（电力电子与电力传动专业论文）移动式空调变频控制系统研究.pdf

移动式空调变频控制系统研究 a b s t r a c t v a r i a b l ef r e q u e n c ya i rc o n d i t i o n e rb e c o m e sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e o fc o m f o r t a b i l i t y ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g ht e m p e r a t u r ec o n t r o la c c u r a c ya n ds o o n t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fi t sc o n t r o l l e ri sv i t a l l yi m p o r t a n t t h ea p p l i c a t i o no f m o v a b l ev a r i a b l ef r e q u e n c ya i rc o n d i t i o n e ra i m sa ts o m es p e c i f i cp l a c e ss u c ha s c o m m u n i c a t i o nc e n t e r ，o i lr i ge l e c t r i c a lc o n t r o lc e n t e ra n dm i l i t a r yc o m m a n dc e n t e r p o w e r e db ym o v a b l ep o w e rs t a t i o n s oi ti si m p o r t a n tt os t u d yt h ev a r i a b l ef r e q u e n c y a i rc o n d i t i o n e rc o n t r o ls y s t e mi no r d e rt oi m p r o v ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n de n h a n c e w o r k i n ge f f i c i e n c y a st h ec o r ep a r t i a lo fv a r i a b l ef r e q u e n c ya i rc o n d i t i o n e r , t h ec o m p r e s s o r sc o n t r o l p e r f o r m a n c ei sv i t a lt ot h ew h o l es y s t e m m a i nc i r c u i ta n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l s t r a t e g i e so fm o v a b l ea i rc o n d i t i o n e rc o m p r e s s o rv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e ma r e s t u d i e di nt h i sp a p e r m o v a b l ep o w e rs t a t i o ni sl o w - c a p a c i t yi n d e p e n d e n te l e c t r i cn e t w o r k s oi th a s s e v e r ed e m a n do fh a r m o n i cs u p p r e s s i o n a c c o r d i n gt ot h i sc h a r a c t e r i s t i co fm o v a b l e p o w e rs t a t i o n ，p w mr e c t i f i e ri s i n t r o d u c e dt oa i rc o n d i t i o n e rc o n v e r t e r t o p o l o g ya n d c u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yo ft h r e ep h a s et h r e e - l e v e lp w mr e c t i f i e ri ss t u d i e di nt h i s p a p e r h a r m o n i ca n a l y s i so fi n p u tv o l t a g ea n dc u r r e n th a v es h o w e nt h a th a r m o n i c d i s t o r t i o ni sr e d u c e de f f e c t i