（电力系统及其自动化专业论文）船舶推进用多相永磁同步电机矢量控制系统研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 步电机矢量控制信号，输出相应的s v p w m 波，用以控制电 机。 最后文章给出了仿真、实验的波形和相关试验数据。实 验证明，三电平逆变器输出了品质优良且频率和幅值任意 可调的s v p w m 波，可以较好的实现永磁同步电机的矢量控 制。 关键词：十二相永磁同步电机，三电平逆变器，s v p w i v l ，矢 量控制，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，c a n 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a ( x s t u d yo nt h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m o fm u l 月l p i i a s ep e r a 删e n t 凇g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rf o r l u u n e p r o p u l s i o n a b s t r a c t t h ek e yo fm a r i n e p r o p u l s i o n i s s p e e d c o n t r o lo f m u l t i p h a s e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) f o ri n c r e a s i n go u t p u t p o w e r , t h es t r u c t u r eo fp m s m i s u s u a l l ym u l t i p h a s ea n dt h er a t i n go f o u t p u tp o w e r i sm wf o rm a r i n e p r o p u l s i o n t od e v e l o p m e n tl a r g ep o w e r s y s t e m ，al o w p o w e rp r o p u l s i o ns y s t e mm u s tb es t u d i e df i r s t l y t h e c o n t r o lm o d eo fp m s mi sv e c t o rc o n t r 0 1 t h e o u t p u tp o w e ro f l o w - p o w e ri n v e r t e ri si o k v a ，w h i c ho u t p u tf r e q u e n c ya n dv o l t a g ea r e c o m p l e t e l y c o n t r o l l e d f o r s i m u l a t i n gl a r g ep o w e rp r o p u l s i o ns y s t e m ，t h r e e - l e v e li n v e r t e r i s s e l e c t e d t h r e e l e v e li n v e r t e r sh a v e b e e nf o u n d w i d e l y i n m e d i u m v o l t a g eh i g l l p o w e ra p p l i c a t i o n s t h ec o n t r o lm e t h o di ss p a c e v e c t o rp w m ( s v p w m ) m o d u l a t i o n s t r a t e g yf o rt h r e e - l e v e li n v e r t e r a n d i ti su s e dt og e n e r a t es v p w m ，w h i c hl o o k st h ei n v e r t e ra n d t h em o t o ra s o n e t h i n g b a s e do nt h es t a n d p o i n to fm o t o rc o n t r 0 1 t h e r ea r es e v e r a lt h r e e 1 e v e li n v e r t e r st oc o n t r o lm u l t i p h a s ep m s m s y s t e m t h i sp a p e r s t u d i e so n1 2 一p h a s ep m s mb a s e do nf o u rt h r e e “l e v e l i n v e r t e rm o d u l e s t h ec o n t r o lc i r c u i to ft h ej n v e r t e r j sb a s e do nt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) t