（电力电子与电力传动专业论文）矿用架线式机车变频调速系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h el i n e 。s u p p l i e dl o c o m o t i v ei st h ep r i m a r yv e h i c l ei nt h ec o a lm i n e t os o m e e x t e n ti t sr e l i a b i l i t ya n de n e r g y - s a v i n gi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ee f f i c i e n c yo fd i g g i n g m i n e r a l s a tp r e s e n t ，d ca d j u s t a b l e s p e e dd r i v ei ss t i l lu s e di nt h o s ec a s e s b u t b e c a u s ed cm o t o rh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h c o s t ，l o w r e l i a b i l i t y , e a s y - d a m a g eo fc o m m u t a t o r , l o n g - p e r i o d so fm a i n t e n a n c ea n dl o w e f f i c i e n c y , w i t h t h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em i n e r a lp r o j e c t ，d cd r i v es y s t e mw i t hl o w p e r f o r m a n c e s c a r l tm e e tt h en e e d so ft h e d e v e l o p m e n to fc o r p o r a t i o n ，s o i ti s a b s o l u t e l y n e c e s s a r i l yt or e p l a c ed c d r i v ew i t ha cd r i v e a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nc o n t e x ta n dt r a c t i o np r o p e r t yo ft h el i n e - s u p p l i e d m i n i n gl o c o m o t i v e ，ad i g i t a ls i g n a lp m c e s s o r ( d s p ) b a s e dv a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l e 抒e q u e n c y ( v v v f ) d r i v es y s t e mi sp r e s e n t e d ，i nw h i c ht h eu fc o n t r o lt e c h n o l o g y a n d s p a c e v e c t o rm o d u l a t i o n ( s v m ) m e t h o da r e e m p l o y e d t h ep r i n c i p l e o f s p e e d a d j u s t a b l ea cd r i v ei sf i r s t l yd i s c u s s e d a no p t i m i z e db u sc l a m p e ds v m ( b c s v m ) m e t h o di so b t a i n e db a s e do nt h ec o n v e n t i o n a ls e v e n - s e g m e n ts v m t h e d i f f e r e n c eb e t w e e ns p w ma n ds v mm e t h o di sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ei n f l u e n c eo f d e a d t i m ee f f e c to np e r f o r m a n c eo ft h eo u t p u tv o l t a g e si sa n a l y z e d a ne f f e c t i v e a p p r o a c ht oa c c u r a t e l yc o m p e n s a t et h ed e a d - t i m ee f f e c ti sp r e s e n t e d o nt h ea s p e c t o fh a r d w a r e ，t h ec o n t r o lc i r c u i t s ，i n v e r t e rc i r c u i t sa n dp r o t e c t i o nc i r c u i t so ft h e s p e e d a d j u s t a b l es y s t e ma r ed e s i g n