v e l y ，a n dp o w e rf a c t o ri si m p r o v e d t h em a i nc i r c u i to fa i rc o n d i t i o n e rc o n v e r t e ri ss y m m e t r i ct h r e e - l e v e ls t r u c t u r e ， p w mc o n t r o ls t r a t e g yb o t ha d o p ts p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s v p w m t e c h n i q u e b a s e do ns y s t e m a t i ca n a l y s i so fp r i n c i p l ea n dg e n e r a lm o d u l a t i o nm e t h o do f t w ol e v e ls v p w m ，al o ws w i t c h i n gc o n s u m p t i o ns v p w ma l g o r i t h mo ft h r e e - l e v e l c o n v e r t e ri ss t u d i e di nt h i sp a p e r s p e e dr i p p l eo fc o m p r e s s o rm o t o ri ss e r i o u si nl o ws p e e dr a n g ew h e nc o n s t a n t v o l t a g e f r e q u e n c y r a t i oc o n t r o lm e t h o di s a d o p t e d t os o l v e t h i s p r o b l e m ，s p e e d s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls c h e m ei su s e di na i rc o n d i t i o n e rv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l s y s t e m c l o s e d - l o o p c o n t r o lo ft h em o t o rs p e e di si m p l e m e n t e dt h r o u g hs p e e d e s t i m a t i o na n dr o t o rf l u xo b s e r v a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h ec o n t r o l s y s t e mh a ss o u n ds t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i t i e sa tl o ws p e e d t h ec o n t r o l s y s t e m i s i m p l e m e n t e du s i n g1 6 b i t d i g i t a ls i g n a l c o n t r o l l e r d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 a b o t hh a r w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o lc i r c u i ta r ed e s i g n e d k e yw o r d s ：v a r i a b l ef r e q u e n c ya i rc o n d i t i o n e r ；m o v a b l ep o w e rs t a t i o n ；s v p w m ； s p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l ；d s p i c 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：彦l i 蒸关 日期：2 哆年6 月8 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，同意学校保 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。本人授权兰州理工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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“一) 作者签名： 导师签名： 日期：zp 。