（电力电子与电力传动专业论文）离心机专用变频器研究.pdf

a b s t r a c t a f t e rt h ed e v d o p m e n to ff o u rg e n e r a t i o n s ，a cs p e e dc o n t r o lm o d e sh a v e d e v e l o p e dr a p i d l y d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i s a l la c s p e e dc o n t r o lt e c h n i q u et h a t d i r e c t l ya n a l y z e st h ea cm o t o rm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o l sm o t o rf l u xa n dt o r q u e i nt h es t a t o rc o o r d i n a t i o n ，p o s s e s s i n gh i g hd y n a m i cr e s p o n s e ，s i m p l ec o n t r o ls t r u c t u r e , d i r e c tc o n t r o lm o d e r e s e a r c ho fd e d i c a t e dc o n v e r t e rb a s e do nd t cf o rt h ec e n t r i f u g ei si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r i nc h i n a ，c e n t r i f u g ec o m m o n l yu s e sg e n e r a lc o n v e r t e r t h o u g ht h eg e n e r a l c o n v e r t e rs h o w ss o m ea d v a n t a g e s ，i th a sm a n yp a r a m e t e r sa n di se x p e n s i v e t h e r e f o r e ， t h er e s e a r c ho ft h ed e d i c a t e dc o n v e r t e ra p p l i c a b l et ot h ec e n t r i f u g eh a sv e r yi m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no fa cs p e e dc o n t r o l a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t ；n e x t , w ei n t r o d u c et h et h e o r y , s y s t e ma r c h i t e c t u r e ， a n dp r i n c i p l e so fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；t h e n ，w ei n t r o d u c et h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n o ft h ed e d i c a t e dc o n v e r t e rf o rc e n t r i f u g ec o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i t ，t h e v o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i t ，t h ec u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，t h es p e e dd e t e c t i o nc i r c u i t ，d r i v e a n di s o l a t i o nc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dt h ep o w e rs u p p l yc i r c u i t e s p e c i a l l y , a h a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es p e c i a lc e n t r i f u g ef r e q u e n c yc o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t ； s e c o n d ，w ei n t r o d u c et