（电机与电器专业论文）svpwm逆变器过调制策略对交流电机动态性能影响的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 载条件下，过调制策略3 中新电压矢量的相位总是超前于过调制策略l 和2 中新电压矢量的相位，因此可以获得更快的动态响应，暂态性能更佳。但是 在减载条件下，过调制策略3 中新电压矢量与原电压矢量问的相位关系处于 无规律的超前滞后状态，导致过调制策略3 出现问题，动态响应时间很长， 说明此过调制策略有其不足之处，有待于改进。 关键词：s v p w m ：矢量控制；过调制；动态性能 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，m i c r o p r o c e s s o ra n dc o n t r o l t e c h n o l o g y ，r o t o rf l u xo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fa cm o t o rh a sb e e n w i d e l yu s e df o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i na s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o l s y s t e mb a s e do ns v p w mi n v e r t e r ，w h e nt h er e f e r e n c ev a l u eo ft h es p e e do rt h e l o a dc h a n g e s ，t h er e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o rm a yb ei nt h eo u t s i d eo ft h eh e x a g o n w h i c hi sc o m p o s e db yt h eb a s i cs p a c ev e c t o r s t h e nd y n a m i co v e r m o d u l a t i o n h a p p e n sa n dt h er e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o rs h o u l db el i m i t e di nt h eh e x a g o nb y t h eo v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g y d i f f e r e n to v e r m o d u l a t i o n s t r a t e g y w i l l b r i n g d i f f e r e n td y n a m i cp e r f o r m a n c ef o rt h ew h o l es y s t e m s oi nt h i sp a p e rt h r e e o v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g i e sw h i c hh a v eb e e np e r f e c t e da r es t u d i e db ym a t l a b s i m u l a t i o ni nh o wt oi n f l u e n c et h em o t o rd y n a m i cp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ， t h ep r i n c i p l ei sa n a l y s e di nt h e o r y f i r s t l y ，b a s e do nt h ed y n a m i ce q u a t i o no ft h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r i nt h et w o p h a s e s t a t i o n a r yf r a m e ，t h i sp a p e rd e s i g n st h er o t o r f l u xo b s e r v e r w i t ht h er o t o rf l u xo r i e n t a t i o n ，a n ds ot h ee x c i t a t i o nc u r r e n tc o m p o n e n ta n dt h e t o r q u e c u r r e n t c o m p o n e n t a r e d e c o u p l e d a l s o ，t h es i m u l a t i o n m o d e lo f a s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns v p w m i se s t a b l i s h e d i n v e c t o rc o n t r o l ，t h ec u r r e n tc o n t r o lh a sa ni m p o r t a n ti m p a c to nt h es y s t e m s p e r f o r m a n c e s oi no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m sp e r f o r m a n c e ，t h es y n c