（电工理论与新技术专业论文）变频调速系统电磁兼容性设计及电磁优化算法.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h a n k st ot h es u p p o r to ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e r g r a n dn o 5 0 2 7 7 0 3 6f o r “t h ep u l s ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sa n ds y s t e m l e v e le m r a d i a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e s ”，t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e d0 1 3 t h ed e s i g no ft h ev a r i a b l e v o l t a g e a n dv a r i a b l e f r e q u e n c y ( v v v f ) s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fag e n e t i c a l g o r i t h mf o rv e c t o ro p t i m a ld e s i g np r o b l e m s t h ew o r ki n c l u d e sm a i n l yf o u rp a r t s ：a b r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ef r e q u e n c y c o n v e r t e r , t h ee m c d e s i g no f t h ev v v f s y s t e ma n d t h en a t i o n a ls t a n d a r do f t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo f t h ev v v f s y s t e m ，t h es t u d y o fg l o b a ls e a r c ho p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ，a n da ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mc a l l e d e m i g r a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h mf o rm u l t i o b j e c t i v eo p t i m a lp r o b l e m s i nt h ed e s i g ns t u d yo fv a r i a b l ev o l t a g ea n dv a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e m s ，t h et h e s i s f o c u s e do nt h ee x p l o r a t i o no ft h em a i ns o u r c e so ft h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，t h e m a i n p a t h o ft h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dt h es e n s i n gu n i ti nt h ev v v f s y s t e m b a s e do nt h e s ew o r k s ，a p p r o a c h e ss u c ha ss u c ha st h ee a r t h i n g ，m a s k i n ga n di s o l a t i o n f o re l i m i n a t i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea r ei n v e s t i g a t e d f o rs e l f - c o n t a i n e d ，t h e n a t i o n a ls t a n d a r d so f t h ee m c r e q u i r e m e n t so f v v v fs y s t e m s a r ea l s oi n c l u d e d a n i m p r o v e de v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m i s p r o p o s e d i nt h i s p a p e r f o rt h e m u l t i o b j e c t i v ed e s i g np r o b l e m so fe l e c t r o m a g n e t i cd e v i c e si