h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lu n d e rt h e c c s 3 3 ，ad s pi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，m a i n l yi n c l u d i n gt h es p e c i f i c i m p l e m e n t a t i o no fm o d u l e ss u c ha ss p e e dd e t e c t i o n ，s p e e dd i s p l a y , v o l t a g ea n dc u r r e n t d e t e c t i o na n dt h e i r3 2t r a n s f o r m a t i o n , f l u xa n dt o r q u ec a l c u l a t i o n ，t o r q u eg i v e n ，f l u x a n dt o r q u ea d j u s t i n g , f l u xs e c t o r ss e l e c t i o n ，s w i t c hs i g n a l ss e l e c t i o na n dv o l t a g es t a t e s o u t p u t ；f i n a l l y , e x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e dt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g na n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ed t c ，a n ds o m ea n a l y s i sa n de x p l a n a t i o n sa r eg i v e na c c o r d i n gt o s o m ee x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e d i nt h ep r o c e s so fi g b tp r o t e c t i o nc i r c u i td e s i g n ，w ep r o p o s ean e wl o w - c o s t s h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o nc i r c u i tb a s e do ni r 2110a n dan e w p r o t e c t i o nm e t h o d k e y w o r d s ：c e n t r i f u g e ；d e d i c a t e dc o n v e r t e r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；d s p ； f r e q u e n c yv a r i a b l et h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文二j 彖塑蓝企兰盆耋生笾童啤盔l 二。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：左建盛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密i ( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名：务磅每导师签名： 日期：矽p 年易月e l 离心机专用变频器研究 第1 章绪论 1 1 电动机调速系统的发展 电动机是当今获取机械能最方便、灵活、可靠的装置。电机分类方法众多， 按电能的性质可分为直流电动机和交流电动机【l 】。 直流电动机可方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速。它具 有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反 向的电力拖动领域里得到了广泛的应用【2 1 。在2 0 世纪上半叶，由于直流拖动具有 优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电动机。长期以来，直流调速系 统一直占据主导地位。 直到2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换 器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高 性能交流调速系统应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。 