（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器同步电动机调速系统研究应用.pdf

安徽蓬一文学矮1 ：学能论文 a b s t r a c t a cs p e e d a d j u s t a b l es y s t e mo fh i g hp e r f o r m a n c en o to n l yc o n s e r v e se n e r g y , b u t a l s oi m p r o v e st h er u n n i n gp e r f o r m a c eo fh i g h - p o w e rs y n c h r o n o u sm o t o rr e m a r k a b l y a tt h es a m et i m e ，d u et ot h em u l t i l e v e li n v e r t e rc i r c u i t sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e ( f o r e x a m p l e ：l e s so u t p u th a r m o n i c & o n - o f ff r e q u e n c y , e t c ) ，i ts h o u l db et h ep r e f e r r e d s c h e m ew h i c hc o n t r o l st h em a i nc i r c u i to fm i n eh o i s ts p e e d a d j u s t a b l eb yu s i n g f r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h e r e f o r e , t h i sp a p e rw h i c hi sb a s e do nm i n eh o i s tb yu s i n g t h r e e - l e v e l & s y n c h r o n o u sm o t o rd r i v es y s t e m ，a i m m i n ga t t h es t u d i e so ft h e d i o d e - c l a m p e dt h r e e l e v e li n v e r t e rs y s t e mb yu s i n gf r e q u e n c yc o n v e r s i o n f i r s t l y ，s y n c h r o n o u sm o t o rs p e e dc o n t r o lt e c h n o l o g y , m u l t i l e v e li n v e r t e ro ft h e s t a t u sq u o ，c o n t r o ls t r a t e g i e s ，酗w e l l 酗t h ei n v e r t e rc i r c u i tt o p o l o g y ，a n ds oo nw e r e r e v i e w e di nt h i sa r t i c l e o nt h i sb a s i s ，f o c u s i n go nt h et h r e e * l e v e ls t a t i ci n v e r t e r c o o r d i n a t es y s t e ma n dn o n - o r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e mo fs v p w ma l g o r i t h mw e r e a n a l y s i s e da n ds i m u l a t i o n e d a tt h es a m et i m e ，i tw a sd i s c u s s e d i nd e t a i lt h e t h r e e l e v e li n v e r t e rm i d p o i n to ft h ep o t e n t i a lh a z a r d sa n dw a v e ，a sw e l l 褐t h e m e c h a n i s ms o l u t i o n , a n dg i v e sam a t h e m a t i c a ls o l u t i o n b a s e do nn o n o r t h o g o n a l c o o r d i n a t es y s t e mo ft h r e e l e v e li n v e r t e rs v p w mc o n t r o ls t r a t e g yrf o rs i m u l a t i o n , s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r eg i v e n , 猫w e l l 勰t h em i d p o i n tp o t e n t i a lw a v e f o r m f i n