（检测技术与自动化装置专业论文）单元串联中压大功率变频器的研究与设计.pdf

西姜料技麦学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外。论文中不包含 其他人或集体已经公- 丌发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的既明并表示了谢意。 学位论文作者签名：同期： 学位论文知识产权声明书 本a 高全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论支芏拓的知识产权单位属于西安科技大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名：嘉万 一 年月 日 论文题目：单元串联中压大功率变频器的研究与设计 专业：检测技术与自动化装置 硕士生：武贵林 指导教师：韦力 。签名，至麴l ( 签名) 摘要 近年来随着电气传动技术的发展，大功率中压变频器己成为交流调速研究的热点之 一。采用中压变频器实现中压电机的无级调速，可以有效地节约能源，提高产品的产量 和质量，大幅降低生产成本，其市场潜力巨大，应用前景广阔。 本文从现有的中压变频器主回路拓扑入手，对6 k v 4 0 0 k w 等级的单元串联型中压大 功率变频器进行了详细的分析和阐述。 首先在理论上分析了单元串联载波移相式p w m 调制的机理，使用基于m a t l a b 6 5 的s i m u l i n k 软件进行建模与仿真研究。并在仿真结果的基础之上将一种高性能的v f 控 制方案引入了中压变频系统。通过矢量补偿定予压降、转差补偿及对电机电流的限制控 制，实现了具有良好低频性能和防“跳闸”等功能的v f 控制方案。 同时，本文将s i e m e n s 公司通用变频器的时隙、连接子的概念运用到中压变频器领 域，增加了系统的可变性，自由性和方便性，针对实际应用要求设计具有系统组态功能 的模块化软件。本论文着重对控制软件的几个重要功能进行了分析讨论，这些重要功能 模块有：控制字和状态字、顺序控制、v f 曲线、瞬时停电再启动、通讯功能和：j ：艺调节 器等。另外，本文还提出了一种基于电压补偿的输出自动稳压算法。 r p 压变频器在实验室设计模型为一台6 k v 2 2 k w 装置，实际设计为6 k v 4 0 0 k w 的变 频装置。本文还给出了实验室调试结果及分析数据，由实验结果表 i ；| ，该中压变频器能 够安全、稳定地运行。同时装置输入、输出谐波分量很低，抗干扰能力达到4 级抗干扰 等级。 关键词：中压：变频器；移相p w m ；单元串联；高性能v f 控制；模块化 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fc e l ls e r i e sm i d - v o l t a g e & h i g h - p o w e ri n v e r t e r s p e c i a l t y ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t n a m e ：w u g u i l i n ( s i g a t u n ) 唑型丝 i n s t r u c t o r ：w e il i ( s i g n a t u m ) 砬旺 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a ld r i v et e c h n o l o g yr e c e n t l y , m i d - v o l t a g e h i g hp o w e r i n v e r t e rh a sa l r e a d yb e c o m eo n eo fr e s e a r c hf o c u si na cd r i v e s i tn o to n l yc o u l de n h a n c et h e t u r n o u ta n dq u a l i t yo fp r o d u c t s ，b u ta l s oc o u l de c o n o m i z el a r g en u m b e r so fp o w e re n e r g ya n d r e d u c ep r o d u c t i o nc o s ti fm i d v o l t a g em o t o rc o u l dc h a n g et h e i rv e l o c i t ys m o o t h l yu s i n gm i d v o l t a g ei n v e r t e r i th a sh u g em a r k e tp o t e n t i a la n dw i d e l ya p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e b a s e do nt h ea c t u a lc o m m o nu s em a i nl