n c l u d i n gv v v f o n e s a n e m i g r a t i o no p e r a t o ri sd e s i g n e d t op r e s e r v et h ed i v e r s i t ya n dt os m o o t ht h ep a r e t of r o n t t h ea p p r o a c h e ss u c ha st h ef i t n e s s s h a r i n g ，t h ec l u s t e r i n gm e t h o d ，a n dt h e e l i t i s m s t r a t e g ya r ea l s oi m p r o v e da n de x t e n d e di nt h i sp a p e r t w om u l t i o b j e c t i v eo p t i m a l p r o b l e m s a r es o l v e d b yu s i n g t h e p r o p o s e da l g o r i t h m t h e n u m e r i c a lr e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sar o b u s tv e c t o ro p t i m i z e rf o re n g i n e e r i n g m u l t i o b j e c t i v ed e s i g np r o b l e m s i n d e xt e r m s ：v v v f , v a r i a b l ev o l t a g e a n dv a r i a b l e f r e q u e n c y , e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( e m i ) ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y( e m c ) ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，v e c t o ro p t i m i z a t i o n ，e m i g r a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h m 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着现代科学技术的发展，电气、电子设备数量和种类不断增加，致使空间 电磁环境日趋复杂。在这种复杂的电磁环境下，如何抑制各种电磁设备相互间的 干扰，以保障各种设备正常工作和运行，是一个亟待解决的复杂工程问题。与此 同时，恶劣的电磁环境还会对人类及生态产生不良的影响。为保障电气设备和电 子系统的正常工作，以及保证人类赖以生存的自然环境，必须研究电磁干扰，分 析预测干扰，限制人为干扰强度，研究抑制干扰的有效技术手段，使设备在电磁 环境中既能够完成它的功能，而又不至于对环境产生不能容忍的干扰。由此电磁 兼容技术已开始萌发为国内外瞩目的新兴学科，并进入蓬勃发展的时期。 我国是一个电资源比较贫乏的能源消耗大国，虽然近年来电力建设以前所未 有的速度发展，但仍满足不了国民经济发展的需求。2 0 0 3 年全国范围的大面积缺 电正体现了这种缺电的趋势。因此如何发掘现有电力资源的潜力，提高用电设备 的运行效率，是解决这一问题的一个有效途径。国外统计资料表明：各类电机消 耗的电能占一个国家总发电量的6 0 6 5 左右，而这些电机中的很大一部分是用 来驱动风机、水泵和压缩机等类的负载。在这类应用中，电机的大部分时间都运 行于空载或轻载状态，运行效率很低。对这类负载的驱动，如果采用调速系统， 其运行效率可明显提高，进而节能1 5 - - 2 0 左右。因此在这类负载的驱动中，调 速系统的应用具有十分明显的社会和经济效益。近年来随着电力电子技术的进步， 各种高频大功率电子器件的出现，变频器电源供电的交流调速系统，即变频调速 系统，在上述各工程领域中已经得到了日益广泛的应用。随着电力电子元器件价 格的不断下降，各类电机最终将会全部采用静止式变频电源供电。 然而，变频调速系统中功率电子器件开、关工作频率的提高在满足调速系统 高性能指标的同时带来了越来越严重的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，简 称e m i ) 和电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e m c ) 问题，这主要表 现在 ( 1 ) 高速开、关操作产生的高冲击电压引起电机内绕组间、绕组和机壳间等 的泄漏电流；电源谐波还将引起电机的轴电压和轴电流。形成电机绕组各安匝内 不均匀分布状态；此外，由此产生的所有这些，都会导致电机绝缘寿命的缩短； 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 电机内产生的这种有害电流( 电压) 有时会引起变频电源功率电子元 件动作的失误； ( 3 ) 对附近的军用或者民用无线电通讯和广播、电视等设备产生严重的射 频( 电磁) 干扰。 