用交流可调控制技术取代直流可调控制技术，已经成为当前电机控制的主要方向。 近年来，高性能交流调速技术发展很快，在直流调速系统基础上发展起来的 交流调速系统正逐步取代直流调速系统。 1 2 变频调速的发展 1 2 1 变频调速控制技术的发展 交流调速系统多以变频调速为主。回顾变频调速控制技术的发展，其经历了 以下四代： 第一代为正弦脉宽调带i j ( s p w m ) 控制。其特点是控制电路结构简单、成本较低， 机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域 得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子 电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直 流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、 控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因 定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等【3 1 。 第1 章绪论 第二代为电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 控制。它是以三相波形整体生成 效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，次生成三相调 制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即 引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定 子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电 路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善【3 1 。 第三代为矢量控制( 转子磁场定向法) ，又称v c 控制。矢量控制变频调速的 实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控 制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标 变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实 际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且 在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难 以达到理想分析的结果【3 】。 第四代为直接转矩控制，又称d t c 控制。1 9 7 7 年a b p i u n k e t t 在i e e e 杂志 上首先提出，1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的德彭布洛克( d e p e n b r o c k ) 教授首次取得了实 际应用的成功【3 】。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控 制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。直接转矩控 制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。 直接转矩控制技术不需要将异步电动机与直流电动机作比较、等效和转化；既不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，省 掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，因此它所需要的信号处理工作简单【4 】。 当前，国际交流调速技术的发展相当迅速，各种应用先进控制策略的变频器 也层出不穷。采用矢量控制技术的变频器已经逐渐形成成熟的系列产品，采用直 接转矩控制技术的变频器也已出现( a d 3 b 公司) 。相比之下，我国对交流变频调速 技术的研究起步较晚，国内的变频器市场基本上被国外的产品占领，对于高性能 的交流调速系统，国内也还基本上不具备批量生产的能力。要在技术上尽快赶上 离心机专用变频器研究 先进发达国家，只有提高研究起点，而研究直接转矩控制变频器正符合当今交流 变频调速技术发展的趋势。 1 2 2 直接转矩控制发展现状与展望 在国外以德国和日本为主，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟。现在直 接转矩控制技术已经成功应用于电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率调速 应用场合。