路由不可控二极管组成；逆变电路 由全控型功率器件绝缘栅双极晶体管i g b t 或智能功率模块( i p m ) 组成；平 波电路由电感或电容组成。另外，为保证系统正常运行，还需要软起动电 路和制动电路。图中，电阻r l 和继电器硒构成软起动电路，用于限制上 电瞬间的冲击电流；电阻r 2 和绝缘栅双极晶体管i g b t 构成制动电路，用 于消耗快速制动时产生的再生能量。 2 2 2 控制电路 控制电路由c p u 及其外围电路、电压电流检测电路、速度检测电路、 驱动电路和保护电路组成，为主电路提供控制信号，控制电路框图如图 2 3 所示。对于不同的逆变功率器件，驱动和保护电路是有区别的，如果 功率器件采用i g b t ，要采用专门的驱动集成芯片，保护电路也较复杂； 如果功率器件采用i p m 模块，因其内置了驱动电路，所以门极触发信号 只需简单隔离，无需专门驱动芯片，而且i p m 模块内部集成了过流、过 热和驱动欠压等保护功能，保护电路也较简单1 3 1 1 4 1 。 图2 - 3 通用变频装置控制电路框图 2 3 通用变频器控制方式 现代高性能通用变频器包含多种控制方法，常见的有v f 控制、转差 频率控制、矢量控制和直接转矩控制。每种控制方法各有特点，适合不同 的被控对象，用户可以根据需要选择其中的某一种。本系统设计了v f 控制、矢量控制、直接转矩控制和转差频率控制接口。其中v f 控制较简 单，节能效果显著，应用广泛。 6 2 3 1v f 控制原理 根据电机学相关理论可知，三相异步电机定子每相绕组感应电动势有 效值e 为咖9 删： e 。= 4 4 4 f n 。k p 。 ( 2 1 ) 式中：为定子每相绕组串联匝数， 足为定子基波绕组系数， 中为电机气隙中每极合成磁通。 由式( 2 - 1 ) 可知，当电机电源频率变化时，若电机电压恒定，则电机的 磁通将会出现磁饱和或欠励磁。若电机工作在磁饱和状态下，电机励磁电 流将增加，功率因数会降低，铁耗和铜耗增加，结果导致电机严重发热， 甚至烧坏；若电机工作在欠励磁状态下，电机输出转矩会下降，其功率得 不到充分利用而造成浪费。因此，在改变电机输入频率且保持中。不变时， 必须保持输入电压与频率成比例地变化，v f 控制就是基于此原理。 2 3 2v f 控制特点 v f 控制是异步电机变频调速最基本的控制方式，其目的是保持电机 磁通一定，在较宽调速范围内，保持效率和功率因数不下降，过载能力基 本不变。 三相异步电机调速时，根据其机械特性和控制要求，基频以下采用恒 转矩调速方式，即保持磁通不变；基频以上恒功率调速时，频率从基频往 上增加，但电压最大只能是额定电压，则导致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台起 来，可得到图2 - 4 所示的异步电机变频调速控制特性i g 1 9 】【i l l i l 2 1 【l ”。 b i i a l i 图2 - 4 异步电机变频调速控制特性 v f 控制常用于风机、水泵的节能调速，以及对调速性能要求不高的 场合。v f 控制的突出优点是可以实现对电机的速度开环控制；缺点是低 速性能较差，主要原因是低速时异步电机定子压降所占比重增大，已不能 忽略，解决办法是补偿定子端电压帅o u “o 。 2 4 通用变频器脉宽调制方式 p w m ( p u i s c w i d t h m o d u l a t i o n ) 控制是对脉冲宽度进行调制的技术。即 通过对一系列脉冲的宽度进行调制。等效获得所需要的波形( 含形状和幅 值) 。 根据不同的控制目标，采取不同的p w m 调制方法e 目前，变频器中 用到的p w m 调制方法包括 1 4 1 ： 正弦脉宽调制s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 其控制 目标是使变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满 足交流电机的需要。 