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湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t d o u b l y f e dm o t o rw h i c hi sa l s on a m e da c e x c i t e dm o t o rj sm a d eu po fw o u n d m o t o ra n da c e x c i t e da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m i ti n t r o d u c e st h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n p o w e rf r o mt h er o t o rs i d e ,w ec a nr e g u l a t et h er o t a t es p e e do fm o t o rb yc h a n g i n gt h e f r e q u e n c yo ft h ee x c i t e dv o l t a g e ,r e g u l a t et h ea c t i v ep o w e ro fm o t o rb yc h a n g i n gt h e a m p l i t u d eo ft h ee x c i t e dv o l t a g e ,r e g u l a t et h er e a c t i v ep o w e ro fm o t o rb yc h a n 西n g p h a s eo ft h ee x c i t e dv o l t a g e i t ss p e e dc a nb er e g u l a t e de i t h e ru n d e rt h es y n c h r o n o u s s p e e d o ro v e rt h es y n c h r o n o u s s p e e d i nt h i st h e s i s ,d o u b l y f e ds p e e dr e g u l a t i o ns y s t e r nu s e da c a ct r a n s d u c e ra s a c e x c i t e d1 3 0 w e r , d s pw a su s e da sc o r eo fj t sc o n t r o lp a r t c o n t r o lp a r ta d o p t e ds p e e d l o o p 、c u r r e n tl o o pa n dp o w e rf a c t o rl o o pt oi m p l e m e n tc l o s e dl o o pc o n t r o la c c o r d i n g t o f e e d b a c kc o n t r o li d e a l ,s om o t o r s p e e da n d r o t o rc u r r e n tw e r en e e dt ob e d e t e c t e d d e t e c t i o nv e r a c i t yo ft h e s es i g n a li sd i r e c t l yr e l a t i o n a lt ot h em o t o rc a p a b i l i t y o fs p e e da d j u s t a b l e t h ef u n c t i o no fd e t e c t i o np a r ti sc o l l e c t i n gs i g n a l ,f i l t e r i n ga n d c o n v e r s i o no fv o l t a g e ,t h e nt r a n s m i t t i n ga n a l o gs i g n a l so f0 - - 3 ,3 vt od s pf o ro p e r a t i n g a n dc o n t r o l l i n g i nt h i st h e s i s w eu s e1 6 b i tp o i n t i n gc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aw h i c hi s s p e c i a l l yu s e df o rc o n t r o lo fm o t o r s i g n a l sw h i c hw en e e d e dc o n t a i nv o l t a g ea n d c u 仃e n to fs t a t o r ,r o t o rc u r r e n t ,s p e e do fm o t o