（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的中压变频器控制软件的设计.pdf

s u b j e c t：d e s i g nc o n t r o l l i n gs o f t w a r ef o ram i d - v o l t a g ev v v f i n v e r t e rt h a tb a s e do nd s p s p e c i a l t y ：p o w e r ee l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a lp o w e rt r a c t i o n n a m e：s h e nj i a nd o n g i n s t r u c t o r：w e il i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 盔坞岫 ( s i g n a t u r e ) 丝! t h i sa s s a ym a i l l l yd i s c u s s e dam i d f r e q u e n c yv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e da d j u s t i n gs y s t e m f u rat h r e ep h a s ea s y n c h r o n i z e dm o t o r ，f i r s ta n a l y z e dt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yc o m m o n l y u s e di nc u r r e n t m i d v o l t a g e v a r i a b l e f r e q u e n c yi n v e r t e r ，a n da n a l y z e dd e t a i l e d l y t h e 6 k v 4 0 0 k ws e r i a lu n i t sm i d v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yi n v e r t e rs y s t e mt h a ti nr e s e a r c h i n g f i r s ta n a l y s e dt h et h e o r ya b o u tt h es e r i a lm u l t i u n i t so u t p u tw i t h o u th a r m o n i c s ，t h e n i n t r o d u c e dah i 曲p e r f o r m a n c ec o n t r o l l i n gm e t h o di n t ot h em i d - v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y i n v e r t e rc o n t r o l l i n gs y s t e m ，t op r o c e s ss l i pc o m p e n s a t i o na n dl i m i t c o n t r o lt h em o t o r sc u r r e n t b yc o m p e n s a t i o nt h es t a t o r sv o l t a g ed r o pw i t hv e c t o rm e a n s ，r e a l i z e dab e t t e rl o wf r e q u e n c y p e r f o r m a n c ev f d e s i g nw i t hp r o t e c t i o no f ”d r o pp o w e r ”f u n c t i o n a tt h es a m et i m e ，u s e st h ec o n c e p t so fs i e m e n s t i m ee l a p s ea n dj o i n tp a p e ri nm i d v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yf i e l d ，p r o m o t e ds y s t e m sf l e x i b i l i t y ，f r e e d o ma n dc o n v e n i o u s n e s s d e s i g n e dm o d u l a rs o f t w a r e w i t hs y s t e m r e c o n s t r u c t i o nf u n c t i o n ，a n d a n a l y s e d s e v e r a l i m p o r t a n tf u n c t i o n si nt h ec o n t r o ls o f t w a r e ，t h em o d u l a r sa r ec o n t r o lw o r d s ，s t a t i cw o r d s ， s e q u e n c yc o n t r o l ，“fc u r v e ，g i v e na c c u m u l a t o r ，c a l c u l a t i o no fa u t o m a t i cv o l t a g e s t a b i l i z a t i o n b a s e do nv o l t a g ec o m p e n s a t i o ne t c t h et e s t e di sa6 k v 2 2 k vs y s t e mi n t e s t i n gr o o m ，i na c t u a lu s a g e i ti sa6 k v 4 0 0 k w v a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e md e v i c e ，t h ea s s a yg i v e nt h et e s t e dr e s u l t sa n di t sa n a l y t i c s t h e r e s u l ts h o w st h a tt h em i d v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yi n v e r t e rc a nr u ns a f e l ya n ds t a b l y k e yw o r d s ：m i d - r a n g ev o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e rh i g hp e r f o r m a n c ev fc o n t r o l m o d u l a r i z a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技太擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耽璐日期：炒f 争膨 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 # 、黼瀚送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论雯的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 婺l 婿酾的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：移致遘冬 指导教师签名： 妒6 年矿月9 日 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 随着电气传动技术的发展，尤其是变频调速技术的日益进步，作为大容量传动的 中压变频调速技术也得到了广泛的应用和发展。在我国的工业领域中有大量的大功率 传动机械，如大功率风机、泵类电机等。这些大功率电机广泛地应用于煤矿、冶金、 石油、给排水等行业，例如：钢铁工业的高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机：石油 化工生产用的压缩机：电力工业的给水泵、引风机；煤矿的排水泵和排风扇以及城市 自来水厂的供水泵等大都由中压电网供电，功率都在几百千瓦以上。这些大功率中压 电机多采用直接恒速拖动，能耗太大，能源浪费严重，效率低下。中压电机利用中压 变频器可以实现无级调速，满足工业生产过程对电机调速控制的要求。应用中压电机 的变频调速技术既可提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本， 提高生产效率。因此，中压大功率交频调速装置的市场潜力巨大，应用前景十分广阔 e l 】。 在交流调速领域，低压变频器的研究和应用已经相当成熟，而大功率中压变频器 则成为近年来交流调速的研究热点之一。中压变频器和低压变频器存在许多不同之处 “j ，主要表现在： ( 1 ) 低压变频器技术已十分成熟，电路拓扑结构单一，而中压变频器技术正处于 发展完善阶段，出现了多种电路拓扑结构，各有优缺点； ( 2 ) 低压变频器己经形成通用产品系列，并做到技术规格国际化，而中压变频器 尚待完善，世界著名的电气公司在中压变频领域也展开了激烈的竞争： ( 3 ) 由于功率器件的耐压水平不断提高，低压变频器不需要功率器件的串联，而 中压变频器仍在为功率器件的耐压问题寻求解决方案； ( 4 ) 低压变频器应用简便，而中压变频器需要在应用中解决相应技术问题； ( 5 ) 低压变频器产品已系列化，单位容量价格较便宜，趋于稳定，而中压变频器 单位容量价格较贵，初期投资大，并且不同厂家的价格差异也较大： ( 6 ) 在中压变频器中需要解决绝缘、高低压隔离及控制信号的传递等问题。 广阔的应用前景和巨大的市场要求，以及中压变频调速存在的技术难度大、技术 容量高等特点，是其成为近年来变频调速领域研究热点的主要原因。 