消除指定次数谐波的p w m ( s h e p w m )其目的是消除不允许存在 的或影响较大的某几次谐波，如5 ，7 ，1 1 等低次谐波，构成近似正 弦的p w m 波形。 电流滞环控制p w m ( c h b p w m ) 其目的是对电流实现闭环控制， 使变频器输出的电流波形尽量接近正弦波，以便取得比电压开环控 制更好的性能。 电压空间矢量s v p w m ( s p a c , v e c t o rp w m ) 其目的是在电机空间 形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。 由于s v p w m 调制方法比s p w m 调制方法的直流电压利用率高，如 今，通用变频器都采用s v p w m 脉宽调制方法。 2 4 1s v p w m 磁通正弦基本原理 电压空间矢量p w m 技术是一种磁链轨迹法，是从电机的角度出发，使交 流电机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源供电时交流电机产生的理想 磁链圆为基准，通过选择功率器件的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能 逼近理想磁链圆，从而生成s v p w m 波1 9 1 1 1 1 。 电机的理想供电电压为三相正弦，其表达式如下： u a = u s m ( o x ) 讹= 虬s i n ( c o t 一2 , r 3 )( 2 - 2 ) 1 “。= u 二s 叫耐+ 2 n 3 ) 按照合成电压空间矢量的定义( 由p a r k 变换) ，可以得到： = ：2 ( 甜。+ 翻+ 口2 。)( 口= p 。争) ( 2 - 3 3 ) = ：( 甜口+ 掰b + 口2 。) ( 口= p 。“) ) 式中：”为电压空间矢量。 与之相似，定义磁链空间矢量为： 旷i 2 帆+ 口+ 口：虬) ( 口= f 夸) ( 2 4 ) 式中：v 为磁链空间矢量。 若忽略定子电阻的影响，则p 可由电压空间矢量对时间积分得到，即； 缈= p = 层( + 积。+ 矿心砂= ；以+ 口矿b 4 0 r 2 妒。) ( 2 5 ) 式中： 黔良 s 1 1 1 研 s 哦耐一；口) s i n ( o 瞳0 月) 即为理想磁链圆的半径。 ( 2 6 ) = 捱鲁 协， 当供电电源保持压频比不变时，磁链圆半径，是定值。 4 0 v 2 ( 1 1 0 ) 、 ， v o ( o 。o ) 凯( 1 0 0 ) v r 1 1 1 ) ， 0 1 ) ￥5 ( 1 0 1 ) 图2 - 5p 霄逆变电路图2 6 三相电压空间矢量分布 将式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) 中，得到理想供电电压下的电机电压空间合成矢量 = 2 u 。e 埘 ( 2 8 ) 图2 5 是p w m 逆变电路的拓扑结构，定义三个开关函数、鼠、s ，其中 s 代表逆变桥左边的桥臂，s 。代表逆变桥中间的桥臂，s ，则代表逆变桥右边的 桥臂。墨，= l 代表该桥臂的上桥臂导通，s 。= 0 代表该桥臂的下桥臂导通。s 。、& 意义相同。对于1 8 0 9 导通型逆变器，三相桥臂的开关组合只有8 个状态，包括 6 个幅值相等、相位间隔6 0 的非零矢量和2 个零矢量，如图2 - 6 所示。理想情 况下，电压空问矢量是圆形旋转矢量，而磁通为电压对时间的积分，也是圆形 的旋转矢量。控制电压矢量的导通时间就可以用尽可能多的多边形磁通轨迹逼 近理想的圆形磁通。