r ,p o s i t i o no fr o t o ra n dr o t o rs l i p f r e q u e n c y v o r a g eo fs t a t o rw a sd e t e c t e db ys m a l lp o w e rt r a n s f o r m e r ,c u r r e n to fs t a t o r a n dr o t o rw a sd e t e c t e db yh a i i c u r r e n ts e n s o r , s p e e do fm o t o ra n dp o s i t i o no fr o t o r w e r ed e t e c t e db yd i g j t a le n c o d e r , w h i l er o t o rs l i pf r e q u e n c yw a sd e t e c t e db ys o f t w a r e a r i t h m e t i c ,p h a s eo fe x c i t e dc u r r e n t ( o rv o l t a g e ) w a sd e t e c t e db yv e c t o rt r a n s f o r ma n d c o n t r 0 1 t l l i st h e s i sd e s i g n e da n de x e c u t e dh a r d w a r ec i r c u i to fd e t e c t i o np a r t ,c o n t a i n i n g t w of i l t e r sw h i c hw e r eu s e df o rd i s p o s i n gs t a t o rv o l t a g ea n dr o t o rc u r r e n t ,o u t p u ts i g n a l o ff i l t e r sn e e d e dt oc h a n g ev o l t a g eb ys i g n a lc o n v e r s i o nc i r c u i tb e f o r et h e yw e r es e n tt o d s p i na d d i t i o n ,t h i st h e s i sc o m p i l e dp r o g r a mo fd e t e c t i n gs p e e do fm o t o ra n dp o s i t i o n o fr o t o ru s i n ga s s e m b l yl a n g u a g eo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i na d d i t i o n ,p o l a r i t ya n dz e r oo f e x c i t e dc u r r e n ts h o u l db ed e t e c t e di na c - a ct r a n s d u c e rc h a n g eg r o u pc i r c u i t k e y w o r d s :h a i lc u r r e n ts e n s o r ,d e t e c t i o no fr o t o rp o s i t i o n ,s l i pf r e q u e n c y , p h a s eo fr o t o ri n d u c ev o l t a g e ,e n c o d e r 佩 l 亡工繁火秀 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:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做l :l :l 贡献的个人和集体,均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 挂日期:埘年g 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业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,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。 学位论文作者签名: 孝瑾 日期:k 6 年0 月1 日 指导教师签名:别讲 日期:口年月1 日i 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 双馈调速 第1 章引言 随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节越来越明显地表露出来。