a l l y ，o n a t r i po fr n i n eh o i s tc o n t r o lf e a t u r e sa n dt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s , g i v e nt h es p e e do f a n a l y s i so f t h ew a y ，c o n t r a s ta n d s p e e dc l o s e d - l o o ps p e e d c o n t r o ls y s t e mo na c o m p l e x c o n t r o lt h e o r ym e a n si nt h e p r a c t i c e i nt h i sp a p e r , u n d e rt h ep e r - u n i tv a l u eo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e n e s t a b l i s h e di nt h es y n c h r o n o u sm o t o rd qc o o r d i n a t es y s t e m o nt h eb a s i so ft h es p a c e v e c t o ro ff i x e ds y n t h e s i z i n gv e c t o r sw h i c ht h ep r e - r e s e a r c h e rh a sb r o u g h tf o r w a r d ，t h i s p a p e rh a se x p l o r e dt h et h r e e l e v e l & s y n c h r o n o u sm o t o rd t cc o n t r o ls t r a t e g y e l e m e n t a r ya n db u i l d e dt h es y s t e md e s i g nf i g u r e 勰aw h o l e ，c o m b i n i n gw i t ht w o l e v e l d t cc o n t r o lm e t h o d a n d ，t h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i v em o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d , w h i c hw a sc o n f i r m i n gt h ev a l i d i t yo fa c a d e m i cp r o d u c t i o n f i n a l l y , i th a sa l s od e s i g n e d a n ds t u d i e dt h es y s t e m sk e yt a c h e ss u c h 弱i n v e r t e r , e x c i t a t i o nr e c t i f y i n gd e v i c ea n d m a i nc o n t r o lf i b r e - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，c o m b i n i n g 谢攮a c s 6 0 0 0h o i s td r i v e 珏 a b s t r a c t t h r o u g ht h ed e b u g g i n gs o f t w a r ed r i v e w i n d o w s ，l o c a t ed e b u g g i n gh a sb e e nc a r d e d t h r o u g h c o n t r a s t e d 丽廿ll o c a t ed e b u g g i n gw a v e f o r ms h a p e ，i ta l s oc o n f i r mt h e c o r r e c t n e s so ft h eg i v e ns i m u l a t i o ns c h e m ew h i c ht h i sp a p e rh a sd o n e i th a sa l s o s u g g e s r e dt h a tt h ed r i v es y s t e mw o r k e dr e l i a b l ya n ds a t i s f i e d 、析t ht h em a n u f a c t u r e c r a t t w o r k sd e s i r e f i g u r e 【6 6 】t a b l e 【14 】r e f e r e n c e 【5 6 】 k e y w o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r , s v p w m ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s y n c h r o n o u sm o t o r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 2 7 3 i i i 独创性声明 本人声明所里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注和致谢的地方 以外，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 为获得塞擞理墨太堂或其他教育机构的学位或证书面使用过 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。 