o o pt o p o l o g yo ft h em i d d l ev o l t a g ef r e q u e n c y c o n v e r t e rs y s t e m ，t h i se l a b o r a t e da n da n a l y z e d6 k v 4 0 0 k wc e l ls e r i e sm i d d l ev o l t a g ei n v e r t e r s y s t e m i nt h ef i r s tp l a c e ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fc e l ls e r i e sc a r r i e rw a v ep h a s es h i f t s t y l ep w m m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h e o r y ，t h e na n a l y s e da n dd e s i g n e di ns i m u l a t i o nu s e do f s i m u l i n kb a s e do nm a t l a b 6 5 a f t e r w a r d s ，m a d eo n ek i n do fh i i g hp e r f o r m a n c ev f sc o n t r o l s c h e m e st ot h em i d d l ev o l t a g ei n v e r t e rs y s t e m b ym e a n so fc o m p e n s a t i n gt h ed e s c e n to fs t a t o r v o l t a g eu s i n gv e c t o rc o n t r o l ，c o m p e n s a t i n gt h ed i s c r e p a n c yo fr o t a t es p e e da n dp l a c er e s t r i c t i o n s o nt h em a x i m u mc u r r e n to fm o t o r ，a c h i e v i n gt oae x c e l l e n tv fc o n t r o ls c h e m ew i t hg o o d c h a r a c t e r i s t i co fl o wf r e q u e n c yp e r f o r m a n c ea n da g a i n s t - f a u l tf u n c t i o n s a tt h es a m et i m e ，i nt h i sp a p e r ，s a r u eg o o di d e ao fs i e m e n s c o r p o r a t i o n ，s u c ha st i m e s l o t ，j o i n tw e r eu s e di nm i d d l ev o l t a g ec o n v e r t e r 。w h i c hi m p r o v e d t h ev a r i a b i l i t y ，f r e e n e s s a n dc o n v e n i e n tq u a l i t yo ft h es y s t e m 。m e a n w h i l ew eh a v e d e s i g n e ds o m em o d u l a r i z a t i o n s o f t w a r ew i t h s y s t e m a t i cc o n f i g u r a t i o nc a p a c i t y ，a n do n ei n s t a n c eo u to fm a n y ，s o m es u c h a sc o n t r o lw o r da n ds t a t u sw o r d ，s e q u e n t i a lc o n t r o l ，v f c u r v e ，r e s t a r tw h i l ei n s t a n t a n e o u s p o w e rf a i l u r e ，c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n dt h et e c h n o l o g yc o n d i t i o n e r b e s i d e s ，aa u t o m a t i c m a i n t a i n i n go u t p u tv o l t a g ea l g o r i t h mw a sp r o p o s e db a s e do i lp o w e rc o m p e n s a t i o no fn e t w o r k v o l