出 于换向器的存在,使直流电动机的维护工作量加大,单机容量、最高转速以及使 用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步 电动机,但异步电动机的调速性能难以满足生产要求,于是,从2 0 世纪3 0 年代 开始,人们就致力于交流调速技术的研究,然而进展缓慢。在相当长时期内,直 流调速一直以性能优良领先于交流调速。2 0 世纪6 0 年代以后,特别是7 0 年代以 来,电力电子技术和控制技术的飞速发展,使得交流调速性能可以与直流调速相 媲美、相竞争,目前,交流调速已进入逐步替代直流调速的时代1 。 1 1 1 交流调速技术的发展 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。2 0 世纪7 0 年代以后,功率 晶体管( 6 t r ) 、门极关断晶闸管( g t o 晶闸管) 、功率m o s 场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 等已先后问世,这 些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件,又称全控型器件。它不再 需要强迫换相电路,使得逆变器构成简单、结构紧凑。i g b t 由于兼有m o s f e t 和 g t r 的优点,是用于中小功率目前最为流行的器件,m c t 则综合了晶闸管的高电压、 大电流特性和m o s f e t 的快速开关特性,是极有发展前景的大功率、高频功率开关 器件。电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。8 0 年代以 后出现的功率集成电路( p o w e ri c p i c ) ,集功率开关器件、驱动电路、保护电路、 接口电路于一体,目前已应用于交流调速的智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e i p m ) 采用i g b t 作为功率丌关,含有电流传感器、驱动电路及过载、短 路、超温、欠电压保护电路,实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能 功能,既减少了体积、减轻了重量,又提高了可靠性,使用、维护都更加方便, 是功率器件的重要发展方向。 在变频技术日新月异地发展的同时,交流电动机控制技术取得了突破性进展。 由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统,与直流电动机相比,转矩控制 要困难得多。2 0 世纪7 0 年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制 湖北工业大学硕士学位论文 问题,应用坐标变换将三相系统等效为两相系统,再经过按转子磁场定向的同步 旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之i 自j 的解耦,从而达到刈交流电动 机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流 电动机来控制,因而获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能,j l :创了交 流调速与直流调速相竞争的时代。 近代交流调速的发展方向为:i ) p w m 控制。脉宽调制( p w m ) 型变频器由于具有 输入功率因数高和输出波形好的特点,近年发展较快,其技术关键之一是p w m 调 制方法。p w m 调制方法从原理上说有面积法、图解法、计算法、采样法、优化法、 斩波法、角度法、跟踪法和次谐波法等;2 ) 矢量变换控制。矢量变换控制是一种 新的控制理论和控制技术,它的想法是设法模拟直流机的控制特点来进行交流机 的控制。调速的关键问题是转矩控制问题,直流电机所以调速性能好的根本原因 就在于它的转矩控制容易。按旋转坐标系定向的方法不同可有三种矢量变换控制 系统:转子位置定向的矢量控制系统,按磁场定向的矢量控制系统,按电势定向 的矢量控制系统。另一类矢量控制是滑差频率矢量控制系统,它不需要复杂的磁 通检测和坐标变换,而是在滑差频率控制的基础上通过测速机测出转子角频率, 再通过运算求得滑差角频率和动态滑差角频率,所得之和即表示动态定子角频率, 从而可求得定子电流所需要的瞬时相位角,再控制变频器。在电流型变频器控制 时,推导出异步机转矩的传递函数可完全常数化,故又称为异步机转矩传递函数 常数化控制。还有一种不用坐标变换的直接转矩控制系统,它可直接在静止坐标 系中计算磁通和转矩,分别进行控制具有良好调速性能;3 ) 磁场控制。、磁场 轨迹法。交流机三相对称绕组通过三相对称正弦交流电流时,电机将产生圆形旋 转磁场带动转子旋转。而开关型逆变器只能获得步进磁场,1 8 0 。通电型和1 2 0 。 通电型只能获得六角形旋转磁场,= 者结合起来可得1 2 拍控制( 相当1 5 0 。通电 型) ,获得1 2 边形的旋转磁场。如以这些已有电压矢量为基础,组成适当的主矢 量、辅矢量,它们分别导通不同时间进行p w m 调制求矢量和,则可构成许多新的 中间电压矢量,使之形成逼近圆形旋转磁场,这就是磁场轨迹法控制的基本思想。 