撇黼张耻吼节月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡墨太堂有保留、使用学位论文的 规定，帮：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于立 筮理墨太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可 以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：张委 签字日期：力咿易月彳日 导师签名：韶砂陟签字嗍孑年参日 弓l 言 引言 随着国民经济的发展，逆变器的应用越来越广泛，其发展的动力主要表现在 以下几个方面：交流电机调速理论的发展、新型大功率电力电子器件的产生、新 型变频技术以及微电子技术的应孀，并且随着交频器在高噩大功率系统中的应用 越来越广泛，三电平逆变器越来越受到人们的重视。 以高压i g b t 、i g c t 为代表的性能优异的复合器件的迅速发展和相应的各种 p w m 控制算法不断深入研究，使多电平结构得以逐步走向应用化。在大容爨交流 调速领域中，同步电动机有转速乎稳以及机械效率高等优点，又以其可以在超前 功率因数下工作，向电网输送超前的无功功率，提高大型工矿企业的供电系统功 率因数，而成为大型工矿企业中固定转速运行的大型机械的酋选，特别是在矿井 提势机中的应用。 目前，矿并提升机调速系统主要采用交一交变频调速，国内已有定型应用产品。 交交变频调速的优点是只用一次变流，效率较高，可方便地实现四象限工作，低 频输出波形接近正弦波。但它的接线复杂，受电两频率和交流电路脉波数的限制， 输入功率因数较低，输入电流谐波含量大、频谱复杂。随着大功率开关器件i g c t 的应用，大功率三电平一同步电机交直交变频调速控制成为可能，它不仅使系 统接线简化，输入功率因数提高，输入电流谐波大幅度降低，而且可以实现更先 进的控制策略。我国疆翦所采用的大容量交直交变频提升控制系统主要依赖进 口。但这些全套引进的系统普遍存在着技术封锁，系统维护困难，备件成本高， 初期投资大等问题。 为了打破大型主并提舞机传动装备一直依赖进口的局面，为我国新建矿并电控 提升系统的改造和产品的国产化提供理论和技术支持。本论文对主井提升大功率 同步电动机变频调速系统进行深入系统的研究，形成相对完整的主井提升同步电 动枫调速理论穗完善的三电平一同步电祝变频调速控制策略，力煤矿安全生产提 供技术保障。 l 绪论 1绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，我国在矿井提升机变频调速技术方面的开发和应用方 面有了较大的发展，但是和发达国家相比还有一定差距。国内的调速装置多数为 晶闸管( s c r ) 直流电动机调速。此类系统制造技术已经成熟，但是直流电动机 造价高，制造工艺复杂，维护工作量大，s c r 对电网污染严重，从发展的趋势来 看，直流电动机正逐步被淘汰。在大功率交流调速系统方面，国内也做了大量的 研究工作，并研制成功了一些国产的交流调速装置。但是存在的主要问题是大多 数装置采用s c r 交交变频调速，成本高装置复杂等等缺点。 1 1同步电动机变频调速技术概述 在调速系统中，直流调速系统虽然历史悠久，技术成熟，但由于直流电动机 的固有缺陷，必然被交流调速系统所代替。与异步电动机传动系统相比，有竞争 能力的当属同步电动机传动系统，它已引起了人们的极大兴趣，在电气传动领域 中占有很大比重。从国内外研究和国内引进设备来看，同步电动机调速系统越来 越受到电气传动专家、学者、工程技术人员的广泛重视。 1 1 1同步电动机变频调速的优点 同步电动机在结构上要比异步电动机复杂，但比直流电动机简单。同步电动 机的容量和直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小、 容易维护等优点，并且可以做到大容量、高转速和高电压。和异步电动机调速系 统相比，它具有功率因数高、转子参数可测、效率高、定转子间气隙大、控制性 能好等方面的优势。另外，负载换向的同步电动机调速系统不需要专门的换向电 路，控制系统简单，在原理上、性能上类似于直流电动机调速系统，并且可做到 大容量l l l 。 1 1 2 矢量控镧 矢量控制实质是将交流电动机等效直流电动机，将三相坐标下的定子交流电 流通过磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流，相当于直流电 动机的励磁电流和电枢电流，而后模仿直流电动机的控制方法，分别对速度、磁 安徽理_ t 人学硕i ：学位论文 场2 个分量进行独立控制，实现j 下交或解耦控制。