7 年多月3 日 晚节易月扩日 硕：卜学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景和选题意义 空调，即空气调节，其主要任务是通过空调器对室内空气进行处理，使空气 的温度、湿度、气流速度和洁净度等指标达到人们生活办公的舒适性要求或者生 产工艺的特定要求。 空调器的发展经历了由定转速空调到变频空调的过程。普通定转速空调的压 缩电机采用交流异步电机驱动，转速不变，通过频繁起停压缩机来调节制冷量， 温度波动大、运行效率低。变频空调的压缩机由变频电机驱动，根据室内的负荷 要求，变频器输出频率和电压可变的交流电供给电动机，通过频率变化来调节压 缩机转速，使其根据室内制冷量的需要而连续变化，控温波动小、舒适性好，并 且较定转速空调节能达3 0 以上【2 】。 随着人们对空调的舒适度和能效比的要求越来越高，变频空调将逐步取代传 统的定转速空调，成为空调控制技术发展的主流4 儿钔。本课题所研究的变频空调 面向由移动电站供电的场所，如：通讯局站、石油钻机电控室、军事指挥所等， 对于此类特殊应用场合中的高性能变频空调控制系统的研究在国内尚属空白。研 究移动式空调控制系统，对于改善移动电站供电场所的作业环境，提高工作效率， 营造一个舒适的人工环境具有重要意义。 尽管变频空调具有节能、高效、控温波动小等优点，但是由于引入了变频技 术，不可避免地会产生谐波污染，包括电网侧与电动机侧。变频空调对电网造成 的谐波污染及其防治已经引起众多研究者的关注，国内外学者提出了很多谐波抑 制方案，如功率因数校正( p f c ) 法、无源滤波方式及p w m 方式等1 。如何在提 高空调能效比的基础上，最大限度地减小网侧及负载侧的谐波已成为变频空调领 域的研究热点和技术前沿。 移动式电站属于小电网供电系统，供电时电压波动较大，电网电压的供电质 量受电力电子变换器等非线性负载的影响较大，因而对于谐波抑制的要求更为苛 刻h 1 。移动式空调的谐波抑制对于电网的稳定运行、改善供电质量、减小电气设备 损耗等至关重要。 随着家电产品的快速普及，我国成为世界电力消费第二大国，空调器的耗电 量居各类家电之首。节能成为空调技术进步的主要标志。研究空调压缩机的变频 控制系统，探索进一步提高变频空调能效比的控制方法对于节能降耗、实现我国 国民经济的可持续发展具有重大的战略意义。 移动式空调变频控制系统研究 曼量皇曼音量曼曼曼曼曼曼! 量曼! 曼曼曼皇皇曼量曼皇曼量曼曼鼍曼鼍1 ,i 曼皇皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍舅 本课题正是在节能、高效、低污染的新一代变频空调的研究热潮中展开的。 1 2 变频空调的发展与研究现状 变频空调是1 9 8 3 年由日本东芝公司首先研制成功并投入批量生产的。变频空 调在日本首先研发成功有其深刻背景：上个世纪7 0 年代末8 0 年代初，日本经济 发展速度很快，而日本却是一个能源严重缺乏的国家，由于空调等家电是耗能大 户，发展节能产品就显得尤为重要，所以说变频空调研发的最初动因就是节能。 1 9 8 8 年日本变频空调市场占有率达到3 1 1 ，1 9 9 6 年达到8 5 ，而到了2 0 0 2 年已 经高达9 5 7 ，目前已达到9 9 以上，定转速空调可以说已经基本从日本市场上退 出h 1 。 国内对于变频空调的研究起步较晚。1 9 9 7 年4 月，中国第一台变频空调在海 信诞生，1 9 9 8 年底海信研发出了属于自主知识产权的变频空调。此后，海尔、长 虹、格力、美的等企业纷纷进军变频领域，共同推进了我国空调产业的升级换代。 在我国率先进军变频空调产业的海信，逐步掌握了包括矢量变频空调控制技术在 内的多项核心技术，并拥有自主开发的全套世界领先的变频空调系统解决方案， 使中国变频技术与国际领先水平保持同步。 日本作为变频空调强国，空调的变频控制技术一直处于世界领先地位。以日 本1 9 9 2 年推出的空调器为例，三菱电机公司采用了a s 变频器，三菱重工推出了 p m v 变频系列空调以及夏普的a y c 4 0 f 型、日电的r c v 8 b v 2 5 b 型、富士通的 a s 2 8 t p r 型等都运用了变频调速技术。近年来，还将现代控制理论、人工智能与 变频空调有机融合在一起，开创智能型变频空调器时代。日本现已有三菱、三洋、 东芝、大金、日立、松下、夏普、富士通等厂家生产智能型变频空调器，有些公 司还运用了无速度传感器的矢量变换控制和模糊控制技术，以提高空调器变频驱 动系统的运行性能叩引。 变频空调的核心部件是变频器，其主电路一般采用交一直一交电压型的结构形 式。早期的变频器整流部分大多采用二极管不控整流或者s c r 相控整流，对电网 注入了大量谐波与无功，造成了严重的电网污染哺 。随着全控型器件的迅速发展 以及p w m 控制技术的日趋成熟，p w m 整流电路已经逐步代替普通不控或者相控整 流电路，应用于变频器中。 微控制器技术的发展使变频调速的实现手段发生了根本性变化，从早期的模 拟控制技术发展到数字控制技术。国外知名微控制器生产厂家，如m o t o r o l a ，t i ， i n t e l ，m i c r o c h i p 等都不断推出功能强大的微控制器芯片，通常都带有d 转换器， p w m 波形发生器，串行通讯口，l c d l e d 驱动等。