这样的逼近圆形转场和一般交流机性能接近,改变旋转磁场的速度即可调节电动 机的转速。、异步机的磁场加速法。磁场加速法是防止励磁电流发生电磁暂态 现象,对电机的定子电流按一定规律进行控制,由于它能消除暂态现象,因此可 以实现象直流机那样的快速响应。按保持气隙磁通或转子磁通不发生暂态现象, 可以推出不同的保持励磁电流i 。无暂态过程的定子电流控制条件,按电流控制条 件去进行抑制就能使异步机磁场加速最快;4 ) 微型计算机控制。近年来交流调速 领域出现了以微型计算机、微处理机为核心的新一代控制系统及单元,并从部分 湖北工业大学硕士学位论文 采用微处理机的模拟数字混合控制向着全面采用微型机的全数字化控制方向发 展,除具有控制功能外,还向着具有多功能( 包括监视、显示、保护、故障白诊 断及自复原等 方向发展。由于要求微机功能不断增多,必然山8 位机向1 6 位机 或更高位机的应用发展。考虑我国8 位机价格远比1 6 位机便曲:,也有采用多台单 板机、多c p u 数字控制系统。看来微型计算机在交流调速拖动中的应用由普遍型 走向单板机,单片机到专用控制机的专业化功能道路势在必行,国内交流调速的 微机控制正向着完善、提高和实用化阶段迈进”1 。 可以期望,在自动控制理论、新型功率电子器件、新型变频技术以及微型计 算机控制技术等理论与技术物质条件的支持下,交流调速技术将发展得更为完善, 应用更为广泛。 1 1 2 双馈电机一交流励磁电机 所谓双馈调速,就是将电能分别馈入绕线式异步电动机的定子绕组和转子绕 组,其中定子绕组的电源为固定频率的工业电源,而接入转子绕组电源的频率、 电压幅值和相位则需按运行要求分别进行调节,因此双馈电机又称交流励磁电机。 它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机本身是绕线转子感应电机或专门 设计的无刷双馈电机。双馈电机是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物, 是机电一体化的高新技术产品。如果改变转子电源电压的频率、幅值和相位,就 可以调节异步电动机的转矩、转速和电动机定子侧的无功功率。这种双馈调速的 异步电动机不但可以在亚同步转速区运行,而且可以在超同步转速区运行,既可 工作在电动状态,也可工作在发电状态,因此双馈调速也叫超同步串级调速1 “埘。 双馈电机作电动机运行可以在各种不同负荷下灵活地调节无功功率和转速, 调速范围达到3 0 5 0 同步转速,显著提高传动系统的效率,有很好的节能效 果。从2 0 世纪7 0 年代开始,国外对双馈电机调速技术进行了广泛的研究,并逐 步在工业领域得到应用,其中应用的比较早并具有代表性的是7 0 年代西门子公司 研制的感应电机双馈调速系统。这个系统中包括有功功率和无功功率两个通道, 有速度调节器、无功功率调节器和转子相电流调节器。前苏联的哈尔科夫电机制 造公司生产的3 1 5 2 0 0 0 k w 各种双馈电机己广泛用于火电站及其他各种交流调速 传动装置中( 如风机、泵等) :2 0 世纪8 0 年代中期前苏联又制造了5 0 m w 水轮双 馈电机和2 0 0 k w 汽轮双馈电机并投入工业运行;日本日立和东芝公司在8 0 年代来 到9 0 年代初研制2 2 m w ,8 5 m w ,4 0 0 m w 的双馈电机并在大型抽水蓄能电站投入使用。 此外,国外对风能电站,潮汐能电站双馈发电机进行研究,还进一步对大功率的 汽轮双馈电机、蓄能电站双馈电机、无刷双馈电机进行深入研究,对系统复杂故 3 湖北5 - 业大学硕士学位论文 障下双馈发电机的运行和控制、更完善的控制理论和方法、性能更好的励磁系统 以及微处理器的和微电子技术在控制系统中的j 衄用进行研究”。 我幽对感应电机双馈凋速的研究始于2 0 世纪9 0 年代,日前有浙江大学、华 中科技大学、湖北工业大学、重庆大学、沈阳工业大学、北京自动化研究院等对 于此技术有一定的研究。其中沈阳工业大学做了一台无刷双馈电机的实验样机进 行研究,研究工作仅限于实验室。1 ;原冶金部北京自动化研究院也研制成功了矢 量控制双馈凋速装置,并已用于首钢轧钢厂:湖北工业大学由导师主持的大中 型泵站电机提速排渍工业试验为电力排灌站研制的超同步调速绕线电机双馈调 速系统装置已完成工业性试验阶段,现f 进行产品开发。就总体情况来说,我国 对双馈电机调速技术的研究与国外相比有较大的差距。 双馈电机具有良好的调速性能、可调节电网的无功和有功功率、效率高、可 改善功率因数和提高电网的稳定性等特点,特别适合于风机、水泵、压缩机等机 械的调速传动,并可很好地解决水电站水头变化大和我国江河泥沙含量大带来的 水轮机发电问题。随着科技的不断进步,条件的进一步成熟,双馈电机必将在我 国得到很好的推广应用。1 。 1 1 3 双馈调速的特点 双馈调速具有以下特点2 1 1 理“2 3 1 1 2 4 1 1 、励磁频率低。转子感应电势的频率f 2 = s f l ,其中s 是转差率,f 1 为电网频 率。