根据我国交流电机电压等级的规定，3 k v 、6 k v 、1 0 k v 电压等级的电机称为高压 电机，用于这类电机调速的变频器称为高压变频器，国外对此电压等级的变频器称为 中压变频器( 本文亦把此类电压等级的变频器称为中压变频器) ；在功率方面，我国 西安科技大学硕士学位论文 一般以3 0 0 k w 为功率分界线，容量在3 0 0 k w 以下的称为中小功率，容量在3 0 0 k w 以 上的称为大功率【3 】。因此，此方面的研究称为中压大功率变频器的研究。 1 2 国内外研究现状及意义 到目前为止，影响中压变频调速技术发展的因素主要有两个【4 j ： ( 1 ) 大功率交流电机供电电压等级高，而现有功率器件的耐压等级低： ( 2 ) 中压变频调速技术难度大、技术容量高、投资大，而用于风机、水泵等方面 的节能调速只能低投入，从节电费用中收回成本。 由于上述两点的存在，因此出现了多种中压变频调速的方案【5 】，可归纳如下( 习惯 起见，本小节方案分类中的高压即指中压) ： ( 1 ) 高低高方案： 将电网高电压经降压变压器降为低电压，通过低压变频器变频后，再经升压变压 器升至高电压，以驱动高压电动机进行调速，如图1 1 所示。 降压变压器 低压变频器 升压变压器高压电机 ，哗厂阿- ：| 匕一仃n n ”7 ”7f “7 j 乙”7l 图1 1 高低高型中压变频调速系统 该方案实质是技术成熟的低压变频器，所以技术难度相对较小，投资相对低，是 最早应用的一种中压变频器。但由于变频器输出含有高次谐波和直流分量，且升压变 压器需要特殊设计，两个变压器都有较大损耗，使其效率降低，同时装置的占地面积 大。此种方案由于上述缺点近年来已被市场逐渐淘汰。 ( 2 ) 高高直接变频方案： 直接对高压电网进行电压频率变换，无需升、降压变压器，直接输出高压来驱动 高压电机进行调速。该方案由于减少了输入、输出变压器，减少了损耗，提高了效 率，减小了占地面积。由于上述原因，此种方案近年来逐渐成为市场主流方案。 以上中压变频调速方案的分类是按高压组成划分，根据有无中间直流环节，又可 分为交一交变频和交一直一交变频。在交一直一交变频中，按中间直流环节的滤波方 式不同，又可分为电压源型( 电压型) 和电流源型( 电流型) 两种。 直接高压变频调速是大容量电机调速的发展方向，常见的拓扑有：以晶闸管或 g t o 为功率器件的电流型高压变频器，以i g b t 、i g c t 为功率器件的三电平高压变频 器和以低压i g b t 为功率器件的单元串联多电平高压变频器等。 在中压调速领域，国外的产品和技术相对成熟。目前世界著名电气公司都有自己 的中压变频器产品，竞争十分激烈；国内目前尚无成熟、定型的中压变频器，处于起 2 1 绪论 步阶段。图1 2 示出了世界各国的中压变频器产品【3 】。 中压变频器产品一 高一低一高一 德国西门子 电流型一| 美国罗直廉 l 奥地利 r 德国西门子 电压型- i 勰讼司 i 东芝公司 电流型一 船公司 胄岱m 丑公司 捌掀司 口g _ 豇且c 公司 田公司 扣墒一卜肾司 靳罅联一昆鬟纛 图1 2 世界各国中压变频器产品 众所周知，在工矿企业中中压电机是拖动风机、泵类及各种大型机械的主要动 力。其消耗的能源占电动机总耗能的7 0 以上。目前，在我国服役的中压大功率交流 电机以风机、水泵为主，并广泛地应用于钢铁、石油、煤矿、给排水等各个工业领 域。这些设备的驱动电机都是2 0 0 k w 5 0 0 0 k w 、3 k v1 0 k v 的大功率中压交流电动 机。这些设备绝大部分采用工频恒速拖动，其风量或水压一般用挡板或机械式控制阀 来调节，工作效率低，能源浪费严重，这需要变频调速系统。在我国，中压电动机的 调速方法很落后，不但浪费了大量的能源，而且使机械寿命降低。据国家经贸委2 0 0 1 年的有关统计数据，用于风机和泵类负载的无电网污染的中压大功率变频器的市场潜 力在7 0 0 1 0 0 0 亿人民币以上。因此，研究、应用、推广中压变频调速的效益和潜力 是非常巨大的。 由于以上原因，目前国内许多公司和研究所都投入了大量的人员和资金，在中压 变频调速领域展开了积极的研究，如北京凯奇、利德华福、天津电气传动研究所和天 水电气传动研究所等。目前的研究在电路拓扑上多采用单元串联的方式，在控制上多 采用速度丌环的v f 控制。对于在我国大量使用的风机、水泵等负载，对动静态性能要 求不高，v f 丌环控制可以满足要求。另外，随着控制技术的发展，v f 开环控制也得 到了不断改进l 。j 。 综上所述，对中压大功率变频调速的研究，无论在技术还是在实际应用上都有十 3 西安科技大学硕士学位论文 分重大的意义。 1 3 本论文的研究内容 本论文针对6 k v 4 0 0 k w 的三相异步电机中压变频调速的试验装置，从中压变频器 的主电路拓扑入手，对中压变频系统进行了阐述和分析：在控制上以提高系统性能为 目的，首先从理论上分析了多单元串联型方案的脉宽控制原理，在此基础上，把- - e e 高性能的v f 控制方案引入到中压变频调速系统中；同时，阐述了具有系统组态功能的 模块化软件设计思想，并着重分析了交流变频调速中几种特殊功能的设计。 第2 章介绍中压变频器多单元串联型方案的脉宽控制原理和高性能v f 控制原理。 