研究表明，典型的变频电源供电的交流调速系统产生的电磁干扰水平大大超 过了有关电磁兼容标准中规定的数字电气设备的最高电磁干扰限值。所有这些， 使人们不得不重视变频调速系统的电磁兼容问题。此外，随着电磁兼容标准化进 程的深入和发展，目前世界各国、各地区已经制定了或正在加紧制定本国、本地 区相关行业的电磁兼容标准，如考虑到变频电源的应用，在1 9 9 6 年由i e c t c 2 在 第1 2 工作组负责修订的“旋转电机定额和性能”中增加了电磁兼容性标准，一旦 这些或类似的电磁兼容标准强制执行，如同欧洲经济共同体于1 9 8 9 年颁布了欧 共体成员国关于电磁兼容法律性指令明确规定的那样，没有考虑电磁兼容性所 设计的变频调速系统很可能被排斥于市场流通区域之外。因此，与国际接轨，从 国家对外贸易的角度考虑，也应大力加强电磁兼容性分析、计算、设计、测试和 认汪等方面的研究工作。而电磁兼容机理研究、电磁装置设计优化方法的研究则 是电磁兼容性分析和设计的基础。 无论是在电机设计还是在有关电磁装置的电磁兼容辐射干扰抑制中都需要 对相关的参数进行优化，而且需要优化的参数往往会有多个，这就是多目标优化 ( m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ) 或称为矢量优化( v e c t o ro p t i m i z a t i o n ) 。 矢量分析和求解上诉优化问题的最优化方法是应用数学的一个重要分支。从 数学的角度来讲，是一种求极值的方法。最优化问题的数学模型一般可以表达为 m x i ! n f 扛( x l ) rg ) ；0 ，：1 , 2 。) - ，) = 扛l ，( ) ，= ，mj ”“ 其中，f ( x ) 为目标函数，r 为可行域。 由此，根据目标函数f ( x ) 和约束条件g ，( 的特点，按不同的分类标准，最 优化问题可分为若干类。 当式( 1 1 ) 中f ( x ) 和g j ( x ) 全部为线性函数时，称之为线性规划问题：当叫) 或g j ( x ) 中有非线性函数时，则称为非线性规划问题。若目标函数厂( z ) 为二次函 数，约束条件g ，( 抑为线性函数时，称为二次规划问题。如果最优化问题的解不随 时间而变，则称为静态规划问题。如果最优化问题的解随时间变化，即解向量是 浙江大学硕士学位论文 时间的和函数，则属于动态规划问题，也就是最佳控制问题。优化问题还可分为 整数规划、几何规划、离散规划和网络最优化等问题。此外，根据是否具有约束 条件，最优化问题还可以分为约束和无约束优化问题。 计算机求解优化问题的主要手段就是对优化问题的可行解空间进行搜索。按 照搜索策略的不同，搜索方法可分为如下三类： ( 1 ) 枚举法 枚举法通过对整个可行解空间的所有点的目标函数进行比较而找出优化问题 的最优解。因此，枚举法搜索策略最简单，但计算量非常大。所以枚举法只能应 用于可行解是有限集合的优化问题。而典型的枚举法则为动态规划法。 ( 2 ) 解析法( 确定类方法) 解析法的特点是：在搜索过程中利用目标函数的解析性质，如一阶导数、二 阶导数等，搜索优化问题的最优解。一般而言，解析法根据目标函数的梯度方向 来确定一下步的搜索方向，所以也称为“梯度法”。解析法采用的是“最速下降 ( 上升) ”策略，即沿最陡的方向爬向一个局部最优点，因此，它是一类局部优 化算法。故当目标函数有多个极值点时，这类方法难以找到全局最优点。目前主 要应用的解析搜索方法有：n e w t o n 法、共轭梯度法、爬山法等。 ( 3 ) 随机类方法 随机类方法在搜索过程中通过在搜索方向引入随机变量的方法，使得算法在 搜索过程中以较大的概率跳出局部极值点。随机类方法可分为盲目随机法和导向 随机法。盲目随机法在可行解空间中随机地选择不同的点进行检测。导向随机法 以一定的概率( 与当前搜索到的最优解的好坏程度和搜索时间有关) 改变当前的 搜索方向，使之在其他方向上进行搜索。导向搜索法主要有进化搜索方法( 包括 遗传算法) 、模拟退火算法、禁忌算法以及神经网络等。 正如前述，传统的确定类搜索算法，如各种梯度类方法、模式搜索法、方向加 速法等都是局部搜索方法，在使用时都要用到目标函数的梯度信息。我们知道，几 乎所有的电磁优化问题，一般归结为多目标函数的非线形规划问题，同时，每一目 标函数又大多为多极值点的非凸规划问题。因此，一方面，目标函数的梯度信息在 很多情况下并不存在或者需要复杂的分析、计算才能获得，另一方面，即使这类算 法能够找到某一最优解，但也不能保证找到的最优解即为优化问题的全局最优解。 因此，人们一直努力探索适合于电磁优化问题的全局优化算法。从理论上讲，只要 满足一定的条件，随机算法终能搜索接近全局最优点。因而，在电磁场逆问题优化 算法研究方面，人们主要集中于各种新的随机类优化算法的研究，出现了模拟退火 算法、遗传算法、进化算法、禁忌算法和神经网络等优化算法。 模拟退火算法是模拟无序热动力系统的退火冷却过程而发展起来的- - j f e e 随机 浙江大学硕士学位论文 的启发式的全局优化算法。该算法在寻优过程中，采用m e t r o p o l i s 接受准则，有条 件地进行“上山”性的搜索，并用一种称为冷却进度表的参数控制算法的“上山性”。 因而该算法能够跳出局部最优点的陷阱而搜索到全局最优点。对于任一优化问题， 理论上讲它总会以概率1 收敛于全局最优点。该算法具有结构简单、擅长处理不连 续变量和病态方程等优点。 遗传算法是模拟生物界自然选择和自然遗传机制的一类随机搜索算法。在搜索 过程中，该算法实现了群体搜索和群体中个体之间信息交换的有机结合，且不需要 梯度信息。