h r o n o u s c u r r e n tc o n t r o la n de m ff o r w a r dc o m p e n s a t i o na r eu s e di nt h ev e c t o rc o n t r o l s y s t e m a f t e ra n a l y s i n gt h et h r e ee x i s t i n go v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g i e s ，t h i sp a p e r p e r f e c t st h eo v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g i e sa n db u i l d st h eo v e r m o d u l a t i o nm o d e lo f a s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e m d u r i n gt h eo v e r m o d u l a t i o n ，t h en e w v o l t a g ev e c t o ro fo v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g y2o r3i s s t i l li nt h eo u t s i d eo ft h e h e x a g o nw h e nt h eo r i g i n a lr e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o ri sc l o s e dt ot h eb o u n d a r yo f a n yt w os e c t o r s s ot h et w oo v e r m o d u l a t i o na l g o r i t h m sa r en o ta p p l i c a b l ei nt h i s r e g i o n f o rt h ea b o v es h o r t c o m i n g s ，t h i sp a p e rp e r f e c t st h et w oo v e r m o d u l a t i o n s t r a t e g i e ss ot h a tt h e yc a nb eu s e di nt h ee n t i r er e g i o n a f t e rt h a t ，s i m u l a t i o ni s c a r r i e do u tu n d e rt h ec h a n g eo ft h es p e e da n dt h el o a dr e f e r e n c ev a l u e s i nt h e c o n d i t i o no fa c c e l e r a t i o na n dl o a di n c r e a s i n g ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f o v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g y2i sb e t t e rt h a n1 s ，a n do v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g y3i s t h eb e s tw h i c hh a st h em i n i m a lr e s p o n s et i m e i nt h ec o n d i t i o no fl o a dr e d u c t i o n ， i l i t 1 a 东大学硕士学位论文 o v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g y1a n d2c a nq u i c k l ye n t e rt h es t a b l es t a t e h o w e v e r ， o v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g y3h a sap r o b l e m t h ed y n a m i cr e s p o n s et i m ei sv e r y l o n g s o ，t h i ss t r a t e g yh a si t sl i m i t a t i o n t h r o u g ha n a l y s i n gt h em a g n i t u d ea n dt h ep h a s eo ft h ev o l t a g ev e c t o r ，t h i s p a p e re x p l o r et h ep r i n c i p l eo fh o wt h et h r e eo v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g i e si n f l u e n c e t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ew h i c he x p l a i n st h er e a s o nf o rt h ed i f f e r e n tr e s p o n s e t i m e i nt h eo v e r m o d u l a t i o nr e g i o n ，t h en e wv o