然而在实际应用中，转了磁链 难以准确观测，以及在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性， 使其应用难度加大。矢量控制可以从零转速起进行速度控制，即低速也能运行， 调速范围宽广；可以随转矩实行精确控制：系统的动态响应速度非常快：i 乜动机 的加速特性很好。但控制性能受电动机参数变化的影响是其主要缺点即鲁棒性能 差。 1 1 3 直接转矩控镧 直接转矩控制着眼点于转矩控制以得到快速的转矩响应，因此其磁场定向所 用的是定子磁链，在最直接的定子坐标系下进行磁链和转矩的控制，一般只要知 道定子电阻和电感，而转子电阻受温度影响变化较大，从而影响了解耦的精度。 对于直接转矩控制而言，转子参数变化仅表现为状态干扰而非参数干扰，这种干 扰很容易通过闭环控制予以克服。另外，定子电阻的变化也是比较容易补偿的。 所以对二次参数而言，直接转矩控制系统本质上是鲁棒性的。直接转矩控制以转 矩和磁链的独立跟踪自调整并借助于转矩的b a n d b a n d 控制来实现p w m 控制策 略和高动态性能，所以直接转矩控制系统的逆变器成本较低，而且效率较高【2 l 。 1 2 同步电动机变频调速的现状及发展 1 2 1 多电平逆变器的现状及发展 多电平逆变器是在中点钳位型( n p cn e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 逆变器的基础上 发展起来的。它的基本思想是有多个电平来合成电平阶梯波，以逼近正弦输出电 压。电平数越多输出越接近正弦波，谐波成分越少。若通过无穷多个电平合成， 理论上讲多电平逆变器的输出可以实现正弦波，输出谐波为零，这只是理想情况， 在实际应用中是很难做到的，这是由于受到硬件和软件条件的制约1 3 1 1 4 1 1 5 】。 随着g t o 、i g b t 、i g c t 等大功率可控器件容量等级的不断提高，以及以 d s p 为代表智能控制芯片的迅速普及，关于多电平逆变器的研究和应用才有了快 速的发展。应用领域从最初的d c a c 变换，如大功率电动机驱动；拓展到a c d c 变换，如电力系统无功补偿，和a c d c a c 变换，如超导储能；再到近期的d c d c 变换，如高压直流变换，多电平p f c 等等。电力系统中的无功补偿和高压直流输 电以及高压大电动机变频调速是目前多电平逆变器应用的主要领域。 2 1 绪论 由于多电平逆变器在输出相同的电压波形的情况下，开关器件电压应力大大 减小，工作频率大为降低，所以可以克服两电平高频p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 逆变器驱动中的种种l u 】题，其代价是所需要的功率器件较多，因而它更适合于大 电动机驱动，如文献【6 】l f 一提到将二极管钳位五电平逆变器成功的用于2 2 m v a ， 7 4 6 k v 的大容量片步f 乜动机的驱动，仿真和实验结果表明，该方案在电动机转速 范围，动态响应时f j 希j 允许转矩纹波方面都达到了令人满意的程度。文献【7 】阐述 a b b 公司生产的a c s 6 0 0 0 变频器系统已成功用于煤矿主井提升机上，其驱动电 机为4 0 0 0 k w 同步电机，采用d t c 方案，输出额定频率为7 2 5 h z 其调速性能及 节能效果远大于a c a c 变频器驱动的同步电机传动系统。该方案以大型煤矿主井 提升机变频调速系统，即变频器加同步电机为基础，对大型同步电机d t c 系统进 行了剖析和实际测试。采用a c s 6 0 0 0 驱动同步电机的提升机交流调速系统，其稳 态调速精度小于0 0 5 ，空载定位精度大于等于1 0 m m ，重载定位精度小于等于 2 0 m m ，完全可以满足矿井提升机的工艺要求。运行实践证明，该系统性能良好， 提升效率明显高于同类型设备，能耗大幅度下降。 1 2 2p w m 控钥技术分析 1 9 6 4 年德国的a s c h o n u n g 等学者率先提出了脉宽调制变频【8 1 1 9 1 的思想，他们 把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频。用这种技术构成的p w m 变频器 基本上解决了常规六拍阶梯波变频器中存在的问题，为近代交流调速系统开辟了 新的发展领域。随着全控型快速半导体自开关器件的发展，p w m 控制技术得到 了快速的发展。p w m 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输 出得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要 的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的 大小，也可改变输出频率。p w m 控制技术仅用一组就具有调压功能和谐波控制 能力，由于它具有输出接近正弦波和输入功率因数高的特点，所以无论对于交流 调速还是间断电源等都极为难得，它有利于简化结构，改善性能和提高效率。由 于上述原因，p w m 技术颇引人注意，人们对p w m 技术进行了深入的研究，得到 了许多改进的p w m 方法。 