该方法尤其适用于处理传统优化算法不能解决的复杂的非线性优化问 题，已广泛用于组合优化、机器学习、自适应控制、规划设计与生命科学等领域， 是2 l 世纪智能计算发展前沿中的关键技术之一。 禁忌算法是一种简洁的全局优化算法。与模拟退火算法和基因算法类似，该算 法也具有“上山”陛，因而它能够跳出局部极值点而搜索到全局最优解。近年来禁 忌算法已经成功应用于许多工程技术领域，并解决了众多复杂的组合优化问题。但 该算法在连续变量优化问题中的应用，还远远没有它在组合优化方面应用得成熟和 广泛。 尽管各种随机类算法在电磁场工程实际问题中的应用越来越广，而且可以找 到优化问题的全局最优解，但实际计算表明，与确定类算法相比，随机类算法的 致命弱点是收敛速度太慢，即迭代次数太多、计算量过大。故在实际应用中，如 何改进这类算法以提高其收敛速度，成为电磁场逆问题优化算法研究的主要任务 之一。同时更需强调的是随着待解决工程问题的不断复杂，随机类算法的这一弱 点显得更加突出，尤其是对于目标函数需要通过有限元分析才能确定的电磁场逆 问题，传统随机类算法的计算时间有时候是无法接受的。因此，新的快速全局优 化算法的研究业也形成为电磁场逆问题研究领域中的热点，而其与电磁装置工程 设计中参数优化问题分析、计算需求的结合，更成为了当今新技术的衍生点。 1 2 国内外研究现状 长期以来，局限于电机在正常运行条件下对其电磁干扰并不敏感的早期认识， 人们对电机及其驱动系统的电磁兼容性分析和研究并未引起重视，直到上世纪7 0 年代人们才注意这一工程问题。从目前发表的文献来看，变频调速系统电磁兼容 性研究目前主要集中于两个方面，其一为电机及其驱动系统产生的电磁干扰问题， 即系统的干扰源问题，这方面的典型研究成果可见文献【6 ，8 ，9 ，1 0 ，1 l 】。m a j a b b e r 等人定性地分析了典型电机及其驱动系统可能产生的射频干扰原因，以及抑制这 浙江大学硕士学位论文 些干扰在线路上可能采取的措施和设计中应该考虑的问题。日本学者s a t o s h i o g a s a w a r a 采用实验测试和等效电路模型相集合的方法，对p w m 逆变器供电的交 流调速系统产生的电磁干扰问题进行了研究。研究中，他们首先由试验得出典型 输入信号下的系统响应波形，然后根据系统响应信号波形计算出等效电路参数： 最后通过计算机仿真验算，提出了线路上安装共模变压器和常规滤波器以减少系 统电磁干扰的措施。e r k u a nz h o u 和著名学者t h o m a sa l i p o 等通过对典型变频器 电源供电的感应电机调速系统的实验研究，得出了系统电磁干扰水平，并应用等 效电路模型比较了在线路不同位置上装设不同滤波器对电磁干扰的抑制效果；文 献【1 0 ，1 1 】则分别研究了1 2 相变频器和线路上装设滤波器等以减少电磁干扰的可 能性，也得出了一定的可供借鉴效果的成果。 对变频调速系统电磁兼容性研究的另一方面则主要集中于因电力电子器件快 速投切操作造成的巨大冲击电压在电机绕组中的传播问题( 波过程) 和因电源谐 波引起的电机轴电压、轴电流问题，以及它们对电机绝缘寿命的影响。对于这一 问题的研究目前普遍采取的是等效电路法或传输线模型法。这些方法的一个共同 缺陷是在模型中不能准确地考虑电机内杂散电容、铁磁材料饱和等非线性因素的 影响；同时，等效电路模型中的参数的确定也是一个十分棘手的问题，只有通过 简化计算或通过对系统的测试才能确定。英国学者l ir a n 对p w m 系统的传导干 扰分析过程中系统参数估算方法做了大量的工作。 国内对于变频调速系统的电磁兼容性研究的起步较晚，但随着入世后中国产 品走向国外，对于产品的电磁兼容性分析检测产生了现实迫切的需求，浙江省民 营企业中许多企业由于电磁兼容标准方面的问题影响了产品的出口。现在国内电 磁兼容技术主要针对的还是产品的电磁兼容检钡4 方法以及滤波器设计方面，对于 电磁兼容的机理进行深入研究的不多。 事实上，无论是在电机及其驱动系统的设计还是在电磁兼容辐射干扰抑制中 都涉及相应工程问题的设计优化问题。归居于电磁场逆问题研究的上述优化问题， 其关键研究点在于优化算法。 由于确定类优化算法不能保证得到的解为全局最优解，所以电磁场逆问题优化 算法研究主要集中于随机类优化算法。而随机类优化算法的致命弱点是收敛速度太 慢，因而改进现有随机类全局优化算法的性能、加快其收敛速度是优化设计和电磁 场逆问题研究中的当务之急。为此，人们进行了种种努力和尝试，在已知算法的基 础上提出了不同的改进算法。所进行的研究工作，归纳起来主要围绕两个方面进行： ( 1 ) 对算法本身的结构、参数等进行改进。由此演化出自适应模拟退火算法、 浙江大学硕士学位论文 自学习模拟退火算法、退火进化算法以及各种其他改进的进化和基因算法等。这方 面主要工作有：汪文华等在文献 2 】中提出的自适应的模拟退火算法，这种算法能够 在优化过程中自动调节温度控制参数的下降速度，所以能够以较高的速度收敛于全 局最优点；杨仕友等在文献 3 中提出的改进禁忌算法，该改进算法对原算法的不同 状态的转移规则，步长向量的选取，新点的产生规则，禁忌表的设置，算法的终止 判据以及循环起始点的选择等进行了改进，其搜索时间仅为模拟退火算法的2 5 左 右。 ( 2 ) 与确定类算法相结合或与其它随机类算法相结合而形成的组合优化算法。 