（电力电子与电力传动专业论文）基于级联逆变器的异步电机矢量控制变频调速系统.pdf

t h ev e c t o rc o n t r o lv a r i a b l e f r e q u e n c yd r i v es y s t e mo f a s y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do nc a s c a d e di n v e r t e r a b s t r a c t d u r i n gr e c e n ty e a r s ，m u l t i l e v e li n v e r t e rh a sb e e nw i d e l yr e s e a r c h e di nh i g h p o w e rl e v e la p p l i c a t i o nw i t hh i g hv o l t a g eo u t p u t p o w e re n e r g yw i t hc h a r a c t e r i s t i c o fh i g hc a p a c i t ya n dh i g hq u a l i t yc a nb ea c h i e v e db yt h i st y p eo fi n v e r t e r ，i nw h i c h r e l a t i v e l ys m a l l c a p a b i l i t ya n dl o w v o l t a g e s w i t c h e sa r ea d o p t e d c a s c a d e d i n v e r t e ra so n ek i n do fm u l t i l e v e li n v e r t e r si sw i d e l ya p p l i e dt oh i g ha n dm e d i u m p o w e rc o n v e r s i o n b a s e do nc o m p a r i n ga n ds u m m a r i z i n gt h em e r i t ，t o p o l o g ya n d c o n t r o lm e t h o do fc a s c a d e di n v e r t e r ，an e wc o n t r o lm e t h o dc a l l e dp u l s es t e p m o d u l a t i o ni sp r e s e n t e d ，w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no ft h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n a n dt h e s t e pm o d u l a t i o n i t i sa n i m p o r t a n tt e c h n o l o g yw h i c hi s u s e di n h i g h v o l t a g eh i g h p o w e rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys y s t e m s t h ea s y n c h r o n o u sm o t o ri sw i d e l yu s e db e c a u s ei t i ss u i tf o rt h ed i r e c t i o no f h i g hv o l t a g e ，h i g hs p e e da n dl a r g ec a p a c i t y v e c t o rc o n t r o li s i t si d e a ls p e e d m o d u l a t i o nm e t h o d o nt h eb a s eo fa n a l y z i n ga s y n c h r o n o u sm o t o rm o d e l ，t h ep a p e r s t u d i e st h ep r i n c i p l eo fv e c t o rc o n t r o l ，a d o p t i n gc u r r e n tm o d e lo fr o t o rf l u x o b s e r v e ra n ds p e e da n dt o r q u ed o u b l ec l o s e dl o o p c a s c a d e di n v e r t e ri sc o n v e n i e n t t or e a l i z eh i g hs i n u s o i d a lv o l t a g eo u t p u t t h em a x i m u mv o l t a g es t r e n g t hw h i c h e a c he l e c t r i cc o m p o n e n tb