h ec o m m u n i c a t i o no ft h e 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t s e v e r a li n v e r t e 璐u s e sc a n a se a r l i e rs t a g es t u d yo f m u l t i p h a s ep m s m v e c t o rc o n t r o ls y s t e m ， t h i sp a p e rs t u d i e so nt h ev e c t o rc o n t r o lo fp m s mi nd e t a i la n dr e a l i z e s t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fs v + p w mc o n t m lf o r t h et h r e e 1 e v e l i n v e r t e ra n dl a s t l yc o m p l e t e st h ec o m m u n i c a t i o nb a s e do nc a nf o rt w o i n v e r t e rm o d u l e s t h e k e y o fp m s mv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi st h r e e l e v e l i n v e r t e r , w h i c hr e c e i v e st h ec o n t r o ls i g n a la n de x p o r t sc o r r e s p o n d i n g s v p w mt oc o n t r o lp m s m a tl a s t ，w a v e f o r m sa n dt e s td a t aa r eg i v e ni nt h i sp a p e r i ti sv e r i f i e d t h a tt h eo u t p u ts v p w mo ft h r e e l e v e li n v e r t e ra r ef i n eq u a l i t y , w h i c h o u t p u t 丘e q u e n c y a n dv o l t a g ea r ev a r i a b l e r a n d o m l y , a n dt h r e e - l e v e l i u v e l t e rb a s e do ns v p w mc a nr e a l i z et h ev e c t o rc o n t r o lo fp m s m w e l l k e yw o r d s ：1 2 - p h a s ep m s m ，t h r e e l e v e li n v e r t e r , s v p w m ，v e c t o r c o n t r o l ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，c a n ! ! 曼至望奎堂雯圭兰堡笙塞 ： 堕望 1 1 课题背景 第一章绪论 随着电力电子技术、控制技术以及计算机技术的发展，船舶推进 技术获得长足的发展，由以前传统的机械传动推进发展到电力推进。 船舶电力推进是指采用电动机械直接带动螺旋桨来推进舰船的一种 驱动技术。二次大战以后，各种舰船开始大量采用电力推进技术， 先是破冰船、工程船等采用电力推进技术，再而扩大到客货船、半 潜式海洋平台、化学品船、油船、l p g 船、布缆船、科考船、救捞船、 渡船等更大范围的船舶。据报道，世界上已有3 0 的民用船舶采用了 电力推进。仅a l s t o m 公司，从1 9 8 0 年至今已经推出了l l o 套船用 电力推进系统，总装机容量超过1 5 0 万千瓦。采用电力推进系统主 要有以下优点： 1 、噪声低，火大提高了船舶的隐蔽性和安静性。发动机是船上 主要的振动源。采用电力推进后，发动机安装在弹性机座上带动发 电机，并以恒定转速运行，它既与轴系上的电力推进系统没有任何 联系，又与船体没有直接联结，这就大大减少了振动和噪声。 2 、调速性能好，机动性强。推进电机由静态变频器供电，调速 简单，在正反转各种转速下都能提供恒定的转矩，可以得到最佳的 工作特性，使船舶取得优良的机动性能。 3 、效率高、油耗小，大大提高了船舶的持航力。采用电力推进 系统可以统筹全船的能量，改善设备的运行状态，提高螺旋桨的效 率。在很大的航速范围内燃油消耗相对比较低，因而能够维持最低 的运行成本。 4 、电力推进可以不采用齿轮减速装置和可变螺距螺旋桨，在降 低动力装置的费用投入上具有一定的竞争力。同时采用电力推进改 善了机舱的布簧，使动力装置各种设备的安排更加合理，节省了大 北京交通大学硕士学位论文 绪论 量的空间。 5 、采用电力推进系统，有利于船舶控制环境污染。 由于电力推进技术具有上述的一些优点，电力推进技术在海军舰 艇上获得快速的发展和应用。