e d w h i c ht a k e st h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2a sk e ： n e i o n t h e a s p e c t o fs o f t w a r e ，t h ep r o g r a mo fs y s t e mi s i m p l e m e n t e du s i n g3 2 一b i t s f i x e d - p o i n tcl a n g u a g e i no r d e rt oo v e r c o m et h ep r o b l e mc a u s e db yt h ef l u c t u a t i n g o ft h ed cs u p p l yi nt h em i n e ，t h es i m u l a t i o no ft h es p e e d a d j u s t a b l ea cd r i v ei s d e s i g n e db a s e do nm a t l a b s i m u l i n k t h er e s u l t s o ft h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r e s e n t e dv v v fs p e e d v a r i a b l ed r i v es y s t e mh a sg o o d p e r f o r m a n c e sa n dt r a c t i o np r o p e r t i e sw h i c hi sq u i e ta p p l i c a b l et ot h el i n e a u , _ 】p i e d i o c o m o t i v e s k e yw o r d sa cd r i v e ；l i n e s u p p l i e dl o c o m o t i v e ；s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ；d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 在当前全球经济高速发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和 环境，而能源的紧张严重制约了经济的增长。因此，对能源的有效利用在我国 已经迫在眉睫，尤其是作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可掘。 七十年代以后，基于电力电子技术的交流电机变频调速系统取得了很大的 发展【1 2 】。一方面，功率半导体器件的制造技术、基于电力电子电路的电力变换 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化控制技术的发展， 使各种电力电子装置体积缩小、效率提高；另一方面，交流调速具有优良的调 速、起制动性能，较高的效率、功率因素和显著的节能效果等优点，被广泛应 用于工业生产、交通运输( 尤其是轨道运输) 、国防军事装备等领域，并且占据 了主导地位”4 1 。 1 1 交流调速的现状与发展 1 1 1电力电子器件 电力电子器件是电力电子技术发展的基础【5 一。它主要包括不可控器件、半 控型器件和全控型器件三大类。 【半控型器件 半控型器件主要包括晶闸管( s c r ) 及其派生器件。1 9 5 8 年，s c r 的问世 标志着电力电子技术的开端。随后，双极型半控器件相继出现，而且其电压、 电流额定值不断地提高，特别是7 0 年代n t d 硅单晶的试制成功，使器件的电 压、电流、频率等额定值达到很高的水平。现在普通晶闸管的电流额定值达 4 0 0 0 a 以上，电压额定值达1 2 k v ，频率也可达4 0 0 h z ，光控晶闸管的额定值为 3 5 0 0 a 8 k v ，快速晶闸管的额定值为8 0 0 a 2 k v ，最高频率可达2 0 k h z 。目前 晶闸管广泛应用于电气传动以及感应加热和静止无功功率补偿等领域，特别是 在大功率的a c - d c 变换装置中，由于s c r 在电流过零时关断不会产生大的关 断损耗，因此s c r 具有较大的优越性。但s c r 不能用门极控制其关断，需要 繁琐且复杂的辅助关断电路，使得s c r 难以在逆变器中使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 全控型器件 全控型器件主要包括绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、场效应晶体管 ( m o s f e t ) 、大功率晶体管( g t r ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 等等。 g t o 和g t r 的出现弥补了s c r 难以关断的缺点，同时，g t o 具有s c r 高耐压的优点。从结构上看，g 1 o 是通过芯片内成百上千个在内部并联的原胞 来实现其高耐压和大电流的，增加这些原胞的数目，就可提高器件的容量。日 本三菱电机公司采用6 英寸的硅片制作出包含7 0 0 0 到9 0 0 0 个原胞的g t o 器件， 其耐压可达6 k v ，工作电流可达6 0 0 0 a 。