利用此类微控制芯片，可在增 强控制系统功能的同时使控制电路简单化。 2 硕十学位论文 变频器、功率器件、微控制器等技术的不断进步推动着空调器向着智能化、 信息化、网络化的方向发展，也为进一步研究高效、节能空调变频控制系统提供 了很好的技术平台。 1 3 移动式空调的特点 空调变频控制系统中，交流电源经整流、直流滤波、逆变，在输入输出回路 产生高次电流谐波，谐波可引起电网电压的严重畸变，使系统功率因数降低。高 次谐波电流对空调系统也会产生不利影响：过多的谐波分量将使压缩机产生附加 转矩，使电动机轴的输出转矩减小；谐波电流中的载波频率分量将引起电动机铁 芯的振动，产生电磁噪声；载波频率分量的谐波电流，有较强的电磁辐射能力， 会影响其它电子设备的正常工作儿刀伯1 。 移动电站是一种中小型独立发电设备，其输出为3 8 0 v 5 0 h z 交流电。它适应 于市电电网不能输送到的通讯局站、矿区、林区、牧区和国防工程等场合，要求 独立供电，作动力和照明的主电源。移动电站属于独立小电网供电系统，电网容 量不是很大，功率半导体器件在电网中产生较强的谐波干扰，会引起较大的电压 波动以及系统供电频率变化，影响电网供电质量以及同一电网上其他设备的正常 运行。而当采用相控整流时带来的谐波和功率因数问题更为严重，故移动式空调 的谐波治理成为一个突出问题。 不管从改善电网功率因数还是从系统设备的安全经济运行来讲，抑制谐波已 经成为变频空调系统无法回避的问题。变频调速系统中的主要谐波源是电力电子 变流装置，相对于谐波抑制或者补偿，更为积极的方式则是消除谐波源，对电力 电子变流装置本身进行改造，使其不产生谐波1 。 1 4 本文的主要研究内容 本文在深入了解国内外空调变频控制技术的研究现状与发展趋势基础之上， 围绕移动式空调变频控制系统的谐波抑制与减小转速波动等关键问题，主要研究 以下几个方面的内容： 第1 章阐述移动式空调研究的背景及选题意义，简要介绍变频空调的发展 与研究现状，分析移动式空调的特点，并给出各章节内容安排。 第2 章分析移动式变频空调的组成与基本原理，对于空调系统中的变频压 缩机的控制方法进行比较，确定采用无速度传感器矢量控制方法。结合移动式空 调的特点和控制要求确定系统的总体结构，并分别阐述主电路和控制电路的总体 设计思路。 3 移动式空调变频控制系统研究 第3 章着重研究三电平电压型p w m 整流电路。分析p w m 整流的基本原理 和三电平v s r 的拓扑结构，在明确p w m 整流电路控制目标的基础上研究电流控制 策略。建立三电平v s r 的仿真模型，对电压电流谐波以及功率因数进行分析。 第4 章介绍二电平变流器s v p w m 控制的基本原理和一般调制策略，分析 三电平变流器空间电压矢量分布规律，深入研究减小开关损耗的s v p w m 控制算 法。 第5 章研究应用于变频空调系统的无速度传感器矢量控制方法，对转子磁 链观测的电压模型加以改进，基于p i 自适应率实现转速估计。建立无速度传感器 矢量控制系统仿真模型，并对转速、电流、转矩以及磁链的仿真波形进行分析得 出结论。 第6 章介绍移动式空调变频控制系统的硬件与软件设计方案。设计电压、 电流及温度检测电路和串行通讯接口电路，介绍了软件设计的整体思路，给出主 程序、s v p w m 子程序、中断子程序、串行通讯子程序的软件流程图。 4 硕七学位论文 第2 章移动式空调变频控制系统的原理与总体结构 本章从变频空调的结构、工作原理以及控制系统的功能要求等几个方面确定 系统的整体设计思路与基本控制策略。 2 1 移动式变频空调的基本原理 0 1 1 移动式空调的组成及工作原理 本文所研究的空调为应用于移动电站的分体式变频空调，在结构与工作原理 上与普通应用场合中的变频空调是相同的。图2 1 所示为变频空调的系统基本结 构图。空调器分为室外机和室内机两部分，其中室外机由变频压缩机、热交换器、 四通阀、除霜电磁阀、电子膨胀阀、消音器、过滤器、分离器及室外机控制器等 构成：室内机由热交换器、室内机控制器以及用来调节风量、风向的电动机等构 成；室内机与室外机之间通过制冷剂连接管路和用于供电、通讯的电缆连接。在 系统管路能够反映制冷剂状态的关键部位设置了温度传感器，用以检测其温度， 并作为被控对象，以控制制冷剂的状态。 p 舰土 室内机组 ： 四通阀上 i八、 l i i i l l 一消 i 1 音i 么 x lx j 器 f 0 和 0 时的简化电路，图3 4 ( b ) 为在雎， 仅i s 0b ) ， o 、t 仉l ， 仅 0 ，由 瓦、毛、d l 、d 。共同组成一个降压斩波电路，其工作过程和h ， 仅 0 时相类似。 由于电路按降压斩波电路工作，其直流侧电压比交流电压峰值高。 1 4 硕士学位论文 !一ii _ i1 ini 蔓皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼蔓曼曼曼! ! 曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼 3 1 2p w m 整流电路的拓扑结构 p w m 整流电路按直流侧储能形式不同可分为电压型和电流型，电压型整流器 直流侧采用电容进行储能，而电流型整流器直流侧采用电感进行储能。