t a g e i nt h el a b o r a t o r y , s y s t e mw a sd e s i g nt o6 k v 2 2 k wa sa e x p e r i m e n td e v i c e ，t h ea c t u a l d e s i g nw a s6 k v 4 0 0 k w t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dt h e i ra n a l y s i s g i v e no u ti n t h i sp a p e r s h o w e dt h a tt h i sm i d d l ev o l t a g ei n v e r t e rc o u l dr u ns a f e l ya n ds t e a d i l y w i t hl o wh a r m o n i c c o m p o n e n ti ni t si n p u ta n do u t p u t ，a n da t t a i n e d4g r a d e so fa n t i - j a m m i n gr a n k k e y w o r d s ：m i d - v o l t a g e ；i n v e r t e r ；p h a s e - - s h i f tp w m ；c e l ls e r i e s ； h i g hp e r f o r m a n c ev fc o n t r o l ；m o d u l a r i z a t i o n t h e s i s ： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 详细摘要 1 研究背景和意义 1 1 研究背景 随着电气传动技术的发展，尤其是变频调速技术的日益进步，作为大容量传动的中 压变频调速技术也得到了广泛的应用。中压电机利用中压变频器可以实现无级调速，满 足生产工业过程对电机调速控制的要求，即可提高产品的产量和质量，又可大幅度节约 能源，降低生产成本。 另一方面，我国有大量大功率传动机械，大都由中压电网供电，由于多采用直接很 厘速拖动，能耗太大。因此，高性能的中压大功率变频调速装置的市场潜力巨大，、应用 前景十分广阔。再加上其技术难度大、技术容量高等特点，使其成为近年研究热点。 【2 国内外研究现状及意义 在中压调速领域，国外的产品和技术相对成熟。目前世界著名电气公司都有自己的 中压变频器产品。竞争十分激烈；国内目前尚无成熟、定型的中压变频器，处于起步阶 段。国内许多公司和研究所投入了大量的人员和资金，在中压变频调速领域展开了积极 的研究。 考虑到市场需求比较大，且中压变频器在技术角度需解决与低压变频器不同的功率器 降耐压问题，控制与高压绝缘问题，以及输入，输出谐波污染等问题。 另外，中压大功率变频器的产业化也将会带动电子、机械等行业的发展。 因此，该新技术、新产品的发展前途不可限量。对其的研究具有特别重要的意义。 1 ! 研蒯容 ! 1 中压变频器的主回路拓扑及系统设计 目前中压变频器的主电路拓扑高一低一高结构、高高结构两种，高高结构又可分为电 氚型、三电平电压型和单元串联多电平电压型等几种，但由于高一低一高结构占地面积 赶，输入、输出损耗大，输出谐波大，且升压变压器需要特殊设计，电流型高高结构存 生器件串联的均压问题、输入、输出谐波污染大，三电平电压型中点会偏移，影响输出 电压的对称性，并且提高了对器件的耐压要求。输入输出谐波污染相对较大。为了克服 t 述缺点本文采用了单元串联多电平电压型变频器( 6 单元串联多电平电压型变频器见图 ) 。但是单元串联的拓扑结构所需功率器件多，功率单元采用二极管整流不能四象限运 亍。因此，通常认为在1 0 0 0 k w 以下采用串联方式更合适。 详细摘要 n 图1 单元串联的中压变频器的主电路拓扑 在系统设计中，本文研究的6 单元串联中压变频器系统设计为6 k v 4 0 0 k w ，其系统 组成如图2 ，本文着重对系统的组成、主控d s p 芯片、中心控制板、脉冲扩展板、功率 单元及电流检测和保护电路等方面进行了说明。 图2 中压变频器系统框图 详细摘要 项目在系统硬件及功率组件等各方面完全自主开发，具有以下几个特点： ( 1 ) 控制芯片采用t 1 公司t m s 3 2 0 c 3 2 型d s p 芯片，与目前国内中压变频器领域 已开发和正在开发的项目所采用的单片机相比，性能更好，速度更快；t m s 3 2 0 c 3 2 芯片 又区别于目前流行的电机控制d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列，t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列是定点运 算，且不满足进行标么化运算的要求。 ( 2 ) 采用独特的3 根光纤进行脉冲传送和故障检测，该传输设计比通用的2 根光纤 传输方式在可靠性和传输延时上性能更好。 ( 3 ) 采用完全相同的1 8 块功率单元。增加了设备的互换性、系统维护的方便性。 