世界各国皆将船舶电力推进技术作为 重点研究和开发的领域，大量投资进行应用研究。 电力推进技术在我国海军潜艇上已经有过应用，但我国船舶电力 推进的应用技术要比西方发达国家落后很多，随着电力电子技术的 飞速发展，采用交流电动机( 如同步电动机、永磁电动机、异步电 动机等) 实现海军舰船电力推进的优势日趋明显，它效率高、体积 小、重量轻、兔维护、可靠性高，同时隐蔽性强，从国内外研究情 况看，交流电力推进正在取代直流电力传动，成为船舶动力的主流。 在船舶电力推进技术中，核一i l , 技术是交流电机的调速技术。交流 电机的调速技术在民用领域已经广泛应用，尤其是中小功率的调速 技术已经非常成熟，但在我国军用领域交流电机调速技术还没有进 入实用化阶段，对交流电机调速技术在我国船舶上应用研究己经追 在眉睫。 在海军舰船实际应用中，电力推进系统容量都是兆瓦级( 1 0 m w 或更高容量) 。但要研制开发i o m w 功率等级的舰船全电力推进系统， 必须从小功率等级如i o k v a 舰船全电力模拟实验系统开始研制，掌 握小功率等级的技术，再研制中等功率的舰船电力系统，如】唧等 级的电力推进系统，只有掌握中小功率等级的电力推进技术，才能 成功研制更大功率等级的系统。基于这种背景下，海军装备论证研 究中心舰船所提出研制i o k v a 舰船全电力模拟实验系统。研制小功 率电力推进实验系统的必要性： l 、研究舰船全电力系统的可行性、确定大系统的优化结构、验 证大系统控制策略的有效性。 2 、研究舰船全电力系统的关键技术，确定大系统的主要参数。 如发电技术、并网技术、配电保护技术、变电技术、电机技术等。 3 、研究电力推进技术，如变频调速技术、同步电动机矢量控制、 ! ! 室茎塑查堂堡兰篁笙塞垡堡 直接转矩控制等。 4 、研究舰船智能控制系统技术，如设备管理技术、能量分配管 理技术、设备联网技术、现场总线技术等。 5 、探索舰船全电力系统研究的过程步骤，给出系统设计方案和 评估方法。 总之，小功率实验系统的研制，可以为研制大功率系统提供技术 储备，可以更快更容易实现大功率系统的研制。本文主要研究船舶 电力推进技术的核心：多相永磁同步电机矢量控制系统。 1 2 多相永磁同步电机 虽然是，j 、功率试验系统的研制，但是针对的都是船舶用大功率电 力推进系统，所以小功率系统的搭建应该完全模拟大功率系统，在 系统的电路的拓扑结构、控制策略和主要设备选择上都应与大功率 系统相一致，以达到完全模拟舰船推进系统的效果。 目前从国内外船舶电力推进的应用状况来看，所采用的推进电机 主要有感应电动机、电励磁同步电动机、永磁同步电动机等几种。 但无论那一种推进电动机几乎都采用了多相的设计方案。采用多相 方案主要基于下几个因素： 1 、降低给起供电的变流器电力电子器件的功率要求，对于数兆 瓦的推进电机如果采用三相方案，目前的电力电子器件在常规结构 下都无法达到它的功率要求，而相数增加后，每相的平均功率降低 了，要求的逆变器单相输出功率也就相应降低了，这样就可以采用 常规器件，如i g b t 、g t o 等等。 2 、可以提高系统的可靠性，即使多相中的一相或凡相出现故障， 通过适当的控制也可以保证电机的正常起动和运行。这一点对于提 高舰船的生命力有十分重要的意义。 3 、采用多相化可以有效的抑止电磁转矩的脉动，获得平滑的输 出转矩，降低噪声。 北京交通大学硕士学位论文绪论 同时采用永磁同步电动机作为推进电机，不仅仅因为它是技术发 展的方向，各国海军研究的重点，更重要的是因为它与其他电机相 比具有比较明显的优势，主要体现在： 1 、电机尺寸小、重量轻与同容量的电励磁同步电机相比，永 磁电机的总重量和有效体积可以减少4 0 以上。 2 、效率高、损耗小、节能效果显著，永磁电机的能量转换效率 可以达到9 5 以上，比一般电机高4 一1 3 ，因为不需要励磁绕 组，消除了励磁损耗，在额定功率和额定转速时，损耗( 包括逆变 器损耗) 大约比一般电机降低2 0 ，在2 0 额定转速和l o 额定功 率时损耗大约比一般电机降低4 0 。 3 、功率密度大，功率因素高。永磁同步电机的功率因素可以达 到1 ，比异步机高5 一2 0 。 4 、永磁电机转动惯量小、过载能力强、动态相应快。 5 、推进系统噪声低。采用永磁推进电机，特别是多相永磁同步 推进电机，可以实现低速大转矩，转速降低可以降低螺旋桨或推进 轴的转速，从而降低摩擦噪声；由于励磁采用永磁体，不存在转子 发热问题，定子用水冷却，所以可以消除冷却风机噪声；消除了常 规直流电机的换相和电刷的摩擦声。 6 、永磁电机的形状和尺寸可以灵活多样。根据永磁材料的特点， 永磁电机容许较大的气隙长度，可以根据实际情况采用不同的结构 形式。 7 、稳定性好，维修方便。因为不存在电刷和机械换相器，不会 产生换相火花，消除了一个不安全因素，同时也减少了维护量：变 频调速装置模块化，可以方便的拆、装和修理。同时采用多相化技 术后，某些组件发生故障时，可以降低功率运行，提高了可靠性。 8 、永磁同步电动机控制相对与异步电动机和励磁同步电动机要 更加简单，容易实现。 由于具有以上种种优点，特别适用于海军舰船上面，所以国外先 进国家积极开发基于多相永磁同步电机的舰船电力推进系统。当然， 4 些塞壅望查兰雯主堂堡笙苎 ! 堕笙 永磁同步电动机存在着退磁的危险，但是只要设计合理，控制方法 得当，就不会退磁。本文采用多相( 十二相) 永磁同步电机作为推 进电机。 