g t o 的主要缺点是关断增益低，一般 为4 5 ，需要一个十分庞大的关断驱动电路，另外g 1 d 的通态电阻比s c r 高， 约为2 4 5 v 。导通时的d i d t 和关断时的d v d t 也较高，因此还需要一个庞大的 吸收电路，这些缺点限制了g t o 的推广应用，g 1 d 主要应用在2 0 0 0 v 以上的 地铁、轻轨车和矿用机车等牵引领域。 g t r 是一种电流控制的双极双结功率半导体器件，与g 1 d 相比，g t r 的 耐压值低、工作电流小，现有水平为8 0 0 a 1 1 8 0 0 v ，饱和压降为1 5 3 v ，存储 时间和电流下降时间分别为1 5 灿和3 阻，比g t o 小，此外g t r 的开关频率比 g 1 _ o 高，其最高频率可达l o o k h z 。但是g t r 存在固有的二次击穿，其安全工 作区( s o a ) 受各项参数影响而变化和热容量小，过流能力低。g t r 模块主要 应用与p w m 逆变器、u p s 、以及开关电源中。 由于g t r 、g t o 等双极型全控器件是电流驱动型器件，必须提供较大的门 极控制电流，从而使门极控制电路非常庞大，功率变换系统的体积和重量也相 应增大，效率降低。因此，m o s 型功率器件的开发一开始就倍受重视。经过二 十多年的发展，功率m o s f e t 及以其为基础的新型功率m o s 器件在中小功率 的电力电子装置中获得了广泛应用，并己逐步取代了双极型功率器件。它的显 著特点是用栅极电压来控制漏极电流，所需的驱动功率小、驱动电路简单；又 由于是靠多子导电，没有少子导电所需的存储时间，使得功率器件的开关速度 大为提高，是目前开关速度最高的电力电子器件。虽然m o s f e t 具有驱动方便、 开关速度快等优点，但其导通后呈现电阻性质，其导通电阻随耐压的增高成2 5 次方急剧上升，因此在电流较大时的压降较大，而且器件的容量较小，仅能适 用于小功率装置。 2 0 世纪8 0 年代出现的绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 是m o s f e t 与g t r 复合形成的，除具有功率m o s f e t 的电压型驱动、驱动功率小的特点，同时具 有g t r 饱和压降低和可耐高压和大电流等一系列应用上的优点。在6 0 0 1 8 0 0 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 范围的通态压降与g t r 相当，约为1 5 3 5 v 。i g b t 所具有的2 0 5 0 k h z 的 工作频率，且有宽而稳定的开关安全工作区以及简单的驱动电路等优点，使 i g b t 成为6 0 0 v 以上中等电压范围内的开关电源，交流电机调速和u p s 中的主 流功率器件。但在高压领域内i g b t 还难以和g t o 和s c r 抗衡。 m o s f e t 、i g b t 等均是电压控制型器件，可用一些专用的高压集成电路直 接控制，甚至可以把主器件和控制、保护电路等做在一个芯片或器件中，大大 促进了高压集成电路和智能功率集成电路的发展，使电力电子技术产生了新的 飞跃。 1 1 2 交流电机的调速控制技术 1 u f = c 控制 u f 控制( 7 - ”1 是基于在改变电源频率进行调速的同时，保证电动机的磁通不 变的思想上提出的，其主要目的是为了得到理想的转矩速度特性。根据电机学 理论，交流异步电机定子绕组的感应电动势是转子绕组切割气隙旋转磁场的结 果。电机进行变频调速时，在u 不变的情况下，如果厂下降，庐将增加，而谚的 增加会引起磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，电流波形产生畸变，削弱了 电磁转矩，从而影响机械特性：反之，上升，妒下降，将会导致带负载能力 下降。因此，为了保持毋的恒定，应在改变厂的同时改变u 。 u f 控制一般采用开环控制，故不能达到较高的控制性能，而且在低频时， 必须进行转矩补偿，以改善低频转矩特性。此控制方式的特点是调试工作容易、 控制电路结构简单、成本较低、机械特性硬度也较好。 2 磁场定向矢量控制 矢量控制的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场进 行独立控制f 9 f l “。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获 得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而在实际应用 中转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流 电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，故使得实际的控制效果难以达到 理想分析的结果。 矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量 控制方式及有速度传感器的矢量控制方式 1 3 j 4 】。 基于转差频率的矢量控制方式同样是在进行u f 控制的基础上，通过检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 异步电动机的实际速度，z ，并得到对应的控制频率厂，然后根据希望得到的转 矩，分别控制定子电流矢量及两个分量问的相位，从而对变频器的输出频率厂进 行控制。基于转差频率的矢量控制方式的最大特点是：可以消除动态过程中转 矩电流的波动，从而提高了系统动态性能。