而任意一个理想电压空间矢量矿的幅值和旋转角度都表示 此刻输出p w m 波的基波幅值及频率大小，它的相位则表示不同的脉冲开关时 刻。因此，三相桥式逆变器的控制目标就是利用这八种基本矢量的时间组合去 拟合一个磁链圆。 2 4 2s v p w m 算法分析 上述分析表明，三相电压空间矢量共有八个，除两个零矢量外，其余六个 非零矢量对称均匀分布在复平面上。对于任意给定的电压空间矢量旷，均可由 八个电压空间矢量合成，如图2 7 所示。图中六个模为2 v d c 3 的电压空间矢量将 复平面均分成六个扇形区域i 一，对于任意扇形区域中的电压矢量矿，均可 由该扇形区域两边的电压空伺矢量来合成。如果矿在复平面上匀速旋转，就对 应得到了三相对称的正弦量。实际上，由于受开关频率和矢量组合的限制，矿 的合成矢量只能以步进速度旋转，从而使矢量端点运动轨迹为一多边形准圆。 显然，p w m 开关频率越高，多边形准圆轨迹就越接近于圆p 1 1 1 1 1 。 v 5 p 1 ，这说明正在向最大功率处搜索，继续增加负载， 得到太阳能输出电压k ，此时太阳电池的输出功率为，且p 蛐 p 2 ， 继续增加负载，得到光伏阵列的输出电压v 3 ，此时的太阳电池的输出功 率为p 3 ，此时p 3 u s p + 时，误差信号经p i d 调节函数后使得s v p w m 发波函数的入口 参数f 增大，p 经v f 函数发生器运算后，s v p w m 发波函数的另一入口 参数u 也增大，通过脉宽调节，系统输出电压和频率都增大，水泵电机 转速升高。水泵输出功率增大，使得和水泵匹配的光佚阵列的输出功率增 大，输出电流增大，有光伏阵列的u i 特性曲线知，光伏阵列输出电压 u s p 减小，直到u s p = u s p ；当u s p 0 ，如果使系统工作在 最大功率点处，需要增加给定电压u s p ：当u s p 指令电压在最大功率点 的右侧时d p d v 0 ，z l 取+ l 。z 2 有z l 和z 3 的积决定，因z 3 初 始化为1 ，所以z 2 取1 ，z 3 取- 1 ，指令电压u s p 减小，因u s p 在最大 功率点的右侧，l i s p 减小，功率增大，d p 0 ，指令电压u s p + 继续减小； 当u s p 到达最大功率点左侧时，如果减小u s p ，功率减小，d p 把式( 5 - 2 ) 减去式( 5 3 ) 得： “( = “( t 一1 ) + ( 耳+ i t + 争) m 卜( 耳+ 孕) ，。( 七一1 ) + 争。 一2 ) ( 5 4 ) 式( 5 4 ) 是位置式p i d 调节器的结构。 该数字p i d 调节器软件实现如图5 - 4 所示。 图5 - 4 内置p i d 调节器流程图 5 4 直流制动功能的实现 采用直流制动控制的目的：一是准确停车；二是制止在起动前电机由 外因引起的不规则自由旋转1 2 0 1 。直流制动即向异步电机的定子通直流电， 异步电机的定子磁场不再旋转，转动着的转于切割这个静止磁场而产生制 动转矩，使旋转系统存储的动能转换成电能消耗于异步电机的转子回路 中，异步电机处于能耗制动状态。 直流制动时向定子绕组中通直流电的方式有两种) ：一是向三相绕 组中通直流电，这时六个i g b t 中三个处于工作状态，其余三个一直处于 关断状态。三个工作的管子应位于不同桥臂的不同侧，触发信号的占空比 可以根据调制度进行调节；二是向两相绕组中通直流电，这时有两个位于 不同桥臂不同侧的i g b t 工作，其余都处于关断状态。对于上述两种电路， 如果定子绕组中通直流时产生的电流与定子原来电流方向相反，d i d t 较 大，产生冲击电流，会导致过电流保护跳闸。