为充分利用确定类算法快速收敛的优点，可以先利用随机类算法搜索到全区间最优 解的吸收区，然后利用确定类的优化算法进行搜索，这种方法的收敛速度远优于原 随机类算法：或者利用不同算法的优点，让新算法兼有两者之长，从而达到提高原 随机类算法计算效率的目的。这方面的典型成果有：j a v a s c o n s e l o s 提出的将遗传 算法和a l m 算法相结合的混合算法以提高遗传算法的计算效率；唐任远等提出的 模拟退火算法和遗传算法相结合的新算法，使得新算法既具有模拟退火算法能找到 全局最优点的特性又有遗传算法能记忆搜索空间的能力，应用实例证明，这种新算 法的计算m 2 f 缩短到仅用模拟退火算法计算时间的7 5 左右。值得指出的是，随机 类算法与确定类算法相结合的关键在于准确、可靠的转换判据。因此，不同算法之 间的转换判据研究，是这类算法研究的“瓶颈”问题。 本文研究课题聚焦点之一即在于构造改进的新优化算法，其承接的研究工作 基础可以追溯到上世纪6 0 年代“进化算法”技术的由来。“进化计算”是一类模 拟生物进化过程与机制求解问题的自组织、自适应人工智能技术。它起源于当代 j h o l l a n d 对于学习问题所发展的遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) ，i r e c e n b e r g 和 h p s c h w e f e l 用于数值优化问题的进化策略( e v o l u t i o ns t r a t e g i e s ) 及l j f o g e l 对于 优化模拟系统提出的进化规划( e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g ) 。 这类技术( 算法) 的核心思想源于这样的基本认识：生物进化过程( 从简单 到复杂，从低级到高级) 本身就是一个自然的、并行发生的、稳健的优化过程。 这一优化过程的目标是对环境的自适应性，生物种群通过“优胜劣汰”及遗传变 异来达到进化( 优化) 的目的。依达尔文的自然选择与孟德尔的遗传变异理论， 生物的进化是通过繁殖、变异、竞争和选择这四种基本形式实现的。因而，如果 把待解决的问题理解为对某个目标函数的全局优化，则进化计算即是建立在模拟 上述生物进化过程基础上的随机搜索优化技术。根据这一观点，遗传算法，进化 策略与进化规划等均可解释为进化计算的不同执行策略，而它们分别从基因的层 次和种群的层次实现对生物进化的模拟。 浙江人学硕士学位论文 遗传算法是模仿自然界生物遗传和进化过程中的“物竞天泽，适者生存”的 原理开发出的一种多参数、多个体同时优化方法。经过三十多年的开发研究和应 用实践，遗传算法初步显示出了其解决复杂系统问题的良好能力，特别是对一些 n p 组合优化问题的求解，更表现了优异的性能。如今，遗传算法已经在旅行商问 题的求解、生产调度、图形划分、电磁优化和机器学习等总多领域得到了成功的 应用，并显示出良好的性能。近年来遗传算法得到了相当的发展，在传统算法的 基础上出现了一些遗传算法的高级实现技术，如倒位算子、二倍体与显形操作算 子、变长度染色体遗传算法、小生境遗传算法和混合遗传算法等。标准的遗传算 法以个体的集合为运算对象，对个体所进行的各种遗传都有一定的独立性，所以 此方法具有一种天然的并行结构。另一方面，虽然遗传算法对一个个体编码串的 搜索意味着它同时搜索了多个个体模式，即对个体结构模式的处理具有并行的含 义，但这个并行性是一种隐含的并行性，其运行过程及实现方法在本质上是串行 的。这种串行的遗传算法在解决一些实际问题时，由于它一般具有较大的群体规 模，需要对较多的个体进行大量的遗传和进化操作，特别是要对大量的个体进行 适应度计算或评价，从而使得算法的进化计算过程进展缓慢，难以达到计算速度 上的要求，因而遗传算法的并行计算问题得到了较大的重视。另一方面，由于遗 传算法的天然并行性，人们认识到对其进行并行处理的可能性，从而基于各种并 行计算机或局域网，开发出了多种并行遗传算法( p a r a l l e lg e n e t i ca l g o r i t h m ，简称 p g a ) 。开发并行遗传算法的主要目的是为了提高遗传算法的运行速度，开发和 应用的实践表明，各种并行遗传算法都能不同程度地满足应用需求。 1 3 本文的主要n n z f f 本文以有关变频调速系统电磁兼容分析、仿真和试验等现有的工作成果为基 础，综合应用现代电磁场和电磁波的基本理论和方法，以及电力电子、电机等学 科领域的知识，通过对变频调速系统内瞬态电磁现象的全面分析，基本阐明了变 频器供电的交流调速系统电磁兼容机理。 首先，变频调速系统的高频干扰源的频谱覆盖e m c 标准的甚高频段。尽管电 力电子器件的最高开关频率在几十千赫，但典型开关信号分解后能够产生较强电 磁辐射的谐波信号频率可高达g h z 数量级； 其次，系统中电机的轴电压和轴电流主要是由于高频泄漏电流引起的： 再次，系统中高频辐射源主要是变频器和电机接1 2 1 的引线中的高频瞬态电流； 浙江大学硕士学位论文 总体来说，变频调速系统对外部电磁干扰不甚敏感，但系统对周围电磁环境 造成的电磁污染远远高于e m c 国际标准规定的电磁设备的标准值。 在分析变频调速系统电磁兼容机理的同时，着眼于完善系统设计的工程参数 设计优化问题的发展需要，本文继续对其中关键研究点，即电磁优化算法的改进 进行了探索性的研究。 由于遗传算法对优化目标函数无需连续、可微等苛刻的条件，并且其本身具 有较强的鲁棒性和适应性，因此在解决工程领域中多目标函数优化问题中得到了 广泛的应用。