e a r si ss m a l l ，a n di ti se a s yf o rc a s c a d e di n v e r t e rt o r e a l i z el a r g ec a p a c i t y t h er e s e a r c ho nt h ea s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o lb a s e d o nt h ec a s c a d e di n v e r t e ri san o v e lw o r k t h i s p a p e rf u l l y t a k e s a d v a n t a g e s o ft h e p o w e r f u l f u n c t i o n so f m a t l a b s i m u l i n kt o s e tu pt h es i m u l a t i o nm o d e l t h i sc o n s t r u c t i o ni sv e r y e x p l i c i t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ei n v e r t e rv o l t a g eo u t p u ti sc o r r e c t ，t h e r o t o rf l u xi s s t e a d y , t h ea s y n c h r o n o u s m o t o r s d y n a m i c a n ds t e a d ys t a t e p e r f o r m a n c e sa n ds p e e dm o d u l a t i o na r ee x c e l l e n t k e y w o r d s ：c a s c a d e di n v e r t e r ，p u l s es t e pm o d u l a t i o n ，a s y n c h r o n o u sm o t o r ，v e c t o r c o n t r o l ，a n dv a r i a b l e - f r e q u e n c yd r i v e 插图清单 图1 1 二极管箝位型三电平、五电平逆变器2 图1 2 飞跨电容型三电平、五电平三相逆变器3 图1 3 箝位型多电平电路统一拓扑结构的单相电路图5 图1 4 两单元级联的五电平电路5 图1 5 电压为1 ：2 的两单元级联混合七电平电路6 图1 6 级联型多电平电路的统一拓扑结构7 图1 7 现代交流调速的技术支撑系统一9 图1 8 直接转矩控制原理框图1 2 图2 1 级联型逆变电路分类1 7 图2 2 三电平h 桥逆变单元1 7 图2 3 电压为1 ：2 的两单元级联混合七电平电路1 8 图2 4 五电平d d c 全桥单元2 0 图2 5 五电平f l c 全桥单元2 0 图2 6h 与d c c 串联2 0 图2 7 自由结合拓扑结构2 1 图3 1 传统级联型逆变器的拓扑结构2 2 图3 2 五电平级联逆变器输出电压波形2 3 图3 3 分段选择谐波调制法2 3 图3 4 虚拟分段选择谐波调制法2 4 图3 5 多载波s p w m 一2 4 图3 6 变频载波的s h p w m 2 5 图3 7 三重级联逆变器相移p w m 调制2 6 图3 。8 多电平变换器带三相对称负载的开关模型2 7 图3 9 三电平的空间矢量2 8 图3 1 0 五电平的空间矢量2 8 图3 1 1p s m 级联逆变器的输出电压波形2 9 图3 1 2p s m 调制信号波形2 9 图3 1 3p s m 级联逆变器输出电压波形及频谱分析3 0 图3 14 五电平h 桥的p w m 控制方法3 l 图4 1 感应电机物理模型3 4 图4 2 转子磁场定向d q 坐标系与静止a b c 坐标系3 8 图4 3 电流模型框图4 l 图4 4 电压模型框图4 2 图4 5 转子磁场定向的感应电机矢量控制系统结构框图4 2 图4 6 级联逆变器驱动三相异步电机4 3 图4 7 磁通闭环结构图4 3 图4 8 转矩闭环调节的示意框图4 5 图4 9 校正后的转矩闭环示意图4 6 图4 10 转速闭环示意图4 6 图4 1 1 校正后的转速闭环示意图一4 7 图5 1 矢量控制变频调速系统仿真模型4 8 图5 2a b c 坐标系到d q 坐标系的变换模块一4 9 图5 3 封装的转子磁链估计模块4 9 图5 4 转速控制模块( 限幅宽度为3 5 + 3 5 ，k p = 1 0 ，k j = 0 ) 5 0 图5 5 转矩计算模块5 0 图5 6 转矩控制模块( 限幅宽度为2 6 0 + 2 6 0 ；k p = 2 0 ，k i = 0 ) 5 0 图5 7 磁通控制模块( 限幅宽度为2 6 0 + 2 6 0 ；k 1 , = - 2 4 3 6 ，f d = 1 ) 5 0 图5 8 解耦电路模块5 1 图5 9d q _ 仪b 变换模型一5 2 图5 1 0 优仙a b c 变换模型5 2 图5 1 l 级联逆变器模块5 