首先介绍了目前采用较多的多单元串联型方案的脉宽控制原理，然后介绍了高性能v ，f 控制系统的组成及功能，着重分析了定子电阻( i r ) 补偿功能、转差补偿功能和电流 限制控制功能等。 第3 章论述6 k v 4 0 0 k w 中压变频系统的硬件设计及具有系统组态功能的模块化软 件设计。首先简单介绍了系统硬件设计方案，然后重点阐述了模块化软件设计的思 想，随后给出了控制软件和通讯软件的设计。在控制软件的模块化设计中重点分析了 给定积分器、v f 曲线、顺序控制等特殊功能块的设计；本章还分析了主从通讯的设 计，并介绍了在软件中采用的抗干扰措施。 第4 章针对6 k v 4 0 0 k w 的中压变频试验装置，作者做了6 k v 2 2 k w 试验系统的空 载、负载实验，并对实验结果进行了分析。 第5 章对本论文进行了简单的总结，提出了需要进一步完善的方面，有待于改进 和提高。 本论文围绕着6 k v 4 0 0 k w 中压变频器的试验装置，对中压变频器的主电路拓扑， 多单元串联型方案的脉宽控制原理，数字化高性能v ，f 控制原理及具有组态功能的模块 化软件设计等方面进行了分析，并力求从理论和霉邋不同角度进行系统而清晰地阐 述。 4 2 中压大功率变频器试验系统设计及分析 2 中压大功率变频器试验系统原理及分析 本章针对6 k v 4 0 0 k w 的中压大功率变频器的试验装置，着重分析了控制系统中的 两个控制原理：多单元串联型变频器脉宽控制原理和高性能v f 控制原理。 2 1 试验系统的多单元串联型变频器脉宽控制原理 近年来，高电压、大功率变频装置在钢铁、石油、煤矿、给排水等各个工业领域 中得到了越来越广泛的应用，取得了良好的经济效益。其基本拓扑结构有二极管嵌位 型、飞跨电容型、多单元串联型三种形式。相比较而言，多单元串联型中压、大功率 变频器具有如下优点： ( 1 ) 采用功率单元串联方案，而并非功率器件串联方案。这样在电路中省去了大 量的嵌位二极管和电压平衡电容器；各功率单元采用模块化结构，可以互换，维修方 便。 ( 2 ) 逆变器结构采用传统的两电平逆变器单元形式，主回路拓扑结构非常简单。 ( 3 ) 每一个功率单元的逆变桥由相互独立的直流电压源供电，不存在中性点电压 不平衡的问题。 多单元串联型中压、大功率变频器大多采用开环控制方案，控制对象主要是对动 静态性能要求不高的风机、泵类负载。由于采用的是开环控制，电网电压的波动直接 影响着输出电压的稳定性，继而影响电机的输出功率。如果能够在不影响系统结构的 情况下，直接根据电网电压的变化，实时调节输出脉宽，使输出电压维持恒定，将会 获得与闭环系统相媲美的理想机械特性和运行效果。 2 1 1 多单元串联大功率逆变原理 多单元串联，就是采用若干个低电压输入、低电压输出的功率单元相互串联的方 式来直接获得高电压输出，从而合成整个变频器的功率输出。下面分别介绍多单元串 联型变频器的主回路拓扑结构和基于电网电压补偿的脉宽控制原理。 ( 1 ) 主回路拓扑结构 ：一| 0 【s p w m 输出为0u ，0 按照t w l 计算结果产生s p w m 原理如图2 6 所示。 。1 值装入e ( a ) v 烩 - 少 7 汐j t ( 2 ns ) 图2 6s p w m 产生原理 在图2 6 中a 点，t w l 值( 正值) 被装入，随后t w l 按照固定时间减计数，当到 达b 时刻时，t w l 值减为0 ，继续减计数，t w l 值为负值，到达c ( n t s ) 时刻时， 控制t w l 加计数，到达d 时刻时，t w l 值又为0 ，继续加计数，t w l 值又为正值， 到达e ( 2 n t s ，下一周期a ) 时刻时，重新装入t w l 新值，如此循环下去。在t w l 由装入值开始进行减计数和加计数的每一个过程中，结合图2 4 可看出：图2 6 的横坐 标( 时间轴) 中o b 段对应图2 4 中的t w l ，d t 段对应图2 4 中的t w 3 ，b d 段对应图 2 4 中的t w 。b d 段对应图2 6 的横坐标( 时间轴) 的时间才是真正的由式( 2 3 ) 计 算出来的脉宽值。 对于b 、c 相s p w m 产生机理相同，由于b 相瞬时电压滞后a 相1 2 0 0 ，c 相瞬时 电压滞后a 相2 4 0 0 ，故同一相上( 如a 1 ，b 1 ，c 1 或a 3 、b 3 、c 3 ) s p w m 波自动互 差1 2 0 0 。 通过式( 2 3 ) 和图2 5 可看出，在一个采样时间t 内，即完成了对n 个功率单元 的连续采样。对于变频器s p w m 规则采样法来说，每一个采样时间对应一个脉冲。相 邻两个脉冲之f b j 十n 隔的时间是一个采样时间。但是对于6 个单元串联的变频器来说， 一个采样时间t ( t = n 2 f ，n = 6 ) 平均分配在6 个单元。每2 r 时问产生一个脉冲。 这样每个采样时间产生6 个脉冲。每个脉冲对应一个单元。其分配关系如图2 7 所示。 这是三相变频器中一相的脉冲分配关系，其它两相的分配关系是一样的。如果用 时间电角度臼来描述一相中相邻两个单元脉冲之间相隔的采样时间2 l 的话，有 臼= o 0 2 8 8 t 。此式的推导过程如下： 在本系统中是由一片2 0 m h z 的晶振来提供时钟信号。