1 3 多相永磁同步电机控制系统 l 、系统结构原理 同步电动机变频调速系统从控制方式上可分为两大类：类为他 控式变频调速系统；另一类为自控式变频调速系统。他控式变频调 速系统中所用的变频装置是独立的其输出频率直接由速度给定信 号决定，属于速度开环控制。由于这种系统没有解决同步电动机的 失步、振荡等问题，所以在实际的调速场合很少使用，开环v f 为 常数的控制方法就属于他控式。 同步电动机变频调速系统一般采用自控式运行，其系统的组成由 同步电动机、逆变变频器及转子位置速度等检测器组成，配上控制 装置，就构成了自控式同步电动机调速系统。永磁同步电机自控式 调速系统原理图如图卜l 所示。 震篷蒸 图卜1 白控式永磁同步电动机调速系统 f i g u r e l 一1s y s t e mo fs e l f - c o n t r o ll e dp m s m 2 、推进逆变器 对于推进逆变有两电平、多电平和多重化方案。两电平逆变器技 术发展最成熟、应用场合最广泛、使用的开关器件少、控制简单， 北京交通大学硕士学位论文绪论 在低电压中小功率的应用场合占据绝对的地位，如果要应用在大功 率系统中可以采用多重化技术，如多级h 桥并联变换器。另外系统 还可采用多电平逆变器技术，多电平技术( 一般采用三电平结构) 就是为解决高电压、大功率装置而发展起来的变换技术。 十二相h 桥型逆变器与十二相三电平逆变器相比，都可用于大功 率大容量系统，而且各有优点，比较分析如下： ( 1 ) 、h 桥方案要求主开关器件的耐压较三电平高，因此，当两 种调速系统采用同样等级的主开关器件时，三电平方案输出功率大， 而且采用了多相化的三电平逆变器能实现功率等级更高的系统。 ( 2 ) 、1 1 桥逆变器实际上为两电平逆变器，与三电平方案比较， 逆交器输出的电压谐波大，而且三电平方案输出波形更加近似正弦。 ( 3 ) 、h 桥逆变器技术成熟，控制实现简单容易；三电平逆变器 棚对实现较为复杂。但对于交流电机，三电平逆变器采用s v p 删控 制是更先进性能更优的方法。 ( 4 ) 、h 桥逆变器有输出变压器，使得装置体积增大变得笨重， 而且使得成本大幅提高，如果要增大装置容量，h 桥数目要增加而且 要增加变压器数目和容量。 综上所述以及技术发展的趋势，针对最终所要实现的大功率大容 量系统，基于新型大功率电力电子器件的多电平逆交器或者多相逆 变器是解决大功率推进电动机的方案，如果在多相电机控制中采用 多电平控制方案将是最佳解决方案，虽然这种控制方寨将会比较复 杂，但是通过研究结构，研究算法，采用先进的智能控制芯片可以 很好的实现多相多电平这一控制方案，从而可以进一步提高逆变器 的输出功率和电机的控制性能。 3 、同步电机控制策略 电动机调速的关键是转矩的控制，由b l a s c h k e 等人提出的交流 电动机矢量变换控制理论，解决了交流电动机转矩的高性能控制问 题。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机 转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解为产生磁通 北京交通大学硕士学位论文绪论 的励磁分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼 此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理 和特性上就和直流电动机相似了。因此矢量控制的关键仍是对电流 矢量的幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。 三电平逆变器与传统的两点式逆变器相比较，输出相电压电平可 以在+ p i 2 和0 以及一p 么2 和0 之间变化。这样一来三点式逆变 器输出线电压波形更加接近正弦，输出电压的谐波将明显减少。对 于三电平逆变器的控制方法常采用p _ | 】m 调制技术，主要有正弦p w m 与空问( s v ) p w m 两种。与正弦p w m 相比，基于电压空间矢量的调制 技术，不仅使得电机转动脉动降低，电流波形畸变减少，而且直流 侧电压利用率提高。电压空问矢量控制( 又叫磁链跟踪控制) 是把 逆变器和电动机视为一体，来控制产生p w m 波。由于空间电压矢量 调制原则是从电机的角度出发，目的在于使交流电机产生圆形磁场， 通过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理 想的磁链圆，从而生成p w m 波。 本文详细研究了永磁同步电机矢量控制的原理以及三电平逆变 器空间矢量控制原理和软硬件的实现方法。系统以数字信号处理器 ( d s p ) 为主控芯片。由d s p 组成的全数字化控制系统可以通过修改 控制程序，无须改变系统硬件，便可实现不同的控制算法，实现控 制的软件化、柔性化，并保证实时性的要求。 北京交通大学硕士学位论文系统分析 第二章系统分析 2 1 系统结构及原理 2 1 1 系统组成及功能 多相永磁同步电机推进系统结构原理图如图2 1 所示。 图2 1 十二相永磁同步电机调速系统 f i g u r e 2 11 2 一p h a s ep m s mv a r i a b l e s p e e dc o n t r o ls y s t e m 本系统主要组成是： 1 、直流电源：将电网的三相交流电变换为直流电，向三电平逆 变器提供电源，其设计虚考虑到减少对电网的谐波污染以及软启动 的功能。 