2 图5 1 2 给定参考转速6 0 r a d s ，电机初始状态空载、0 2 秒突加2 0 n m 的负载5 5 图5 1 3 参考转速1 0 0 r a d s ，电机初始状态空载、o 2 秒突加2 0 n m 的负载5 6 图5 1 4 给定参考转速1 5 0 r a d s ，电机初始状态空载、0 2 秒突加2 0 n m 负载5 7 表格清单 表l - 1 五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态3 表1 2 五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态4 表1 3 级联型五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态6 表1 4 混合级联型七电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态7 表2 1 电压比为1 ：3 的混合九电平单元p w m 调制原理1 8 表2 2 电压比为1 ：2 的混合七电平单元p w m 调制原理一1 9 表2 3 电压比为1 ：2 的混合七电平单元p w m 调制原理二1 9 表3 1 桥臂状态和开关器件状态的对应关系3 1 表3 2 电压比为l ：4 的三电平h 桥和五电平h 桥级联单元p w m 调制原理一3 2 表3 3 电压比为1 ：4 的三电平h 桥和五电平h 桥级联单元p w m 调制原理- 3 2 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， 也不包含为获得金自坠王些太堂 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：乏莠 签字日期：。g 年。蜩可日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒匿王些太堂有关保留、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。本人授权金目尽王些太 三l 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：文刁 昂型 签字日期：p s 年口￥月of 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 剥虢傍孝 签字日期：。占年。声月d 日 致谢 在我的硕士论文即将完成之际，首先感谢合肥工业大学给予了我良好的学习环 境，感谢在此学习期间各位老师给予的关心、支持、帮助和鼓励。研究生的学习生活 是我求学生涯和人生道路上度过的重要一步。 感谢我的导师徐宁老师，从选题到课题进展的每个阶段，导师都倾注了大量的心 血，给予了热切的关怀和悉心的指导，使我对电力电子与电力传动这个领域有了真正 比较深刻的了解，顺利完成了硕士期间的研究工作。徐老师渊博的学识、严谨的学风、 宽广的胸怀、谆谆的教导、强烈的事业心和责任心给我以极大的影响和鼓励，是我一 生永远的财富，这些优秀的品质也必将使我受益终生。在此，谨向徐老师致以崇高的 敬意和衷心的感谢。 感谢杜少武老师在学习上的指导和生活上的关心，您的教导使我受益匪浅。 感谢已毕业的师兄杨钰辉、陈中给予的许多帮助，感谢我的实验室同学张秀青、 林东栋、褚小丽、王博、金结红、张胜在课题上给予的协助，在此对你们的无私帮助 表示衷心的感谢。 感谢我的父母家人默默无闻的关爱、支持和奉献，你们永远是我坚强的后盾、源 源不竭的动力，将使我勇往直前。 最后，向审阅本文的老师致敬! 作者：安芳 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 电力电子学作为一门研究电能变换的理论、方法和应用的专门学科，其主 要任务就是高效率地提供任意形式和容量的电能。作为一门集电子技术、功率 集成、自动控制、材料科学、计算机控制技术、电磁兼容技术、传感技术和热 工等学科为一体的新型交叉学科，电力电子技术得到了国内外的普遍重视和广 泛的研究【l 】。虽然作为一个学科仅有半个世纪的历史，但是却取得了突飞猛进 的进展，应用范围日益广泛。无论在功率器件、电路拓扑、控制方法和装置新 能等方面都比初期有了明显较大进步。功率器件经历了从结型控制器件( 晶闸 管、g t r 、g t o ) 、场控器件( m o s f e t 、i g b t 、i g c t ) 再到智能功率器件、 智能功率模块( i p m ) 的过程；电力电子电路功率变换器技术除了发明了众多 的新型拓扑结构外，还创造了如吸收、多重化、谐振开关、多电平、矩阵变换 器等概念；控制策略方面出现了相控、p w m 控制以及以状态空间平均法为代 表的动态建模理论；在仿真手段方面出现了多种仿真工具，如p s p i c e 、s a b e r 、 s i m u l i n k 等；而电力电子的应用范围几乎涉及到从发电、输电和储电的所有 用电的领域。 从目前文献来看，电力电子技术发展呈现功率器件场控化、开关高频化、 低功耗、控制数字化、功率大容量化等几个特征。