把其1 6 分频作为产生 s p w m 时钟信号的最小单位，频率为1 2 5 m h z ，所以它的单位周期为： 9 西安科技大学硕士学位论文 2 盯s w a 图2 7 一相脉冲分配关系 瓦= 1 f = 1 1 2 5 x 1 0 6 = 0 8 1 0 “s 设矗为电动机电源频率，1 为周期时间，每个周期转过的角度为3 6 0 。那么 某相相邻两个单元的时间i n n2 t s 的时间为2 t s 0 8 x 1 0 - 6 ，对应转过的角度为占。于 是有： “矗_ 3 6 0 。l j 2 t s o 8 x 1 0 “一口j 两者对应成比例，有： 1 ? 蜒 3 6 0 2 r 0 8 x 1 0 。口 ；a o = 3 6 0 。2 t 0 8 x 1 0 “ = 0 0 0 0 5 7 6 i 采用标么值计算，取5 0 h z 为频率基准值，设5 0 h z l 肌5 0 h z 一1 l j t _ j 5 0 胁 j 一2 吱 jf ：丝 ” 5 0 2 中压大功率变频器试验系统设计及分析 j a = 5 0 f 把代入厶有： 口= 0 0 0 0 5 7 6 5 0 t f = 0 0 2 8 8 l ， 此时u ，的三相表达式分别为： , = u 。c o s ( 0 + a 0 ) “b = “。c o s ( 0 + a 0 + 1 2 0 。) 甜c = “。c o s ( 0 + a 0 + 2 4 0 0 ) 而式( 2 5 ) 就变为式( 2 6 ) ： t w i = t w 3 ：( 1 u c o s ( o + a o ) ) n t s ( 2 6 ) 虬 另外，在电力系统中，电网电压经常有波动。为了克服电网电压的波动，维持在 电网电压波动情况下变频器输出电压的恒定，根据式( 2 3 ) ，作者做了一个理想情况 下的余弦表。余弦表中每隔o 1 度对应一个余弦值，以满足脉宽计算的精度。所谓理想 情况是指假设电网电压玑一直是6 0 0 0 v 恒定值。电网电压虬恒定，最大值u 。也就恒 定。这样，在式( 2 3 ) 中u 。- 丁的乘积始终恒定。当电网电压u 。波动时，如u 。升高 时，脉宽值巧相应减小，反之亦然，这样维持了电网电压波动情况下变频器输出电压 的恒定。需要说明的是，对于电网电压高于额定值的时候，输出脉宽减小，按式 ( 2 _ 3 ) 调节可以很好的起到作用；而当电网电压低于额定值的时候，输出脉宽增大， 但是输出脉宽的极限是t ，当达到极限值后，这种调节就不起作用，因此这时候式 ( 2 3 ) 的调节作用是有限的。 2 2 高性能v f 控制的中压变频器控制原理 2 1 1 控制原理 保持v f 恒定控制( 即磁通恒定控制) 是异步电动机变频调速最基本的控制方式， 它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比为恒 定，从而使电动机的磁通基本保持恒定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率 因数不下降。电动机定子感应电动势为： e i = 4 4 4 k f i 庐。 ( 2 7 ) 式中 k 。 f 形 妒。 电动机绕组系数 电源频率： 电动机绕组匝数 每极磁通。 西安科技大学硕士学位论叉 电动机端电压和感应电动势的关系式为： u ，= e 。+ ( + 肛) ，。( 2 8 ) 电动机在额定运行时，电动机的定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压 和定子感应电动势近似相等。由式( 2 7 ) 可以看出，当电动机电源频率变化时，若电 动机电压不随着改变，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的频 率f 降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机的感应电动势e 不 变，那么，由式( 2 7 ) 可知，电机的磁通中将增大。由于设计时电动机的磁通接近饱 和值，磁通的进一步增大将导致电机出现饱和。磁通出现饱和后将会造成电动机中流 过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，导致功率因数降低。而当电机出 现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。如果负载转矩仍维持不变，势必导致 定、转子过电流，也要产生过热。因此，在改变电动机电源频率时应对电机的端 电压或定子感应电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。 本课题研制的中压变频器主要是为风机、水泵等调速设计，同时国内在单元串联 方式的中压变频领域目前都采用的是v f 控制( 普通v f 控制示意图见图2 7 ) 。综合 考虑，本课题采用v f 控制是适用又可行的。 面 s o 图2 7 普通v ，f 控制示意图 图2 8 异步电机稳态等效电路 图2 9 不同控制方式的机械特性 1 2 2 中压大功率变频器试验系统设计及分析 图2 8 给出了异步电机稳态等效电路，对应于该等效电路，有三种基本控制方式， 即恒u 。