1 正弦波调制( s p w m ) 控制技术 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高的多的等腰三角波 作为载波，且用频率和期望波形相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交 3 安徽理工人学硕l ：学位论文 时，由它们的相交点来确定开关器件的通断时刻，从而获得等幅不等宽的矩形波 即s p w m 波。s p w m 的目的是使变频器输出的电压波形更接近正弦波，减少谐 波，以满足负载的需要。正弦波调制技术在实际工程上应用比较广泛，已经有多 种专用集成电路芯片作为s p w m 信号发生器。然而由于电力电子器件本身的开关 能力有限，因此在应用脉宽调制技术时要受到一定条件的制约。 2 消除指定次数谐波的p w m ( s h e p w m ) 控制技术 s h e p w m 控制技术的目的是消除不允许存在的或者是影响较大的某几次谐 波，如5 、7 、1 1 、1 3 等低次谐波，进而构成近似正弦的p w m 波形。s h e p w m 控制技术通过大量的数值计算能够消除所指定的低次谐波，但是更高次谐波却可 能增大，另外消去低次谐波的计算量大、求解方法复杂且对应于不同基波频率有 不同的基波电压幅值，求解出的脉冲开关时刻也不一样，所以这种方法不宜用于 实时控制。 3 电流滞环跟踪p w m ( c h b p w m ) 控制技术 对于交流电动机来说实际上要保证的应该是正弦波电流，只有在交流电动机 中通过三相平衡的正弦电流才能使合成电磁转矩恒定，不含脉动分量。c h b p w m 控制技术能够实现闭环跟踪，保证逆变器输出电流波形为正弦波，比电压开环控 制能够获得更好的波形i l 。但是电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还 受电力电子开关器件允许的开关频率制约。当滞环宽度选择较大时，虽然降低了 开关频率，这样会造成电流失真较大，谐波分量较大；如果滞环宽度选择较小， 电流波形较好，却使开关器件频率增大。只有在电机堵转且在给定电流峰值处才 能使开关器件达到最高开关频率，在其他情况下的允许开关频率都未得到充分利 用。 4 电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制技术 空间电压矢量( s p a c ev e c t o rp w m ) 法和载波调制等方法不同，它是从电动机的 角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相 对称正弦电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式 所产生的实际磁通去逼近基准圆形磁通，出它们比较的结果决定逆变器的开关， 形成p w m 波形。由于它把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得的模型简单， 便于微机实时控制，并且具有转矩脉动小，噪声低，电压利用率高的优点，因此 目的无论在开环控制系统还是闭环控制系统均得到广泛应用。 4 1 绪论 1 3 多电平逆变器直接转矩控镧 电机直接转矩控制技术由德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授和同本长岗技 术科学大学的i s a ot a k a h a s h i 教授于1 9 8 5 年分别提l t l t 1 1 2 i 。d t c 具有结构简单、 转矩响应快以及参数鲁棒性好等优点，但是却存在轿低速) i ：荚频率低、开关频率 不固定以及转矩脉动大等问题，限制了它在低速区的应j f j 。针对上述问题，各国 学者从各个方面对其进行了全面的研究，提出了各种提高了f ：关频率、固定开关频 率以及减小转矩脉动的方法。例如，基于空问矢量调制的无差拍控制方法【1 3 1 ，基 于几何图像的无差拍控制【1 4 1 ，转矩或磁链的跟踪预测方法i 。5 儿1 6 1 1 17 1 ，离散空间矢量 调制方法【1 8 1 ，注入高频抖动提高开关频率改善低速性能的d t c 方案等【1 9 】，基于 d t c 的无速度传感器技术也进行了深入的研究1 2 。至于如何将直接转矩控制技术 应用在多电平逆变器上，近几年来受到越来越多学者的关注，主要研究方向为g 1 ) 直接转矩控制如何在特定的多电平拓扑结构上实现。 2 ) 如何在保证控制性能的前提下，降低器件开关频率。 3 ) 无速度传感器技术在高压大功率交流调速系统中的应用。 目前，针对三种主要的多电平拓扑结构都有学者提出了d t c 方案。文献 2 1 】 针对四电平电容钳位式逆变器提出限制开关频率的d t c 方案，文献【2 2 】针对1 l 电平的级联型逆变器也提出了类似方案。这两种方案中由于空间电压矢量选择的 自由度比较大，都是通过尽量选取离当前电压矢量最近的电压矢量的办法来优化 电磁转矩和磁链幅值的脉动。而二极管钳位式多电平逆变器由于结构简单，控制 灵活，可以实现高性能的调速，被认为是现阶段实施d t c 方案的最优载体【2 3 1 。 有关二极管钳位式多电平拓扑特别是三电平拓扑的d t c 方案是目前研究比较多 的，也是唯一做到产品化的采用d t c 的拓扑。文献【2 4 】在传统的三电平查表法基 础上，提出了改善低速性能的三电平d t c 方案，而文献 2 5 】在此基础上提出了减 小转矩脉动的方案，限制开关频率的三电平d t c 策略也有学者提出i 2 6 1 。