而电力电子技术目前的研究 热点主要包括：电力电子系统集成与磁集成、新型开关器件的研究、多电平变 换器技术和软开关技术、电磁兼容技术、矩阵变换器等。作为当前电力电子技 术发展的一个重要热点，多电平变换器的产生解决了人们在功率器件容量有限 的情况下实现大容量功率变换技术；解决了电力电子装置开关频率和电压谐波 之间的矛盾；解决了高频化和低e m i 的矛盾。中高压电动机广泛使用于大型 ( 1 0 0 0k w 以上) 风机和水泵的拖动，若能利用变频调速来实现风量和水量调 节，则可以节约大量的电能 2 1 。在大功率电力机车牵引传动和轧钢工业等方面， 采用中高压变频技术不但可以节约电能，而且可以显著改善系统的运行性能， 提高产品的数量和质量，甚至可以使生产中的一些技术难题得到妥善解决。所 以市场对性能优良、成本适中的中高压变频器的需求非常旺盛。另一方面，随 着工业的高速发展和电力需求的日益增加，电力技术和电力系统得到了迅猛发 展。作为主要f a c t s 技术的高压输电技术( h v d c ) 、新型静止无功发生器 s t a t c o m 、综合潮流控制器u p f c 、电力有源滤波器a p f c 等等，它们的核心 单元都是逆变器，当其电压等级较高时，就是中高压逆变器。旺盛的市场需求， 使得中高压逆变技术受到越来越多的关注、研究和应用创新。本文的工作旨在 研究级联逆变器的控制技术，为以后实用化产品打下一个坚实的基础。 1 2 多电平功率变换技术的研究现状及存在问题 多电平变换器最早引起研究者的兴趣是在1 9 8 0 年的i e e ei a s 年会上，日 本长冈科技大学的a n a b a e 等人提出了中性点箝位型( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d n p c ) 的三电平电路结构【6 】。其基本思想是通过一定的主电路拓扑结构获得 多级阶梯波形输出来等效正弦波。由于多电平变换器对功率器件和控制电路要 求都很高，最初并未受到太多关注。直到9 0 年代，随着g t o 、i g b t 的成熟应 用和i g c t 、i e g t 等新型全控型器件的先后出现，以及以d s p 为核心的高性 能数字控制技术的普及，多电平变换器的研究和应用才有了迅猛发展。目前已 提出多种多电平电路结构，根据主开关器件的电压箝位方式，可将其分为二极 管筘位型( d d c ) 、飞跨电容型( f l c ) 和单元级联型( c a s c a d e dm u l t i c e l l ) 三类，其发展过程和结构特点简述如下。 1 2 1 二极管箝位型 a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会所提出的电路结构为采用二极管箝位的 三电平逆变器( 图1 1 ) 。在1 9 8 3 年的i a s 年会上，p b h a g w a t 等人进一步将 三电平推广到任意多电平结构 7 】，建立了n p c 结构的多电平模式。二极管箝位 型五电平电路如图1 1 所示。 图卜1 二极管箝位型三电平、五电平逆变器 以五电平逆变器为例说明其原理：图中分压电容g = c 2 = c 3 = c 4 ，因此 u c ，= u f 。= u c ，= u f ，每相桥臂有8 个开关器件串联，其中每四个开关器件 同时处于导通或关断状态，s l 和s 5 互补、s 2 和s 6 互补、s 3 和s 7 互补、s 4 和 s 8 互补，五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态如表1 1 所示： 2 表卜1 五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态 开关状态 以。 s 1s 2s 3 s 4s 5s 6 s 7 s 8 w 2 1111oo0o u d 43 u n 4 ol111o0o ou d 2oo111loo w 4w 4 ooo1111o 一吲2 oooo011l1 二极管箝位型多电平电路的主要特点是： ( 1 ) 采用多个二极管对相应的全控器件进行箝位来解决器件的均压问题。 m 电平电路每相桥臂需全控型器件2 ( m 1 ) 个，相应箝位二极管为2 ( m 2 ) 个。三 电平以上n p c 电路箝位二极管承受电压不均匀，若采用耐压相同的二极管串联 等效，则需箝位二极管( m 1 ) ( m 一2 ) 个。大量箝位二极管的使用，使七电平以上 的n p c 电路失去了实用价值。 ( 2 ) 直流侧采用电容分压形成多级电平，不需要结构较复杂的曲折联结变 压器。m 电平电路需m 1 个分压电容，在控制上需解决电容电压不平衡问题。 ( 3 ) 每相桥臂开关管的工作频率不同，中间开关管的导通时间远远大于外 侧开关管，负荷较重。造成开关器件的利用率不同。 1 2 2 飞跨电容型 电容箝位的飞跨电容型( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 多电平电路是由t a m e y n a r d 等人在19 9 2 年的p e s c 年会上提出的【8 】。电容箝位型五电平电路如图1 2 所 示。 