（电力系统及其自动化专业论文）高压电机级联变频控制与保护集成系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no f h i g h - v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e y o ri sb e c o m i n gm o r ew i d e l yd u et o i t sp r o m i n e n t e n e r g y s a v i n ge f f e c t t h es t a t ee l e c t r i c a lp o w e rd e p a r t m e n t sh a v ep u tf o r w a r d t h en a t i o n a lm a d e t a r g e to fh i g h - v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e y o ri nt h e10 “f i v e - y e a rp l a n i t s n e c e s s a r yt oa c c e l e r a t et h er & d o ft h eh i g i l v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g y a tt h e s a m et i m et h e a p p l i c a t i o no f h i g h - v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e y o r i sc h a l l e n g i n gt h et r a d i t i o n a l t e c h n o l o g yo f m o t o r sp r o t e c t i o n t h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lm o t o r sp r o t e c t i o nc a n t m e e tt h en e e do fv a r i a b l ef r e q u e n c ym o t o r s ；a sar e s u l t ，t h es e c u r i t yo f m o t o r si si nf a c eo f t h r e a t s oi ti si m p o r t a n tt os t u d yt h ei n t e g r a t i o ns y s t e mo fv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o la n d p r o t e c t i o nf o rh i g h - v o l t a g em o t o r s o nt h eb a s i so f i n t r o d u c i n gb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo f h i g h v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y a n dm o t o rp r o t e c t i o n ，t h i s p a p e r d i s c u s s e dt h ec o r r e l a t e t e c h n o l o g y o fh i g h - v o l t a g e v a r i a b l ef r e q u e n c y , p u tf o r w a r dan e w d e s i g ns c h e m ef o rt h ei n t e g r a t e ds y s t e mo f c a s c a d e v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o la n dp r o t e c t i o nf o rh i g h - v o l t a g em o t o r sa i m e da tt h ec o n d i t i o n t h a th i g h - v o l t a g em o t o r s p r o t e c t i o ni sn o te n o u g h t h ew o r ko f t h i sp a p e ri sf o rr e a l i z a t i o n o f t h ed e s i g ns c h e m e t h ep e r f o r m a n c eo f h i g h - v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e mi sc l o s e l yr e l a t i v et ot h e s t r u c t u r eo fm a i nc i r c u i t sa n d d e s i g no f c o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ef e a t u r ec o m p a r i s o no f m a n ym a i nc i r e n i t ss t n l c t u r e ，t h i sp a p e rc h o s et h ec a s c a d e dm u l t i - l e v e lm a i nc i r c u i t s s t r u c t u r ea n df i e l d o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lt h e o r y i ta l s od i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to f h i g hp e r f o r m a n c e v a r i a b l ef r e q u e n c ym i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p & c p l d t h o s ew o r k p r o v i d e d t h er e a l i z a t i o