但面对复杂的电磁系统优化设计问题的需要，为解决一个多目标函 数优化问题，该优化算法深层次的研究尚应聚焦于以下两个方面的研究： ( 1 ) 如何实现适应度的分配和个体的选择使得搜索曲线趋向p a r e t o 曲线； ( 2 ) 如何有效保持群体的多样性以防止早熟现象，并同时得到光滑的p a r e t o 曲线。 基于上述分析，本文中提出了一种改进的遗传算法，使用这种改进的遗传算 法后得到的p a r e t o 曲线明显比传统的基因算法平滑，改进的思想为在传统遗传算 法的三个遗传算子基础上新加入了一个算子一一迁徙算子，并在该算法中设计了 一种特定的适应度给定方法，进而经过修改的局域搜索法最终达到高效和理想地 加强改进后的遗传算法的局部搜索能力。 由此，本文进一步将该改进的一遗传算法应用于变频调速系统电磁兼容设计 中关键元件的优化设计问题，取得了初步可供工程借鉴的分析结果。 浙江火学硕士学位论文 第二章变频调速系统基本原理 经过大约3 0 年的发展，目前交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主 流。在电子调速传动系统内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的 冲击。可以相信，在不久的将来交流调速电气传动将完全取代直流调速电气传动。 目前，从数百千瓦级的家用电器直到数千千瓦级乃至数万千瓦级的调速传动装 置，可以说无所不包的都可以用交流调速传动方式来实现。交流调速传动已经从 最初的只能用于风机、泵类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的高性能指标 的调速控制。从性能价格比的角度评价，交流调速装置已经优于直流调速装置。 目前人们所说的交流调速传动，主要是采用电子式电力变换器对交流电动机的 变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变级调速、定子调压 调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定的场合有一定的应用，但由于其性能较 差，终将会被变频调速所取代。 交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，和如下一些关键性技术的突破 性进展有关，它们是电力电子器件( 包括半控型和全控型器件) 的制造技术、直 接转矩控制技术、p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术以及以微型计算机和大规 模集成电路为基础的全数字控制技术等。 2 1 变频器的基本原理 在交流异步电机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静 态稳定性好，运行效率高。显然变频调速系统电磁兼容性机理的研究必须基于对 其基本原理的深入透彻的分析和研究。 2 1 1 变频调速的基本控制方式 异步电动机的同步转速，即其旋转磁场的转速为 9 浙江大学硕士学位论文 圮：6 0 f , n 口 式中强一一同步转速( r m i n ) ； 一一定子绕组电流的频率( h z ) ( 2 1 ) ”。一一磁极对数。 而异步电动机的轴转速为 ”：n l ( 1 - s ) ：盟( 1 一s ) ( 2 2 ) 式中j 一一异步电动机的转差率，s = ( 一n ) n 1 。 改变异步电动机的供电频率，即可改变其同步转速，实现调速运行。 对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。因为 若磁通量太小，则铁心利用不充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机 的负载能力下降；又若磁通量太大，则处于过励磁状态，导致励磁电流过大，这 就限定了定子电流的负载分量，从而为使电动机不过热，负载能力也要下降。异 步电动机的气隙磁通( 主磁通) 是定、转子合成磁动势产生的，下面将说明怎样 才能使气隙磁通保持恒定。 由电机理论可知，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为： e 1 = 4 4 4 f 1 中， ( 2 ，3 ) 式中 e e 一一定子每相由气隙磁通产生的感应电动势的有效值( v ) ； z 一一定子绕组电流的频率( h z ) ； o 。一一每极磁通量的最大值( 、b ) a 由上式可见，o ，的值是由e l 和z 共同决定的，x d e l 和进行适当的控制， 就可以使得气隙磁通，保持额定值不变。以下分两种情况加以说明： 1 基频以下的恒磁通变频调速。这是考虑从基频( 电动机额定频率z 。) 浙江大学硕士学位论文 向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通巾。不变，这就 要求在降低供电频率的同时降低感应电动势，以保持巨，石= 常数，即通过保持电 动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称恒磁通变频调速，属于恒转矩调 速方式。 但是，e l 难于直接检测和直接控制。当e 和石值较高时，定子的漏阻抗压 降相对比较小，如忽略不计，则可以近似地保持定子电压u 和_ 频率的比值为常 数，即认为，保持u 一= 常数即可。