2 、三电平逆变器模块：接受中央控制器的指令，实现空间矢量 控制策略，完成对永磁同步电机调速系统的控制。 3 、中央控制器系统：采集控制所需的各种信息数据，协调控制 北京交通大学硕士学位论文系统分析 四个三电平逆变器模块，d s p 控制器之问通过c a n 总线进行通信。 4 、十二相永磁同步电机：调速系统的被控对象，船舶电力推进 系统的核心组成部分，为船舶提供动力。 5 、速度位置检测：检测永磁同步电机转子速度及位置，为电机 矢量控制提供必要的参数。 2 1 2 各分系统结构原理 l 、直流电源 本系统的直流电源实际上是整流变压器，主电路如图2 2 所示。 + 图2 2 整流变压器电路原理图 f i g u r e 2 2d i a g r a mo fr e c t i f i e rt r a n s f o r m e i c i r c u i t 变压器采用y ，y ，d 结线方式，这种结线方式的主要特点是： ( 1 ) 、低压侧采用d 形结线，可以消除三次谐波电压，保证相 电动势波形接近正弦波形。 ( 2 ) 、d 形结线的绕组可以作为主绕组，用于传输容量，也可以 仅用于消除三次谐波电压的辅助绕组。如果是仅用于消除三次谐波 电压，那么它的短时热容量应等于主绕组的1 3 。 ( 3 ) 、对于存在d 形结线的绕组，y 形结线的中性点是稳定的， 可避免不对称负载时产生中点位移。 ( 4 ) 、绕组变压器的d 形结线的绕组可以增加限制故障电流的 能力。其限制能力取决于该绕组与另外两个绕组间的阻抗。 变压器副边接两个整流桥对推进变压器的副边输出进行整流，整 北京交通大学硕士学位论文 系统分析 流桥选用三耜全波不控整流。 在直流电源中，接触器和断路器的使用主要考虑到系统的上电时 序以及系统故障保护的作用，直流电源需要两个接触器，交流侧一 个，直流侧一个。 考虑上电初始瞬间电压对电容的冲击作用，在直流侧接触器两 端并接一个软启动电阻。系统上电时序为先合交流侧接触器，此时 整流电压通过软启动电阻对直流侧支撑电容充电，待电容两端电压 达到额定整流电压后，合直流侧接触器，完成上电顺序。此外，直 流侧支撑电容采用冗余设计，可以根据实际需要增加或减少电容量。 2 、三f 电平逆变器模块 多电平逆变器主要有三种结构形式，另外一些新型结构都是在 它们的基础之上演化而来的，随着电平数的增加，多电平逆变器的 结构和控制的复杂性将大大增加。因此目前应用最广泛的是三电平 逆变器。这三种基本结构分别是：二：极管中点钳位式多电平逆变器、 飞跨电容式多电平逆变器和级联式多电平逆变器。其电路原理图分 别如图2 3 、图2 - 4 和图2 - 5 所示，它们的输出电压波形及分压情况 基本相同，但在结构上，飞跨电容式需要多个体积较大的分压钳位 电容；级联式需要多个独立的童流电源，这些结构限制了它们的应 用范围。 图2 - 3 = 极管中点钳位式三电平逆变器 f i g r u e 2 3d i a g r a mo fd i o d e c l a m p e d t h r e e l e v e li n v e r t e r 1 0 ! ! 蔓銮望查堂堡主堂璺堡茎墨丝坌堑 件漆 图2 4 飞跨电容式三电平逆变器i 目2 - 5 级联式多电平逆变器 f i g u r e 2 4f l y i n gc a p a c i t o r3 - 1 e v c li n v * r t e rf i g u r e 2 5c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r 3 、中央控制器系统 在十二相三电平推进系统设计中，控制系统至关重要。由于三电 平逆变器比两电平逆变器主电路结构复杂，使用的开关管数量多一 倍，而且需要采用四组三电平逆变器，造成控制系统的复杂性大大 增加。另外，三电平逆变器还存在中点电位不平衡的问题，要使中 点电位平衡，实现调速系统的良好控制性能，必须依靠复杂完善的 控制系统来完成。 控制系统的原理图如图2 - 6 所示。在三电平逆变器的控制系统 中，每个三电平逆变器模块( 模块a 、b 、c 、d ) 都有自己单独的控 制系统( d s p ) ，中央控制器系统也是采用d s p 做为控制芯片，考虑 图26 控制系统结构框图 f i g u r e 2 6s t r u c t u r ed i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e m 罄摹 一乃 l 一 一n = n 一一蘸 圈蚤霍墨r蜱翌一日一元统一霪霪迈矧堡霪甄 北京交通大学硕士学位论文系统分析 到所选用的d s p 内部含有c a n 总线控制器，所以每个逆变器模块的 控制系统与中央控制器系统之间采用c a n 总线进行通信。 4 、十二相永磁同步电机及转子速度位置检测 推进同步电机是模拟船舶用大功率同步电机，逆变器所控制的对 象是十二相永磁同步电机。本系统采用交直交电压型变频器供电， 相对于正弦电源供电来说，时间谐波含量较大，为此本电机的结构 采用4 y 移1 5 度的十二楣绕组，这样可以消除低次电枢磁势谐波对 转矩脉动的影响，同时通过采取优化主极极靴形状，改善气隙磁场 波形。