市场应用方面，a b b 公司于1 9 9 5 年推出了其直接转矩控制产品 a c s 6 0 0 ，随后的a c s 8 0 0 、a c s l 0 0 0 也都应用了直接转矩控制技术。 在国内，直接转矩控制主要还处于理论研究阶段，一些高等院校如清华大学、 浙江大学等在这方面都有较深研究，针对直接转矩控制的不足提出了很多值得借 鉴的解决方案。 在未来，直接转矩控制将向以下几个方向发展：( 1 ) 现代控制技术的实用化； ( 2 ) 控制手段的全数字化；( 3 ) 无速度传感器的控制系统；( 4 ) 应用于同步电机的控制。 1 3 课题来源 本课题来源于湘仪离心机仪器有限公司，该公司是生产出我国第一台超速冷 冻离心机( 5 0 0 0 0 r m i n ) 和高速冷冻离心机( 2 0 0 0 0 r m i n ) 的企业。其大容量冷冻 离心机主要依据离心沉降原理，将颗粒很小、各组分密度相近的各种乳浊液或混 合液进行分离、提纯、浓缩等【5 1 。这种冷冻离心机主要用于较大容量离心设备的血 液分离中，包括收集微生物、细胞碎片、硫酸沉淀物、生物制药、放射免疫等领 域，对制药企业，科学研究所、化工厂和水处理等企业来说是相当理想的设备。 受公司委托，进行大容量冷冻离心机专用变频器及其控制系统的研究。该冷冻离 心机使用的电源为单相交流电源，2 2 0 v 、一5 0 h z 6 0 h z ，转速是5 3 5 0 r m i n 。 该冷冻离心机目前采用通用变频器。通用变频器的通用性好，功能多而复杂， 但参数较多，价格较贵。而专用变频器是专用于某个专业的变频器，参数适用于 专业，少而精，价格较便宜。 为了降低成本、增强控制性能，本课题将设计出离心机专用变频器代替通用 变频器，并采用交流电动机控制技术中的直接转矩控制来实现对其控制。它将创 造出一定的经济效益和社会效益，具有很大的现实意义。 第1 章绪论 1 4 论文主要研究内容 本课题首先对异步电动机直接转矩控制的理论和一些控制算法等相关知识进 行分析理解；然后对离心机专用变频器的硬件电路进行设计，主要包括主电路、 电压检测电路、电流检测电路、测速电路、驱动隔离电路、保护电路、驱动隔离 与保护电源的电路的设计，搭建起离心机专用变频器的硬件平台；接着在d s p 集 成开发环境c c s 3 3 下进行直接转矩控制的软件设计；最后进行实验联调，使电机 高速运转，性能稳定，达到控制目标。 其中，最值得一提的是i g b t 短路保护电路的设计。 常见的i g b t 短路保护方法有检测短路时集电极与发射极间电压u c e 增大实现 短路保护、利用电流互感器检测i g b t 过流实现短路保护、利用i g b t 短路时集电 极与发射极间电压u c e 增大的原理和电流互感器过流检测的综合实现短路保护、 降栅压软关断及降低工作频率的综合实现短路保护、检测高频交流电流短路实现 短路保护或者直接采用i p m 实现短路保护等【6 】。上述方法中，简单、易实现的方 法是检测短路时，集电极与发射极间电压u c e 增大实现短路保护。此方法采用的 间接电压法，i g b t 过流时集电极与发射极间电压u c e 增大且基本上为线性关系， 检测过流时的集电极与发射极间电压u c e 并与设定的阈值进行比较，比较器的输 出控制驱动电路的关断。但此方法中普遍采用i g b t 专用驱动器如e x b 8 4 1 ，价格 高，在中小功率的生产应用中使得成本增加。 为了降低成本，在本课题研究期间设计出了一种基于专用驱动芯片i r 2 11 0 的 短路保护电路及其方法，将在3 3 5 节中具体介绍。该保护电路及设计方法已提交 国家知识产权局申请专利。 本论文共分为5 章，内容安排如下： 第1 章介绍交流调速的发展，课题的研究意义，课题来源及论文主要工作。 第2 章介绍直接转矩控制基本理论和直接转矩控制系统的组成及工作原理。 第3 章介绍本离心机专用变频器的整个硬件设计，主要是主电路、电压检测 电路、电流检测电路、测速电路、驱动隔离电路、保护电路、驱动隔离与保护电 路的电源电路的设计。 一4 一 离心机专用变频器研究 第4 章介绍本离心机专用变频器的控制系统的软件设计，基于t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 在c c s 3 3 下编程实现直接转矩控制。 第5 章对整个系统联调的实验结果进行了分析与说明，并给出了本离心机专 用变频器的硬件设计实物图。 第2 章直接转矩控制理论及其系统基本组成 第2 章直接转矩控制理论及其系统基本组成 本离心机专用变频器采用直接转矩控制变频调速，本章主要介绍一下直接转 矩控制基本理论和直接转矩控制系统基本组成及工作原理。 2 1 直接转矩控制理论基础 2 1 1 异步电动机数学模型嗍 图2 1 异步电动机的空间矢量等效电路图 f i g 2 1s p a c ev e c t o re q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r l lj q 孵 上 异步电动机的空间矢量等效电路如图2 1 所示，各量的定义如下： u 。