（电力系统及其自动化专业论文）开关磁阻电机能量回馈系统设计.pdf

e 京交通大学硕士学位论文 定时瞬时值比较方式的p w m 变流器控制进行了分析，然后运 用m a t l a b 仿真软件对定时瞬时值比较p w m 能量回馈单元进 行仿真。该控制策略限制r 滞环电流控制斩波频率不固定的缺 点并保持了其电流跟踪速度快、受参数变化影响小和运算简单 易于实现的优点。 在此基础上，本文根据开关磁阻电机能量回馈系统要求设计 了能量回馈单元的主电路，以t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 为控制核心的硬件 控制电路以及信号采集调理电路和保护电路，并阐述了控制系 统的软件实现。 最后，为了验证系统的可行性，搭建了能量回馈单元的功率 实验系统。论文给出了本系统的实验结果和波形，并作了说明。 由于实验条件的限制，无法进行s r m 发电运行实验，为了使研 究更加完善，运用m a t l a b 仿真软件对开关磁阻电机能量回馈 系统整体进行了仿真。 关键词：开关磁阻电机，馈网，p w m 变流器，定时瞬时值比较， t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ，r 雌_ t l a b 北京交通大学硕士学位论文 e n e r g yf e e d b a c ks y s t e md e s i g n f o rs w i t c h e dr e l u c l ：f n c em o t o r a b s t r a c t t r a c t i o ns y s t e mi sw i d e l yu s e d h o wt od i s p o s et h ee n e r g yt h a t m o t o rg e n e r a t e di nb r e a k i n ga n d g e n e r a t i n gp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h et r a c t i o n s y s t e mt h a t i s d e s i g n e dw o r k i n gi nf o u rq u a d r a n t s ， n o to n l yr e l a t e dt ot h ee f f i c i e n c yo ft h et r a c t i o n s y s t e mb u ta l s o s y s t e mp e r f o r m a n c e w i t h t h ef a s t d e v e l o p m e n t o f p o w e r e l e c t r o n i c sa n dm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n i q u e ，m o t o re n e r g yf e e d b a c k b e c a m ean e wr e s e a r c h h o t s p o t t h ep a p e r i n v e s t i g a t e d s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ( s r m ) e n e r g yf e e d b a c k f i r s t l y t h e p a p e rc o m p a r e s s e v e r a l e n e r g y f e e d b a c kt e c h n i q u ew i d e l yu s e di nm o t o r sw i t hd cb u sa n ds e l e c t t h e e n e r g y f e e d b a c ku n i t t e c h n i q u e i ns r mc o n v e r t e rw i t h o u t 1 1 1 北京交通大学硕士学位论文 c h a n g e s i nt h em a i nc i r c u i t t h e nt h e p a p e r c o n s t i t u t e dt h e m a t h e m a t i cm o d e lo fs r m b a s e do nt h em o d e lt h ep a p e ra n a l y z e d t h e g e n e r a t i o np r o c e s s ，p h a s e c u r r e n t c u r v e ， a n dt h e e l e c t r o m e c h a n i c a l e n e r g y c o n v e r s i o n s e c o n d l y , t h ep a p e r i n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e a n ds e v e r a l a p p l i e d c o n t