l t a g ev e c t o r sm a g n i t u d eo f s t r a t e g y2i sa l w a y sl a r g e rt h a ns t r a t e g y 1 sw h i c hl e a d st ob e t t e rd y n a m i c p e r f o r m a n c e a n di nt h ep r o c e s so fa c c e l e r a t i o na n dl o a di n c r e a s i n g ，t h en e w v o l t a g ev e c t o r sp h a s eo fs t r a t e g y3i sa l w a y sa h e a do ft h es t r a t e g y 1a n d2 s t h a ti st h er e a s o nw h ys t r a t e g y3h a sf a s t e rr e s p o n s ea n db e t t e rt r a n s i e n t p e r f o r m a n c e h o w e v e r ，i nt h ep r o c e s so fl o a dr e d u c t i o n ，t h ep h a s er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h en e wv o l t a g ev e c t o ra n dt h eo r i g i n a lv o l t a g ev e c t o ri si r r e g u l a r ，s o t h eo v e r m o d u l a t i o ns t r a t e g y3h a st h ep r o b l e mo fl o n gr e s p o n s et i m ew h i c h n e e d st ob ei m p r o v i n g k e yw o r d s ：s v p w m ；v e c t o rc o n t r o l ；o v e r m o d u l a t i o n ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e i v 山东大学硕士掌 f 2 z 论文 三。 三， 三m 符号说明 定子绕组每相自感 转子绕组每相自感 定子与转子同轴等效绕组间的互感 缸、k 定子电流在d 3 、9 3 轴的分量 、0 转子电流在d 5 、9 3 轴的分量 玩、 定子电压在d 5 、9 3 轴的分量 珞、 转子电压在d 5 、9 5 轴的分量 k 、i q e 定子电流在d 。、g 。轴的分量 o 、0 转子电流在d 。、矿轴的分量 吃、 定子电压在d 。、留。轴的分量 、 转子电压在d 。、g 。轴的分量 瓦、 反电势在d 。、g 。轴的分量 y d e 、q 。 定子磁链在d 。、矿轴的分量 、沙孵 转子磁链在d 。、q 。轴的分量 转子磁链 f o转子磁链的相位角 q 同步旋转角速度 啦 转差角速度 极坐标下的电流值 眼 极坐标下的角度 直流电压 巧p w m 开关周期 v 山东大学硕士学位论文 j k p 。 k i 。 k p c k i 。 转子电磁时间常数 额定功率 额定转速 电磁转矩 负载转矩 极对数 转动惯量 a s r 的比例系数 a s r 的积分系数 a c r 的比例系数 a c r 的积分系数 v i i 氏 瓦 瓦 饰 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 垒丝日期：卅：f ：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：超导师签名：塑丛量丛l 日期：兰! 全：墨! 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 电气化时代开始以来，电动机成为重要的动力来源。起初，直流电机因 其控制与调速较交流电机方便，在电动机应用中占十分重要的地位。但随着 电力电子技术、微处理技术、控制技术以及p w m 等技术的出现和发展，交 流电机的调速越来越方便。如今高性能的交流电机调速性能可以和直流电机 相媲美，另外由于交流电机具有价格低、维护方便等优点，使得在工业中交 流电机调速系统的应用远远超过了直流电机调速系统的应用。 1 1 交流调速相关技术的发展】 经过数十年的发展，目前交流调速电气传动已经成为电气调速传动的主 流。交流电机与直流电机相比，特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单、坚 固耐用、容易维修、转动惯量小、制作成本低、适用于恶劣工作环境、易于 向高电压、高速大容量发展等一系列优点。但是交流电机本是一个非线性、 强耦合的多变量系统，电磁转矩很难直接通过外加信号来准确控制。而随着 现代交流电机调速控制理论的发展和电力电子装置功能的完善，特别是微型 计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气 传动交流化的时代到来。 1 1 1 交流调速的基本类型 交流电机的调速类型丰富，方便灵活。常见的有：降压调速；转子 串电阻调速；电磁转差离合器调速；串级调速；变极调速；变频调 速等。 按照交流异步电动机的基本原理，定子侧的传入电磁功率巴可以分为两 部分：其一为拖动负载的有效功率b = ( 1 一s ) 已；其二为转差功率只= s p m 。后 者与转差率s 成正比。按照转差功率的变化趋势可以把基本的交流调速方法 分为下面三个类型： ( 1 ) 转差功率消耗型调速系统：全部转差功率都转变成热能的形式而消 耗掉，上述的、三种调速方法都属于这一类型。