，；控制、恒e 。z 控制和恒e ，一控制，它们的机械特性如图2 9 所示。相比 较而言，u 。一控制的效果最差，如果在u 。，；控制中，恰当地提高电压u 的分量，使 它在克服定子阻抗压降，。r 以后，能维持e 。五为恒值，则可以得到稳态性能更好的恒 e 。，工控制，这就是恒【，工控制补偿定子压降所追求的目标。恒e ， 控制的稳态性 能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要 求的性能。只要能够按照转子全磁通幅值m n t l 为恒值进行控制，就可以获得恒e ，： 控制了，这也正是矢量控制所要遵循的原则。 目前通用变频器已经能够比较成熟地应用矢量控制和直接转矩控制，但都还保留 v f 控制，同时还发展出了高性能v f 控制，在这种控制方式下，变频器具有转矩控制 功能，有无“跳闸”能力，机械特性硬度提高，并且具有挖土机特性。本文把这种控制 思想引入中压变频器，以期使中压变频器具有较高的性能。 文献【2 0 提出了一种通用变频器无“跳闸”控制方法，该方法是基于转子磁链恒定的 控制方式，即恒西一控制，它采用了磁通补偿器、转差补偿器和电流限制控制器，用 以实现转矩控制功能。这篇文章充分体现了高性能v f 控制的基本思想。但是要实现转 子磁链恒定控制是比较困难的，因此本文结合文献 2 1 1 ，实现恒e g 厂：控制，同时辅以 电流限制控制，实现挖土机特性，防止出现“跳闸”；转差补偿控制提高机械特性的硬 度，实现在速度开环控制下的转速误差最小：i r 降补偿保持气隙磁通的始终恒定。这 样实现无“跳闸”的高性能v f 控制，其原理框图如图2 1 0 所示。 剧2 1 0 高性能v f 控制原理框图 2 2 2 定子电f - r ( i r 降) 补偿 恒压频比控制的出发点是保持气隙磁通。不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机 产生转矩的能力。根掘电机学的原理，三相异步电机定子每相电动势的有效值是： 1 3 西安科技大学硕士学位论文 e g = 4 4 4 z k l 丸 ( 2 9 ) 在基频以下调速时，为保持气隙磁通庐。不变，只要控制 e z g = 恒值 ( 2 1o ) 即可，但是艮不能直接控制，一般就用定子电压u ，替代艮形成v f 控制。在频率高 时，由于定子上所加电压高，忽略定子电阻压降影响不大；但是在低频时，由于定子 电阻的影响达到不可忽略的地步，恒压频比控制不能有效保持磁通不变，调速系统的 输出最大转矩将降到很小，限制了系统的带载能力，甚至不能带载。这时就要采用定 子压降补偿( i r 补偿) ，适当提高定子电压，增强带载能力。 普通的i r 补偿办法是改变v - f 曲线，适当提高输出电压。但是这种补偿办法对于 不同应用场合需设置不同的v f 曲线；对于相同电机，即使在v f 曲线设置好的情况 下，当负载变化时也不能很好的补偿i r 降；另外，好一点的补偿方法是检测电机电 流，用电流乘以定子电阻去补偿i r 降，但是定子电压u ，和珞之间是矢量关系，这种 以标量方式的补偿也不能完全补偿i r 降。 定子电压补偿是基于保持定子磁通幅度不变的，由于定子漏电感l 只占定子全电 感的2 一5 ，所以在工程应用中可忽略定子漏电感，即l = 0 ，这样近似认为定子磁通 等于气隙磁通。在此基础上，本文采用了一种矢量补偿i r 降的方法。 参照图2 8 的异步稳态等效电路，可画出相量图2 1 1 ，显然目的幅值满足 ，s i n r ，l 幽2 11 异步电机部分相餐图 e g2 = ( u 1 ) 2 + ( i i r i ) ! 一2 u 1 ( ，i r 】) c o s c l 定义额定频率二。下e g 的幅值是u 。，这样当输出频率为 u 。，( 厂厶。) ， 将这个值代入( 2 1 0 ) 式，得 几了7 一 u l = ，1 r ic o s 妒+ 1 ( = 詈盟) 2 一( ，i r ls i n b ) 2 1 4 ( 2 1 1 ) f 时要求的幅值为 ( 2 1 2 ) 2 中压大功率变频器试验系统设计及分析 在式( 2 1 2 ) q b ，定子电阻r 。、c o s 妒和i 。、s i n e 是未知量，只要计算出这几个量， 就可以按矢量方式计算出u ，来。 从相量图可以看出，由于补偿定子电阻压降需要提高电压，而电压的提高进一步 会增大定子电阻压降，这样就形成了一个正反馈，为保证系统的稳定性，可以将式 ( 2 ，1 2 ) 所计算出的u ，分为两部分，一部分为基本的v f 分量，另一部分为补偿定子电阻 压降分量，将后者经过一个一个阶惯性环节( 抑制这部分的变化速度) 后再与基本的v f 分量相加，从而得到真正起作用的电压输出u 。本系统所有的计算均采用按额定值标 么化后的标么值计算，这样大大减少了计算量。 下砸具体介绍这凡个未知量的计算： ( 1 ) 定子电阻尼的测量 定子电阻的测量方法是在电机有两相( a 相和c 相) 定子上分别加直流电压巧。和 一吃。( b 相不连接) ，这样a c 线电压是2 。的直流量加上高频谐波分量。由于没有 旋转磁场产生，在回路中只有定子电阻r 和定子电感，如果保持直流电压恒定( 即 p w m 的宽度、频率一定) ，稳态后定子电感就不起作用了，那么i 。