r o lm e t h o d so fp w m c o n v e r t e r ，w h i c h i st h e k e y t e c h n i q u e o f e n e r g yf e e d b a c k u n i t t h ep a p e rc o n s t i t u t e dt h em o d e l o fe n e r g yf e e d b a c ku n i tb ys w i t c hf u n c t i o n t h e n ，i ta n a l y z e st h e p e r i o d i c a ls a m p l i n gc o n t r o le n e r g yf e e d b a c ku n i t t h ep e r i o d i c a l s a m p l i n g c o n t r o ls t r a t e g yi ss i m u l a t e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n b y t h es o f t w a r em a t l a b t h em a i n a d v a n t a g eo ft h i sm e t h o d i st h a t t h em a x i m u ms w i t c h i n g f r e q u e n c y i sl i m i t e d b y t h e s a m p l i n g p e r i o d a n di t h a sm e r i t ss u c ha sf a s tc u r r e n tt r a c k i n g ，r o b u s tt o v a r i a b l ep a r a m e t e r s ，a n d s i m p l ec a l c u l a t i o na n di m p l e m e n t a t i o n t h i r d l y , t h ep a p e rd e s i g n st h ee n e r g yf e e d b a c ku n i tf o r3 0 k w s r m s y s t e ma p p l i e d o no i lf i e l d t h em a i nc i r c u i t t h ec o n t r o l b o a r db a s e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ，t h es i g n a ld e t e c t sa n dc o n d i t i o n c i r c u i t ，a n dt h ep r o t e c t i o nc i r c u i t a r ed e s i g n e d t h es o f t w a r ei s i v 北京交通大学硕士学位论文 p r e s e n t e d i nt h i sp a p e ra l s o l a s t l y , i n o r d e rt ov a l i d a t et h e e n e r g y f e e d b a c k u n i t ，a l a b o r a t o r ye n e r g yf e e d b a c ks y s t e mi s b u i l ta n de x p e r i m e n t e d t h e e x p e r i m e n t r e s u l t sa r ep r e s e n t e da tt h ee n do ft h i sp a p e r f o rl a c ko f s r mg e n e r a t i o n e x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t so f s r m e n e r g y f e e d b a c k s y s t e mb y m a t l a ba r ep r e s e n t e df o ri n t e g r i t y k e yw o r d s ： s r m ，e n e r g yf e e d b a c k ，p w mc o n v e r t e r , t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 7 ，m a t l a b v 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 电力拖动系统在生产生活中被广泛应用，电机通常应用在 电动状态( 一、三象限) 拖动负载。但在以下应用场合，用户必 须考虑使用制动方式：电机拖动大惯量负载( 离心机、龙门刨、 巷道车、行车的大小车) 并要求急剧减速或停车；电机拖动位能 负载( 如电梯，起重机，矿并提升机等) ；电机经常处丁被拖动 状态( 造纸机导纸辊电机、化纤机械牵伸机等) 。