2 3 单元串联中压变频器控制方案 中压变频调速在主电路拓扑上目前尚无统一结构，因此在控制策略上也各有不同。 对于三电平的拓扑结构，由于和通用变频器比较接近，在控制策略上也多采用相对成熟 的矢量控制和直接转矩控制；对于单元串联的拓扑结构，由于和通用变频器的结构差异 较大，因此，目前单元串联中压变频器多采用相对简单的恒压频比控制。在p w m 波形的 生成上，单元串联中压变频器可以利用单元串联( 多重化) 的特点，使用移相p w m 调制 方式，提高等效开关频率，改善输出波形。 文中首先从理论上对载波水平移相p w m 调制、载波垂直移相p w m 调制两种载波移相 的p w m 调制方式进行了分析，分析可知采用载波垂直移位p v c l v l 调制，几个功率单元还需 要动态分配各功率单元的输出功率，使得负载功率由每个功率单元共同均匀分担。而采 用载波水平移位p w m 调制，可以增加输出电平数，提高等效开关频率( 相当予功率单关 频率的2 n 倍) ，大大降低输出波形的谐波，输出波形质量高；并且保证了功率分配。接 着采用m a t l a b 6 5 的s i m u l i n k 软件从仿真上验证了载波水平移相p w m 调制的可行性， 给出了输出波形的频谱分析。仿真同时可以发现，随着调制度的降低，线电压输出波形 的电平数不断减少，谐波也相应增加，但谐波都是主要集中在开关频率附近( 1 0 0 次谐 波) 。 2 4 高性能的中压变频器v f 控制 本文在普通v f 控制的基础上，将一种高性能的v f 控制方案引入到中压变频系统中 方案。采用矢量补偿定子电阻的方法，可以准确保持定子磁通的恒定，在忽略定子漏感 的情况下，实现了恒e g ，1 控制；同时，本文还涉及到最大电流限制控制器，使电机能发 出某最大转矩，并且不论负载有多么重( 甚至发生堵转) ，变频器也不会跳闸，也就是 实现挖土机特性。为了提高电机的机械特性的硬度，采用与恒e ，1 控制方式下相同的线 性转差补偿方法。即参考频率的调整，可由定子电流有功分量( 代表负载转矩) 所决定 详细摘要 的转差频率的设定值来控制。并以此为基础形成了高性能的v f 控制方案。高性能v f 控 制原理框图如图3 所示。 图3 高性能v f 控制原理框图 2 5 基于d s p 的模块化软件设计 在本系统中，由于实现的功能较多( 2 0 多个模块) ，并且考虑到以后软件升级的兼容 性，本文参照西门子传动系统( 如交流传动设备6 s e 7 0 ) 的编程思想，将s i e m e n s 公司通 用变频器的时隙、连接子的概念运用到中压变频器领域，增加了系统的可变性，自由性 和方便性，实现了具有系统组态功能的模块化软件设计。本项目研制的中压变频器的所 有功能都划分在一定的功能模块中，包括开环( 闭环) 控制功能、通讯功能以及监控和 操作器控制功能都由软件中的功能模块实现。这些功能模块相对独立，可通过参数设置 而自由联结。相互联结的方法相当于将各个功能模块用工程方法进行电气连接，即相当 于用导线连接集成电路或其他元件。因此，各个功能模块都有自己相应的功能框图，用 来表现该模块要实现的功能和输入输出连接方式。 系统控制软件完成所有控制功能、故障检测处理功能和通讯功能，为提高效率，这 部分软件用汇编语言编写完成。软件采用了模块化设计，每种功能都划分为相应的功能 块，为保证所有功能块都能在指定的时隙里完成，本文把控制软件分成3 部分：主程 序、p w m 调制块及所有其他控制功能块。主程序完成初始化、参数搬移并白检、参数保 存、参数恢复工厂设定值、故障历史纪录处理等任务，这些任务对执行的时蚓没有特殊 要求，因此这些功能块的时隙不可设。p w m 调制块对时间要求最高，因此安排在优先级 最高且最快的中断疋中，所有其他控制功能块( 开入开出、模入模出、控制字状态字、给 定通道设定、给定积分器、定子电流分解、最大电流限制、v f 曲线、顺序控制、通讯、 信息、故障诊断、故障综合、电动电位器、工艺调节器、瞬时停电再起动等1 安排在次级 中断n 中，进一步，把它们分别置于瓦、2 瓦、4 瓦和n 0 中。通过调整中断的时问，就 调整了功能块的时隙。在文中着重对着重对控制软件的几个重要功能进行了分析讨论， 详细摘要 这些重要功能模块有：控制字和状态字、顺序控制、v f 曲线、瞬时停电再启动、通讯功 能和工艺调节器等。另外，本文还提出了一种基于电压补偿的输出自动稳压算法。 通讯功能是本系统设计中不可缺少的一部分。本系统的中心控制板和触摸屏之间采 用的是r s 4 8 5 通讯接口，保证了人机交互的实现。触摸屏还预留一个r s 2 3 2 接口和上位 机通讯，中心控制板预留一个r s 4 8 5 接口和现场总线通讯。在本部分最后，给出了本系 统采用的一些有效的软件抗干扰措施。 3 实验结果及分析 本中压变频调速系统在控制硬件、软件及功率单元组件完成设计之后，2 0 0 5 年3 月，在西安科技大学电气研究所( 西安西科邦佳电气有限公司) 成功完成了对6 k v ，2 2 k w 试验装置的实验研究，通过了阶段性成果验收，对该设计，主要从三方面进行了试验， 即各功能块功能实验，6 k v 2 2 k w 实验系统实验、快速瞬变脉冲群抗干扰实验。 