它们的系统效率最 i i 一 l 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 转差功率回馈型调速系统：转差功率的一部分消耗掉，大部分通过 交流装置回馈给电网。上述方法就是属于这种类型。这种系统较转差功率 消耗型调速系统，其能量利用率有所提高，但是增加的回馈系统也要消耗一 定的能量，其利用率还不够理想。 ( 3 ) 转差功率不变型调速系统：虽然转差功率中转子的铜损不可避免， 但是系统的转差功率在整个调速阶段基本不变，效率最高。上述的、两 种调速方式就属于这一类。变极调速受磁极对数的影响，应用不多。故只有 变频调速应用最为广泛，以这种调速方法为基础可以构成高性能的交流调速 系统，并可以取代直流调速系统，成为现代电气调速系统的主流。 1 1 2 电力电子技术的发展 电力电子器件是现代交流调速的基础，其发展直接决定和影响着交流调 速的发展。在交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有g t o 、g t r 、 i g b t 以及i p m 。19 4 7 年美国著名的贝尔实验室发明了半控的电力电子器件 一一晶闸管，这弓 发了电力电子技术的一场革命，但是晶闸管的半控性影响 了它的进一步应用。7 0 年代以后，以门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力双极性 晶闸管( b j t ) 和电力场效应晶闸管( p o w e r m o s f e t ) 为代表的全控型器件迅速 发展。这类器件可以实现自由的开通与关断，开关速度得到很大的提高，使 电力电子技术进入了一个新的发展阶段。以全控型器件为基础，脉冲宽度调 制( p w m ) 方式迅速发展，p w m 技术广泛应用于逆变、斩波、整流、变频及 交流电力控制中，这对电力电子技术以及现代交直流调速的发展产生了深刻 的影响。 上世纪8 0 年代后期以绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 为代表的复合型器 件异军突起。它把m o s f e t 的驱动功率小、开关速度高的优点和b j t 通态 压降低、载流能力大的优点结合于一体。i g b t 高频开关特性好，驱动电路 简单、保护容易、开关频率高，是目前电机变频控制中应用最为广泛的主流 功率器件之一。i g b t 集射电压吃小于3 v ，开关频率可达到2 0 k h z 。第四代 i g b t 的应用使变频器的性能有了更大的提高。i g b t 开关器件的发热减少， 将占主回路发热的5 0 7 0 的器件发热降低到3 0 ；高频波控制使输出电 流波形有了明显的改善，减小了电机转矩脉动；由于开关频率的提高，电动 机的金属鸣响因振动频率超过了人耳的感受范围而“消失 ，即实现了电机 2 山东大学硕士学位论文 运行的静音化；驱动回路简单，驱动功率减少，使得整体装置更加紧凑，体 积减小。 随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件又向智能化发展，智能功 率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 是微电子技术和电力电子技术相结合 的产物。i p m 包含了i g b t 芯片及外围的驱动和保护电路，有些甚至把光耦 也集成于一体，是一种更为经济实用的集成型功率器件。利用i p m 的控制功 能与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。由于采用了隔离技 术，使得器件散热均匀、体积紧凑，不但提高了可靠性，而且使系统的开发 时间、开发费用都大大减少。i p m 以其可靠性高、用户使用方便等优点赢得 越来越大的市场，尤其适合制作驱动电机的变频器，是一种较为理想的电力 电子器件。 1 1 3 微处理器与数字控制技术的发展 微处理器的发展推动了控制技术的发展，使得现代控制理论中的一些先 进的控制策略应用到电机控制中成为可能。在微处理器出现之前，驱动控制 系统只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的系统只能实现简单的控制，功 能单一，升级换代困难，而分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移， 器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用。随着微处理器 的应用，使得控制系统由模拟式进入模数混合式，基础电路甚至电机控制专 用集成电路被大量在电机控制中运用，这些电路大大提高了电机控制器的可 靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而近 年来发展很快。 目前，适用于电机系统控制的控制器有单片机和数字信号处理器两种。 单片机机片内集成较多的i o 接口，但运算速度较慢，对电机的实时控 制性能不够优越。主要代表为i n t e l 公司早期的微处理器芯片8 0 8 8 、8 0 8 5 、 8 0 8 6 和后来推出的m c s 51 系列、m c s 9 6 系列。如今各大芯片厂商也推出了 各自的微控制器，如美国微芯公司的p i c 系列单片机，德州仪器t i 的m s p 系列单片机等。它们具有丰富的接口和适合电机控制的p w m 输出，但是其 处理速度无法满足电机控制系统更高性能的要求。目前这类调速系统多采用 单片机为中心的模拟与数字混合控制方式。 数字信号处理器( d s p ) 是于上世纪九十年代出现的面向快速信号处理的 3 山东大学硕士学位论文 运算器。它的运算速度快，如德州仪器生产的c 2 0 0 0 系列d s p 主频最高可 以达到15 0 m h z 。