以上几类负载 的共同特点是电机不仅运行于电动状态( 一、三象限) ，| _ 面且还 要用于发电制动状态( 二、四象限) 。为使系统在发电制动状态 ( 以下简称发电状态) 能j 下常工作，必须采取适当的制动方式。 对于这种需要频繁启动、制动，或进行四象限运行的电机而言， 如何处理制动过程不仅有经济效益的问题，而且还会影响系统的 动态响应。于是，能量回馈成为人们讨论的热点。 本课题组研发的3 0 k w 开关磁阻电机( 以下简称s r m ) 控制系统 已获成功，并己投入现场使用。当开关磁阻电动机处于上述发电 制动状态时，传动系统的机械能经电动机转换成电能，通过开关 磁阻电动机功率变换器的六个续流二极管回送到功率变换器的 直流回路中，如图1 1 所示。这时( 与变频调速系统逆变器类似) ， 如果s r m 功率变换器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导 致直流母线电压上升。如果直流母线电压超过器件的耐压值，就 北京交通大学硕l 学位论文 可能损坏开关磁阻电动机功率变换器。 图1 1开关磁阻电动机功率变换器 f i g u r e1 1 t h es r mc o n v e r t e r 现有3 0 k w 开关磁阻电机控制系统的做法是在直流支撑电容 两端并接电阻能耗制动单元。此方法具有结构简单，对电网无污 染、可靠性高等好处。但是当发电或制动功率较大时，制动电阻 的功率将增大。由于电阻发热增加，散热问题必须重新考虑，会 造成系统体积增大。并且机械能转化为热能在电阻上消耗，严重 浪费能源，降低运行效率。由于s r m 在传动控制中尚未广泛应用， 没有成熟的系统可以借鉴，由于s r m 功率变换器和感应电机v v v f 功率变换器同样具有直流母线及其支撑电容，所以可以借鉴感应 电机v v v f 功率变换器的做法。 在广泛应用的感应电机变频调速系统中当遇到这种问题时， 通常的做法有三种： 1 公用直流母线再生能量回馈制动系统。在此系统中多台电机 公用同一直流母线，当一台电机处于发电状态时，其发出的 能量可以通过直流母线消耗在其他处于电动状态的电机上。 当制动要求特别高时，只需在公用直流母线上并一个公用制 动单元即可。但此种应用方式需要多台具有直流母线的电机 北京交通大学硕士学位论文 同时工作，应用面不广。 曙 图1 2应用于变频器的p w m 整流技术 f i g u r e1 - 2p w m r e c t i f i e ri nv v v f 2 第二种是在变频器的整流侧使用p w m 整流技术，实现直流侧 能量和三相电网能量之间的双向流动。如图卜2 ，这种方式有 如下优点： 1 )过控制交流侧电流，可以使输入电流的波形为正弦，电 动运行时功率因数为1 ，发电运行时功率因数为一l ，减小 变频器对电网谐波的影响。 2 )直流侧的电压是可控的，有利于提高电机运行性能。 3 )可以实现电机的四象限运行，提高系统动态性能，而且 经济性能好。 缺点是系统成本高，控制复杂。这种解决方案对s r l d 也适用。 3 使用能量回馈单元，将电机发出的能量回馈到交流电网，实 现从电机到直流母线、再从直流母线到交流电网的能量回 馈。实现直流回路到交流电网之间的能量回馈，最有效的方 法是应用p w m 变流技术：即在电机发电状态通过控制三相桥 中点电压u ：、u ：、u ：来控制并网滤波电感上的电流、i 。、 i ，。这样就可以实现直流侧向交流电网侧能量的回馈。将再 北京交通大学硕士学位论文 生电能逆变为与电网同频率反相位的交流电流回送电网，在 发电运行时保持直流母线电压稳定。 谗翌5 扯，。 型j 、 所hs 9 一州1 1 f _ l 、 、t 上爱鳓 型。崖扩。一j 1， 。# 0 。船。刘 图1 3v v v f 功率变换器及馈网逆变单元 f i g u r el 一3v v v f i n v e r t e ra n de n e r g yf e e d b a c ku n i t 这种回馈方式可以视为第二种控制方式的一种演变。在 这种方式中，当电机工作在电动状态时逆变单元不1 ：作，电 网能量主要通过二极管整流桥给直流母线供电；当电机工作 在发电状态时，直流母线电压上升，当直流母线电压高于电 网线电压时不控整流桥处于反向阻断状态，能量回馈单元运 行，将电机发出的电能回馈电网。这种回馈方式与第二种相 比优点是： 1 )能量回馈单元的功率等级可以根据制动运行时的实际 发电功率设计，一般可小于电机电动运行时最大输出功 率：而在第二种方案下，p w m 整流单元必须满足电动、 制动两种情况下的最大功率要求。 2 )使用第二种方案时，由于功率容量较大，功率变换器主 电路和机箱结构需要重新设计，使用第三种方案时，能 量回馈单元可以单独设计。能量回馈单元主电路结构如 图卜3 虚线框内所示。在原有的逆变器结构不变的情况 北京交通人学硕士学位沧文 下，输入端连接在支撑电容两湍，输出端接电网即可。 3 )由于小考虑整流情况，第i 种方案的控制较第二种方案 简单。 相应地，能量同馈单元的缺点是电动运行时直流侧电压不i 控，电网侧谐波电流较人。 5 2 ，j s l s 3 砷_ i 虬 疹 、 瑚 0“ 厶 ( 二 叫l 叫 “。 e z 叫斗翟心 h l j l ，_ _ l ! 