、f r 就会保持恒 定，检测此时的a 、c 相电流，电压除以电流就可以测得定子电阻r 。 以上测量过程变频器可以自己实现，变频器上电后若需要测量定子电阻值，给a 相和c 相加上前述的狈口量电压，过了一定时间( 例如0 6 s ) 待电机电流稳定后，采样 a 、c 相电流，在2 秒时间内采样r 1 次( 例如4 0 次) ，取其平均值作为计算电流，运 算后可完成对定子电阻的测量，并加以记录。 ( 2 ) i c o s 和i ，s i n 庐的计算 如图2 1 1 所示，1 c o s 和i s i n e 是电流矢量五按电压矢量玩定向分解的两个分量 的大小，妒是功率因数角，因此可以近似认为i ，c o s 是定子电流有功分量，i s i n e 是 定子电流励磁分量。实际上，文献 2 0 】提出的转子磁链恒定的控制方式，定子电流有功 无功分量的检测就是在计算到1 c o s 妒和，。s i n # 后，进行修正得到的。 图2 1 2 电流按电压矢量分解幽 1 5 西安科技大学硕士学位论文 由于定子电压矢量的相位0 可由p w m 调制波形的角度来获知，属于已知量，因此 只需检测定子电流。在电机中，电压、电流这些在三相静止坐标系的量，可以转换到 两相静止坐标系口p ，如果让口轴与a 相轴线重合，可得到图2 1 2 电压电流关系。如 果同时让a 、b 、c 三相电压按u = c o s o ，u 口= c o s ( o 一1 2 0 。) ，u c = c o s ( o 一2 4 0 。) 的关系输出，那么可以证明0 就是电压矢量驴与a ( 口) 的夹角，这样不必作任何变 换就可以把目作为电压矢量驴的定位角。 通过3 2 变换，可以把检测的三相静止坐标系中的i 。、i 。、i c 转换到两相静止坐标 系中的、f 。，即 3 2 如果考虑转换后总功率不变，那么瓦m 3 = ；如果考虑转换后电流幅值不变，那 么瓮= ；。因此，这里取熹= ；以保持转换后的数值关系正确。考虑到三相绕组是 y 连接且不带零线，则有i 。+ i 。+ i 。= 0 ，系统中只检测了a 、c 两相电流。 显然，由图2 1 2 可知 i lc o s # = c o s 0 + i 口s i n 0 ( 2 1 4 ) i is i n = s i n o + i 口c o s o ( 2 ，1 5 ) 2 2 3 转差补偿 异步电机要产生电磁转矩，必需一定的转差s ，在电机转速较高的情况下，比如额 定转速，s 大约在3 左右，那么它的影响可以忽略。在变频器变频运行的时候，为了 产生同样的电磁转矩，s 反比于同步频率，随着同步频率的下降，s 将越来越大；并且 当同步频率低到一定程度时电机可能会带不动负载而停止转动，也就是是转差s 在低 速时严重影响到电机调速的精度。 通过电机学的原理可以知道，异步电机的机械特性在电磁转矩( r ) 小于最大转 矩( t ，) 时，不同同步转速下的机械特性近似为一组平行线【2 2 j ，也就是说为了产生同 样的电磁转矩，在不同同步频率下其速度降落基本相同，这就是转差补偿的出发点。 当同步频率为矗时，为输出瓦的转矩，速度降落为厂，为了保证电机转速，；1 ，就要将 同步频率提高到 + 。 转差补偿的目的是要提高电机的机械特性的硬度，对照图2 7 ，要准确的进行转差 补偿，就要知道转差和电磁转矩之间的函数关系。在恒e ，f 控制方式下，电机机械特 1 6 啪q 一忡一 ：笪： 2 中压大功率变频器试验系统设计及分析 性是直线，因此转差与电磁转矩成线性关系，也就是说，在保持转子磁通幅值不变的 条件下，电磁转矩与转差频率成正比。在恒u ，；控制和恒堙z 控制下，电磁转矩与 转差频率成非线性关系，但是在电磁转矩( 正) 比最大转矩( 乙) 小较多时，电磁转 矩与转差频率成近似线性关系，只是恒堙控制的近似线性段更长，而且，由于恒 露， 控制在各同步频率下的最大转矩( 乙) 不变，因此，这种近似关系也不会随同 步频率变化而变化。 因此，在矢量地补偿定子电阻降落( i r 降) ，从而保持堙f 恒定的情况下，通 常可以采用与恒e ，_ ，：控制方式下相同的线性补偿方法。即参考频率厶的调整，可由 定子电流有功分量，。c o s # ( 代表负载转矩) 所决定的转差频率的设定值疋来控制，即 其中，= 讧- 靠，z 是转差补偿后的频率给定a 采用这种线性补偿方法，电磁转矩距离最大转矩越近，误差越大。 2 2 4 电流限制控制 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 电流限制控制的目的是，使电机能发出某一最大转矩，并且不论负载有多么重 ( 甚至发生堵转) ，变频器也不会跳闸，也就是实现挖土机特性。当负载特别重，比 如说电磁转矩大于允许输出的最大转矩，那么转差频率变得特别大，结果定子电流将 升到跳闸保护的水平，变频器将发生跳闸。重载情况下，若采用电流限制控制对防跳 闸将十分有效，无论负载多重，也不会跳闸。并把实现这种挖土机特性，叫做“转矩限 定功能”。 由于采用载波水平移相p w m 调制，单元串联中压变频器每个单元输出功率平均 分配，设每个单元的输入功率为只。，则总功率为 f ， 1 8 巴2 1 8 e d ，“珊，t = 二盟r( 2 1 8 ) 珂p 其中，e ，功率单元逆变器输入电压 ，。