在整个实验期间，经过反复实验变频器各功能模块，并不断修改完善后，证明系统控 制软件设计达到了模块化设计的要求，具备系统组态的能力，各功能模块实现了设计功 能，总体上实现了s i e m e n s 的软件设计思想；人机界面软件设计友好，实现了中文多级 菜单，参数设置简单，通讯功能完善，可对变频进行实时监控。 本系统最低运行频率虽然可以在2 h z ，但此时电流谐波大，对电机不利；而5 h z 的电 流谐波是可以接受的，所以本系统的最低运行频率定为5 h z 。 在实验室空载、负载运行的情况表明，本系统在软硬件方面都达到了设计要求，可 以安全、稳定地长期运行。同时装置输入、输出谐波分量很低，系统抗干扰能力达到4 级抗干扰等级。 ”r 一 l 争 l 震 誉 拳 l 。f，e l f k r v 铲一 0 7 、f l - i ) 氢逢陵蟊。，孓：q 7。_ v 。，贽i韵s 翻45 0 h z 负载实验时电动机线l b 压( r )圈55 0 h z 负载实验时进线电网侧线电流波形 线电流( 上) 波形 详细摘要 图4 为5 0 h z 负载实验时电动机线电压( 下) 、线电流( 上) 波形，图5 为5 0 h z 负载 实验时进线电网侧线电流波形，图6 为5 0 h z 负载实验时a 相起动电流，图7 为5 h z 负载 线电流波形。 i 勰 l 托 蚓 i 黜藤 蝎 ：螂| ! 1 e 9 ”“ 貉口1 。g【q 霸鲥盛蠡d 程材妊： i 一r 一薯0 ： ：抵。j j f 。 ， i i 。 i 置 、 。， 。：文+ i 罗1 。i 主。= 、_ 州_ _ i ：! ! 一：i y 。i 鞋轴。 h l 。s t 0 97 n j r 0m s ： 图65 0 h z 负载实验时a 相起动电流 图75 h z 负载线电流波形 4 结论 4 1 总结 本文以两种中压变频器的主电路拓扑为基础，针对设计的单元串联中压大功率变频 器进行了分析，提出了一种高性能的v f 控制方案和具有系统组态功能的模块化软件。在 软件设计中着重对变频器的几种重要功能进行了详细讨论，其中包括：顺序控制、v f 曲 线计算( 定子电阻压降补偿) 、数字给定积分器、输出自动稳压a v r 、瞬时停电再起动等： 另外，在设计工程中还对工艺调节器的使用两种控制方法，即：p i d 调节方法和模糊控制 调节方法，进行了仿真对比和研究。 论文内容在写作过程中，参阅了大量的参考文献，对每一个问题的阐述尽量做到了 系统、全面，并对引用的相关论证加入了作者的认识。本文完成的主要工作及得到的主 要结论有： ( 1 ) 详细阐述了两种载波移相的p w m 调制方法，分析了各自性能的优劣。设计中 对载波水平移相p w m 调制的运行效果进行了仿真，分析了在不同调制度下的输出波形及 其频谱。通过仿真和实验结果表明，载波水平移相p w m 调制可以提高等效开关频率，使 输出波形电平数增加，减d q g 波分量，改善输出波形；同时，这种方法还可以保证单元 输出功率的一致性。由此证明，在单元串联中压变频调速系统中，载波水平移相p w m 调 制是一种较为理想的调制方式。 ( 2 ) 详细而全面的介绍了单元串联中压大功率变频器的系统设计，结构组成，硬件 结构及设计思路并通过实验验证系统设计合理、可靠。 详细摘要 - i i i - _ _ _ _ _ _ _ i i ；篇i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 罩ii i i 司爿# 目i i 皇自i ；i i i i i i ；i ( 3 ) 将一种高性能的v f 控制方案引入中压变频系统，并对此进行了详细的理论分 析和相关实验。通过实验证明这种控制方案完全可行，采用这种方案可以提高系统的低 频性能，减少系统在开环控制下的速度误差，并通过p i 调节器实现对电机电流的限制 ( 挖土机特性) 。 ( 4 ) 将s i e m e n s 公司通用变频器的时隙、连接纸概念运到中压变频器领域。增加 了系统的可变性，自由性和方便性。 ( 5 ) 采用模块化软件设计，实现了系统的组态功能；增添了几种变频器的特殊功 能。经过实验验证，软件能够很好地完成设计要求的功能，达到了系统组态的目的；算 法中采用的顺序控制、v f 曲线计算( 定子电阻补偿) 、数字给定积分器等控制效果良好： 另外，文中提出的基于电网电压自动输出稳压补偿的概念也得以验证。总之，所设计的 软件能够实现稳定运行和可靠控制的目标，此外还能够兼顾参数显示及数据通讯等任 务。 4 2 展望 通过实验验证，本文无论在系统设计、控制思路还是在软件控制上都是合理可行 的，且系统能稳定可靠地运行，各项技术指标满足设计要求。但是仍有一些需要完善的 方面： ( 1 ) 由于实验条件的限制，瞬时停电再起动功能还有待于进一步的实验验证； ( 2 ) 系统参数自优化和系统的网络化功能还需要提升； ( 3 ) 系统设计中脉冲数据和故障信号的传输采用了多路光纤，虽然增加了系统的可 靠性，但也增加了系统投资，可以在总线数据传输方面对系统作进一步优化。 