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通 控制。 u 图2 1 u f 关系 l u i ；= c2 - 近似e l i = c f 当频率较低时，u 。和巨都变小，定子漏阻抗压降( 主要是定子电阻压降) 不能再予忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降 的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图2 1 所示，其中1 为u 。i = c 时的电压 与频率关系；2 为有电压补偿时( 近似巨一= c ) 的电压与频率关系。实际装置 中u l 和i 的函数关系并不简单地的如曲线2 所示。变频器中u 和z 有多种函数关 浙江大学硕士学位论文 系，可以根据负载性质和运行状况加以选择。 2 基频以上的弱磁变频调速。这是考虑由基频开始向上调速的情况。频 率由额定值向上增加，但电压受制于额定电压将保持不变。这就必然会使主磁通 随着频率上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调 速方式。 综合上述两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图2 2 所示。 中。u u 。 0 图2 2 异步电动机变频调速时的控制特性 由上面的讨论可知，异步电动机的交频调速必须按照一定的规律同时改变其 定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压、频率均可调节的供电电源，以 实现所谓的v v v f ( v a r i a b l e v o l t a g e v a r i a b l e f r e q u e n c y ) 调速控制。 2 1 2 变频器的基本构成 变频器分为交一交和交一直一交两种形式。交一交变频器可将工频交流直 接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交直一交变频器 则是先把交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可 控制的交流电，它又称为间接式变频器。这里主要研究交一直一交变频器( 以下 简称变频器) 。 浙江大学硕士学位论文 变频器的基本构成如图2 3 所示，由主电路( 包括整流器、中间直流环节、 逆变器) 和控制电路组成，分述如下： 1 整流器电网侧的变流器i 是整流器，它的作用是把三相( 也可以是单 相) 交流电整流成直流电。 2 逆变器负载侧的变流器i i 为逆变器。最常见的结构形式是利用六个 半导体主开关器件构成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件 的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。 3 中间直流环节电动机处于电动或发电制动状态，其功率冈数不可能为 1 。因此，在中间直流环节和电动机之间始终存在无功功率的交换。这种无功能量 要靠中间直流环节的储能元件( 电容器或电抗器) 来缓冲。所以又常称中间直流 环节为中间直流储能环节。 网侧变流 靳中间直流环节i l i负载侧变流0 黯i 幽2 3 变频器的基本构成 4 控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出 电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电 压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性 能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，这样可在尽可能简单的硬 件电路基础上，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式 常可以完成模拟控制难以完成的功能。 5 关于变流器的名称的说明应指出对于交一直一交变频器，在不涉及能 浙江大学硕士学位论文 量传递方向的改变时，我们常简明地称变流器i 为整流器，变流器i i 为逆变器， 而把图中i 、i i 、i i i 总称为变频器。实际上，对于再生能量回馈型变频器，i 、i i 两 个变流器均可能工作于两种状态：整流状态和逆变状态。当讨论中涉及变流器工 作状态转变时，i 、i i 不再简单地称为“整流器”和“逆变器”，而被称为“网侧 变流器”和“负载侧变流器”。 2 2 变频器中的逆变器及其p w m 控制 2 2 16 脉冲方波逆变器 这是逆变器的传统型式。主开关器件采用半控型器件晶闸管。电压型变频 器多采用1 8 0 。导电型工作方式，晶闸管的强迫换相方式有很多种，例如互补换相方 式、辅助脉冲( 辅助晶闸管) 换相方式等。变频器中的逆变器部分仅调节频率， 电压的调节由可控整流器来完成。逆变器输出电压、电流波形如图2 4 所示。对电 压型变频器而言，输出电压的波形由主电路方式和开关模式决定，不受负载的影 响。 当不计负载电流的谐波时，对应于电动机的功率因数角为妒，晶闸管的导 通区间为1 8 0 。妒，该导电区间的大小是随p 角变化的。回馈二极管的导通区间为 妒。当负载电动机为电动运行时，在p 9 0 。情况下，直流侧输入电流的平均值l 变为负极性，即反向。