( t 卜定子电压空间矢量； i s ( t ) - - 定子电流空间矢量； i r ( t 卜转子电流空间矢量； v ( t ) - - 定子磁链空间矢量； 、i ，r ( t 卜转子磁链空间矢量； 静一电角速度。 由图2 2 所示的分量定义，异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示： 以= r + 、i ，口( 2 1 ) 0 = b 一、i ，+ 问v ，( 2 2 ) 一6 一 离心机专用变频器研究 图2 2 空间矢量定义图 f i g 2 2d e f m i t o no fs p a c ev e c t o r 定子磁链与转子磁链由下式获得： v = ( 2 3 ) v ，= v 一厶 ( 2 4 ) 定子旋转磁链提供的功率如下： p = ，z = 3 2e 。r e 巾p i s = 吾( 、i ，心k + 巾舻岛) ( 2 5 ) 式中广定子频率( 定子旋转磁场的频率) ，p n _ 极对数。且 、i ，肛= j o ，三( k + 0 ) ( 2 6 ) 由此方程可得到下面两个方程式： 、i ，胆= - - o 。三“= 一v 邮 ( 2 7 ) 、i ，邮= ，三缸= o w 衅 ( 2 8 ) 将式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 代入式( 2 5 ) ，得到转矩 霉= 3 - 一p ( v 衅如一v 邮t ) ( 2 9 ) 如果用转子磁链代替定子电流，转矩方程式将变成简明的形式。由 = i v + ( 2 1 0 ) 和式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可得 第2 章直接转矩控制理论及其系统基本组成 互= 三乏( v 嵋v m 一、- ，姆v 喀) c 2 t ， 该公式表达的是定子磁链与转子磁链之间的交叉乘积，也可以写成如下形式： z = 五3i p v ，| s i l l 秒 ( 2 1 2 ) 式中口一定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。 2 1 2 逆变器的八种开关状态和逆变器的电压状态 电压型逆变器的结构如图2 3 所示，由三组、六个开关器件组成，每一相上下 桥臂的开关器件都互锁，共8 种开关状念。当上桥臂开关器件导通时，记为“1 ”； 上桥臂开关器件关断时，记为“0 ”。 2 e i 图2 3 电压型理想逆变器 f i g 2 3i d e a lv o l t a g e - c o n t r o l l e di n v e r t e r c 逆变器的8 种开关状态，对外输出7 种不同的电压状态，其对照关系见表2 1 。 一8 一 离心机专用变频器研究 表2 1 逆变器的开关状态与电压状态的对照表 t a b 2 1t h es w i t c h i n gs t a t ea n dt h ev o l t a g es t a t eo fi n v e r t e r 工作状态零状态 状态 12345 67 8 开 s o0ll1001 关 状s b100011ol 态 s c1l10o00 1 s 般 电 表示一 u 。( 0 1 1 )u 。( 0 0 1 )u 。( 1 0 1 )u 。( 1 0 0 )u 。( 1 1 0 )u 。( 0 1 0 )u 。( o o o )u 。( 1 1 1 ) 压u 。( t ) 状 表示二 态u 。( t ) u 6u 4u 5 u l u 3u 4u 0u 7 2 1 3 电压空间矢量的概念 引入p a r k 矢量变换可以将三维变量变换为一个二维的矢量，选三相定子坐标 系的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴a 重合。对于图2 3 所示的逆变器，若a 、b 、 c 三相负载的定子电阻是星形接法，其输出电压空间矢量u s ( t ) 的p a r k 变换如式 ( 2 1 3 ) 所示 ， 虬( f ) = - 4 u x ( t ) + u b ( t ) d 2 州3 + ( f ) 一“胆】 ( 2 1 3 ) j 逆变器的六个工作电压状态对应六个电压空间矢量，周期性地顺序出现，相 邻两个电压空间矢量之间相差6 0 0 ；六个电压空间矢量的幅值都等于4 3 e ，其顶点 构成了正六边形的六个顶点，零电压矢量位于六边形的中心，沿逆时针方向旋转， 依次是u 。( 0 11 ) 一u 。( 0 0 1 ) 一u 。( 1 0 1 ) - u 。( 1 0 0 ) - u 。( 1l o ) 一u 。( o l o ) 。 2 1 4 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 定子磁链、i ，。( t ) 与定子电压u 。( t ) 之间的关系为 虬= i ( 配( f ) 一i s ( t ) r ，) d t ( 2 1 4 ) 第2 章直接转矩控制理论及其系统基本组成 若忽略定子电阻压降的影响，则 虬( f ) 皿( t ) d t ( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系，见图 2 4 。