nb a s i so f h i g h - v o l t a g ev a r i a b l e f r e q u e n c y t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h e o r e t i ca n ds i m u l a t i n ga n a l y s i sa i m e da tt h eo u t p u th a r m o n i c s a n d ( 1 e a d t i m ee f f e c t so fc a s c a d e dh i g h - v o l t a g ec o n v e a o r i l l u s t r a t e dt h ef a c t o r sa f f e c t i n g o u t p u th a r m o n i c sa n dt h ef e a t u r eo f d e a d - t i m ee f f e c t ，a n da l s op r o p o s e dt h es t r a t e g yf o r r e d u c i n go u t p u t h a r m o n i ca n d c o m p e n s a t i n g t h ed e a d - t i m ee f f e c t 。 t h i s p a p e r s t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fv a r i a b l e f r e q u e n c yh i g l l - v o l t a g e m o t o r s p r o t e c t i o n ，p u tf o r w a r dt h ep r o t e c t i o ns c h e m e f o rh i g h - v o l t a g em o t o r sw o r k i n gi nv a r i a b l e f r e q u e n c y o rf u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc o n d i t i o n t h i ss c h e m ec a l la d a p t i v e l ya d j u s tt h e s e t t i n gt og u a r a n t e et h es e c u r i t yo f m o t o r sw i t ht h ec h a n g eo fs y s t e mw o r k i n gf r e q u e n c y a n d p o w e rs u p p l y m o d e t h r o u g h c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv a r i a b l ef r e q u e n c ya n dp r o t e c t i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 m o d u l e i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s od i s c u s s e dt h ed i f f e r e m i a lp r o t e c t i o ni nc o n d i t i o no f v a r i a b l e f r e q u e n c y , a n dp u t f o r w a r ds a m p l e dv a l u ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n s c h e m e so f v a r i a b l ersa n df r e q u e n c y t r a c k i n g k e yw o r d s ：h i g h - v o l t a g e c o n v e r t o r h i g h - v o l t a g ea s y n c h r o n o u s m o t o r s p r o t e c t i o n m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o ld e a d - t i m ee f f e c t s s a m p l e d v a l u ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n l i i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 摘要 本章介绍了交流传动和电动机保护的背景知识，分析了高压变频调速的实现 原理，然后阐明了高压变频发展现状、本课题的目标和现实意义，最后列出论文的主 要工作和章节安排。 1 1引言 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，用于大容量传动的高压变频调 速技术也得到了广泛的应用，各种高压变频器不断出现，并正在钢铁、石化、电力等 方面发挥着巨大的节能作用。高压变频技术的研究国外起步较早，并早已研制出成熟 的产品，但价格比较昂贵。国内的研究起步较晚，到近年才有个别厂家的产品投入运 行【i 】【2 1 ，进一步研究高压变频技术，开发具有自主知识产权的高性能高压变频产品很 有意义。同时，变频装置的应用对高压电动机的保护产生了很大的影响，尤其是对作 为大容量高压电机主保护的电流纵联差动保护影响更大。因为常规差动保护装置是针 对不调速电机而设计的，不能适用于宽范围调速的高压变频电动机，所以目前进行变 频改造的高压电机一般都取消了差动保护，而改装灵敏度较差的电流速断保护【3 】，这 对于高压电机保护来说是不够的，也不符合国家继电保护规程的规定。为了解决这个 问题，本文提出了一个全新的思路：将变频和保护结合起来，研制高压电动机的变频 与保护集成系统。 1 2 交流变频调速概述 变频调速是电力电子技术的重要应用领域。交流电机的调速问题在交流电机问世 后的很长一段时间内没能得到很好的解决，调压调速、串级调速等虽然也能在一定范 围内调速，但都不令人满意。直到2 0 世纪6 0 年代以后【4 】，随着晶闸管的容量的扩大 及功率器件的发展，才使得交流变频调速获得了实现和发展。