另外三 电平二极管钳位式逆变器存在着中点电压平衡问题，a b b 推出的三电平d t c 产 品a c s 6 0 0 0 提出了采用合成矢量并采用硬件钳位方式1 2 7 1 ，对每个桥臂都设置一 个钳位电路来稳定中点电位。三电平n p c 逆变器结构简单，竞争力强，而将d t c 方案应用其上的研究有一定的现实意义。 1 4 本文研究的主要内容 本文以矿井提升机三电平同步电动机驱动系统为研究背景，把二极管钳位型 安徽理丁人学硕i ：学位论文 三电平逆变器供电的同步电机矿井提升变频调速系统作为主要研究课题。从三电 平逆变器主电路的原理、三电平同步电动机s v p w m 控制策略等几个方面来研究 和论述。 1 查阅国内外同步电动机、三电平逆变器等方面的大量资料，对三电平逆变 器同步电动机控制策略进行了深入的学习和研究。 2 分析了多种三电平逆变器的特点，选择本课题采用的二极管钳位三电平逆 变器； 3 通过对二极管钳位型三电平逆变器s v p w m 控制原理进行了深入的研究 与分析，对静止坐标系三电平s v p w m 算法和非正交坐标系s v p w m 算法进行仿 真，将两者算法优缺点进行比较，确定采用非正交坐标系s v p w m 算法驱动逆变 器。 4 对二极管钳位型三电平逆变器的中点电压偏移问题详细分析，并结合电压 空间矢量对中点电压的影响，从空间矢量调制的角度深入讨论了三电平逆变器中 点电压平衡问题。 5 以矿井提升机驱动系统为研究对象，详细分析了空间矢量调制型三电平同 步电动机直接转矩控制策略，建立了系统总体设计框图、三电平同步电机的仿真 模型。通过仿真实验与实测波形比较，验证研究的正确性。 6 2 凸极同步电动机数学模型的建立 2 凸极同步电动机数学模型的建立 2 1 凸极同步电动机的基本结构 同步电动机的转子按其磁极形状可以分为隐极式和凸极式两种机构型式。凸 极同步电动( 如图1 所示) 机定子上装有空间对称分布的三相绕组。凸极同步电 动机转子有明显的磁极，气隙不均匀，造成直轴( d 轴) 磁阻小，与之垂直的交 轴( g 轴) 磁阻大，因此两轴的电感不等。另外转子上装有励磁绕组和阻尼绕组， 励磁绕组由直流供电，阻尼绕组为多导条的短路绕组。 图1 凸极同步电动机基本模型示意图 f i g 1t h es k e t c hm a po fs a l i e n t - p o l es y n c h r o n o u sm o t o r 2 2 凸极同步电动机的数学模型 为分析方便，忽略磁路饱和、磁滞和涡流的影响以及导体的趋肤效应，并不 考虑温度及频率对参数的影响；转子阻尼绕组等效为直轴和交轴两个独立的阻尼 绕组，且转子结构对直、交轴对称。 如图2 所示参考坐标系，筇坐标系为定子静止坐标系，口轴与定子相绕组轴 线重合；面坐标系是固定在转子上的旋转坐标系，踟与转子直轴重合。其中以为 口轴与踟之间的夹角，即转子旋转的电角度。m t 坐标轴为固定在定子上的旋转 坐标，定子励磁磁链的方向为m 轴的正方向。图中，y 。为定子磁链；u 。和f 。分别 为定子三相电压和三相电流的合成电压矢量和电流矢量；m 轴正方向与跏的夹角 9 定义为转矩角，在忽略定子电阻的前提下，9 即为功角。电动机稳态时，定、 转子磁链均以同步速度国，旋转，在恒定负载的情况下该夹角为一恒定值；瞬态时， 7 安徽理_ t 人学硕1 ：学位论文 转矩角随竹定、转子磁链旋转速度的不同而不断改变。 ：7 图2 同步电机定、转子参考坐标系 f i g 2s y n c h r o n o u sm o t o r ss t a t o r & r o t o rr e f e r e n c ef l a m e 同步电动机基于a b c 自然轴系的数学模型为含有时变系数的微分方程，十分 复杂。可利用电机坐标变换理论，对同步电动机自然坐标轴系的基本方程采用文 献 2 8 1 的坐标变换，进行旋转变换。使电动机阻抗矩阵对角化，消除定子绕组相 间的静止耦合及定子与转子绕组之间的旋转耦合。采用轴系砌进行旋转变换，可 获得惯用的同步电动机由轴系数学模型。 1 磁链方程 经过由变换后，磁链方程如下： v | vd d y 脚 厶 0 o 0 厶 0 0 o l f m 呀 o m 由 o m 1 1 ) l 叫 0 o o 0 b 0 z ， l d d b ( 2 - 0 其中切为等效两相定子绕组d 轴自感；等效两相定子绕组g 轴自感：三厂励 磁绕组自感；三州轴阻尼绕组自感；州轴阻尼绕组自感；m a y , 舰d 、尥q 分别为定子一相绕组与励磁绕组、d 轴阻尼绕组、g 轴阻尼绕组间互感的幅值。 由上式可以看出，经过由变换，新的电感矩阵具有如下特点： ( 1 ) 定子和转子所有的自感、互感都为固定的常数。 ( 2 ) d 、q 轴之间因相互垂直而解耦，所有d 轴和q 轴绕组间的互感都变成o 。 ( 3 ) 定子与转子绕组间的互感不可逆。 8 巧 m 膨 m 一一据愿 2 凸极同步电动机数学模型的建沈 因此，由变换后的磁链方程大为简化。 