运动系统 所存储的动能经电动机变换成电能，再经逆变器的回馈二极管桥，向直流回路回 馈电能，再生能量势必引起电容器电压的升高，为防止这一点，应采取相应的有 效措施。 由于6 脉冲方式下输出电压的谐波成分较大，会使负载电动机的损耗增加， 发热加剧，并且转矩脉动较大，尤其在低速运行时将影响电动机转速的平稳性。 浙江人学硕士学位论文 改善波形的办法有两种：一种是由几台逆变器以一定的相位差进行多重化 连接；另一种是采用p w m 控制方式。目前通用变频器无例外地均采用后一种方式。 2 2 2p w m 逆变器 前述的6 脉冲方波逆变器的优点是每周期内开关次数少，控制模式相对简 单，主开关器件的开关损耗比较小。但其缺点也是明显的，即当输出频率较低时， 逆变器的换相能力变弱，常需要增加低频辅助换相环节。尽管采用b j t 或g t o 等 自关断器件可以补救上述不足，但总体性能仍难以得到改善。例如：低速时谐波 较大和转矩脉动的影响使得调速范围较窄。由于电压的控制是采用晶闸管相控整 流电路，深控时会使电网功率因数恶化，影响供电质量。所以目前中小容量变频 器的逆变器已很少采用6 脉波方式。随着自关断器件的逐步成熟，p w m 逆变器的 应用日益广泛。 刊h 哪卜叫 ；日一月珥q 印翻稠士 。寸 b 1 图2 46 脉冲方波逆变器波形图 利用p w m 控制技术，既可以控制逆变器的输出电压频率，又可以控制输 出电压的波形以及基波的幅值。 浙江大学硕士学位论文 为使逆变器输出电压波形趋于正弦波，常采用s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 方式。变频器中常用数字控制方式来实现s p w m 。图2 5 所示 的电压型s p w m 变频器有如下优点： ( i ) 可以实现由逆变器自身同时完成调频和调压的任务； ( 2 ) 输出电压的谐波含量可以极大地减少，特别是可以减小和消除某些 较低次谐波。从而减小了电动机的谐波损耗和改善了转矩脉动。使 之在很低的转速下，也可以实现平稳运转； ( 3 )由于主开关器件的开关频率足够高，可以实现快速电流控制。这对 于矢量控制式高性能变频器是必不可少的技术条件。 另外，由于载波频率附近的谐波分量对于总体性能有很大的影响，因而如 何选择载波频率以消除或减小该频率附近的谐波，已成为进一步提高p w m 变频器 性能的关键。 2 2 3s p w m 控制 图2 5 a 是s p w m 变频器的主电路原理图。这种采用二极管组成不可控整 流器及由自关断器件组成逆变器的主电路方案，是目前应用最多的一种方案。图 中逆变器的主开关器件是b j t ，当然也可以采用g t o 或i g b t 。 逆变器开关模式信号，通常利用三相对称的正弦波参考信号与一个共用的 三角波载频信号互相比较来生成，如图2 5 b 所示。 浙江大学硕士学位论文 电源 q 吼135 lf 髟一2 k 弋 r 月 、c l j 勺 l 。一 u ， nv i、 止d 一 = 。“1 # 哿w hp j ；a ) 246 b j 图2 5s p w m 变频器 a ) 主电路b ) 控制电路框图 控制策略上常有单极性和双极性两种情况： 所谓单极性控制是指输出的半个周波内同一相的两个导电臂仅一个反复 通断而另一个始终截止。例如u 相的正半周波，图2 5 a 中的k 反复通断，而始 终截止。此时，图2 5 b 中的“。、“。及。的波形如图2 6 a 所示。当“。高于“。时， “。为“零”电平。由于载频信号等腰三角波的两腰是线性变化的，它与光滑的正 弦参考信号z 。相比较，得到的各种脉冲的宽度也随时间按照正弦规律变化，形成 浙江大学硕士学位论文 了s p w m 的控制波形“g u 。u g u 作为主电路中k 的基极控制信号，控制k 的反复通 断。所以在正半周波内，图2 5 a 中的u 相输出电位波形与u g u 是相似的。相对 于直流中点而言，“。的幅度是岛2 ，并且保持恒定，如图2 6 b 所示。以上分析 的是正半周波的情况，负半周波与此类似。 所谓双极性控制是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂互补交替 通断，例如u 相的正半周波： i a r u 吨，z 4 通巧断，= 一冬 这样，即可得到双极性的输出电压“。，如图2 7 b 所示。各脉冲的幅值+ 局2 和 一日2 是以直流中点n 为参考点得到的。 由图2 6 及图2 7 的波形不难推断：改变参数信号波u 。的频率，输出频率 会随之改变；而改变“。的幅值，则输出电压的幅值亦会随之变化。如果控制b 。， 使其频率、幅值协调变化，则就可以对变频器进行u 控制，这便是变频器的p w m 控制方式的最基本概念。 通常情况下，单极性s p w m 多采用单极性的载频三角波，双极性s p w m 则采用双极性的载频三角波。从控制方法上看，采用单极性的载频三角波完全可 以实现双极性控制，或者反过来采用双极性载频三角波也完全可以实现单极性控 制。但如果这样，在其他条件相同的情况下，输出电压的谐波含量将有所增加。 浙江大学硕士学位论文 图2 6 单极性脉宽调制方法与波形 a ) 正弦参考波与三角载波b ) 输出p w i v l 波形 弦波 。 图2 7 双极性调制 a ) 正弦参考波与三角载波b ) 输出p w m 波形 1 9 浙江大学硕士学位论文 2 3 变频器中的整流器 2 3 1 二极管整流器 变频器中绝大多数采用二极管不可控桥式整流电路的方案。逆变器采用 p w m