但是这种控制方式属于闭环控制方 式，需要在电动机上安装速度传感器，使其应用范围受到限制。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理，分别对励磁电流和转矩电流 迸行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流来辨识转速，以达到 控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式虽然调速范围宽、启动转矩大、 工作可靠及操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算， 因此实时性不是太理想，控制精度也受到计算精度的影响。 3 直接转矩控箭( d 1 陀) 在2 0 世纪8 0 年代中期，德国学者d e p e n b r o e k 教授提出直接转矩控制思想 1 4 , 1 6 。其思路是把电动机和逆变器统称一个整体，利用空间矢量、定子磁场定向 的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异 步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器( b a n d b a n d 控制) ，将转矩 检测值与转矩给定值徽比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内。容差的大 小由频率调节器来控制，并产生p w m 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状 态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制情况不是取决于电动机 的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。不需要将交流电动机 与直流电动机做比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制。由于直 接转矩控制省掉了矢量变换方式的坐标变换及为解耦而简化异步电动机数学模 型，没有通常的p w m 脉宽调制信号发生器，控制结构简单、控制信号处理的 物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，因此是一种具有高静、动态性 能的交流调速控制方式f 1 7 】。直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参 数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的b a n g b a n g 控制基础之上的控制方法，不可避免地造成了低速下开关频率低、开关频率不 固定以及转矩脉动大等问题，限制了直接转矩控制在低速区的应用。 4 矩阵式交，交方式 u f 控制、矢量控制、直接转矩控制等方式的共同缺点是输入功率因数低， 谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不 能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频方式应运而生。由于矩阵式交交方 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 式省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功 率因数为l ，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。矩阵式交 交方式实质不是简洁的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来 实现。目前该技术尚未成熟，仍吸引众多学者深入研究【1 0 】。 1 2 课题研究的背景与研究内容 1 2 1 课题研究的背景 随着经济的高速发展，我国对能源、矿产资源的需求量与日俱增 16 】。其中， 对煤炭行业的产煤量要求更是越来越高。井下煤炭开采过程中，运输设备的运 输能力是影响煤炭产量的一个极其重要环节，而作为主要运输设备的工矿电机 车，其牵引性能的好坏对矿产资源的开发效率也起着关键性作用咿”1 。根据工 矿电机车的牵引源性质不同，可分为直流传动和交流传动两类，目前，国内使 用最广泛的主要是直流传动，其调速方式主要以电阻调速和斩波调速为主 4 , 2 0 , 2 ”。 电阻调速一般采用电阻降压法，调整和控制牵引电机的端电压。为了满足电机 车启动时低速、大转矩的要求，在电机车启动过程中，通过电阻消耗大量电能 来改变牵引电机端电压。斩波调速即利用控制电子元器件的导通与关断时间， 将稳定的直流电变成按一定规律变化的方波，降低电压平均值，最终实现机车 调速。脉冲调速的控制方式有三种，定额调宽，定宽调频，调频调宽。定额调 宽是指直流斩波器的工作频率恒定，调整每周期主晶闸管的导通时间。定宽调 频是指直流斩波器主晶闸管每次导通的时间是恒定的，但工作频率是可调的。 调频调宽是指直流斩波器的工作频率和晶闸管的导通时间是可调的。当直流斩 波器的工作频率固定时，直流电动机端电压的平均值随主晶闸管的导通时间的 加长与缩短而增减；同样，当导通时间恒定时，直流电动机端电压的平均值与 直流斩波器的工作频率成正比。斩波调速和电阻调速相比具有调速均匀、启动 牵引力大的特点。此外，斩波调速还具有一些优点。