u d s 1 2 c 1 = 一ls 2 i l ：- n t s 3 c 2 =一 l 一ud s 4 ，2 图卜2 飞跨电容型三电平、五电平三相逆变器 以五电平逆变器为例说明其原理：图中每相桥臂有8 个开关器件串联，其 中每4 个开关器件同时处于导通或关断状态，s l 和s 5 互补、s 2 和s 6 - 耳- * b 、s 3 和s 7 互补s 4 和s 8 互补。五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态如表1 2 所示。 表1 2 五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态 开关状态 以n 以。 s ls 2 s 3 s 4s 5 s 6 s 7 s 8 一u d 2 0o 0 0o1111 1o0o1110 o0o1o111 u o 4u d 4 001ol011 01ool101 11oo11oo 001 10o11 101o1010 0 u ) 2 loo1o11o o101o1 01 o11o10o1 111o10oo o11 1 oo01 u 斟43 w 4 1o110o1o 110101o0 w 2 1l11ooo0 飞跨电容型多电平电路的主要特点是： ( 1 ) 采用跨接在开关器件之间的串联电容进行箝位，m 电平电路每相桥臂 需( m 1 ) ( m 2 ) 2 个箝位电容，直流侧分压电容与二极管箝位型电路相同。 ( 2 ) 开关状态的选择比二极管箝位型电路具有更大的灵活性，有利于平衡 开关器件导通时间和电容电压。 ( 3 ) 由于直流滤波电容体积大、成本高、使用寿命较短，其实用价值不如 二极管箝位型电路。 最近又有几种基于上述两种结构的改进电路被提出【弘1 1 】，其中具有代表性 的是f z p e n g 等人在i e e ei a s 2 0 0 0 会议上提出的箝位型多电平电路的统一 拓扑结构【l ，图1 3 为其单相电路图。二极管箝位型和电容箝位型电路都可 以从这一电路拓扑推导得出。 4 图卜3 箝位型多电平电路统一拓扑结构的单相电路图 1 2 3 单元级联型 为了增加电平数以提高输出电压等级、进一步减小高次谐波含量，m m a r e h e s o n i 等人在1 9 8 8 年的p e s c 年会上提出了h 桥级联的多电平逆变电路 1 2 , 1 3 ，两单元级联的五电平电路如图1 4 。该电路因结构和控制方法都易于向更 多电平数扩展，己成为目前最受关注的多电平电路形式。 图卜4 两单元级联的五电平电路 图中的独立直流电源可能是电池、燃料电池、或太阳能电池，这种拓扑在 交流电源与可调速驱动方面应用比较广泛。每相桥臂由两个单相全桥构成，其 中每4 个开关器件同时处于导通或关断状态，s l 和s 3 互补、s 2 和s 4 互补、s 5 和s 7 互补、s 6 和s 8 互补。基于独立直流电源的级联型五电平逆变器的输出电 压及其对应的开关状态如表1 3 所示： 高锚；爵埘 表卜3 级联型五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态 开关状态 输出电压 s 1s 2s 3 s 4 s 5s 6 s 7s 8 2 10 o11o01 u t , oo1l1o01 o0o11o011 u t , o011o110 - 2 011o01lo 其主要特点是： ( 1 ) 每相由n 个h 桥单元级联而成，逆变电路输出相电压电平数m = 2 n + i 。 由于各功率单元结构相同，易于模块化设计和封装；当某一单元出现故障，可 将其旁路，其余单元可继续运行，提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 直流侧采用独立电源供电，不需要箝位器件，不存在电压均衡问题。 若直流侧由三相不控整流电路供电时，整流侧需多绕组曲折联结变压器，增大 了装置体积，但多重化整流减小了输入侧电流谐波。 ( 3 ) 按某一特定规律分别对每一单元进行p w m 控制，各单元输出波形叠 加即可得到多电平输出，控制方法比箝位型电路对各桥臂的整体控制简单，并 且易于扩展。 为在输出相同电平数的情况下减少级联的功率单元，在1 9 9 8 年的a p e c 会议上m d m a n j r e k a r 等人提出了基于不同电压等级的单元级联型混合多电 平逆变电路结构【l4 1 ，图1 5 给出了电压比为1 ：2 的两单元混合级联七电平电 路。近年来电力电子器件的技术表明选择开关器件时要在开关频率和耐压能力 之间折中选择。一般地，快速开关器件的耐压能力有限，如i g b t ，而耐高压 能力较强的开关器件其开关速度有限，如i g c t 。混合型多电平逆变器则包含 了两种类型的开关器件i g b t 和i g c t ，充分利用了两种开关器件的特点。 图卜5 电压为1 ：2 的两单元级联混合七电平电路 每相桥臂由2 个单相全桥构成，直流母线电压为的全桥采用i g b t 器件， 6 而直流母线电压为2 u o 的全桥采用i g c t 器件。s l 和s 3 互补、s 2 和s 4 互补、 s 5 和s 7 互补、s 6 和s 8 互补。