本课题所 研究的三电平变频器中储能元件为电容器，故本文所设计的p w m 整流器为三相 电压型整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r m v s r ) 。 二极管筘位型三相三电平电压型p w m 整流器详细电路如图3 6 所示，其电 路主要由以下几个部分组成：f l f 3 为快速熔断器，主要对功率单元进行短路故 障保护；t l t 1 2 为绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) ，每个i g b t 反并联一只同等容量 的快速二极管以提供续流通路。 p t u 【本d l 曼f ，l ，固d 2 耄三一量、蚓全 宴 f 3 l 3 - c 5 u d 2 l d 1 7 b q c 1 8 u d 2 c 6 l l 三c 7 z _ - * c 8 图3 6 三相三电平y s r 电路 三相三电平v s r 拓扑结构中，由多个功率开关管串联使用，并采用二极管箝 位，以获得交流输出电压的三电平调制。三电平v s r 有效地降低了交流谐波电压、 电流，从而改善了网侧电流波形品质。三相三电平v s r 电路的不足在于所需功率 开关管与二电平电路相比成倍增加，并且控制也相对复杂。 3 2p w m 整流电路的电流控制策略 三相电压型p w m 整流器的控制目标有两个：一是实现整流器网侧高功率因数 正弦波电流控制；二是实现对整流器直流侧输出电压的控制啪m 。p w m 整流器电 流控制技术主要分为两类：没有引入交流电流反馈的间接电流控制，引入交流电 流反馈的直接电流控制。 1 间接电流控制 3 4 b m 护一护l，li 刍 g 1 11 3 n d d 中t l 本y卜，一k 丑 g t t - l ， a c - 一、u ：2 一m p ，12 且 卫 t t d ： c ： 9 一k鹏l 罢 和# y卜j 1 2 丑 勤 功 码 6 2 d c 3 4 m 一 阱 木 - i t l 丕y卜l，一12 码 呦 移动式空调变频控制系统研究 间接电流控制也称为相位和幅值控制。间接电流控制的实质是通过p w m 控 制，在整流器输入端生成幅值、相位受控的正弦p w m 电压，该p w m 电压和电网 电动势共同作用于整流器交流侧，并在交流侧形成正弦基波电流。因此这种方法 是通过控制交流侧电压进而达到控制交流侧电流的目的，控制系统的闭环为直流 侧电压控制环。间接电流控制的优点是结构简单，无需电流反馈，但电流动态响 应不够快，且对系统参数变化较敏感，适合于对动态响应要求不高且控制结构要 求简单的场合。 2 直接电流控制 相对于间接电流控制，这种控制方法以快速电流反馈控制为特征，通过运算 求出交流电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其 跟踪给定电流值。控制系统采用双闭环结构，即电压外环和电流内环。由于采用 网侧电流闭环控制，使网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控 制对参数不敏感，增强了电流控制系统的鲁棒性n 们乜5 2 6 1 。直接电流控制技术的应 用更为广泛，控制策略主要有p w m 滞环电流控制、固定开关频率电流控制、预 测电流控制、空间矢量电流控制等。 本文结合三电平电压型p w m 整流器的拓扑结构，采用同步旋转坐标系( d ，q ) 下的空间矢量p w m ( s v p w m ) 电流控制策略，一方面改善网侧电流的正弦度， 另一方面提高电网功率因数。 电压型p w m 整流器在两相同步旋转坐标系( d ，q ) 下的数学模型为町 l u d 一“一+ 砒f 叮一( l p + r n ，】1 、 i u 口一口叼一a d _ , i d 一( l p + 尺砖 由式( 3 1 ) 可知，三相v s r 的d 、q 轴电流分量相互耦合，无法对其单独进 行控制。为此，引入、f 口的前馈解耦控制，对“一、“翘进行前馈补偿，且、电 流环控制器均采用p i 调节。由此可得同步旋转坐标系( d 、q ) 下三相电压型p w m 整流器电流控制的电压指令为 式( 3 2 ) 表明，引入前馈补偿实现了、i g 的解耦控制。通过p i 调节运算即 可获得三相v s r 交流侧电压指令：、n ：。 图3 7 所示为p w m 整流器的控制原理图。控制系统采用同步旋转坐标系下的 电压外环、电流内环的控制结构，电压外环用于控制整流器的输出电压，电流内 环用于实现整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。通过坐标变换将三相对称 1 6 乱 1 i 呵 蹦 咖 0 - 咄 蚍 k 0 d 叮 墨一s蟛一s p p k k 僻 俾 硕七学位论文 的交流量变换成同步旋转坐标系中的直流量，电流内环采用p i 调节器就可实现、 i 。的无静差调节。 