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 随着电气传动技术的发展，尤其是变频调速技术的日益进步，作为大容量传动的中 压变频调速技术也得到了广泛的应用。中压电机利用中压变频器可以实现无级调速，满 足生产工业过程对电机调速控制的要求，即可提高产品的产量和质量，又可大幅度节约 能源，降低生产成本。我国有大量大功率传动机械，如大功率风机、泵类电机等广泛地 应用于煤矿、冶金、石油、给排水等行业，例如：钢铁工业的高炉鼓风机、炼钢制氧 机、除尘风机；石油化工生产用的压缩机；电力工业的给水泵、引风机；煤矿的排水泵 和排风扇以及城市自来水厂的供水泵等大都由中压电网供电，由于多采用直接很恒速拖 动，能耗太大。因此，高性能的中压大功率变频调速装置的市场潜力巨大，应用前景十 分广阔 1 1 。 在交流调速领域，低压变频器的研究和应用已经相当成熟，而大功率中压变频器则 成为近年来交流调速的研究热点之一。中压变频器和低压变频器存在许多不同之处【2 ， 主要表现在： ( 1 ) 低压变频器技术已十分成熟，电路拓扑结构单一，而中压变频器技术正处于发展完 善当中，出现了多种电路结构，各有优缺点； ( 2 ) 低压变频器已经形成通用产品系列，并做到技术规格国际化，而中压变频器尚待完 善，世界著名的电气公司在中压变频器方面展开着激烈的竞争； ( 3 ) 由于功率器件的耐压水平不断提高，低压变频器不需要功率器件的串联，而中压变 频器仍在为耐压问题寻求解决方案： ( 4 ) 低压变频器应用简便，而中压变频器需要在应用中解决相应技术问题； ( 5 ) 低压变频器产品已系列化，单位容量价格较便宜，趋于稳定，而中压变频器单位容 量价格较贵，初期投资大，并且不同厂家的价格差异也较大； ( 6 ) 在中压变频器中要解决绝缘，高低压隔离及控制信号传递等问题。 广阔的应用前景和巨大的市场要求，以及中压变频调速存在的技术难度大、技术容 量高等特点，是其成为近年研究热点的主要原因。 根据我国交流电机电压等级的规定，3 k v 、6 k v 、l o k v 电压等级的电机称为高压电 机，用于这类电机调速的变频器称为高压变频器，国外对此电压等级的变频器称为中压 变频器( 本文亦把此类电压等级的变频器称为中压变频器) ；在功率方面， 我国一般以 3 0 0 k w 为功率分界线，3 0 0 k w 以下称为r f l 小功率，3 0 0 k w 以上的容量称为大功率【3 j 。 因此，此方而的研究称为中压大功率变频的研究。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及意义 到目前为止，影响中压变频涧速技术发展的因素主要有两个【4 】： ( 1 ) 大功率交流电机供电电压等级高，而现有功率器件耐压低； ( 2 ) 中压变频调速技术难度大、技术容量高、投资大，而用于风机、水泵等方面的 节能调速只能低投入，由节电费用中收回成本。 由于上述两点的存在，因此出现了多种中压变频调速的方案【5 1 ，可归纳如下( 习惯起 见，本小节的方案分类中的高压即指中压) ： ( 1 ) 高低高方案： 将电网高电压经降压变压器降为低电压，通过低压变频器变频后，再经升压变压器 升至高电压，以驱动高压电动机调速，如图1 1 所示。 降压变压器低压变频器升压变压器高压电机 图1 1 高低高型中压变频调速系统 该方案实质是技术成熟的低压变频器，所以技术难度相对较小，投资相对低，是最 早应用的种中压变频器。但由于变频器输出含有高次谐波和直流分量，且升压变压器 需要特殊设计，两个变压器都有较大损耗，使其效率降低，同时装置的占地面积大。 ( 2 ) 高高直接变频方案： 直接对高压电网进行变压变频变换，无需升、降压变压器，直接输出高压来驱动高 压电机凋速。该方案由于减少了输入、输出变压器，减少了损耗，提高了效率，减小了 占地面积。 以上中压变频调速方案的分类是按高压组成划分，根据有无中间直流环节，又町分 为交一交变频和交一直一交变频；在交一直一交变频中，按中间南流环节的滤波方式不 同，又可分为电压源型( 电压型) 和电流源型( 电流型) 两种。 直接高压变频调速是大容量电机调速的发展方向，常见的拓扑有：以晶闸管或g t o 为功率器件的电流型高压变频器，以i g b t 、i g c t 为功率器件的三电平高压变频器和以 低压i g b t 为功率器件的单元串联多电平高压变频器。 在中压调速领域，国外的产品和技术相对成熟。目前世界著名电气公司都有自己的 中压变频器产品。竞争十分激烈；国内目前尚无成熟、定型的中压变频器，处于起步阶 段。图1 2 示出了世界各国的中压变频器产品【3 j o 1 绪论 中压变频器产6 高一低一高 同一岛 f 德国西门于 电流型一l 美国罗宾康 l 奥地利 f 德国西门于 电旌型一i 爿衄公司 i r o s s h l l l 公司 l 东芝公司 4 b 公司 r o s s h l i 上公司 电流型一i a 船公司 c e g e l e c 公司 【公司 t m i t s u b i s h i 公司 电压型一i 德国西门子 i 一古公司 单元串联一f 凳票磊羹霪福 图1 2 世界各国中压变频器产品 由于国内中压变频调速市场潜力巨大，应用前景十分广阔，凶此目前国内许多公司 和研究所投入了大量的人员和资金，在中压变频调速领域展开了积极的研究，比如北京 凯奇、利德华福、天津电气传动研究所及天水电气传动研究所等等。