、0 7 l ) 8i 肼 。以及三( 目) k k 上( 臼1 ) 有所增加，所以生d o 上( u 口c 卅2 s ：l 0 l - i 士竺以o ) 一l k r e o ) ) ) 。一叫2 ，七：n 、b 、c ( 3 13 ) 陌变一叫2 。j 生纯一k 小) ) ) 。叫2 如此上下两开关反复通断，迫使实际电流在个允许的偏差 范围内跟踪参考电流。与电流滞环控制的不同在于：电流滞 坏控制中，电流超出滞环，开关函数立即变化。定瞬时比较 法中电流超出滞环且到达比较周期时开关函数才发生变化， 这种方法限制了最高开关频率，但有。定时间滞后，最大滞 后时间为比较周期r 。可以看出这种控制方式限制了最高开关 频率，但是不可避免的给电流控制带来了最大为比较周期r 的滞 后，造成电流误差的增加。但考虑到d s p 的a d 采样速率受限，而 且还要执行p i 运算和其他控制任务，所以此种控制方式非常适合 d s p 实现。另外，当采样周期足够短时能量回馈电流波形与电流 滞环控制非常接近。 3 4 3 定时瞬时值比较控制仿真 为了分析能量回馈单元，设计定时瞬时值比较参数。应用 m a t l a b 搭建了定时瞬时值比较法能量回馈单元模型，进行仿真分 析。s i m u l i n k 模型如下：在电网相电压u 。；玩= u 。= 2 2 0 v ，滤波 电感l 。= 8 m h ，r 。= o 1 q ，滞环大小a i = 0 5 a ，直流侧给定电压 “。= 6 7 0 v ，设定比较频率正= 1 2 k h z ，得到与滞环比较类似的 电流波形，如图3 6 。平滑正弦波为电网电压波形，有一定谐波 北京交通大学硕+ 学位论文 的为馈网电流波形，横轴为时间轴单位为“秒”，纵轴电流单位 为“安”可以看出。能量回馈单元系统模型见附录3 。 图3 - 6 定时瞬时值比较仿真波形 北京交通人学硕士学位论文 第四章系统硬件设计 4 1 总体方案设计 考虑运行工况和电机效率以及能量回馈单元效率。s r m 发电 运行时发出的功率，一般小于电机的额定功率。在油田抽油机的 运行中，开关磁阻电机在制动状态下发出的能量一般不超过 1 0 k v a 。在设计 能量回馈单元 时以1 5 k v a 功 婀 率容量设计， 留有一定裕 量。能量回馈 单元直接并 网，交流电网 线电压3 8 0 v 电 压波动1 0 ， 交流侧功率因 数近似为 图4 - 1 能量回馈单元框图 一1 o ，谐波含 f i g 4 1 d i a g r a mo fe n e r g yf e e d b a c ku n i t 量要求小于 5 ，系统总体框图如图4 1 。 能量回馈单元设计涉及以下几个问题： 1 、能量州馈单元的启动和关闭控制 北京交通大学硕士学位论文 2 、与电网电压的同步 3 、直流电压的稳定控制 4 、同馈电流的控制 5 、其中，第l 项能量回馈单i 的启动和关闭控制由于和与直流 母线电压相关，直流母线电压又与主电路设计相关，在这里 先行沦述。 4 2 能量回馈单元的启停控制 能量回馈单元的运行原理决定了有源逆变装置的工作与否 直接与电动机的状态有关。当电动机处于电动状态时，能量回馈 单冗不工作；当电动机处于发电或制动状态时，为了将能量向电 网回馈，需要启动能量回馈单元。 实际上直接以电动机的状态来实现控制，考虑的因素较多， 实现困难比较大。这里采用的方法是：直接利用支撑电容的电压 值玑进行控制。依据是：当电机处于电动状态时，s r m 功率变换 器直流测电压稳定定有一定的纹波，波动的幅值与s r m 输出功率 和支撑电容容量有关。当电动机处于发电状态时，s r m 的再生能 量使支撑电容电压上升，当玑上升至逆变启动电压以，时，能 量回馈单元启动，将能量回馈电网，保持支撑电容上电压稳定在 吒，。当电机进入电动状态时，玑将下降，当玑下降至逆变停止 电压吃时逆变装置停止工作。u 。继续下降，直至低于电网线电 压基波的峰值u 。，此时电网电压通过二级管整流桥给s r m 调速 系统供电。 上述各电压之间的大小关系为：k ，盯，u 。另外要 北京交通大学硕士学位论文 控制并网滤波电感中的电流保证能量回馈单元向电网逆变，直流 母线电压也应至少高于电网电压峰值，并有一定裕量，裕量人小 和p w m 发生方式有关。u 。过低，则不能完全控制滤波电感中的 电流，在电网侧产生较大的谐波电流，馈网功率受限；u 。过高， 侧器件耐压值升高，系统成本提高。 电网线电压为3 8 0 v ，考虑1 0 的电网电压波动，电网线电 压最大值m a x ( h ) = 3 8 0 ( 1 + 1 0 ) 2 = 5 9 1 v ，设定吃r = 6 7 0 v 。为防 止系统出现来回切换的情况，和吃之浏的滞环要有一定幅度。 设定k 。= 6 8 0 v 、= 6 4 0 v 。 4 3 主电路设计 能量回馈单元主电路图如图4 2 所示。直流侧与s r m 功率 变换器的直流侧连接；网侧逆变器的交流侧为工频电网，3 8 0 v ， 图4 2 能量回馈单元主电路 北京交通人学颁士学位论文 5 0 1 l z ；v o 、k 、为电压传感器；i 。、1 6 、i 。为电流传感器； 交流接触器j ；交流侧滤波电感为。、厶、三。 