采用d s p 构成全数字电机控制系统，可以实现控制功能的 软件化，提高控制的实时性，降低系统的成本，并且可以方便的实现更先进 的控制策略。 如今国内外也有不少学者和工程师把可编程逻辑器件c p l d f p g a 应用 到电机控制与调速领域。这主要是看重它们存储量大，处理速度更高的优点， 但是这类微处理器的控制功能较弱，i o 操作并不是十分方便，往往需要配 合单片机才能更好的实现系统的功能，所以这限制了可编程控制器在电机控 制和交直流调速中的应用。 1 1 4p w m 技术及其发展 交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于p w m 技术的不断进 步。随着电压型逆变器在高性能电力电子装置( 如交流传动、不间断电源和有 源滤波器) 中的应用越来越广泛，p w m 控制技术作为这些系统的核心技术， 引起了人们的高度重视，并得到深入的研究。所谓p w m 技术就是利用半导 体器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变压 变频并有效地控制和消除谐波的一门技术。目前，几乎所有的变频调速装置 都采用这一技术。p w m 技术用于变频器的控制可以明显改善变频器的输出 波形，降低电机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构， 加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。在电气驱动中，正弦 p w m ( s p w m ) 控制、电流滞环跟踪p w m 控制以及电压空间矢量 p w m ( s v p w m ) 控制是常用的方法。 1 正弦p w m ( s p w m ) 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三 角波作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载 波相交时，由交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得一系列宽度按 正弦变化的正负矩形脉冲电压波形，这种调制方法称作正弦p w m ，即s p w m 。 可以证明，当脉冲数足够多时，逆变器输出相电压的基波幅值和调制波幅值 是相等的，即s p w m 逆变器输出的脉冲波的基波就是调制时所要求的等效正 弦波。s p w m 容易实现对电压的控制，控制线性度好，但存在直流电压利用 4 山东大学硕士学位论文 率低的问题。采用一般的线性调制方法，调制波幅值不能超过载波幅值，所 以s p w m 输出的相电压基波幅值最大可以达到母线直流电压的一半，电压利 用率不高。 2 电流滞环跟踪p w m 电流滞环跟踪p w m 控制，实际是对输出电流进行跟踪控制，基本思想 是将设定电流与反馈得到的实际输出电流相比较，通过控制逆变器对上下桥 臂的通断，不断调整输出电流值，使逆变器输出电流与设定值的偏差保持在 一定的误差范围内，三相输出电流能跟踪设定电流。当设定电流是正弦波时， 输出电流也接近正弦。电流滞环跟踪p w m 控制模型简单、控制精度高、响 应快，但与s p w m 和s v p w m 相比，其存在开关频率不固定的缺点，在实 现时受到功率开关器件最高开关频率及控制系统响应时间的限制。 3 电压空间矢量p w m ( s v p w m ) s p w m 控制主要着眼于使变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及 输出电流的波形：而电流滞环跟踪p w m 控制则直接控制输出电流j 使之在正 弦波附近变化，比要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相 正弦电流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。如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆 形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作磁链 跟踪控制。又因为磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以 又称作电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制。 ，介 0 ( 0 0 泰么刁，叁 溲逆 图1 - 1s v p w m 基本矢量 s v p w m 的原理是使电机磁通矢量在电压矢量的作用下，按圆轨迹旋转。 空间八个基本电压矢量，其中6 个非零矢量和2 个零矢量( 如图卜1 所示) 组 5 山东大学硕士学位论文 成一个六边形，分六个扇区，其中两个零矢量位于原点。相邻两非零矢量和 零矢量在时间上的不同组合，可以得到该扇区内的一个空间电压矢量v 。空 间电压矢量v 是通过在一个采样周期内控制其扇区内两个基本电压矢量及 零矢量的作用时间而得到的。三个矢量的作用时间可以一次施加，也可以在 一个采样周期内分多次施加。通过控制各个电压矢量的作用时间，使空间电 压矢量接近圆轨迹进行旋转，就可以使电机磁通也逼近圆轨迹。 在以上几种p w m 控制方法中，s p w m 控制方案由于其原理简单，通用 性强，控制和调节性能好，该方法使得流入电动机的电流谐波较少，电机振 动小，相应的硬件和软件技术较成熟，但它仍然存在直流电压利用率低、谐 波含量大，转矩脉动较大等缺点。电流滞环跟踪p w m 控制方法的优点是控 制简单、电流响应快、鲁棒性强；而其缺点是开关频率不固定，电流纹波大， 低调制比时造成歼关频率高，对功率器件不利，而且三相滞环需要相互独立 控制，这在三相交流电机控制中显然增加了控制复杂度。