一方面，斩波调速没有启、 制动电阻，能节省一部分电能：另一方面由于斩波器是无触点的，能减轻日常 维护工作。据统计，脉冲调速比串电阻调速的启动效率和调速效率提高了2 0 左右。但由于当时关键元件晶闸管技术性能羞，导通容易关断复杂，导致在调 速过程中容易出现失控现象，因此这项技术在直流调速中没能得到广泛推广应 用。尽管后来随着电子器件的发展和控制方式的改进，可控硅脉冲调速法在技 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 术上有所提高，但是其本质上仍然存在直流电机固有的缺陷。 考虑到煤炭行业矿井的工作条件恶劣，对电动机的防暴、防尘、和防潮等 特殊指标有很严格的要求，显然直流电动机本身固有的结构特点不利于这些要 求。同时，交流电动机相对于直流电动机具有很明显的优势。一方面，交流电 动机比直流电动机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便：另一方面，交流 电机没有直流电机具有的电刷和换向器，不需要经常进行检查维修，并且交流 调速系统可有效节约能源。 因此，随着经济的飞速增长和人类的进步，直流电机的低效率已远远不能 满足企业发展的需求，与此同时，交流调速技术的日渐成熟，其技术上、经济 上的优势必将取代直流调速技术。因此，开发矿用机车交流调速系统，使其更 逶应矿井运输和生产需要已势在必行。 1 2 2 课题研究的重点 目前国内矿山架线式电机车运行环境比较恶劣，直流网压波动大，架空线 路高低不平，致使受电弓脱弓频繁：铁轨铺设欠平整，轨道交接处电缆连接不 好，甚至未接，致使回馈电阻增大，远离变电站的地方电压远远偏低，最低不 到额定值的6 0 ，并且无电区多。尤其是井下，电机车启动，制动频繁，且连 续超载严重。以上环境都对电气传动系统提出了特殊要求：系统过载能力强， 启动力矩大，响应快，对瞬时跳弓、电网电压波动有较强的自适应能力。 本课题通过对目前交流调速系统分析研究，结合矿井架线式机车的工作环 境，基于1 1 公司新推出d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，设计开发了一套可有效解决 矿井频繁掉电以及网压波动较大等实际问题的架线式机车变频调速系统。围绕 该调速系统的性能结构，本文详细讨论了系统硬件设计方案以及软件设计流程。 1 3 本文的主要研究工作 第一章首先对交流调速技术的现状与发展情况作了综述，其中包括电力电 子器件与交流调速控制技术，特射是对近年来出现的新的交流电机的调速控制 技术作了较详细的探讨。然后讨论了架线式机车的调速现状，以及现有调速技 术存在的问题和弊端。最后介绍本文所要作的工作。 第二章介绍了、n n ，f 变频调速实现原理。首先介绍了异步电机u 厂调速理 论，然后依据传统的七段式s v m 原理提出了优化s v m 技术方案，讨论了死区 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 效应对调速系统性能的影响，并给出了死区补偿方案。最后将s v m 技术与 s p w m 技术的电压利用率作了比较。 第三章详细讨论了基于d s p 的架线式机车调速系统软、硬件实现方案。首 先设计了由d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 控制器和逆变模块构成的硬件系统，讨论了 p m 4 0 0 d s a l 2 0 的驱动电路设计，以及电压、电流、转速等的检测电路设计。然 后详细介绍了控制系统的软件设计流程。 第四章对变频系统的电磁兼容性作了综述。其中包括电磁干扰的产生、传 播途径以及变频系统的软、硬件抗干扰措施。 第五章对异步电机的s v m 控制系统进行了仿真与试验，并分析了仿真及试 验结果。 最后对全文进行了总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章变频调速系统原理 根据电机学理论，在三相交流异步电动机的定子绕组上加三相交流电压时， 将产生一个旋转磁场，该磁场的速度由所加电压的频率决定。当磁场旋转时， 位于该旋转中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动 势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，使转子 跟随旋转磁场旋转i j 3 1 ”。1 9 6 4 年，德国的a s e h o n u n g 等提出了脉宽调制变频的 思想，并推广应用于交流电机变频调速系统，为交流调速系统开辟了新的发展 领域。 本章中，我们结合异步电机v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a i l a b l ef r e q u e n c y ) 调 速原理，基于传统七段式s v m ( s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n ) 控制技术，提出一种优 化的b c s v m ( b u sc l a m p e ds p a e ev e c t o r m o d u l a t i o n ) 技术，并且对s v m 技术 与s p w m 技术的性能和特点进行了分析和讨论。 2 1、，、，、，f 调速原理 交流异步电动机的转速可由下式表示【9 】： 刀：6 0 f ( 1 - s )( 2 1 ) p 式中玎电动机转速( r m i n ) p 电动机磁极对数， 厂电源频率( h z ) ， s 转差率。 