十二相( 移1 5 度) 电机具有一下特点： 1 、气隙中存在的谐波次数为：2 4 n l ，n = 1 ，2 ，3 ，即不 存在5 ，7 ，1 1 ，1 3 ，1 7 ，1 9 等次谐波。 2 、由4 个移1 5 度的对称三相绕组构成的不对称十二相同步电机 系统其转动脉动( 谐波) 要比由4 个移3 0 度的对称三相绕组构成的 对称十二相同步电机系统要小得多。 永磁转子采用4 极对。十二相4 y 移1 5 度永磁同步电机电枢绕组 原理图如图2 7 所示。 b l a 2 a l 图2 7 十二相永磁同步电机电枢绕组原理图 f i g u r e 2 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f1 2 一p h a s ep m s ma r m a t u r ew i n d i n g ! ! 塞奎望查兰夔主堂堡堕兰墨竺垃塑 十二相4 y 移1 5 度电机电枢绕组的特点： t 、每个y 在空间上是对称分布的，即三相绕组的轴线在空间相 差1 2 0 度电角度，且4 个y 相互独立无中点连线，即无电气连接。 2 、各个y 对应绕组的轴线在空间上依次相差1 5 度电角度。 3 、每个y 的三相电流在时间上是对称分布的，即， ，m 、，。f 在 时间上依次相差1 2 0 度电角度( 户l ，2 ，3 ，4 ) 。 4 、各个y 对应相的电流在时间上依次相差1 5 度电角度。 针对船舶推进用同步电机的特点，其转速不可能太高，大概为 3 0 0 转分左右，那么如果选择工作频率较高，势必电机极对数和定 子槽数增多，使电机外径增大。综合考虑，电机额定工作频率定为 2 0 h z ，同时要求三电平逆变器输出频率为0 5 - - 5 0 h z 可调。 自控式永磁同步电机调速控制系统离不开对转子位置的检测，只 有检测出转子的实际空间位置后，控制系统才能决定逆变器的通电 方式、控制模式以及输出电流的额定功率和相位，以保证永磁同步 电机的正常工作。准确、可靠的转子位置检测装黄是自控式永磁同 步电机调速系统运行的必要条件。 转子位置传感器常用的有电磁式、磁敏式、光电式、等几种。而 比较常用的是磁敏式和光电式。这里选用光电式转子传感器，其分 辨率高，能够保证足够的精度，而且简单方便。 2 2 系统控制分析 针对十二相( 4 y 移1 5 。相带) 永磁同步电机调速系统，其对应 的十二相三电平逆变器的主电路结构如图2 7 所示。 2 2 1 控制策略 对于十二相三电平逆变器，有如下集中控制策略可选择。 l 、多脉波控制：这种控制方式与三相两电平的6 脉波控制相似， 即每个时刻每组三相逆变器中的三相同时导通，每隔3 0 度电角度发 生一次换相，具体的导通及换相顺序为：p n n p o n p p n o p n n p n n p o 北京变通大学硕士学位论文 系统分析 图2 - 8 基于1 6 b t 的十二相中点钳位三电平逆交器主电路 f i g u r e 2 7m a i nc i r c u i to f1 2 一p h a s e 3 - l e v e li n v e r t e rb a s e do ni g b t 1 4 北京交通大学硬士学位论文 系统分析 一n p p n o p - n n p o n p - p n p p n o p n n ( p o n 分别代表三电平逆变器输出的 三种电平) 。十二相三电平逆交器其余三组逆变器的导通和换相顺序 与上述完全相同，只是时间上分别依次滞后1 5 度电角度。因为三电 平逆变器输出的电压谐波本身就比两电平逆变器小，再加上多相的 作用，则得到的电机定子磁通的谐波含量非常小。 这种控制的最大优点是实现起来非常简单，而且逆变器的开关器 件都工作在基频以下，开关损耗降至最低，开关承受的电压应力也 小。其缺点是该控制系统方式只能调频，不能调压，前端要配上斩 波调压器才能完成调压任务，这样就增加了系统的成本和体积。另 外与p 岍v l 控制相比，其输出电压仍然含有较多谐波，对电机的控制 性能也有限。 2 、基于三角载波的正弦p w m 控制 对于s p w m 控制，三相三电平同两电平基本类似，不同的是中点 钳位型三电平s p w m 控制需要两个同相位的三角载波，三角载波同正 弦参考波比较的结果决定了开关的触发时刻，三角载波的频率决定 了开关频率，参考波的频率与幅值决定了逆变器输出的频率与幅值。 对于十二相正弦p w m 控制与上述多脉波十二相控制策略。样。 这种控制方法的优点是实现起来相对简单，即使对多相系统的控 制，电并不增加多少控制的复杂性。其缺点是直流母线电压的利用 率低( 相对于s v p w m ) ，同时不好解决电容充放电不平衡的问题。 3 、谐波注入p w m 控制 该方式是s p w i d 控制的衍化，不同之处是参考正弦波中被注入了 三次谐波。由于电机没有中线，所以逆变器输出的线电压仍然是标 准的正弦波。但是因为相电压波峰被削平，因此调制范围可以增大。 因此既保持了s p l m b , , t 控制的简单性又提高了直流电压的利用率。其缺 点是电容充放电平衡问题无法得到解决。 4 、空间矢量p w l d ( s v p 州) 控制 针对以上控制方法的缺点，决定采用空间矢量p 删控制方法对 三电平逆变器进行控制。