此外，在直流电压 不够高、反电动势太大或电流太小时，电流控制效果不理想。而s v p w m 是 目前国际上比较先进的工作模式1 4 - 1 0 l ，由于其供给电动机的是理想磁链圆， 因此，电动机工作更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工作效率，提 高了电源电压的利用效率。文献【1 1 1 4 对几种常用的p w m 控制方式进行了 详细的分析，从调制范围、波形质量、开关损耗、调节增益等方面对不同的 p w m 进行性能的比较，在动态情况下s v p w m 性能更佳，因此本论文采用 s v p w m 控制方式。 1 2 变频调速技术的发展 交流变频调速技术相对于变压调速等其它方法有着明显的优点：调速 时平滑性好，效率高；调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及 电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修简便； 易于实现过程自动化等优异特性，在实际中得到了广泛的应用。 2 0 世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时期。最初的交流 变频调速理论诞生于2 0 世纪2 0 年代，直到6 0 年代，由于电力电子器件的 发展，才促进了变频调速技术向实用方向发展。7 0 年代，席卷工业发达国家 的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器， 使变频调速技术有了很大的发展并得到推广应用。8 0 年代，变频调速己产品 6 山东大学硕士学位论文 化，性能也不断提高，充分发挥了交流调速的优越性，广泛的应用于工业各 部门，并且部分取代了直流调速。进入9 0 年代，由于新型电力电子器件的 发展及性能的提高、计算机技术的发展以及先进控制理论和技术的完善和发 展等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展， 使变频调速装置在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、 功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其他常规交流调速方 式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。 目前，交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在 国民经济各领域的广泛适用性，被公认为是一种最有前途的交流调速方式， 代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、 提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。变频调速理论已形成较为完 整的科学体系，成为一门相对独立的学科。变频装置按变换环节分有交一直 一交系统和交一交系统两大类，交一直一交系统又分为电压型和电流型，其 中，电压型变频器在工业中应用最为广泛；按电压的调制方式分为脉幅调制 ( p a m ) 和脉宽调制( p w m ) 两大类，前者已几近绝迹，目前普遍采用的是后者。 目前典型的变频调速控制类型主要有四种：恒压频比( v f ) 控制；转 差频率控制；矢量控制；直接转矩控制。下面分别对这四种调速控制类 型进行介绍。 1 2 1 恒压频比( v f ) 控制 早期的变频系统都是采用开环恒压比( v f _ 常数) 的控制方式，v f 控制是 转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步 电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一 种控制方式，普遍应用在风机、泵类的调速系统中。但是由于这种控制方法 是_ 歼环控制，调速精度不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而 性能下降、稳定性变差。 1 2 2 转差频率控制 异步电动机转差频率控制是一种转速闭环控制。利用异步电动机的转矩 与转差频率成正比的关系来控制电机的转矩，就可以达到与直流恒磁通调速 系统相似的性能。它的优点在于频率控制环节的输入频率信号是由转差信号 7 山东大学硕士学位论文 和实测转速信号相加后得到的，在转速变化过程中，实际频率随着实际转速 同步上升或下降，因此加、减速更平滑，容易稳定。其缺点是由于转差频率 控制规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式推得的，所以存在动 态时磁通的变化不能得到控制、电流相位没有得到控制等问题，使其不能达 到与直流恒磁通调速系统同样的性能。 1 2 3 矢量控制 上世纪7 0 年代西德f b l a s c h k e 等人首先提出矢量控制理论，由此开创 了交流电动机等效直流电动机控制的先河。矢量控制也称为磁场定向控制， 它着眼于电机磁场的直接控制。其主要思想是将异步电动机模拟成直流电动 机，通过坐标变换的方法分解定子电流，使之成为转矩和励磁两个分量，实 现正交或解耦控制，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。因为 这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求 较高。但在实际上矢量控制运算及转子磁链估计中要使用电动机参数，其控 制的精确性受到参数变化的影响，所以精确的矢量控制系统要对电动机的参 数进行估计。