由式( 2 1 ) 可见，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数p ，转差率5 和电源频率厂。其中，改变电源频率来实现交流异步电动机的调速的方法效果 最理想，也就是所谓的变频调速口1 】l 。 根据电机学原理，交流异步电动机的定予绕组的感应电动势是定子绕组切 割旋转磁场磁力线的结果。三相异步电机定子每相电动势的有效值计算如下： e = 4 4 4 f l n l k 1 矿( 2 - 2 ) 式中占气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 _ ，；定子频率 t 定子每相绕组串联匝数 k 。基波绕组系数 矽每极气隙磁通 其中n i 、k 。均为常数。 因此，式( 2 2 ) 可简化为 e = 硕妒 ( 2 3 ) 其中蜀常数。在电源一侧，电源电压的平衡方程式为： u=e+打+jlx(2-4) 该式表明，加在电机绕组端的电源电压c 厂，一部分产生感应电动势e ，另 一部分消耗在阻抗( 线圈电阻，和漏电感x ) 上。其中定子电流 i = i i + l ( 2 5 ) 分成两部分：少部分( ) 用于建立主磁场磁通妒，大部分( 厶) 用于产生电 磁力带动机械负载。当电机进行变频调速时，若频率，；下降，则由式( 2 3 ) 可 知e 降低；在电源电压u 不变的情况下，根据式( 2 - 4 ) 定子电流，将增加。此 时，根据式( 2 5 ) 如果负载不变时，：不变，的增加将使，。增加，也就是使 磁通量妒增加，而由式( 2 3 ) 可知驴的增加又使e 增加，达到一个新的平衡点。 理论上这种新的平衡对机械特性影响不大。但实际上，由于电动机的磁通容量 与电动机的铁心大小有关，通常在设计时已达到最大容量。因此当磁通量增加 时，将产生磁饱和，造成实际磁通增加不上去，产生电流畸变，严重削弱电磁 力矩，影响机械特性。 为了解决机械特性下踌的问题，我们必须保证多恒定不变，即 e 厂= 枷一常数 ( 2 6 ) 这就要求，当改变电动机电源频率进行调速时，e 也应作相应的变化来维持 他们的比值不变。但实际上，e 的大小无法控制。又由于在阻抗上产生的压降 相对于加在绕组端的电源电压u 很小，可以忽略，因此式( 2 6 ) 可简化成 e ff ；u r = 常数( 2 - 7 ) 也就是在变频的同时改变输入电压，这就是所谓的v v v f 鸳- a ”。 1 基频以下调速 为了使电动机定子的磁通量妒保持恒定，调速时就要求使感应电动势e 与 电源频率厂的比值不变，表现出恒转矩的特点。当频率厂的数值降的较低时， 电压也按同比例下降，但定子阻抗的压降并不按同比例下降，使得定子阻抗压 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 降在电压c ，中所占的比例增大，已经不能满足式( 2 7 ) ，此时若仍用u 来近似e 将带来较大的误差嘲。这时可人为的对定子阻抗压降进行补偿，适当提高逆变器 的输出电压，也就是所谓的转矩提升【5 洲。 2 基频以上调速 由于电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压， 因此，当频率厂升到额定频率时，电源电压不能相应的升高，此时磁通妒将随 着频率厂的升高反比例的下降，电动机处于弱磁状态。如果电动机在不同的转 速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许情况下长期运行，转矩基本上随 磁通变化。根据电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒 转矩调速”性质，在基频以上，转速升高时转矩降低，属于“恒功率调速”。 在实际电机调速过程中，除了要遵循基频以下恒转矩调速，基频以上恒功 率调速外，还应满足电机u f 控制的转矩提升。其u f 曲线如图2 1 所示： 图2 - 1 异步电机v v 、，f 调速u f 曲线 2 - 2 空间电压矢量脉宽调铜i ( s v m ) 技术原理 s v m 技术从电动机角度出发，着眼于如何使电机获得恒定的圆形磁场，即 正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时电机的理想圆形磁通轨迹为基准， 用逆变器不同的开关模式产生实际磁通，去逼近基准磁通，从而达到较高的控 制性能 6 1 。由于s v m 具有谐波含量较少、直流母线电压利用率较高、算法易于 实现等优点，在变频控制领域，是最优p w m 算法，得到了广泛应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 1s v m 原理 = 睨c o s 陋一孕) ( 2 9 ) u = 玑c o s ( 耐+ 娶) ( 2 1 0 ) 按照电压空间矢量的定义，玑、以可合成空间矢量u 以= 鲁( 乩+ 础6 + 矿以) ( 口= e j 2 r 3 )( 2 - 1 1 ) 虮= 专( 忆+ 盯+ 矿虬) ( 2 - 1 2 ) 若忽略电机定子电阻的影响，则织可由电压空间矢量对时间积分得到 织= i ud t = 晦阮+ a u b + 矿坟渺= 号( 致+ z z y b + 致) ( 2 一1 3 ) 肿陵小l 嚣s i nca涮t 协 2 - 脚j r a ( 2 t 5 ) 其中电机磁链幅值 、虬电机三相磁链矢量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 模式，其中当电机三相绕组直接直流母线正端或负端短按时有两个零状态。 