图3 7 三相三电平v s r 控制原理图 在同步旋转坐标系( d ，q ) 下，将输入电流空间矢量分解为与电网电压矢量同 向以及与之垂直的两个分量和t 。厶代表输入电流的有功分量，f 。代表无功分量。 直流母线电压给定信号u 二与直流母线电压反馈信号【，出，经过电压调节器a v r 得 到电流有功分量的给定值e ，通过调节输入电流的有功分量即可调节直流母线电 压。实际检测到的电流经坐标变换得到电流有功分量反馈值，与f ：进行比较后 经过电流调节器a c r 得到口。检测到的电流经坐标变换得到的无功分量反馈值f 。 与电流无功分量的给定值e 进行比较后经过电流调节器a c r 得到u 。再经过电网 电压、电感电压交叉分量的前馈补偿后，将所得电压指令( “：、口：) 经过坐标变 换得到( 口。、以疗) ，再经电压矢量计算得到指令电压矢量u 。，通过s v p w m 算法 获得一个开关周期内的波形数据，进而得到每一相桥臂的输出状态，生成整流器 功率开关管的门极控制信号。 3 3 仿真结果及分析 为了初步验证上述空间矢量p w m 电流控制方法的正确性和有效性，以m a t l a b 为仿真平台，利用s i m p o w e r s y s t e m 工具箱中的t h r e e l e v e lb r i d g e 模块模拟主电路， 空间矢量p w m 算法以及功率管的驱动脉冲信号发生用m 语言编写的s f u n c t i o n 实现。 三相三电平电压型p w m 整流电路的仿真模型如图3 8 所示。 1 7 移动式空调变频控制系统研究 图3 8 三相三电平电压型p w m 整流器的仿真模型 电网电压、电流以及直流侧电压仿真波形如图3 9 所示。 t s a ) 网侧电压电流波形( = o ) 1 8 之 靠 3 乏 等 3 硕十学位论文 b ) 网侧电压电流波形( j ：= o 5 ) t s c ) 整流桥输入侧线电压波形( u a b ) t s d ) 直流母线电压波形 图3 9 仿真波形 1 9 移动式空调变频控制系统研究 图3 9a ) 与b ) 分别为j ：2 0 以及，：。0 5 时网侧电压电流的仿真波形，从图中 可以看出通过调节电流无功分量给定值j ；的大小，可实现功率因数的控制，当给 定，：2 0 时可控制输入功率因数为1 。 运用p o w e r g u i 对电压电流谐波进行傅里叶分析，谐波频谱如图3 1 0 所示。 言 芒 暑 h - 苫 邑 口， 王 12 1 0 b 0 6 0 4 0 2 0 - l i - 1 i i1i 一i 。 - 一 0 1 5 0 5 i il i l i i i 1 i 。 a ) 交流侧电压h 。谐波频谱 2 0 h a r m o n i co r d e r t h d = o 6 9 5 1 01 52 0 h a r m o n i co r d e f t h d = 1 6 1 b ) 交流侧电流谐波频谱 - - i - i - i|i|i-ii|i-iil|li 051 01 5扣2 5 h a m 0 r i i co 衙 t h d = 2 5 3 2 5 2 1 5 0 t h d = o 8 1 l h1il-lll-iiiiili- 1 01 5扣笛 h a r m o n i co d e r t h d = 3 1 1 c ) 整流桥输入侧线电压曲谐波频谱 图3 1 0 不同开关频率下电压电流谐波频谱 0elue15u j o 爨一霉z o毋luoepu了l j o 冰v 譬z 【le芒empu3l j0寥一a芏 o-c口e可c，k-o拳一a露芝o_cil七-口c3k苫霉一a-z 硕士学位论文 图3 1 0 给出了开关频率分别为3 k h z 与2 5 k h z 时交流侧电压“。、电流l 以 及整流器输入侧线电压口曲的谐波频谱以及对应的谐波总畸变率( t h d ) 。谐波频 谱图显示，当开关频率减小时，电压电流中的5 、7 次谐波分量增加，且总谐波畸 变率增大。 图3 1l 所示为增大整流器直流输出电压u 。时的电压电流谐波频谱。 1 2 1 0b 0 6 0 4 0 2 0 i 。1 1 一i i1 1 i ii i 0 51 0 1 5 h a r m o l l i co r d o r t h d = i 3 4 1 5 05 l il l l i l l i 1 i i 川i i i a ) 交流侧电压“。谐波频谱 h a r m o n i co r d e r t h d = o 6 9 51 0 h a r m o n i co r d o f t h d = i 5 2 5 b ) 交流侧电流f 。谐波频谱 - i i i h iilli-li11iili 051 01 5扣为 h a m o n i co r d 盯 t h d = 2 5 3 5 h a r m o n i co r d e r t h d = o 7 4 h 捌m i co r d e r t h d = 2 8 6 x c ) 整流桥输入侧线电压h 曲谐波频谱 图3 叽增大时电压电流谐波频谱 由图( 3 1 1 ) 当保持电路其他参数不变的前提下增大整流器直流输出电压u 。 