h 前的研究在电路 拓扑e 多采用单元串联的方式，在控伟l 上f 6 采用速度开环的v f 控制。在我国大量使用的 风机、水泵等负载，对动静态性能要求不高，v f 开环控制可以满足要求。另外，随着技 术的发展，、， 开环控制出需得到不断改进f 6 】。 综上所述，对中压大功率变频调速的研究，无论在技术还是在实际应用上都有十分 重大的意义。 1 3 本论文的研究内容 本论文针对三相异步电机中压变频调速系统，从中压变频器的主电路拓扑入手，阐 述并分析了本文研究的6 k v 4 0 0 k w 中压变频系统：在控制上以提高系统性能为目的，首 先从理论和仿真实验上分析了单元串联移相p w m 调制，在此基础l ，把一种高性能的 v f 控制方案引入到中压变频调遮系统中；同时，阐述了具有系统组态功能的模块化软件 设计，并着重分析了交流变频调速的几种特殊功能设计。 第2 章介绍中压变频器的主电路拓扑和系统设计。首先分别允绍了目前采用较多的 乏电平和单元串联两种拓扑，然后从系统的组成、硬件电路和功率单7 i 等方面详细分 西簧科技大学硕士学位论文 析、介绍了本文研究的6 k v 4 0 0 k w 巾压变频系统。 第3 章论述单元串联中压大功率变频器的控制方案。以载波移相p w m 调制的分析和 仿真为基础，分析设计了高性能的v f 控制方案，其中着重分析了定予电阻( i r ) 补偿、 转差补偿和电流限制控制等。 第4 章论述具有系统组态功能的模块化软件设计。首先阐述了模块化软件设计的思 想，随后给出了控制软件和通讯软件的设计，在控制软件的模块中着重分析了给定积分 器、瞬时停电再起动等特殊功能块的设计；本章还分析了主从通讯的设计，并介绍了在 软件中采用的抗干扰措施。 第5 章给出了6 k v 2 2 k w 试验系统空载、负载实验，快速瞬变脉冲群抗干扰实验结 果，并对实验结果进行了分析。 第6 章对本论文进行了简单的总结，提出了需要进一步完善的方面，有待于改进和 提高。 本论文围绕着单元串联中压大功率变频器装置，对中压变频器的主电路拓扑，系统 硬件组成，控制思想，具有组态功能的模块化软件设汁等方面进行了分析，并力求从理 论和实验不同角度进行系统而清晰地阐述。 2 中压变频器的主电路拓扑及系统设计 2 中压变频器的主电路拓扑及系统设计 2 1 概述 由于功率器件额定电压和电流的限制，低压小功率变频器的电路拓扑已不能应用到 中压大功率变频器上，各国研究人员一方面在努力提高功率器件的耐压能力和容量，另 方面又在积极研究不同的变频器拓扑，用低压器件实现中压输出。目前产品化的高压 i g b t 的耐压已经达到3 3 k v 和4 5 k v ，而a b b 公司研制的集成门极换流晶闸管i g c t 综 合了g t o 和i g b t 两者的长处，保留了g t o 导通压降小、电压电流等级高的优点，并继 承了i g b t 开关性能优越的特点，将成为中压大功率变频装置的主流器件【”。在主电路拓 扑方面，近年来各种中压变频器不断出现，但到目前为止还没有形成像低压变频器那样 近乎统一的拓扑结构，其主要拓扑有： ( 1 ) 电流型巾压变频器 电流型中压变频器技术成熟，可四象限运行，由于存在大的平波电抗器和快速电流 调节器，过电流保护也容易。但由于中压连接时器件串联的均压问题、输入输出谐波问 题，使其应用受到一定的限制。 电流型中压变频器的种类较多，主要有串联二极管式、输出滤波器换向式、负载换 向式和g t o p w m 式等。 ( 2 ) 三电平电压型变频器 在p w m 电压型变频器中，当输出电压较高时，为避免器件串联引起的动态均压问 题，同时降低输出谐波和d u d t ，其逆变器部分可以采崩三电平方式，也称为中点钳位方式 ( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d n p c ) 。三电平可以扩展到多电平，构成多电平电路，其原理与 三电平大同小异，而输出电压的台阶数更多、波形更好。 ( 3 ) 单元串联多电平电压型变频器 单元串联多电平变频器采用若干个低压p w m 变频功率单元串联的方式实现直接高 压输出。该方案美国罗宾康公司提出，取名完美无谐波变频器。 除以上i 大类型的中压大功率变频器的拓扑外，在这些拓扑的基础上，许多改进的 拓扑相继提出，文献【8 】提出r 一种附加半桥和变压器的二极管多电平电路，文献 9 】提出 了一种应用软开关技术的多电平电路。 中压变频器正向着高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐 波、低共模电压、低d u d t 等方向发展。对于风机、水泵等不要求四象限运行的设备，单 儿串联多电平变频器在输入输出谐波、效率及输入功率因数等方面有明显的优势，应用 前景较大。而对于轧机、卷扬机等要求四象限运行及较高动态性能的场合，双p w m 结构 西安科技大学硕士学位论文 的三电平变频器会得到广泛的应用。 