这种控制方式需要解耦计算和坐标旋转变换，计算量较大，实 现起来困难。在矢量控制系统中，给定量要从直流变为交流，而反馈量要从 交流变为直流，再加上转子磁链模型、转子参数的辨识与校j 下等，因此电机 的速度辨识及磁链观测器的构建是矢量控制系统实现的关键所在。国内外众 多学者和工程师对矢量控制理论进行了深入的研究，并在此基础上进行了改 进，提出了各种可行的控制策略【1 5 - 30 1 。 日本学者y a m a m u r a 、n a b a e 等人借鉴了矢量控制的思想和方法，应用 稳态转差频率得出转子磁链的位置，提出了转差矢量控制方法。该理论出发 点是异步电机的转矩主要由电机的转差频率来决定。它以定子电流和频率为 控制量，保持电机的磁链大小不变，而改变磁链的旋转速度，从而实现电机 转矩的实时控制。 气隙磁链定向的矢量控制方案是把同步旋转坐标系的d 。轴定向于气隙 磁链的方向，此时磁链的q 。轴分量为零。如果保持气隙磁链d 。轴分量恒定， 转矩就和矿轴电流成正比。这样通过控制g 。轴电流可以实现对电机转矩的直 接控制。 定子磁链定向的矢量控制方案是将同步旋转啦标系的d 。轴定位在定子 8 山东大学硕士学位论文 磁链方向上，此时定子磁链的q 。轴分量为零。保持定子磁链恒定，转矩就和 g 。轴电流成正比。定子磁链定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子 磁链观测器的实现，另外本方案的解决需要设计一个电流的解耦器。 转子磁链定向的矢量控制方法是在磁链定向中，将电机转子磁链方向与 同步旋转坐标系的d 。轴重合。当转子磁链恒定时，电磁转矩与定子电流的矿 轴分量成正比，通过控制定子电流的g 。轴分量就可以控制电磁转矩。把定子 电流的d 。轴分量称为励磁电流分量，定子电流的g 。轴分量称为转矩电流分 量，分别控制两个变量就可以实现磁链和转矩的解耦与控制。 上述四种方案中转差矢量控制方案不适合高性能电机控制系统；气隙磁 链定向系统中磁链关系和转差关系存在耦合，需要增加解耦器，这比转子磁 链的控制方案要复杂很多，而处理饱和效应时，应用气隙磁链定向较为合适； 定子磁链定向的矢量控制方案在一般的调速范围内可以利用定子方程作为 磁链观测器，能够达到非常好的动态与静态性能。然而，系统在低速时，反 电动势测量误差变大，定子磁链观测器达不到要求的精度，系统性能不能满 足。因此该方案比较适合于大范围的弱磁运行以及要求恒功率调速的情况； 转子磁链定向的方案受转子时间常数的影响很大，系统性能有所降低。但是 它达到了电流的完全解耦，控制系统简单，动态性能和精度较好，因此这种 控制方法得到了更为广泛的应用，本文就是采用转子磁链定向的矢量控制系 统进行研究的。 1 2 4 直接转矩控制 直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的另一种高性能的交流电动 机调速方法。直接转矩控制与矢量控制不同，它摒弃了解耦的思想，取消了 旋转坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理 论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转 矩的直接控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐 标系计算与控制交流电动机的转矩，在定子磁场定向的前提下，采用脉宽调 制方法，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。 这种方法的优点在于：直接在定子坐标系上分析交流电动机的数学模型、控 制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算，大大减 9 山东大学硕士学位论文 少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。但是由于直接转矩 控制系统是直接进行转矩的砰一一砰控制，避开了旋转坐标变换，控制定子 磁链而不是转子磁链，不可避免地产生转矩脉动，降低调速性能，同时直接 转矩控制也较复杂，造价较高。 1 3 过调制技术 1 3 1 静态过调制 对于基于载波的p w m 控制技术，是将参考电压波形与载波进行比较而 得到开关器件的控制信号，当参考电压波形的峰值超出载波峰值时，由二者 比较生成的控制信号作用于电压源逆变器并最终输出的电压已经不再等于 所期望的参考电压了，此种工作情况称为发生了过调制，如图卜2 所示。 j 霉。盔：、 诫 1 人f必 ? v d 。v i|l 1 1 v 川一 1 s + 0 删 图卜2 过调制下s p w m 调制波和开关信号 h a v a 在论文中对基于载波的几种常见p w m 方法，包括s p w m 、 t h i p w m 、s v p w m 、d p w m l 、d p w m 2 等进行了过调制研究，从电压增益 和谐波畸变的角度判断各种p w m 方法在过调制下的性能，最终得到d p w ml 具有最大的电压增益和最小的谐波畸变，是最佳的过调制方法【13 】。 1 0 山东大学硕士学位论文 v 4v 1 图卜3s v p w m 空间矢量图 对于无载波的p w m 控制技术，一般指s v p w m ，当参考电压矢量超出 基本矢量构成的正六边形内切圆时会发生过调制。如图1 - 3 所示，给定电压 矢量超出正六边形内切圆a 时，出现过调制，如圆b 、c ，此时逆变器实际输 出的电压矢量不再与给定的电压矢量相等。此类过调制算法体现在对参考电 压矢量幅值和相位的修正上。 h o l t z 等提出将过调制区分为0 9 0 7 + 一、 一 w 、 h - 一 二l 盎。耋：薹建三；薹二童i 一一- - - 一一一- 一j - 一一- - - 一一j - - - - - - 一-