4 3 1 开关管的选择 本文选用绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 作为开关元件设计了 主电路。i g b t 的结构与特点如f ： 1 压型控制器件：当在g e 之间加正电压时，m o s f e t 导通， 相当于在p n p 管的b c 之间接了一个低值电阻，于是p n p 管导通；当ge 之间的电压为零时，m o s f e t 关断，p n p 管由 于没有基极电流通过，所以也关断。 2 相对于m o s f e t 耐压高，电流容量大：m o s f e t 在通态时，漏 源之问呈现电阻特性，而且耐压越高，电阻越大。而i g b t 导通时，正载流子加大了电导调制效应，使其导通时通态电 阻很小，容易实现高压大电流。 3 开关速度较快，容易实现过流保护：在i g b t 中，等效p n p 晶体管的性能决定了i g b t 集电极电流的丌关速度。通过使 用杂层浓度最佳化来抑制过量载流子的注入，并减小存贮载 流子的消散时问来缩短p n p 的开关时间。而且i g b t 导通时， u 。的大小能反映过流情况，所以可通过检测它来识别过流 信号，实现保护功能。 开关管i g b t 选择的标准参照如下的原则： 1 耐压要求：i g b t 上浪涌电压不应超过i g b t 集电极与发射极 额定电压 。； 2 电流要求：集电极电流峰值必须在i g b t 安全工作区内( 即 小于两倍的额定电流1 ，) 北京交通大学硕士学位论文 3 散热条件：在良好的冷却条件下，可以选用额定值较小的 i g b t 模块。 在本系统中，直流支撑电容电压最高为6 8 0 v ，主开关管承受 的电压最大值等于直流电源电压最大值，考虑到2 倍的电压裕 量，! j ! | j t 外关器件的耐压定额为： u ，；2 i f f d = 2 x 6 8 0 v ；1 3 6 0 v 根据逆变单元设计功率计算电流定额，考虑到2 倍的电流裕 量，网侧最大线电流峰值，为： ，一。= 击一4 5 裟压瑚n 最后选用富士公司生产的2 m b i l o o p c 一1 4 0 型桥臂”，其主 要参数如f ：最高耐压：1 4 0 0 v ，额定电流：l o o a 。 4 3 2 交流侧滤波电感的选择 三。、。、工。为能量回馈单元的交流侧储能滤波电感，它的取 值人小歪关重要，取值较大有利于降低开关频率，或相同频率下 对馈网电流滤波作用增强，但成本、重量增加，电感上的压降也 有所增加，从而使得整体成本增加；与之相反，如减小电感值， 要保证馈网电流t h d 不变就需要提高比较频率，此时电感上的压 降减小，系统成本、重量降低，但功率器件开关频率增加系统损 耗上升。因此对于三。的取值应综合考虑比较频率、馈网电流t h d 和制造成本。 在p w m 能量凹馈单元中，交流侧滤波电感的选择主要由交流 输出电流的纹波以及输出功率决定。 首先按输出功率设计，若忽略线路损耗，直流侧输入功率应 北京交通人学硕士学位论文 等于交流侧输出功率，e h 于三相对称，即满足下式： 射。，。2 d ( 4 - 1 ) 逆变桥臂输出电压u ：= u ：+ ( 也f 。) 2 ，三相对称，b 、c 相与之相 同。由欠量分析知：直流侧电压u 。与三相桥臂中点输出交流相 电压基波峰值电压“：。的关系近似为：u 。= 弘i 。，忽略等效电阻 上的压降和谐波电流，结合图3 2 得： 小阿c 知厚“：肛 z ， 按交流输出电流纹波设计1 2 6 。，设电流纹波系数y i = ，。j 。， 交流侧滤波电感应按下式选择： z 盎卜s 竿1 s ， 取y ，= 3 ，综合考虑式( 4 - 2 ) 和式( 4 - 3 ) ，并通过s i m u l i n k 进行仿真比较，取交流侧滤波电感值为8 m t t 。 4 3 3 直流侧滤波支撑电容的选择 能量回馈单元中直流侧滤波支撑电容c 1 具有如下功能： 1 滤除由于逆变电路开关器件高频开关动作造成的电压纹波， 交换无功功率和谐波功率( e h 于分别位于两个功率变换器 c ，、c ：之问的直流母线有一定长度，滤波作用应由c 1 完成) 。 2 和s r m 功率变换器中原有的直流支撑电容c 并联，在s r m 发电运行时，与s r m 进行脉动功率交换。支撑直流母线电压， 使其保持稳定。 北京交通大学硕+ 学位论文 如果支撑电容太小，控制稍有偏差，直流母线电压就会有相 当的波动。给能量回馈单元和丌关磁阻电机的控制带来困难。 由上述分析知c ，应不小于按滤除电压纹波为标准设计的电 容值，并考虑开关磁阻电机发电运行的特殊性适当增大。设电压 纹波系数y 。= 。k ，则三相系统直流侧滤波电容考虑式设计。 队表 c o s ( 等卜( 等) 。， 取c = 2 2 0 0 1 1 f ，额定电压为4 5 0 v 的电容实现，这种取值的电 容不能满足直流母线电压要求，用2 并2 串的四个电容来解决。 4 4 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的控制器硬件设计 基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 设计了能量回馈单元控制电路 图4 - 3 系统硬件框蹲 f i g ，4 - 3s y s t e mh a r d w a