2 2 三电平电压型变频器 中压变频器要得到较高的输出电压，在现有的器件耐压和容量水平基础上，采用三 电平的逆变器电路结构，可以避免器件串联引起的动态均压问题，同时降低输出谐波和 d u d t ，使输出波形质量得到较大的改善。 三电平逆变器可归纳为两种基本的拓扑结构 1 0 】：二极管钳位( d i o d e c l a m p ) 和飞跨 电容( f l y i n g c a p a c i t o r ) 。下面分析由这两种基本拓扑构成的三电平逆变器的工作原理。 ( 1 ) 二极管钳位三电平逆变器 图2 1 是三相二极管钳位三电平逆变器主电路，其中d a l ，d a 2 ，d b l ，d b 2 ，d c l ， d c 2 是钳位二极管，电容c 1 ，c 2 的电压为e 2 ，每个桥臂有4 个开关器件串联，其中 每两个开关器件同时处于导通或关断状态。通过控制每相桥臂上4 个器件的导通、关 断，在相应桥臂输出点a 、b 、c 上可以得到三种不j 司的电平e 2 、0 、一1 3 2 ，以a 桥臂为 例，可得到表2 1 。 圈2 1 三相二极管钳位三电平逆变器主电路 表2 1 二极管钳位的a 桥臂三电平生成表 ( 2 ) 飞跨电容三电平逆变器 图2 2 给出了三相电容钳位的三电平逆变器，与二极管钳位不同，这种电路采用飞 跨在串联器件之间的电容进行钳位的。通过控制同一桥臂h 的器件导通和关断，同样可 2 中压变频器的主电路拓扑及系统设计 以得到e 2 、o 和一e 2 三种电平，表2 2 给出了详细的状态。 图2 2 三相电容钳位三电平逆变器主电路 表2 2 电容钳位的a 桥臂三电平生成表 从表2 1 可以看出，功率开关v a l ，v a 3 及v a 2 ，v a 4 的状态是相反的；从表2 2 可以看 出，功率开关v a l ，v a 4 及v a 2 ，v a 3 的状态也是相反的；如果同时规定输出电压不能在+ e 2 和一e 2 之间变化，那么可以知道不存在两个器件同时开通或关断的情况，所以不存在动 态均压问题。 采用中点钳位的三电平方式使输出增加了一个0 电平，相比于普通电平输出，电压 的台阶高度降低了一半，功率器件在关断时所承受的电压也只有直流母线电压的一半， 更为重要的是三电平增加了输出p w m 控制的自由度，使输出波形质量在同等开关频率下 有较大提高。 图2 _ 3 给出了一个采剧二极管钳位的三电平变频器的主电路，其整流电路是1 2 脉波 的二极管不控整流结构，在要求高时，也可以采用1 8 、2 4 甚至3 0 脉波的二极管整流结 构，如果采用对称的p w m 整流结构可以做到输入功率因数可调，输入谐波很低，实现四 象限运转；图2 3 所示变频器的逆变电路就是二极管钳位的三电平电路。 西安科技大学硕士学位论文 一z j ， d l 一1 d 1 3d 1 5 l 1 l 1 j【】 【jl 。与蚪- l 丰”与 ；牛 1 h 一一一 i ) a l ：j 晤i y o l ：c j 午j 碧。 d 1 4d 1 6 】 j：1 d= j g j d a 2 c 写晤i y 0 2 ： c- ( 丰q 4 士妊( 本4 d 2 1 】【d j【d 2 5 c 2 =】 。u。u 、冉- 弭”与弭 d 2 4d 2 5d 2 2 j r直jl hh卜j 图2 3 三电平变频器主电路 三电平中压变频器的输出线电压有5 个电平，使输出波形有较大的改善，但是如果 不加输出滤波器，三电平变频器直接输出时电动机电流的总谐波失真也可以达到1 7 左 右，会引起电动机谐波发热、转矩脉动；同时输出电压跳变是直流母线的一半，d u d t 较 大，会影响电机的绝缘，因此一般要配专用电机。如果使用普通电机，则要增加输出滤 波器。 三电平中压变频器的中点电位是通过电容分压得到的，在实际运行中，中点会偏 移，这样影响输出电压的对称性，并且提高了对器件的耐压要求。因此，在控制时要采 取措施抑制中点电位的偏移，这也是三电平中压变频器的一个研究点。 三电平变频器的拓扑可以推广到多电平，比如是m 电平，只需将直流分压电容改成 ( r n 一1 ) 个串联，每桥臂主开关器件改为2 ( m 一1 ) 个串联，每桥臂的钳位二极管改为 ( m 1 ) ( m 2 、个，每( m 一1 ) 个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行钳 位。 2 3 单元串联多电平电压型变频器 单元串联多电平变频器采用若干个低压p w m 变频功率单元串联的方式实现直接高压 输出，该方案由美国罗宾康公司在2 0 世纪9 0 年代中期提出，取名完美无谐波变频器。 2 3 1 单元串联的基本原理 图2 4 给出了6 k v 电压叠加的示意图，在这种方式中，高电压的输出不是直接输出 的，而是通过若干单元的输出串联后叠加得到的。这样对于每个功率单元来说，不必承 受高压，就可以采用低压的功率器件。 2 中压变频器的主电路拓扑及系统设计 v w 图2 ，46 k v 电压叠加示意图 6 k v 单元串联的中压变频器的主电路如图2 6 ，电网电压经过二次侧多重化的隔离变 压器( 移相变压器) 降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交一直一交 p w m 电压型逆