由于双馈电机运行时其实际转速一般都接近于同步转速即s 都比较小,使转子 感应电势的频率较低,而双馈电机是从转子侧励磁的,变频器的输出频率即为转 子感应电势的频率,因此采用双馈调速的系统其励磁频率都比较低。 2 、转子侧的功率“可逆”。当双馈调速系统在同步转速以下运行时,这时的 功率关系为:p l = p m + p s ,其中,p ,为电磁功率,即从电网上取得的功率;p m 为转 轴机械功率;p 。为转差功率,p := s p 。由于这时的s o ,p l 0 ,故p i o ,转子侧功率 经过励磁电源回馈给电网;当双馈调速系统在超同步状态下运行时,这时的功率 关系为:p m = p l + p ;。由于这时的s o ,故p s o ,则f 2 o ,转子励磁相序与电机定子侧的相序相同;当双馈调速运行在超同步 状态时,由于s o ,则f 2 0 ,说明 定子同步旋转磁场比转子旋转的快,电机处于低同步运行状态;当1 岫,m s l , 则可能有几个地方出现感应电势为0 ,可任取一个点作为轴线重合点。 第二,在安装编码器的时候使编码器刚好在定、转子相绕组重合瞬间发出“零 位脉冲”( 即z 脉冲) 信号。具体步骤:1 ) 安装编码器使其轴线与电机轴线在同一 直线上,并用示波器y 1 探头接z 端。2 ) 松丌电机转子与编码器之问的轴连接器, 电机不通电,用手转动电机转子到标记的绕组轴线重合点,固定转子不动。单独 转动编码器轴,观察z 端电平变化情况,直到z 端变为低电平为止;紧固轴连接 器,使编码器与电机转子的转动能同步。来回转动电机转子,检验z 端电平是否 能f 好在标记的轴线重合点变为低电平,若有偏差,松丌轴连接器进行微调,直 到二者正对。 通过以上两个步骤即定转子相绕组对轴和编码器对轴来保证当编码器输出 “零位脉冲”时定、转子感应电势的相位相同,也就是使0 l 和0 ,的初始值都为0 。 这里转子转过的电角度0 ,应为转子转过的机械转角的p 倍( p 为电机极对数) , 再把同步旋转磁场转过的电角度0 1 与0 ,作减运算,即得转子感应电势的相位es 。 湖北工业大学硕士学位论文 第6 章结语 本文主要是研究交流励磁双馈电机在我国传统产业电机凋速改造过程中的应 用,主要解决在双馈调速三相励磁系统中信号的检测与转换,需要检测的信号有: 定子电压( 使用小功率变压器检测) ,定子电流和转子电流( 使用霍尔传感器检测) , 电机转速和转子位置( 使用光电编码器检测) 。主要做了以下工作: l 、分析和总结了电力电子器件,双馈调速技术的现状与发展。 2 、双馈调速系统中的矢量控制是通过坐标变换来实现的,而这些变换和运算 都是在d s p 内部进行,本文通过对矢量控制原理和坐标变换运算式的分析说明了 检测部分究竟需要检测哪些信号,为什么要检测这些信号。 3 、介绍了信号检测中需要用到的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 芯片中的事件管理 模块和模数转换部分。 4 、设计了用于定子电压检测的二阶低通滤波电路和用于转子电流检测的一阶 低通滤波电路以及用来处理这些信号的信号调理电路。 5 、编制了用于测量电机转速和测量转子感应电势频率、相位的汇编语言程序。 由于作者水平有限,文中错误与不足之处在所难免,恳请各位专家、教授、 老师批评指正。 湖北工业大学硕士学位论文 参考文献 i 圳崇岳现代交流问速技术 m 机械l 。业山版社,2 0 0 4 2 ( 荚) b i m a k b o s e 蕲,:聪,赵金等泽,现代电力电子学与交流传动 m ,北京:机械 l :业山版社,2 0 0 5 3 唐海源三相异步电动机转于l 乜势的相位分析 j 合肥i :业入学学报, i 9 9 9 2 2 ( 3 ) :1 1 2 一i 1 5 4 林成武朱建光,干风翔基丁8 x c l 9 6 m c 单片机的烈馈【u 机斩波与舣馈调速技术研究 j 电机与控制学报,2 0 0 2 ,6 ( 2 ) :i 1 5 一1 1 9 5 刘群,张杰,廖冬初大中艰电排站“提速增容”方案选择 j 电气传动臼动化增刊, 2 0 0 1 8 6 刘群交流励磁同步l h 机烈馈变频凋速试验,湖北省高等学校1 9 9 8 年科学研究项目计划 任务中请i s ,1 9 9 8 7 7 刘群5 k v 8 0 0 k w 同步机的异化改造试验,湖北省教育厅2 0 0 0 年科学研究计划项目任务 中请is ,2 0 0 0 8 8 廖冬初,刘群,张杰泵站l h 机舣馈阚速控制系统设计 j 湖北l :学院院报,2 0 0 0 9 9 张剑,许镇琳,王天将伺服系统高精度位置检测研究与实现 j 伺服控制,2 0 0 5 1 0 李连贵关于大型交流调速电机的发展问题 j 东方电气评论,1 9 9 1 ,5 ( 3 ) :1 7 4 1 7 6 i i 佟纯厚,国内外交流调速发展的现状利方向 j ,控制与决策,1 9 8 9 ,4 ( 1 ) :4 9 5 5 1 2 马小亮交一交变频交流调速 j 电气传动,1 9 9 1 ,2 1 ( 5 ) :2 - 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