混合级联型七电平逆变器的输出电压及其对应的 开关状态如表1 - 4 所示： 表卜4 混合级联型七电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态 开关状态 输出电压 s ls 2s 3 s 4 s 5s 6 s ，7 s 8 3 lo011o01 2 0 0111001 u d 1oo 1 o 011 ooo110011 - u d o11oo011 2 0ol1o110 - 3 u d 01lo 0110 但m d m a n j r e k a r 等人提出的只用低压单元的i g b t 进行p w m 调制的控 制方法存在功率倒送问题，低压单元整流侧也要求可控，使装置控制的复杂程 度和成本大为增加，在不需能量回馈的风机、泵类电动机节能调速领域的应用 并无优势。这也是制约该电路实用化的一个关键因素。 图1 6 级联型多电平电路的统一拓扑结构 随后k e i t hc o r z i n e 等人提出了级联型多电平电路的统一拓扑结构 17 1 ，如图 1 - 6 所示，各级联单元的电压等级和电平数均可不同。在保证输出电压电平不 跳变的情况下，不同电压等级的单元级联电压比可以为1 ：2 ：2 2 ：2 3 ：2 - 1 或 1 ：3 ：3 2 ：3 3 ：3 - 1 ( n 为每相单元数) ，称之为二、三进制混合单元。若级联 单元输出电平正负极性不同时，存在功率倒送问题，即有的功率单元吸收功率。 7 二进制混合电路通过适当的控制，可以避免功率倒送问题。而三进制混合电路 则无法克服这一问题，须采用全控型可逆整流电路或增加直流侧滤波电容的容 量。 由上述分析可以看出，多电平电路的主电路拓扑结构在理论上已经基本完 备，哪种电路结构更具有实用价值与器件的发展水平及相应控制方法的难易程 度密切相关。目前已获得实际应用的是二极管箝位型三电平电路和等电压三电 平h 桥级联型多电平电路。采用二极管筘位型三电平电路的代表产品有：a b b 公司的a c s1 0 0 0 系列高压变频器 1 8 】和g e 公司的i n n o v a t i o n 系列高压变频 器【l 引，它们都是由i g c t 的三电平电路构成，但电压最高能应用于4 k v 等级， 并且高次谐波含量仍然较大。级联型多电平电路的代表产品为美国罗宾康公司 的完美无谐波高压变频器和北京利德华福公司的h a r s v e r t a 系列高压变频器， 使用的器件是i g b t ，最高可以应用于1 0 k v 电压等级的电机驱动。在电力系统 无功补偿领域也己经有实际应用，a l s t o m 公司于2 0 0 0 年研制了世界上首台 基于级联型结构的+ 7 5 m v a rs t a t c o m ，用于提高英国北部向南部输电线的传 输功率【2 0 1 。我国清华大学和上海电力公司正在合作研制基于i g c t 级联型结构 的+ 5 0 m v a rs t a t c o m 。 电压为l ：2 的混合七电平单元级联电路符合目前电力电子器件发展的趋 势，在简化逆变电路结构的同时，仍具有传统级联型电路的谐波小、易扩展等 优点，在新型多电平电路拓扑结构中最具实用前景。如高压单元使用i g c t 、 i e g t 或h vi g b t ，低压单元使用i g b t 根据目前器件的耐压水平，混合七电 平电路可用于3 k v 电压等级，而由两级混合七电平单元级联的十三电平电路可 应用于6 k v 电压等级，三级混合单元级联可应用于10 k v 电压等级。这三种电 路相对于传统等电压单元级联电路，在电平数相同的情况下基本功率单元数可 分别减少3 个、6 个和9 个，光纤通讯和多重化整流变压器等亦可得到简化。 1 3 感应电机变频调速系统的发展和现状 感应电机调速系统从古典控制发展到现代控制是在电力电子学科进步的基 础上开拓的领域。在此之前的古典控制中，主要考虑电动机稳态特性，即启动、 调速、制动的控制，是一种力学系统的控制。例如，调速是一个状态到另一个 状态的速度变化状态，对电磁变化的过程考虑甚少，且着重于动力学的过渡过 程。由于力学时间常数大于电磁时间常数，从而掩盖了电磁过渡过程所起的作 用。随着电力电子器件的发展，s c r 、g t o 、g t r 、i g b t 等新器件的不断问世， 使得电动机的电源控制非常容易，相应地也促进电动机控制技术得到飞跃发 展。 因为交流电源的变频非常困难，故长期以来，所谓电动机调速实际上是指 直流调速。从1 9 世纪9 0 年代第一条三相输电线路建成到2 0 世纪6 0 年代末， 电力工业的发展大体形成这样的格局，即9 9 的电能由同步电机发出，6 0 7 0 的电能通过各种电机加以利用。在电机用电中，交流电机占8 0 左右，其中大 部分为异步电动机直接拖动。在其余2 0 需要变速运行的高性能传动系统中， 直流电机由于控制简单、调速平滑、性能良好，一直占据主导地位。同时，自 爱电力电子技术发展以前，由于交流变频困难，价格高，且同步电动机调速几 乎完全依赖于变频，故传统交流调速只限于感应电动机的变极、变压、转子回 路串电阻等有级调速方式，确实无法与直流调速竞争。但是直流电机结构上存 在的机械换向器和电刷具有一些无法克服的固有缺点，如造价高、维护困难、 寿命短、单机容量、最高转速和最高电压都受到一定的限制等等。 