2 电压方程 经过由变换后，定子电压方程如下： 蚴= 耽一g q r a r + 咫屯1 = 觑+ q + r j 转子电压方程如下： u f = w f + r 九 0 = 烈_ ，| 垃+ r | i 嘲、 0 = p g l x t + l 写成矩阵形式如下： 吁 0 0 琏+ 厶p 厶q = l3 2 m , 矿p 3 2 m , 吐j p 0 q 足+ l q p 0 o 3 2 m 蛔p m 可p m r r f + l f p m p , p 0 m 啦p m o c o r m p , p + l o a p 0 白 0 l f b b ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 可以看出，在w r 为常数和不计饱和的情况下，由d 坐标轴系中的电压方程已 变成线性常系数微分方程。 3 电磁转矩方程 经过由变换后，电磁转矩方程如下： 1 乏= ( 一屯) ( 2 - 5 ) 运动方程仍然保持自然坐标轴系下的表达形式。 2 3 由轴系中同步电动机的数学模型 在砌变换后，由于同步电动机定子与转子问的互感不可逆，给计算和建模带 来困难。因此需要采用标幺值，以便选择适当的基值后，使这些互感的标幺值变 成可逆1 2 9 1 1 3 0 1 1 3 。 标幺值的确定，关键在于基值的选择。选择基值时应注意： ( 1 ) 标幺值表示的磁链方程、电压方程、转矩方程能够保持用实际值表示的 形式不变。 ( 2 ) 用标幺值表示时，定子d 、q 轴绕组与转子绕组间的互感应可逆。 同时为了标幺值表示的方程能够保持原来的形式不变，在选定绕组的基值时， 9 嚣。“ 一 墨 安徽理t 大学硕i ：学位论文 应保持以下等式【3 2 】【3 3 】： 电压的基值= ( 电流的基值) x ( 目i 抗的基值) 功率的基值= ( 电压的基值) x ( i 乜流的基值) 磁链的基值= ( 电感的基值) ( i 乜流的基值) 电抗的基值= ( 角频率的雎值) x ( 电感的基值) 时间的基值= 1 ( 角频率的琏值) 2 3 1 定子基值的选择 1 ) 定子相电流的基值毛一定子额定榭i 乜流的幅值； 2 ) 定子相电压的基值一定子额定栩电压的幅值； 3 ) 定子功率的基值瓯一瓯= 1 5 ； 4 ) 定子阻抗的基值乙一z 6 ：争； 5 ) 角频率的基值一魄= 2 万厶，其中厶为额定角频率； 6 ) 时间的基值一，6 。，即以基准角频率旋转l 电弧度所需的时间； 7 ) 定子电感的基值厶一厶：孚： 8 ) 定子磁娃的基值一= 等等瑚； 纨魄 9 ) 机械角速度的基值瓯一q 。= 堕； 1 0 ) 转矩的基值瓦一瓦2 壹。 2 3 2 转子基值的选择 转子时白j 基值与定子时间基值相同。为使定子d ，g 轴绕组与转子绕组臼j 的互 感标幺值变成可逆的，转子各绕组的基值电流和基值电压的乘积要满足一定的约 束条件。以无阻尼绕组的情况为例。设励磁电流的基值为枷，励磁电压的基值为 。 令： l 2 寺，k2 去( 2 - 6 ) 由励磁电流驴在定子d 轴绕组中所产生的互感磁链的标幺值为 1 0 2 凸极同步电动机数学模型的建诳 = 等= 等= 箦叫。 节hl d hl h i c l f i 式中蚴为励磁绕组与定子d 轴绕组问互感的标幺值， m i = 鼍 由定子d 轴电流切在励磁绕组f 中所产生的互感磁链标幺值为 = 箦：甏= 警毛叫。 l pmv b | k 酊l b l b 式中蚝为定子d 轴绕组与励磁绕组间互感的标幺值， m ：兰l m _ i o k 一, 矿 为使这两个互感的标幺值可逆，即蚝= ，应使 b = 吾 亦吼扣如= 主吼。 同理，要使定子d 轴、g 轴与阻尼绕组之间互感的标幺值成为可逆，励磁绕 组与d 轴阻尼绕组之间的互感标幺值亦可逆，即使 m 曲= m * d a ；m 刃= m 国；m f o = m 万 ( 2 1 2 ) 则直轴和交轴阻尼绕组的基值电流比、和基值电压比毛d 、的相应 乘积应当等于2 3 。 式( 2 1 2 ) 说明为使定子d 轴和励磁绕组之间的互感标幺值可逆，必须满足： 励磁绕组的基值功率必须等于定子绕组基值功率，则： 1 ) 励磁电压基值u 加u 加= 1 5 善 协 2 ) 励磁绕组磁链的基值一= 1 5 如。 3 ) 励磁电感的基值三西一：j 坚。 4 ) 励磁阻抗的基值z 庙一z 庙= ! 。 纵轴和横轴阻尼绕组的电压基值、磁链基值、电感基值和阻抗基值可同理导 出。 力 缈 叻 d 一 - -l q q q 厶 厶 ，- 、，- ， 转动惯量的标幺值，：! 等，式中风为电动机的极对数。 p qo h 惯性常数日：生。h 的含义为：在外加转矩为基值转矩的驱动下，当旋转目t 尼系数为0 ，转子转速从0 均匀上升到基值转速所需要的时间【3 4 1 。 2 3 3d q 轴系同步电动机的数学模翌 1 定子电压方程 把由坐标系下定子的电压方程除以定子电压的基值蜘，同时考虑到 5 2 乙毛，可得到定子电压的标幺值方程： ”d + = 等一玎+ r s * ol ( 2 1 3 ) ”q = 等+ 疗+ rs * i q * 把面轴下转子的电压方程除以转子各绕组的基值电压，同时考虑到 = = 如，i d b = y 伪= ，孙= = 妨，可得到转子电压 的标幺值电压方程： “：誓+ 亏 1 2 盲榔f 、l o ：掣+ 如毛 d t o ：墼+ 砥厶d t “1 ( 2 - 1 4 ) 2 磁链万杜 把由坐标系下定子磁链的矩阵方程的上两行除以定子磁链的基值，同时 考虑到= 厶= 厶k 磅= 厶k = 厶锄，可得到定子磁链的标幺值方程： 以= 龋+ 孵+ 圪毛l ( 2 - 1 5 ) 虻= 艺+ 心磊j 其中 、 艺2 罢小每 i 协 坞= 鲁吉，虬= 鲁去，肘二= 等去j 同理可得转子磁链的标幺值方程o 1 2 2 凸极脚步l 乜动机数学模型的建证 其中 篡二瓣 q一17)+ca y k = 肘艺+ 毛岛 ( 2 - 缈；= 吒艺+ 略乞j 蚶：半蝣等等w ：挚 咏警哪：警 = 等，= 每，岛= 生 q b ( 2 1 8 ) 通常，转子功率基值满足与定子功率基值相等这一约束条件，所以通过式 ( 2 。