定子磁链空间矢量沿着定子电压空间矢量的方向运动。 lu ( 1 0 0 ) s 8 s 5 1 1 0 谣i ii 9 “t ) l ，：；n n n ： p ； 步必s 2 s 墨 ( 0 1 1 ) 7 l i 一，t 、 图2 4 电压空间矢量与磁链空间欠量的关系 f i g 2 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o l t a g es p a c ev e c t o ra n dt h ef l u xs p a c ev e c t o r 在合适的时刻，依次给出定子电压空间矢量u 。( 0 1 1 ) 一u 。( 0 0 1 ) - u s ( 1 0 1 ) - u 。( 1 0 0 ) - u 。( 1 1 0 ) u 。( o l o ) ，则定子磁链将沿边s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 运动，形成正六边形磁链。 2 1 5 电压空间矢量对电动机转矩的影响 直接转矩控制是利用电压空间矢量u 。( t ) 控制定子磁链的旋转速度，从而改变 定子磁链矢量和转子磁链矢量间的夹角，实现控制电机转矩的目的。 在实际应用中，保持定子磁链矢量的幅值为额定值，以充分利用电机铁心； 转子磁链的幅值由负载决定。要改变电动机转矩的大小，通过改变磁通角大小来 实现。 离心机专用变频器研究 、( 1 0 0 ) 啄印 ，? 善 j 弋，y 7 、磐( f ) ( f 2 矿鹏) ( 11 兮 肇 口： ( 1 0 0 & ( o i o ) ( o i o ) 、s j ，j ( 0 0 1 s ) 、a，j ( ) 、2 皇，7 。 如图2 5 所示，从t l 时刻t 2 时刻，若给出定子电压矢量u 。( 1 l o ) ，则定子磁链 矢量由、l ，。( t 1 ) 的位置旋转到、i ，。( t 2 ) 的位置，其运动轨迹沿着s 5 ，与u s ( 1l o ) 平行，定 子磁链旋转速度大于转子磁链旋转速度，磁通角由0 ( h ) 变为0 ( t 2 ) ，转矩增大。 若在t 2 时刻，给零电压矢量，则定子磁链矢量y s ( t 2 ) 保持在t 2 时刻的位置静止 不动，而转子磁链矢量继续旋转，磁通角减小，转矩减小。 2 2 直接转矩控制系统基本组成及工作原理 在熟悉了直接转矩控制的基本理论后，本节将介绍直接转矩控制系统的基本 组成及工作原理。直接转矩控制系统的基本组成如图2 6 所示，被检测的信号有直 流母线电压乩、a 相电流孙b 相电流i s 、电机的实际转速n f 。其中电压、电流 信号经3 2 变换后，通过定子磁链模型和转矩模型计算得到、i ，蛐、l ，。1 3 、i ，s f 、t f ；电 机实际转速值n f 与给定值n g 比较后经速度调节器得到转矩给定值t g 。磁链调节器 和转矩调节器输出磁链量开关信号、i ，q 、转矩量开关信号t q ，根据磁链值得到磁 链所在扇区0 ，综合这三个量，选择正确的开关信号并输出电压空间矢量，控制逆 变器开关器件的开通与关断。 第2 章直接转矩控制理论及其系统基本组成 图2 6 直接转矩控制系统基本组成 f i g 2 6t h eb a s i cs t r u c t u r eo fd t cs y s t e m 如图2 6 所示，直接转矩控制系统的基本组成包括以下几部分： ( 1 ) 磁链模型：选择磁链模型，对磁链进行正确的估算。 ( 2 ) 转矩模型：选择转矩模型，对转矩进行正确的计算。 ( 3 ) 磁链调节：实现对磁链幅值的直接白控制。 ( 4 ) 转矩调节：实现转矩直接自控制。 ( 5 ) 磁链扇区选择：选择正确的区段，以形成圆形磁链。 ( 6 ) 开关信号选择：综合来自磁链调节、转矩调节和磁链扇区选择的三种控制 信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。 ( 7 ) 转速调节：实现对转速的调节，选择转速调节器，输出转矩给定值。 离心机专用变频器研究 2 2 1 异步电动机磁链模型 直接转矩控制是建立在磁链和转矩的准确估算上的，要想准确地计算出磁链 和转矩值，必须选取合适的磁链模型和转矩模型。本节先介绍磁链模型的选取， 而转矩模型的选取在下一节中介绍。 磁链模型分为u i 模型、i n 模型和u - n 模型三种，由于本课题最终目标是要 实现电机能以转速5 3 5 0 r m i n 高速稳定运行，故磁链模型选用u i 模型即可满足要 求，如图2 7 所示。由图2 7 可知，定子磁链值可由式( 2 1 6 ) 得到。 舻p o a 陟 ( 2 1 6 ) 【虬芦2j ( 一i , p & ) d t 图2 7 定子磁链的u - i 模型 f i g 2 7m o d e lf o rs t a t o rf l u x ( u - it y p e ) 2 2 2 异步电动机转矩模型 直接转矩控制是直接对电机的转矩进行自控制，而电机的转矩一般不能直接 得到，需要通过间接计算得到。