2 l (ielc口e一口c3k j 0 零v 丘e z (ilue口c3l j 0 芭a m 王 一ielu。eoic，l j o 孚一口口z o_芑e-，c】k j o 零一a 王 2 5 l 5 0 2 佰 ， 略 o 。-_ce-口c，lio享。-： 移动式窄调变频控制系统研究 时，电压电流中的谐波成分增大。 综合以上仿真波形及其分析，可以得到下述结论： 1 ) 网侧电压电流谐波总畸变率( t h d ) 随着开关频率的增大而减小，因而可以 通过提高系统的开关频率来减小网侧谐波；但是开关频率的增大会引起开关损 耗的增加，选择开关频率时应综合考虑谐波与开关损耗。 2 ) 通过改变输入电流无功分量的给定值，：可以实现功率因数的控制，当设定c = o 时可获得单位功率因数。 3 ) 在电路参数一定的情况下，整流器输出直流电压越高，网侧电压电流谐波成分 越大。 3 4 小结 本章主要研究内容为移动式空调变频驱动系统中的p w m 整流器。首先分析了 p w m 整流的基本原理和拓扑结构，其次研究了三电平p w m 整流器的电流控制策 略，采用基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略。最后建立三相三电平电压 型p w m 整流器的仿真模型，给出仿真结果及其分析。 硕士学何论文 第4 章三电平变流器s v p w m 控制策略 p w m 控制是变频系统的控制核心，研究三电平变流器的控制方法其目标在于 尽可能减小谐波畸变率、降低开关损耗和提高系统动态响应。本章以三电平逆变 器为研究对象，讨论一种降低开关损耗的s v p w m 控制算法。由于本文的主电路 中整流和逆变均采用二极管箝位型三电平结构，可将三电平逆变器的s v p w m 控 制策略移植到三电平p w m 整流器中，故对于三电平整流器的s v p w m 控制策略 不再单独讨论。 空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 控制源于交流电机变频控制的电压空间矢量 p w m 控制技术，以其电压利用率高、谐波含量低、易于微机实现等优点现已广泛 应用于三相变流器的控制中。 4 1 二电平s v p w m 控制的基本原理 经典的s p w m 控制是从电源角度出发，追求输出一个频率和电压可调、三相 对称的正弦波供电电源，其控制原则是尽可能减少输出的谐波分量，但是它存在 抗负载扰动能力不强、电压利用率低等缺点2 8 1 2 引。电机控制的最终目的是在 电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。空间电压矢量p w m 控 制( 也称作磁链跟踪控制) 正是按照跟踪圆形旋转磁场的目标来控制逆变器的工 作。 s v p w m 的调制原则是使逆变器瞬时输出三相脉冲电压合成的空间电压矢量 与期望的输出三相正弦波电压所合成的空间电压矢量相等，在空间产生圆形磁场。 以三相对称正弦波电压供电时交流电动机产生的理想圆形磁链轨迹为基准，并将 电机旋转磁场的形状问题转化为合成电压空间矢量运动轨迹的形状问题，用逆变 器不同的开关模式产生的实际磁链去逼近基准磁链圆，从而达到较好的控制性能 3 0 1 设三相交流系统各相电压表达式为 p 删( 甜) = u 。c o s ( a t ) “鲥似) 一u 。c o , a t - 1 2 0 。) ( 4 1 ) l u o , ( a t ) ，u 。c o s ( a t 一2 4 0 。) 式中：u a 为相电压的基波幅值，且u a = 2u d 3 ，角频率一坷，f 为基波电压频 率。式( 4 1 ) 的三个相电压瞬时值可以用一个以角速度一坷在空间旋转的电 压矢量疗( d u 。+ i u 一) 在a 、b 、c 各相轴线上的投影表示，疗的大小为相电压 移动式空调变频摔制系统研究 的基波幅值乩，0 以角速度缈逆时针方向旋转，即 豇2 1 u 2 z 2 x ) 州叫 在任意瞬间，口的相位角为“。因为 n 。= u c o s ( 耐) h = u s i n ( a * ) 则 口删( 研) = u dc o s ( o , ) = u c o s ( o 厦) 一u d 口脯( 耐) = u dc o s ( “一1 2 0 。) = u c o s ( 耐一1 2 0 。) 一“。c o s l 2 0 。+ “声s i n l 2 0 。= 一1 + - t 3 “， 口c ( 耐) = u dc o s ( 耐一2 4 0 。) = u c o s ( o x 一2 4 0 。) ；“口c o s 2 4 0 。+ u as i n 2 4 0 6 一一1 一i “， 卧 1o 13 22 13 2 2 又因为h 删+ h 删+ u c a 一0 ，由( 4 7 ) 式可得到： 卜。1 2 - 卢j 2 j 1一!一三 22 o 鱼一鱼 22 ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) 公式( 4 7 ) 是三相a 、b 、c 变量变成两相q 、b 变量的变换式，而公式( 4 8 ) 则是两相q 、b 变量变成三相a 、b 、c 变量的变换式。 