1 6 ) 和式( 2 1 8 ) ，可得定转子绕组f j 的互感的标幺值是可逆的。 3 励磁电流基值的选择 本文采用肠标幺值为基准。妇基准是指励磁绕组通入基值电流如时所产生 的定子互感磁链蝴西，等于定子三相绕组通入对称的直轴基值电流拓时所产生的 直轴电枢反应磁链厶旃。 即 蚴妇= k 毛 ( 2 1 9 ) 磅= 善l t , = 鲁 类似的可以定义直轴和交轴阻尼绕组的基值电流锄和i e b ，即 ：善：争( 2 - 2 1 ) = 丢= 鲁 1 l l 口d 由此可见，在杨基准下 1 3 安徽理t 人学硕 ：学位论文 = 鲁吉= 鲁茜钉甜 = 鲁去= 鲁乞2 l m 。= 警去= m a dl a d ? 2l 磁 ( 2 2 3 ) 此外，在基值角频率下，国= l ，电感的标幺值与相应的基值角频率下电抗 的标幺值相等，即 五= 国r = r ，= 缈m = m ( 2 - 2 4 ) 因此在x a d 基准下 x a f * = ：g k a d * = l q 乏5 ， x 蠢= x 、 由上式可知，定转子绕组间纵轴互感电抗的标幺值与纵轴电枢反应电抗的标 幺值相等；定转子绕组间横轴互感电抗的标幺值与横轴电枢反应电抗的标幺值相 等。综上可得，基于x a d 标幺值系统的凸极同步电动机以电流为变量的动态方程 如下： 蚴 t f 0 0 g0 0 o0 o0 o0 0 一0 e 0 乙 oo 0 0o0 000 0 - c 乙0 o0 0 0 0o + 丘0 乞厶0 0 00 屯0 f d 0 乙0k 毛0 0 00 赢 ( 4 2 6 ) 式中幻一等效两相定子绕组d 轴自感，厶= 厶。+ k ；幻一等效两相定子绕组q 轴自感，厶= k + k ；k 一等效两相定子绕组的漏感；k 矗轴定子与转子 绕组间的互感；k g 轴定子与转子绕组问的互感；一励磁绕组自感， 0 = + ；0 ，一励磁绕组漏感；三d _ 吲轴阻尼绕组自感，厶= + k ；岛 1 轴阻尼绕组自感，岛= + ；k _ d 轴阻尼绕组漏感；。q o - g 轴阻尼 1 4 ；0；00；kbb0一_kb o o o o 砬 o o o o o o 0 0 一b一一_bb 2 凸极旧步电动机数学模型的建立 绕组漏感；国一电动机转子转速。 2 4 同步电动机的仿真模型 由2 3 节推理可以建立同步电动机标幺值仿真模：，l ! ! ，如罔3 所示，该模型是 以电流为变量建立的。它主要有六部分组成：电压变换模块、计算电流部分、计 算磁链部分、计算电磁转矩部分、计算转速部分以及计算定予电流部分。 图3 同步电动机的仿真模型 f i g 3s i m u l a t i o nm o d e lo fs y n c h r o n o u sm o t o r 1 5 安徽理工人学硕i 二学位论文 3 三电平逆变器及其控制方案 传统的两电平逆变器的主要优点是主电路拓扑结构、控制策略和控制方法都 比较成熟，但在大功率运用中存在许多问题：需要笨重、耗能、昂贵的变压器。 为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗，而为了适应 高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路，均压电路使系 统复杂化、损耗增加、效率下降。1 9 7 7 年德国学者h o l t z 首先提出了三电平的概 念，并利用开关器件来辅助中点钳位得到了最初的三电平拓扑的变换器。在其基 础上，1 9 8 1 年日本学者南波江章( a j u r a n a b a e ) 教授提出二极管钳位的三电平电 路l 引，它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。 3 1 三电平逆变器电路拓扑结构 3 1 1 多电平逆变器的分类 在两电平逆变器的基础上，经过多年的研究开发出几种主要的多电平变换器 拓扑结构，主要分以下两种：一种为单一直流电源的钳位型变换器拓扑，包括二 极管钳位型( d i o d ec l a m p e d ) 、电容钳位型( c a p a c i t o rc l a m p e d ) 以及在此基础 上发展出的通用型拓扑，还有层叠式多单元拓扑( s t a c k e dm u l t i c e l l ) 。第二种为 独立直流电源的级联型拓扑( c a s c a d e di n v e r t e rw i t hs e p a r a t e dd cs o u r c e ) 。现将 现有的多电平变换器作如下分类，如图4 所示。 多电平 c d c 变沥器拓扑 基本单元串一并联li 培本堆，i 二，f ：一申联( 绂连掣) 徘雏吲i 誉 图4 多电平变换器分类图 f i g 4c l a s s i f i c a t i o no fm u l t i l e v e lc o n v e r t e r 除上述