功率单元逆变器输入电流 国，电动机转子旋转角频率 在式( 2 1 8 ) 中，实际上是假定各单元逆变器输入功率的总和等于电机的轴功率， 而忽略了逆变器和电机的损耗；同时还假定同步角频率( 2 石一加。) 等于转子旋转角 频率，即认为变频器运行频率远高于转差频率。由于问题的着眼点仅是抑制由于过载 1 7 西蚤科技大学硕士学位论文 所造成的过电流跳闸，因此上述假定是允许的。 如果在直流侧大电容的作用下岛恒定，那么电流乃将与t 成正比，随着负载 的加重，转矩增加，总可以通过适当降低 使1 。限制在特定的水平以下。为保证电流 限制功能的实现，还要适当调节输出电压，为此本文设计了一种特殊的p i 调节器，用 于控制限制最大电流，实现挖土机特性。 最大电流限制调节的部分结构框图见图2 1 3 。最大电流限制p i 调节器，以允许的 最大电流( 由参数p 1 0 6 设置) 为给定值，以“定子电流3 2 变换及分解”模块输出的电 流有效值( 标么值) 为反馈，输出两个相同的调节量厂( 由变量k k 0 1 1 8 给出，频率 调节量) 和a u ( 由变量k k 0 1 1 9 给出，电压调节量) ，“起辅助作用。用比例系数 p 1 2 1 来调节。需要说明的是，这里虽然电流反馈值是有效值( 标么值) ，但它是通过 p 1 0 1 鲍波时问常数 燃网 ( 有簸值) r 11 竺! 当 蛮际电琬( 有敢值) i 匕，0 蜡盏斯j 分增盏t n 瓜丽b p 1 1 3p 10 0 电瘴( 允许) 最大值l l = = = = = jr 1 1 4 p 1 0 6l + 厂 t k k 砌l l 画1 淤 画1 藉擀 图21 3 最大电流限制调节的结构框图 a 、c 两相电流瞬时值实时讨。算的( 电流矢量幅值) ，因此，可以满足电流调节的动态 要求：p i 调节器是针对限制最大电流的，电流只能从大( 超过最大允许值) 向小调， 而不能从小向大调，因此，调节器输出必须限幅( 小于零) 。本文根据变频器电流限 制的需要，设计的p i 调节器与普通p i 调节器有两点不同：两个输出调节量和输出限 幅。 为了验证最大电流限制调节器的调节效果，我们做了两个实验：限制起动电流实 验和切1 2 负载电阻实验。 为了突出主要问题，这罩的两个实验中电压调节量的输出k k 0 1 1 9 的比例系数 p 1 2 1 = 1 0 ；同时，为了叙述方便，先把有关的各个参数罗列如下： p l o o p i 调节器的积分增益 p 11 3 p i 调节器的比例增益 p 10 6 一允许的最大电流有效值( 标么值) 1 8 2 中压大功率变频器试验系统设计及分析 k k 0 1 0 2 反馈的实际电流有效值( 标么值，数字滤波之前) k k 0 1 0 3 反馈的实际电流有效值( 标么值，数字滤波之后) p 1 0 1 实际电流有效值滤波时间常数 k k 0 11 8 频率调节输出量 图2 1 4 给出了限制起动电流的实验波形图，其中( a ) 和( b ) 的实验参数是： p 1 0 0 = 5 0 m s ，p 1 1 3 = 0 0 5 ，p 1 0 6 = 0 1 3 ，p 1 0 1 = 1 0 0 0 m s ，控制反馈量k k 0 1 0 3 ，图 ( a ) 给出的是k k 0 1 1 8 ( 1 波) 和k k 0 1 0 3 ( 2 波) 的波形，图( b ) 给出的是k k 0 1 1 8 ( 9 波) 和k k 0 1 0 2 ( 1 0 波) 的波形；( c ) 的实验参数是：p 1 0 0 = 5 0 m s ，p 1 1 3 = 0 1 0 ， p 1 0 6 = 1 3 ，控制反馈量k k 0 1 0 2 ，图( c ) 给出的是k k 0 1 1 8 ( 7 波) 和k k 0 1 0 2 ( 8 波) 的波形。 从图2 1 4 ( a ) 和( b ) 可以看出，以滤波之后的电流有效值作为反馈，由于反馈 信号的延时，使得控制量输出滞后，虽然调节器实现了对滤波后电流k k 0 1 0 3 的较好 n j 瓜瞧k p 州z m - 一_ - 叫舳# ： 卜一q o l 卜 h k 。i ，土。 ；磷釜釜互毒而，矗e ii 点 1 t n ”_ r 1 1 + 1 一1 + 1 r 【j 蕊至 e 三溪i 羔兰j ”t 一 函篮童羔二 图2 1 4 ( c ) 图2 1 5 切l 2 负载电阻试验波形 图2 ，1 3 的起动电流( 有效值) 和控制量a f 输出 控制( 如图a ) ，但是此时对实际的电流值k k 0 1 0 2 的控制并不好( 如图b ) ，电流动 态峰值到达了7 v 左右，而实际的允许最大电流值为1 3 v ，达不到无“跳闸”的目的；为 了实现限制动态电流的目的，图( c ) 增大了比例增益，并用无延时的k k 0 1 0 2 为反 馈，这时动态电流最大值被限制在2 v 左右，对比图( b ) 可以发现，图( c ) 较好地实 现了限流的目的。更为恰当地调节参数，可以使调节器的调节效果更好。 1 9 西安科技大学硕士学位论文 为验证调节器对过载的调节效果，本文做了切1 2 负载电阻的实验。图2 1 6 给出 了切1 2 负载电阻实验的系统框图。此时的实验参数为：p 1 0 0 =