转矩计算的准确与否，直接影响到直接转矩控制 的性能好坏。这里根据式( 2 9 ) 计算转矩，得到如下转矩公式。 1 弓= 丢只( 如一如) ( 2 1 7 ) 2 2 3 磁链调节 磁链调节实现磁链幅值基本恒定，在其允许的范围内波动。 第2 章直接转矩控制理论及其系统基本组成 磁链调节选用磁链两点式调节器( b a n g - b a n g 控制器) ，其结构实际上是施密 特触发器，如图2 8 所示。容差宽度为+ 6 v ，决定磁链所允许波动的范围。但实际 磁链脉动将大于士，因为在数字系统中，每隔一个采样周期才对磁链调节一次， 在此采样周期内磁链脉动可能会大于容差宽度。采样周期决定实际磁链脉动大小。 采样周期越大，磁链脉动越大。 磁链给定值、i ，。与磁链反馈值y s f 之差作为磁链调节器的输入，经磁链调节器 后输出磁链量开关信号w q 。当磁链量开关信号y q 为“l ”时，表示磁链需要增加； w q 为“0 ”时，表示磁链需要减小。 图2 8 磁链两点式调节器 f i g 2 8b a n d - b a n dr e g u l a t o ro ff l u x 2 2 4 转矩调节 转矩调节是实现对转矩的直接控制。直接转矩控制的名称即由此而来【1 1 。 j l l r 虺 不 。， o 时，0 【c = l ；否则a c = 0 。 取= + 2 0 r b + 4 0 r c ，根据表2 2 可得到定子磁链所在扇区。 表2 2 磁链扇区选择 t a b 2 2t h ec h o o s eo ff l u xl i n k a g es e c t i o n s ( 2 1 9 ) 呶状态 1l000l 状态 o1ll 00 a c 状态 00olll n1 3 2645 扇区0 l23456 2 2 6 开关信号选择 根据磁链丌关信号量、i ，q 和转矩开关信号量t q ，选择出正确的电压状态使输 出满足磁链调节和转矩调节的要求。在一个扇区内，调节的次数越多，即选取的 电压状态越多，不同的电压状态组合就可以使磁链轨迹越接近圆形。 对于定子磁链运动的每个区段，可以利用的电压空间矢量有四个，代表着定 子磁链四个有意义的方向。图2 1 l 画出了区段s 4 中定子磁链的四个有意义的变化 方向和电压状态。 离心机专用变频器研究 d 图2 1 1 圆形磁链电压状态的作用 f i g 2 11t h ef u n c t i o no fr o u n df l u xv o l t a g es t a t u s 图2 1 1 中使定子磁链空间矢量沿着区段s 4 的边，向着0 0 方向运动的电压 空间矢量，称为o o 电压。使定子磁链空间矢量沿着超前6 0 0 的方向运动的电压空 间矢量，称为+ 6 0 0 电压。使定子磁链空间矢量沿着滞后6 0 0 的方向运动的电压空 间，称为6 0 0 电压。使定子磁链空间矢量沿着滞后1 2 0 0 的方向运动的电压空间矢 量，称为1 2 0 0 电压。 上述四个电压会使定子磁链以不同的方向运动，而定子磁链的运动会直接影 响到磁通角的大小，间接使电机转矩发生变化。以区段s 4 为例，下面介绍一下这 四个电压对定子磁链和转矩的作用： 1 o o 电压u 。( 1 0 0 ) 的作用：对于圆形磁链轨迹，在区段s 4 的前半段，磁链 幅值减小；在区段s 4 的后半段，磁链幅值增加。在整个区段s 4 上，磁通角都增 大，转矩增加。 2 6 0 0 电压u s ( 1 0 1 ) 的作用：在区段的开始，磁链幅值增加较小；在区段的 末尾，磁链幅值增加较大；在区段末尾的边界，增加最大。在区段的起始边界， 磁通角转矩增加最大；而在区段的末尾，磁通角和转矩增加较小；在区段末尾的 边界，磁通角改变为零，转矩不增加。 3 + 6 0 0 电压u s ( 11 0 ) 的作用：减小磁链，在区段的开始减少最大，在区段的 末尾减少最小。增加转矩，在区段的开始增加最小，在区段的末尾增加最大。 第2 章直接转矩控制理论及其系统基本组成 4 1 2 0 0 电压u s ( 0 0 1 ) 的作用：增加磁链，在区段的开始增加最大，在区段 的末尾增加最小。唯一一个使定子磁链反转的电压，因此是减小转矩，在利用零 电压矢量来减小转矩不够快时，可选用此电压来加速转矩减小。 综合来自磁链调节器的磁链信号量v q 和来自转矩调节器的转矩信号量t q ， 根据表2 3 选择合适的开关信号，实现调节磁链和转矩的目的。 表2 3 开关信号选择表 t a b 2 3t a b l eo fs w i t c h i n gs i g n a l 、i ，q t qe ( 1 )0 ( 2 )o ( 3 )o ( 4 )e ( 5 )o ( 6 ) 1 u 4u 5u 1u 3u 2u 6 00u 7 u o u ，u o u 7 u o l u 2u 6u 4u 5u lu 3 1 u 5u lu 3u 2 u 6u 4 10 u o u ， u o u 7 u o u 7 l u 3u 2u 6 u 4 u su i 2 2 7 转速调节 转速调节器除了实现转速的闭环控制，还需给出转矩的给定值。