例如状态1 0 0 ，开关q l 、q 。、q 。闭合，在这种状态下，电机a 相和直流母 线正端相连，b 、c 两相和母线负端相连，由电路理论可推导出 u 。= 2 3 u w 、巩。= - 1 3 u d c 、【= - 1 3 u d c 。同理，根据各种不同的开关状 态可推导出对应的相电压。 图2 - 2 电压型逆变器 在算法斡d s p 实现中，为了简化计算，根据功率不变原则，将盘钯坐标系 转变成。叩坐标系，则相应的电压空问矢量如表2 1 所示。 下面我们详细介绍电压空间矢量的选取与定子磁链运动轨迹的关系。图2 3 中，当逆变器单独输出基本电压空间矢量“时，电动机的定子磁链矢量的矢 端从a 到b 沿平行于砜的方向移动：当移动到b 点时，如果改变基本电压空 间矢量为，椰输出，则定子磁链矢量沙的矢端也相应改为从b 到c 的移动。因 此，当六个非零基本电压空间矢量分别一次单独输出后。定子磁链矢量杪矢端 的运动轨迹是一个正六边形。因此，如果利用逆变开关状态和线性时间组合改 变电压空间矢量的输出，则可以得到定予磁链矢量沙矢端是一个正多边形。如 果正多边形的边数足够多，则可等效于圆形旋转磁场。 图中u 。和u 。+ 。分别代表相邻的两个基本电压空间矢量。【，是输出的合成 褶电压矢量，其幅僮代表摺电压的堰傻，其旋转角速度就是输出正弦电压的角 频率。可由- j x 和u 。的线性时间组合来合成，它等于，。l 。倍的u 与 f ：，乃。倍的( ，枷的矢量和。其中t ，和f 2 分别是玑和以。作用的时间。按照这 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 种方式，在下个乃。期间，若仍用玑和6 。的线性时间组合，但是作用时间会 不相同a 如此，在每个z 二。期间，都改变相邻基本矢量作用的时间，并保证所 合成的电压空间矢量的幅值都相等，因此，在7 二。足够小时，电压空间矢量的 轨迹是一个近似圆形的正多边形。 表2 - i 开关状态与相电压在口q 日坐标系的分量的对应关系 a b c 矢量符号 u b 据 0 l o o 延u 笼延u 。 1 1 0 u 2 。 一掂是 0 1 0 u 1 s o 一连u o o l l 厅 f 1r ， o o l 一言一、ju d c 蜴 嚣 厅 l o i 一怯 0 】1 1 1 1o o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 - 3 基本电压空间矢量与正六边形磁链轨迹 1 t ，、t 2 和t o 的计算方法 0 0 ) 如上所述，是f 1 倍的以和乞倍的玑。的矢量和，即 仁甏k s i i i 扣l 沼2u ，f 2 2 3 以, , , 枷at ，。s i n 口l 。1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l s 页 笼羔笼7乏：乏：艺7乏(2-18)tl 引+ f 2 + 虬6 0 ，j 变形后可转化成 肾r ，h f l 乏r 眨 由于逆变器输出零矢量0 、0 对电动机的定子磁链矢量缈不会产生影 响，根据所需输出参考电压的大小，在丁二。期间插入零矢量作用时间t o ，使 t o = k 一一乞( 2 - 2 0 ) 零矢量的加入不仅不会改变的大小，而且可以调整角频率脚，从而达到 变频的目的。 2 相邻基本矢量的确定 将图2 - 3 所示区域划分为6 个部分，弱为扇区。如前所述，要想计算出每个 扇区的矢量作用时间，必须确定合成。，所需的一对相邻非零电压矢量。因此确 定己乙位于哪个扇区必不可少。下面我们介绍确定c o 所在扇区号的方法。 为了计算方便，我们需要引入p a r k 变换，得到两相静止坐标系下a 、口轴分 量【，。，吒胡，再由以下两式计算扇区号p 。 b 。= u p l b l = s i n 6 0 。虬一s i n 3 0 。u p ( 2 2 1 ) b 2 = 一s i n 6 0 。s i n 3 0 。u pi p = 4 s i g n ( b z ) + 2 s i g n ( b 1 ) + s i g r t ( b o ) ( 2 - 2 2 ) 式中e i g n ( x ) 为符号函数。如果工 o ，s i g n ( x ) = 1 ：如果石( 0 ，s i g n ( x ) = 0 ， 然后根据p 值查表2 - 2 ，可确定参考电压空间矢量所处的扇区号。 表2 - 2p 值与扇区号的对应关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 优化s v m 生成方案 1 ) 传统七段式s v m 波形生成法 结合上述s v m 生成方案可知，零矢量的分割方法不同，p w n t 的生成方案 也会相异，电机运行特性也有差别。传统七段式s v m 方案选择将零矢量作用时 间插入在每个t 。的开始和中间。以扇区一为例，给出矢量切换时间图，如图 2 4 所示。下面我们分别计算每个桥臂的矢量切换点：l = t o 4 ， 毛= t o 4 + t l 2 ，= t o 4 + t 1 2 + t 2 2 。其他扇区同理可以求得。当电机在低 频低压段，t ，、t ：作用时间较短，此时在p w v l 输出时部分脉冲可能因为过窄而 被删搏，这样就会大大影响系统在低频段的调速性能m 】。 