为了避免出现定子电流反向， 产生过电流，本系统直流制动过程采用矢量直流制动，根据异步电机旋转 磁场的产生机理和s v p w m 追踪磁链定向的脉宽调制策略，当减速到直流 制动频率时，置直流制动标志位，s v p w m 调制方式中的旋转矢量停止， 按当前的状态来控制功率管的开关，并给定直流制动矢量电压u ( 改变调 制度) ，然后开始直流制动计时，当制动时间到时，停止运行。直流制动 软件实现如图5 - 5 所示： 图5 - 5 直流制动流程图 第六章实验结果和展望 根据前面章节中叙述的设计思想和方法，制作了原理样机，并在样机 上做了大量关于通用变频控制和光伏水泵控制的实验研究。实验结果表明 该系统完全满足设计性能指标，性能指标如下： 表6 - 1 系统主要功能及性能指标 额额定容量k v a5 7 定额定输出电流a 1 5 输最大输出电压v2 2 0 a c 出 最高输出频率h z 4 0 0 输交流输入( 电压、频率) 2 2 0 5 0 入直流输入v3 l l 电允许电压波动+ 1 0 1 5 源 允许频率的波动 士5 抗瞬时压降1 8 7 v 以下继续运行1 5 m s 最高频率5 0 - - 4 0 0 h z 可变设定 基本频率 5 0 h z ，6 0 1 - i z 可变设定 设定启动频率o 5 - - 6 0 h z 可变设定 载波频率 2 一1 5 k h z 可变设定 输 模拟设定是最高输出频率设定 出 精度值的：l 0 3 频 数字设定是最高输出频率设定 室 值的o 0 1 模拟设定：最高频率设定值的千 分辨率分之一 数值设定：1 0 0 h z 以上为0 1 h z ， 1 0 0 h z 以下为0 0 1 h z 恒v f 控制 控控制方式转差频率控制 制转子磁通矢量控制 特频率控制范围0 0 1 4 0 0 0 0 h z 性频率设定分辨率数字式指令0 0 1 h z 过载能力额定输出电流的1 5 0 1 分钟 频率设定信号 0 5 v ，4 2 0 m a 加减速时间 0 0 1 6 0 0 s ( 4 种切换) 过流交流过电流 保险丝熔断保护用保险丝熔断方式停止 保 过载额定输出电流的15 0 ，1 分钟 护 过电压主回路电压4 1 0 v 以上停止运行 功 欠压主回路电压2 6 0 v 以下时停止 能 失速保护加、减速或运行中失速防止 接地保护电子主回路保护 散热器过热保护散热器温度过高 驱动保护i p m 驱动欠压、过流、过热保护 水位检测打干保护光伏水泵控制用 低只照保护光伏水泵控制用 6 1 实验用设备及主要设备参数 电源一一光伏阵列l 组 阳光辐照计一个( 型号y f j 一1 0 ) 功率变换装置l 台一一原理样机 水泵电机一组 i ) s 一1 0 0 跟踪器l 台( 型号i ) s 一1 0 0 ) 水管蓄水装置一套 数字示波器一台( 型号r i g o ld s l l 0 2 c ) ，数字万能表两块，电流 钳一个，连接导线若干 1 实验用水泵电机主要参数： 额定电压；2 2 0 v额定电流；4 1 a 额定频率f 5 0 h z 额定功率：7 5 0 w 额定转速：2 8 0 0 转分 2 实验用光伏阵列额定( t = 2 5 。c ，s = 1 0 0 0 w m 2 ) 参数： 名称：非晶硅薄膜太阳能电池数量：1 8 块 型号：p v l 6 8开路电压：2 3 ，1 v 产地：美国短路电流；5 1 a 峰值功率；6 8 w发电效率：* 6 1 最大工作电压：1 6 5 v最大工作电流；4 1 a 3 实验用原理样机主要参数 额定容量：5 7 k v a输出额定电压：2 2 0 v a c 交流输入：2 2 0 v 5 0 h z输出额定电流： 1 5 直流输入：3 1 1 v 一4 0 0 v输出频率：o 0 1 4 0 0 h z 图6 - 1 通用变频控制实验电路示意图 6 2 通用变频控制实验 1 不同频率下的电机电流波形 r 图6 - 25 h z 时u 相电流波形 图6 - 35 0 h z 时u 相电流波形 2 不同频