只有正确给 出转矩给定值，直接转矩控制系统才能实现闭环控制。 本速度调节器选用p i 调节器，使速度跟随给定变化，速度环控制性能相对稳 定。其中，比例调节，及时成比例地反映转速偏差，偏差一产生，控制器就立即 产生控制作用，减少偏差；积分调节，主要用于消除转速的稳态偏差，提高系统 的无静差度。积分作用的强弱取决积分时间常数乃，乃越大，积分作用越弱，反 之则越强。 2 3 本章小结 本章首先介绍了直接转矩控制的一些基本理论，包括异步电动机的数学模型、 逆变器开关状态、电压空间矢量以及电压空间矢量对磁链和转矩的影响；然后介 绍了直接转矩控制系统组成及其工作原理，对系统中的磁链模型、转矩模型、磁 离心机专用变频器研究 链调节、转矩调节、磁链扇区选择、开关信号选择和转速调节分别作了介绍与说 明。 第3 章离心机专用变频器硬件电路设计 第3 章离心机专用变频器硬件电路设计 本章将重点介绍离心机专用变频器硬件电路的设计，首先介绍了系统的硬件 组成，然后从主电路、控制电路设计，尤其是控制部分的电路设计这两方面进行 具体介绍。 3 1 硬件组成 本离心机专用变频器系统是基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 为控制核心 设计的，其硬件结构如图3 1 所示，主要包括主电路、控制电路和被控对象三部分。 主电路对电源进行整流、滤波，再逆变成频率可调的三相电源向电机供电，主要 由整流电路、滤波电路、逆变电路组成；控制电路以d s p 为核心，实现直接转矩 控制，由d s p 外围电路、电压检测电路、电流检测电路、测速电路、驱动隔离电 路、保护电路、驱动隔离与保护电路的电源电路等组成；被控对象是变频调速三 相异步电动机。 图3 1 直接转矩控制系统硬件结构图 f i g 3 1t h ed i a g r a mo fh a r d w a r ea r c h i t e c u t u r ef o rd t cs y s t e m 离，c , , g t 专- 用变频器研究 3 2 主电路设计 本离心机专用变频器的主电路是要实现将2 2 0 v 5 0 h z 输入的单相交流电源整 流逆变成频率可调的3 8 0 v 输出的三相交流电源，以供电给变频调速三相异步电动 机。主电路采用典型的交直交结构，其电路图如图3 2 所示，由整流电路、滤波 电路、启动限流电路、制动电路和逆变电路组成，2 2 0 v 5 0 h z 交流电输入后，经整 流电路变为直流电，通过控制逆变电路中的开关器件的开通与关断，逆变输出频 率可调的三相交流电到电机。 图3 2 变频器主电路 f i g 3 2t h em a i nc i r c u i to ft h ec o n v e r t o r 整流电路采用不可控二倍压整流电路，输入为单相交流电源2 2 0 v 5 0 h z 时， 倍压整流后最大值为2 x 2 2 0 x 压6 2 2 5 v ，以满足逆变输出3 8 0 v 的要求。被控变 频调速三相异步电动机的额定电流是3 4 a ，为留有足够的裕量，整流二极管选用 不可控整流管d s e l 3 0 1 0 a ，其额定电流为3 0 a ，额定电压为1 0 0 0 v 。 滤波电路是用大电容来实现对整流后直流电压进行滤波。两组5 个4 5 0 v 、 1 0 0 0 9 f 的电解电容分别并联后再串联在一起，其等效为一个9 0 0 v 、2 5 0 0 1 x f 的电 解电容。在图3 2 的滤波电路中，并联在电容两端的是均衡电阻，使串联的电容分 压相同，同时在电源关断时，给电容提供一个放电回路，此电阻阻值选用1 0 0 k q 。 第3 章离心机专用变频器硬什电路设计 启动限流电路的作用是防止变频器通电时，瞬间启动电流过大。其电路图如 图3 3 所示，电路中加入限流电阻是为了减小启动电流，但正常工作时，限流电阻 也会减小电流，不利于变频器正常运行。所以电路中还采用了一个继电器来适时 切断限流电阻，以保证电路正常工作。在对电容充电到8 0 时，切断限流电阻。 r 9 、r 1 0 通过分压对电容进行充电，三极管q 8 的基极电压增加，当达到阈值 时，三极管导通，继电器通电，开关闭合，切除电阻。r 9 、r 1 0 的选取要满足电 压充电到8 0 时，三极管开通。 图3 3 限流电路 f i g 3 3t h ec u r r e n t - l i m i t i n gc i r c u i t 制动电路是为了满足紧急停车的需要，通过能耗制动实现快速停车。制动电 阻提供一个放电的通路，把机械能转化为热能释放，电机转速降低，直流侧电压 降低。直流电压降低到使制动单元关断的值，功率开关管关断。 律； 能耗制动电阻要保证使逆变回变频器的电功率昂c 安全消耗掉。根据欧姆定 尸：u ，：堡 r ( 3 1 ) 离心机专用变频器研究 尺：堕( 3 2 ) 见：j 互蔓一 ( 3 3 ) 、 q 。1 0 5 x t b mx n l mx ql mx n 时v 式中砰制动电阻的计算值( q )