而感应电动机具有结构坚固、无电刷、维修方便、重量轻、价格低等直流 电机结构上无法比拟的特点。一旦感应电机变频调速控制技术的难题得到解 决，两者的优劣便见分晓。所幸2 0 世纪7 0 年代初，一场石油危机席卷全球， 工业发达国家投入大量人力财力研究节能措施。人们发现，占电机用电量一半 以上的风机、泵类负载是靠阀门和挡板来调节流量和压力的，其拖动电机一般 工作在恒速状态，从而造成了大量的电能浪费，如用改变电机转速的方法调节 风量或流量，在压力不变的情况下，一般可节电2 0 3 0 。感应电机的调速因 此而成为有重要意义的研究项目。目前，在工业化国家，经济型交流电机变频 调速装置已大量地使用在这类负载中，成为重要的节能手段。同时，随着电力 电子技术、微电子技术和微机控制技术的不断发展，使现代高性能感应电机的 变频调速有了巨大的技术支持，高性能的感应电机变频调速系统也已出现，经 过近十年的不断努力，性能得到很大改善，成本还在下降，如图1 7 所示： 图卜7 现代交流调速的技术支撑系统 由于感应电机变频调速控制系统的种种突出特点，国外大学和公司投入大 量人力财力加以研究，并在2 0 世纪8 0 年代已经推出了一系列商品化的感应电 机变频调速控制系统，我国也有许多单位在研究、开发和引进感应电机变频调 速控制系统的技术、元器件和装备。为进一步提高感应电机变频调速控制系统 的性能，有关研究工作正在围绕一下几个方面展开： ( 1 ) 采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术 9 电力电子器件的不断进步，为感应电机变频调速控制系统的完善提供了物 质保证，尤其是新的可关断器件，双极结型晶体管( b j t ) 、金属氧化物半导体 场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的实用化，使高频化p w m 技术成为可能。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。 典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型三种。电流型变频 器的优点在于给同步电机换向时可实现自然换相，并且容量可以做得很大。但 是对于应用广泛的中小型电机来说，其强迫换相装置则显得过于笨重。因此， p w m 电压型变频器在中小功率电机变频调速控制系统中无疑占主导地位。目 前已有采用m o s f e t 和i g b t 的成熟产品，开关频率可达1 5 - 2 0 k h z ，实现无 噪声驱动。值得注意的是，目前国外正在研发新型变频器，如矩阵变频器，串、 并联谐振式变频器等也开始进入实用阶段，预示着新一代电机变频调速控制系 统即将产生。 ( 2 ) 应用矢量控制技术、直接转矩控制技术和现代控制理论 交流电机是一个多变量、非线性的被控对象，过去的电压频率恒定控制都 是从电机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果均不理想。2 0 世纪7 0 年代初提出的用矢量变换的方法研究电机的动态控制过程，不但控制各变量的 幅值，同时控制其相位，并利用状态重构和解耦控制，从而促进了交流电机变 频调速控制系统走向实用化。目前国外用变频电源供电的异步电机采用矢量控 制技术已成功地应用于轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中。此外， 为解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直 接转矩控制、电压定向控制和定子磁场定向控制等。尤其自从计算机应用于实 时控制之后，使得现代控制理论中各种控制方法得到应用，如二次型性能指标 的最优控制和双位模拟调节器控制，可提高系统的动态性能，滑模( s l i d i n g m o d e ) 变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得 无法观测的状态信息，自适应控制则能全面提高系统的性能。 ( 3 ) 广泛应用计算机技术 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很 大提高，这使得以单片机为可控核心的全数字控制系统取代以前的模拟器件控 制系统成为可能。计算机的应用主要体现在两个方面，一是控制用微机，交流 电机数字控制系统既可以用于专门的硬件电路，也可以采用总线形式，加上通 用或单片微机模板组成最小目标系统。对高性能运动控制系统而言，由于控制 系统复杂，要求存储多种数据和快速实时处理大量的信息，可采用微机处理加 数字信号处理器( d s p ，如t m s 3 2 0 x 2 4 0 x 系列) 的方案，除了实现复杂的控制 规律外，也便于故障监视、诊断和保护、人机对话等功能的实现。计算机的第 二个应用就是数字仿真和计算机辅助设计( c a d ) 。仿真时如发现系统性能不 1 0 理想，则可用人机对话的方式改变控制器的参数、结构以及控制方式，直到满 意为止。这样得到的参数可直接加在系统上，避免了实际调试的盲目性和发生 故障的可能性。目前已有多种软件包可用于指导系统的设计。 ( 4 ) 发展无速度传感器技术 一般来说，为了满足高性能交流变频传动的需要，转速闭环控制是必不可 少的。为实现转速和位置的反馈控制，须用光电编码器或测速计来检测反馈量， 对于方波同步电机控制系统来说，还需要检测磁极位置。但是速度传感器的安 装不仅使控制系统尺寸加大，成本增加，同时还存在安装和维护的困难，而且 机械上的误差还将引起检测精度和控制性能下降。为此研究成本合理、性能良 好的无速度传感器交流变频调速系统成为近年来的热点。该技术是在电机转子 和机座上不安装电磁或光电传感器的情况下，利用检测到的电机电压、电流和 电机的数学模型推测出电机转子位置和转速的技术，具有不改造电机、省去昂 贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉尘和潮湿环境的影响等优点。 1 4 高性能感应电机变频调速系统控制策略 异步电机，特别是笼型电机，结构简单、牢固、价格便宜、运行可靠、无 需维护，在交流传动中得到了极为广泛的应用。异步电机采用变频调速技术后， 调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失，是一种性能优良的高 效调速方式，是交流电机调速传动发展的主要方向。目前，高性能感应电机的 变频调速系统多采用矢量控制和直接转矩控制两种控制策略。 1 4 1 矢量控制技术 矢量变换控制技术在国际上一般多称为磁场定向控制( f i e l do r i e n t a t i o n ) ， 亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向 均用瞬时值来表示。这一理论是1 9 6 8 年首先由d a r m s t a d e r 工科大学的h a s s e 博士发表。19 7 1 年西门子公司的b l a s c h k e 又将这种一般化的概念形成系统理 论，并以磁场定向控制的名称发表。 从直流电机的控制得到启发，其励磁磁通和电枢磁势方向相互垂直，两者 互不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢 电流，实现对转矩的独立控制。在感应电机中，为了将交流矢量变换为两个独 立的直流标量来分别加以调节，以及将被调节后的直流量还原成交流量最后控 制交流电机的运行状态，必须采用矢量的坐标变换及其逆变换，故这种系统称 为矢量变换控制系统。通过矢量的坐标变换能使交流电机获得如同直流电机一 样良好的动态调速性能，使得这种控制方法成为交流电机获得理想调速性能的 重要途径。 矢量控制包括坐标变换和矢量运算以及含非线性的复杂运算。对交流瞬时 值进行控制的必要条件是高速运算，其运算处理的规模要比直流调速大若干 倍。若用模拟电路来实现，不用说价格就连确保性能的可靠性也做不到。这是 7 0 年代中期为什么不能实用化的原因之一。幸运的是，随之而来的7 0 年代是 微处理器微电子技术急速成长的年代，加之适应急剧加减速和负载冲击的快速 电力半导体变流装置的研制成功，使矢量控制变频调速装置的实用性和可靠性 达到了令人满意的水平。 1 4 2 直接转矩控制技术 直接转矩控制变频调速技术，是近10 年来继矢量变换变频调速技术之后 发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。 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、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直 流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机 的转速和磁链控制的完全解耦，它的提出具有划时代的重要意义。然而，在实 际上由于转子磁链难于准确观测，由于系统特性受电动机参数的影响较大，以 及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制 效果难于达到理想的分析的结果，这是矢量控制技术在实践上的不足之处。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首次提出了直接 转矩控制的理论，接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技 术，直接转矩控制有着自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控 制复杂，特性易受电动机参数变化的影响，实际性能难于达到理论分析结果的 一些重大问题。 图1 8 直接转矩控制原理框图 直接转矩控制有以下几个主要特点： 1 )直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电机的磁链 和转矩，无需为解耦而简化数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的 变换和计算； 2 )磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出 来，大大减少了矢量控制技术