图4 1 为二电平三相桥式逆变器的主电路拓扑图。 二电平三相桥式逆变器由a 、b 、c 三相桥臂组成。图中定义p 点电位为u n ，n 点电位为0 。每一桥臂的上下两个功率开关的驱动信号是互补的。当t l 导通，t 4 截止时，u 柏- u d ：当t 4 导通，t l 截止时，加一0 。如果引入a 、b 、c 桥臂的 开关变量墨( i = a ，b ，c ) ，s j = 1 表示j 相上桥臂导通，s = 0 表示i 相下桥臂导通。 将墨代入式( 4 2 ) 得 一 ，i 丝 一i 一2 z u ( s 。，s 6 ，s 。) ；专u d ( s 。+ s 6 e 。3 + s 。p 。3 ) ( 4 9 ) 1l_l-lj 删 肼 甜 硕士学位论文 u u p n q 图4 1 二电平三相桥式逆变器主电路 二电平三相桥式逆变器由a 、b 、c 三相桥臂组成。图中定义p 点电位为u d ， n 点电位为0 。每一桥臂的上下两个功率开关的驱动信号是互补的。当t l 导通， t 4 截止时，u 加一u d ；当t 4 导通，t 1 截止时，u 加一0 。如果引入a 、b 、c 桥臂 的开关变量s 。( i = a ，b ，c ) ，s = 1 表示f 相上桥臂导通，s i = 0 表示f 相下桥臂导通。 将最代入式( 4 2 ) 得 一 ， ；垒 一f 一2 x u ( s 。，s 6 ，咒) 寺u d ( s 。+ s 6 e 3 + s 。p 。3 ) ( 4 9 ) j 根据岱。，& ，s 。) 的不同组合可以得到8 个空间电压矢量，其中有6 个非零矢量 将圆周分为6 个6 0 。区域，二电平的空间电压矢量图如图4 2 所示。 ! r jj u 4 l _ u l ( 0 0 1 )v赤1 0 1 ) 图4 2 二电平空间电压矢量图 l o o ) 移动式空调变频控制系统研究 为了利用变流器功率开关的导通、关断状态，调控输出电压的大小及其波形， 可采用从变流器的六个处于空间特定位置的开关状态矢量中，选择两个相邻的矢 量和零矢量合成一个等效的旋转空间矢量厅，通过控制厅的大小和相位，来实现 三相变流器交流侧电压的控制。 如果某瞬间各相电压瞬时值所对应的空间矢量疗处在第一扇区；0 。 0 6 0 。， 那么可以选用第，扇区边界的特定矢量口。和疗：以及零矢量厅：合成所要求的矢量 d 。 一般情况下，如果要求疗。的相位角口= 甜为任意指令值，则可用矢量厅，所在扇 区边界的两个相邻的特定矢量d 。和巧，及零矢量d ：合成矢量巧。如果瓦为时间很 短的一个开关周期，在瓦期间，令开关状态x 即特定矢量痧。存在时间为，令开 关状态y 存在时间为l ，令开关状态。或7 即零矢量晚存在时间为t o ，开关周期 瓦= l + t + 瓦，则在时间很短的一个开关周期瓦中，矢量厅存在疋时间其效应可 以用疗，作用时间、痧，作用l 时间及痧z 作用t o 时间来等效。也就是说可以用逆 变器的三个开关状态x 、y 、0 ，在一个周期瓦中各自作用、l 、t o 时间来合成 空间任意位置的矢量疗，即 以+ u ，l + u z t otu 。瓦- u 。帆+ 弓+ 瓦j ( 4 1 0 ) 由图( 4 2 ) o li _ 2 、u d j ( 4 1 1 ) 厅】r 一_ 1 2 u ，甜 ( 4 1 2 ) 疗z1 , 0 ( 4 13 ) 如果所要求的合成矢量 疗，, u d e 归 ( 4 1 4 ) 式中0 。耐为矢量疗的相位角。把式( 4 11 ) 、( 4 1 2 ) 、( 4 1 3 ) 、( 4 1 4 ) 代入( 4 1 0 ) 式得到： ；u 1 ) - t 。+ 吾u 。e 矿弓一u d e i s t s ( 4 1 5 ) 由于 p a 螂6 0 。+ j s i n 6 0 。一三+ j 譬，扩一c o s 口+ j s i i l 口 由( 4 1 0 ) 式可以得到 互，压u _ _ l d s l n i 口( 4 1 6 ) 硕士学位论文 孕。压导s i n6 0 。一伊) ( 4 17 ) i su 口 r o - - c 母弓，十压老一( 3 0 0 一口) i 1 8 ) 已知直流电源电压u d 和选定的开关周期瓦，在瓦时间内有三个开关状态x 、 y 、0 存在，如果开关状态石、y 、0 的作用时间t 、l 、t o 按( 4 1 6 ) 、( 4 17 ) 、 ( 4 1 8 ) 式确定，那么在周期时间段中，三种开关状态的合成效果，即三相整 流器输入的三个特定位置的矢量作用的效果，相当于相位角为口= t o t ，幅值为u d 的 空间矢量矿所产生的三相交流电压瞬时值，也即三相逆变器输出一个a 相相位角 0 = 0 9 1 ，相电压幅值为u d 的三相交流平衡电压。在一个开关周期瓦中设置零矢量 的作用时间瓦，可以调控输出电i i , i i 大小。u d 一定时，瓦变大，输出电压将减小， 一定的t 、瓦、瓦决定了输出电压具有一定的脉宽和相应的输出电压，最大的输 出电压对应于瓦= 0 。 根据l 、l 、瓦可以得到扇区i 的s v p w m 波形，如图4 3 所示。由式( 4 1 6 ) 、 (