空间矢量控制方法相对于以上3 种控制方 北京交通大学硕士学位论文 系统分析 法有显著的优点：控制输出波形优良，对于直流侧电压的利用率高， 输出线电压线性调节范围大，而且采用一些算法可以抑止电容充放 电不平衡的问题。缺点是控制相对复杂。 2 2 2 空阊矢量p 掰( s v p 硼) 控铡 针对4 y 移1 5 度十二相电机调速系统，其s v p w m 控制又可阻通过 两种途径来实现。一种是把十二相逆变器作为一个整体来分析，这 样，十二相三电平逆变器的电压空间矢量定义表达式为： 一 1 k = 。( s u l + s y l c j l 2 0 * + s 1 e j 2 4 0 - + s w e j l 5 。+ s y 2 e j l 3 5 。+ s 缈2 e j 2 5 5 。 o + s u 3 ej 3 0 。+ s v 3 e d 5 0 , + s 3 e j 2 7 0 + s v 4 e 4 5 。+ s y 4 e j l 6 r + s w 4 e ，2 8 5 ) ( 2 - 1 ) 这样，根据s i ( s k 可以取p 、n 或0 ，k = u l ，v l ，w l , u 2 ，v 2 ，w 2 ， “3 ，v 3 ，w 3 ，“4 ，v 4 ，w 4 ) 不同的组合，经过上式计算一共可以得到 3 1 2 ：5 3 1 4 4 1 个电压矢量，对如此多的矢量进行分析和控制是一个十 分繁杂和困难的事情，对c p u 和存储器也提出了非常的要求。因此 在实际控制中，这种方式几乎是无法实现的。 另外一种途径是把十二相逆变器分成四组，分组三相，分别与十 二相同步电机中的一个y 绕组相对应。这是因为由十二相4 y 移1 5 度电机的特点可知，只通过磁路相互作用，在电路上没有电气连接， 因此可以相对独立进行控制。此时只对一个y 绕组进行控制就可以 了，其控制方法与三相三电平逆变器的控制完全相同，其余三组逆 变器的驱动信号可以通过把第一组的信号分别后移】5 度电角度来获 得。 这种控制方法的电压空间矢量可以定义为： u j = 妄c ，如( s u + s y ey 1 2 0 + s e j 2 4 0 * ) ( 2 2 ) j 因此对于十二相永磁同步电机的控制，就可以完全转化为三相永 磁同步电机来研究了，在完成对三相永磁同步电机的控制的基础， 通过中央控制器协调控制四组三电平逆变器工作，使其输出波形依 北京交通大学硕士学位论文系统分析 次后移1 5 度电角度，就可以完成对十二相永磁同步电机的控制。 2 3 小结 本章分析了整个推进系统的结构组成，以及相应各部分的组成。 通过对4 y 移1 5 度十二相永磁同步电机结构特点及控制方法的研究 发现：可采用四组三相三电平逆变器各自独立产生s v p w t 波来控制 该多相永磁同步电机，只是四组逆变器产生的s v p w m 波依次后移1 5 度电角度，可以通过中央控制器来统一实现。这样多相永磁同步电 机的矢量控制实际上就转化为三相永磁同步电机的矢量控制。 本文作为船舶电力推进系统前期工作的研究与准备，将在后续章 节详细介绍三相永磁同步电机矢量控制原理以及三电平逆变器空间 矢量控制的实现。 北京交通大学硕士学位论文 永磁同步电机矢量控制研究 第三章永磁同步电机矢量控制研究 由前面分析可知：“移1 5 度十二相永磁同步电机可由四组三电 平逆变器分别按4 y 绕组，而通过输出移1 5 度电角度进行控制即可， 那么十二相永磁同步电机矢量控制实际上就转化为三相永磁同步电 机的矢量控制。作为整个多相永磁同步电机矢量控制系统研究的前 期工作，本章将主要研究三相永磁同步电机矢量控制。 3 1 永磁同步电机矢量控制理论基础 3 1 1 电机转矩公式 电机调速的任务是控制转速，转速通过转矩来改变， 转速是一个积分环节机械惯量，即 翌3 7 5 塑d t = 乃一瓦 ”-j 从转矩到 ( 3 一1 ) 式中g d z 电机和负载的飞轮力矩 n 转速 l 、l 电动机的电磁转矩和负载转矩 从式( 3 - 1 ) 可看出，除了转矩外，再没有其他控制量可影响转速。 如果能快速准确地控制转矩，就能很好地控制转速。 欲控制转矩，必须知道电动机转矩与什么有关。无论是直流电动 机还是交流电动机，都由定子和转子两部分组成，它们分别产生定 子磁通势矢量f 和转子磁通势矢量f7 ( 图3 一1 ) ，将f5 和f7 合成， 得到合成磁通势矢量f c ，由它产生磁链矢量妒，好像空间有两块磁 铁，一块是固定的，另一块是可转动的，当两块磁铁的磁通势矢量 方向一致时，不产生转矩，转子不动：若方向不一致，他们将互相 吸引，产生转矩，使转子转动。由电磁场理论知道，这时转矩为： j ! 塞奎堕查堂堡主兰垫塑塞查壁旦生皇垫叁墨塑! ! 堕窒 乃= 薏 z ， 式中e 。磁场能量( 由于存在气隙， 磁场能量几乎全部储存在气隙中) 0 。从f 7 到f 磁场能量的增量： o f ，；b o i l ( 3 - 3 ) 式中口磁感应强度图3 - 1 电机磁通势矢量图 h 磁场强度f i g u r e 3 1m a g n c i o m o l i v ef o r c co f m o t o f 在气隙里，君比例于职而比例于合成磁通势f c ，所以： a 岛= 琏o f f 。) ( 3 4 ) 式中k 。比例系数 由余弦定律： f 2 = f 5 2 + f 7 2 2 f 5 f c o s 口。 ( 3 5 ) 由以上几式，得电机转矩公式： 乃= k 。f5 f s i n 0 。 ( 3 - 6 ) 式中k 。一一比例系数 电动机转矩公式还可以改写为： 乃= k 。f 5 f 。s i n 0 。 ( 3 7 ) t d = k 。f 7 f 。s i n 钆 ( 3 - 8 ) 式( 3 6 ) ( 3 - 8 ) 是统一的电动机转矩公式，适合于各种电动 机。从这些公式可以看出，电动机转矩等于三个磁通势矢量f 、f 7 和f 。中任意两矢量的模和它们问夹角的正弦值之积，即矢量平行四 边形的面积。它只与这些矢量的大小与相对位置有关，而与它们的 绝对位置、是否转动无关，我们可以从便于实现出发，按任公式 控制电机转矩。 3 1 2 交流电机矢量控制基本概念 不同于直流电动机，交流电动机的磁通势矢量f 5 、f7 和，都 在空间以同步速度旋转，彼此相对静止，欲控制转矩，必须控制任 北京交通大学硬士学位论文永磁同步电机矢量控制研究 意两磁通势矢量的大小和相对位置。 通常的交频调速系统的控制量是交流电动机的定子电压幅值和 频率( 电压控制型) 或定子电流幅值和频率( 电流控制型) ，它们都 是标量，故称为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电动机 稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个磁通势矢量的大小和相 对位置，转矩控制性能差。 欲改善转矩控制性能，必须对定子电压或电流实施矢量控制，既 控制大小，又控制方向。一个矢量通常用它在直角坐标系上的两个 分量来表示，交流电机的所有矢量( 磁通势、磁链、电压、电流等) 都在空问以同步速旋转，它们在定子坐标系( 静止系) 上的各分量， 即在定子绕组上的物理量，都是交流量，控制和计算都不方便，借 助于坐标变换，使人从静止坐标系进入同步旋转坐标系，站在旋转 坐标系上看，电动机各矢量都变成了静止矢量，它们在坐标系上的 各分量都是直流量，可以很方便地从统一转矩公式出发，找到转矩 和被控制矢量( 电压或电流等矢量) 各分量的关系，实时地算出转 矩控制所需的被控矢量各分量的值( 直流给定量) 。由于这些被控矢 量的直流分量在物理上不存在，还必须再经坐标变换，从旋转坐标 系回到静止系，把上述直流给定量变换成物理上实际存在的交流给 定量，在定子坐标系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。 整个矢量控制过程可用图3 2 所示的框图表示： ( 静止幕)( 旋转幕) ( 种止象) 图3 - 2 矢量控制过程框图 f i g u r e 3 2s t r u c t u r ed i a g r a mo fv e c t o rc o n t r o l 某些较简单的矢量控制系统没有第一个方框( 交流量测量) 及第 一个坐标变换，但后两个方框及第二个坐标变换不可少。从上述讨 论中可以看出，矢量控制的关键是静止坐标系和旋转坐标系之间的 坐标变幻，实现该变换的关键是找到两坐标系之间的夹角。 i ! 夏至望查兰堡主兰堡塑苎查壁婴生皇垫叁里堡1 4 堑塞 按照基准旋转坐标系的取法不同，矢量控制系统分为两类： l 、按转子位置定向的矢量控制系统：该系统的基准旋转坐标系 的水平轴位于电动机转予轴线上，这时静止和旋转坐标系之间的夹 角就是转子位置角，可直接从装于电动机轴上的位置检测器获得， 系统简单。永磁同步电动机的矢量控制系统属于这一类。 2 、按磁通定向的矢量控制系统：该系统的基准旋转系的水平轴 位于电动机磁通和磁链轴线上，这时静止和旋转坐标系之间的夹角 不能直接测取，须通过计算获得，系统较复杂，但以维持磁链恒定， 使电动机运行经济合理。通常的同步电动机和异步电动机矢量控制 系统属于这一类。 3 1 3 交流电机的坐标系及坐标变换 l 、定子坐标系( r s t 和a 一芦坐标系) 三相电机定予里有三相绕组，其轴线分别为尺、s 、r ，彼此互 差1 2 0 。，构成一个尺一s r 三相坐标系( 如图3 3 ) 。某矢量爿在三 个坐标轴上的投影分别为 爿。、爿。、爿，代表了该矢量 在三个绕组的分量。如果a 是 定子电流矢量，则a 。、a ，、a ， 分别为三个绕组的电流分量。 数学上，平面矢量都用两 相直角坐标系来描述，所以又 定义了一个两相直角坐标系 d 一月坐标系。它的o t 轴 与尺轴重合，君轴超前a 轴 9 0 。，a 。、a 口为矢量a 在 口一疗坐标系中的投影和分量。 图3 - 3 交流电机定子坐标系 f i g u r e 3 3 $ t a t o rc o o r d i n a t e s 由于口轴和冠轴固定在定子绕组只轴线上，所以这两个坐标系在 空间固定不动，是静止坐标系。 2 、转子坐标系( d 一口坐标系) 北京交通大学硕士学位论文 永磁同步电机矢量控制研究 转子坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子轴线上，譬轴超前d 轴9 0 a ，该坐标系和转子一起在空间以转子速度旋转。对于同步电动 机，d 轴是转子磁极的轴线，对于异步电动机可定义转予l 任一轴 线为d 轴( 不固定) 。 3 、磁链坐标系( 我一九坐标系) 磁链坐标系的办轴固定在磁链矢量上，妒：轴超前妒，轴9 0 。，该坐 标系和