0 0 c1 0 c i i c 1 1 1 l i c 1 0 c0 0 c 图2 4 传统七段式p w m 输出波形 2 ) 优化b c s v m 控制方案 下面我们结合传统七段式s v m 生成方案，以开关损耗低、电流谐波小以及 编程容易为原则，来调整零矢量的作用点，根据式( 2 - 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 计算矢量作 用时间，给出两种优化s v m 生成方案，分别为1 2 0 b c s 和6 0 b c s v m t 4 们， 如图2 - 5 ( a ) 、( b ) 所示。 t o 2 ；2 ；，2 ；2 t o 第p w m l 厂t 一 一 jj： 扇p w m 2； li ； 区； p w m ! ： 姒；o i o ；0 1 0 ；溅 f o ，2jt l 21 t 2 ；2 ：气2 第p w m l !li ： ： 一r ? 1 扇9 w m 2 一 ；i l 一 瞬 i !i p w m j | _ ； ： ! i = r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 p w m l 第 二p w m 2 扇 区p w m 3 第p w m l 直 扇p w m 2 区 p w m 3 0 0 0 ：0 1 0 ：0 1 l ：0 1 0 ：0 0 0 t o 2 t , 2 ；f 2i 2 i t o 广 t !； ；厂； o o o ：0 0 ljl o io o l ：o o o t o 2 2 0 一2 ；f o 2 jji，l 0 0 0 ；0 0 11 0 1 1 1 0 01 1 0 0 0 f 0 2 ；2 f 2 2 b 2 第9 w m l - 0 一 罢p 删：0 厂i 区p w m 3 广丁 第 ，、 o o o 1 0 0 ：l o l ：l o o ：o o o t o 2 f 1 2 t 2 2 ；t o 2 9 删1 r 寸1 ( a ) 1 2 0 b c s v m 波形 l o o ：i l o ：1 1 1 ：1 1 0 ：1 0 0 2 f 2 2 l t o l 乞2 l 2 第p w m l - r 一 第 。一 扇 区 晓 3 0 。 o o o o l o ；1 l o ；o l o ；o o o 竺! h ! 竺 o o o ii o o ；1 l o ；1 0 0i 0 0 0 f 0 2i 2 t 2 t l 2 t o 2 p w m i。厂_ 一 。_ 。h 。- 一 。- - _ 。_ 一 3 0 。 口 6 0 0 1 0 ：1 1 0 ：1 1 1 ：1 1 0 ：0 1 0 - 2 芦辩“2 p w m 2 r t _ 1 p w m 2 - 卜 一 !： ：l 一 ： t ， ： 蹦 il ；p w m 3；h ； o 1 6 0 口 9 0 。 9 0 盯 1 2 0 。 兰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第p w m 】 扇p w m 2 区p w m 3 0 0 0 ：0 0 l ：0 1 1 j0 0 1 ：o o o ! ：o ”：1 1 1 ：o ”：0 0 l t o 2 ；2 ；乞i f l 2 ；t o 2t t 2 t z 2 0 一f 2 2 ；t t 2 第p w m i ； i i o p w m l 4 一l 4 一 四：l 一 j 0 一 扇p w m 2 i f ii p w m 2 一 l 一 区p w l v l 3 广 丁 p w m 3 1 丁r 一 第p w m l 五p w m 2 扇 区p w m 3 第 、 扇 区 1 8 0 口 2 1 0 2 4 0 岱乏2 7 0 。 3 0 0 g 3 3 0 。 ( b ) 6 0 b c s v m 波形 图2 - 5 s v m 波形生成方案 2 l o 舅 2 4 0 2 7 0 盯 3 0 0 3 3 0 “ 电机转速检测 i 电流检测电路 电流检测模块就是把交流异步电机的三相定子电流转换成d s p 能识别的二 进制代码。即将电流传感器检测到的电流信号进行放大、偏置输出到d s p 的 a d 输入端口。由于本系统两台异步电机均为三相平衡系统，因此我们只检测 电机任两相电流，另一相通过j 。+ j 。+ ，。= 0 求得。为了满足系统精度，本系统 电流传感器采用南京中霍传感科技有限公司的霍尔传感器电流传感器 t k c l 0 0 b s ，该传感器的初、次级线圈是绝缘的，可用于测量直流、交流和脉冲 电流。工作电压为1 5 v ，额定电流1 0 0 a ，对应输出电压信号4 v 。当待测 电流从传感器穿过，即可在输出端测得对应输出电压大小。电流检测电路如图 3 - 9 所示。图中l f 3 5 3 为双高阻运算放大器，其特点是差模输入阻抗非常高，输 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 入偏置电流非常小，且具有高速、宽带和低噪声等优点。 5 0 0 图3 - 9 电流检测电路 2 电压检测电路 由于矿井中架线轨道高低不平，致使机车在运行过程中存在很多不安全隐 患。一方面，直流母线瞬时掉电或网压波动大等情况频繁出现；另一方面，当 受电弓瞬时合闸的瞬间，电压冲击大。考虑到电机自身绕组的绝缘问题，以及 电机运行中因为网压波动出现的抖动问题，我们必须实时监测母线电压，以便 母线电压出现异常情况时，能及时给出相应处理，保证逆变模块与电机能正常 工作。本系统采用大功率电阻分压来检测母线电压，如图3 1 0 所示。 陡1 6 a d l 2 2 8 t ? 鼍吓掣一 陟 援l 5 - 1 5 封h 一5 8 1 9 图3 1 0 电压检测电路 西南交通大学硕士研究生学