现在，变频调速技术已 被国内外公认为交流调速领域里最理想调速方式。 变频调速按换流电路的结构分为交一交变频调速和交一直一交变频调速两种1 5 j 。 交一交变频把频率固定的交流电直接转换为可调的交流电，不需要中间直流环节，主 华中科技大学硕士学位论文 要用于低速大功率传动场合：交一直一交变频调速是目前应用最普遍的调速方式，采 用中间直流环节，并按直流电路的储能环节是电容还是电感分为电压型和电流型两 种。电压型和电流型变频调速系统各有优缺点，一般来说，如果电机的漏抗比较大， 宜选用电压型变频器；反之可以选择电流型变频器。 交流变频调速的控制方法主要有基于标量的转差频率控制和电流跟踪p w m 控 制、矢量控制、直接转矩控制、以及滑模变结构控制技术、采用微分几何理论的非线 性解耦控制、模型参考自适应控制【6 】。近年来，智能控制也逐步引入交流电机变频调 速领域，如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制，在自适应控制、参数辨 识以及变频器的智能化等方面正曰益发挥作用。 在功率器件方面，交流变频调速器同样因功率器件的更新换代和完善而一次次向 大容量、大功率、高性能等方向发展，从最初的晶闸管到现在的i g c t ，都在变频调 速器上打下了它们的烙印。如r o c k w e l l 的中压电流型变频调速器整流部分采用晶闸 管、逆变器部分主要采用g t o ，美国r o b i n c o n 的高压变频器中电压胞采用了普通 i g b t ，a b b 公司的a c s l 0 0 0 中应用了新型大功率器件i g - c t l 7 1 【8 l 。 1 3 电动机保护概述 异步电动机结构简单、成本低廉、维护方便，它的机械特性能满足大多数生产机 械的要求，因此在工农业生产中广泛应用。如果发生故障烧损，会中断生产过程，影 响产品的产量和质量，造成很大的直接和间接损失，可以说，电动机的运行安全，直 接关系到国民经济和人民生活，电动机保护非常重要 9 1 。 电动机的常见故障可分为对称故障与不对称故障两大类1 1 0 1 。对称故障有：对称过 载、堵转、短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应， 可以通过过流程度来反应，由此产生了过流保护。不对称故障包括三相电源电压不平 衡、波动过大、断相运行、相间或对地短路等，其明显特征之一是出现大幅值的负序 和零序电流，这是电动机保护采用零序和负序保护的原因。 我国中小型异步电动机保护一般是采用综合式电动机保护，用正、负、零序反时 限或定时限电流保护来实现短路、不平衡和接地保护【1 ”。 对于3 k v 以上的高压电动机，则是根据保护规程以差动保护( 2 m w 以上或2 m w 以下但电流速断保护灵敏度不够的电动机) 或电流速断( 2 m w 以下电动机) 为主保 2 华中科技大学硕士学位论文 护，以过负荷保护、负序电流保护、零序电流保护及低电压保护等作为后备保护。 1 4 本课题的研究意义 目前，我国的高压电机大量应用于火电厂( 送风机、引风机、各种循环水泵、锅 炉辅机系统) 、矿山( 矿山电机和砂泵电机以及矿井提升机) 、油田( 油田注水泵，数 控抽油机) 等需要大功率拖动的场合，这些电机的运行普遍存在负荷不饱满的问题， 而电机却是在额定状态下工作，大量的电能都自白地浪费掉t t l 2 】。此类感应电机采用 高压变频调速的节能效果相当显著，可以达到2 0 6 0 ，并且输出谐波小，对电网 污染小。同时，变频控制也可以实现电机的软启动和平滑调速，对电机的冲击小，能 有效的延长电机的寿命。高压电机采用变频控制是必然的趋势。 同时宽范围调速对高压电机的保护配置影响很大，尤其是造成了其纵联差动保护 不再适用，使高压变频电动机处于保护不足的状态中，所以很有必要在设计变频系统 的同时考虑保护的集成。 设计高压变频与保护集成系统的方案有如下优点： 1 ) 实用。通过设计适应工作频率宽范围变化的保护方案可以彻底的解决当前高压 变频电机保护不足的问题。 2 ) 新颖。目前国内外的高压变频产品一般只考虑了对变频器本身的保护，如i g b t 过流保护等，很少考虑对电动机的完备保护。 3 ) 高效。目前使用高压变频器的电机必须另外加装保护装置，保护与变频控制 是完全独立的2 个系统，很难实现协调工作。而本方案将变频与保护集成设计，可以 让2 个模块通过信息共享协调工作，能更高效的实现对高压电动机的控制与保护。 综上可知本课题的研究具有重要的现实意义和应用前景。 1 5 高压变频调速的实现原理 1 5 1 高压变频调速实现的关键 我国习惯上称的高压变频器工作电压一般为2 1 0 k v ，这和电网电压相比只能算 中压，国外一般称为m e d i u m v o l t a g ec o n v e y o r ，按我国习惯，本文中统称高压变频器。 实现高压变频器最主要的难点在于：由于目前电力变换的常用功率电子器件耐压值不 太高( 一般在1 2 0 0 1 8 0 0 v ) ，实现变频器的高输出电压等级比较困难。由此产生了2 华中科技大学硕士学位论文 种类型：高一低一高型间接高压变频器和高一高直接高压变频器( 如图1 1 所示) ，前 者由于增加了输入输出变压器而增加了损耗，影响了节能效果，并且占地面积较大， 产生大量的高次谐波，有较明显的缺陷，应用面窄：后者省掉了输出变压器，因而减 少了损耗，提高了效率，减少了占地面积，容量越大直接高压变频器的优势越明显， 直接高压变频器是大容量电动机调速驱动发展方向f 1 3 l 。 直接高压变频也分两种实现办法，一种是开发高耐压开关器件，如西门子公司的 h v i o b t 耐压为4 5 k v ，a b b 公司的i g c t 耐压为6 k v ，使用高耐压开关器件外加三 电平的p w m 逆变器可以实现高压变频 1 5 】。另一种是采用多组低电压小功率i g b t 变频单元串联输出高压，也称电压胞级联型高压变频器，如美国罗宾康公司，国内的 北京先行新机电技术有限公司、成都东方凯奇电气有限责任公司的高压变频器产品都 是这种模式。 实现高压变频的另一个关键是选择合适的系统控制方法和p w m 调制策略。系统 控制方法包括：恒压频比控制( v f ) 、磁场定向矢量控制( f o c ) 和直接转矩控匍j ( d t c ) 等。p w m 调制策略包括：载波移相s p w m 调制( p s - p w m ) ，分段s p w m 调制，准最 优p w m 调制，空间矢量p w m 调制( s v p w m ) 等。前者反应了不同的控制理论， 决定整个变频系统的调速性能指标；而灵活多变的p w m 调制策略则可以方便实现各 种控制思想并提高输出波形质量。 觚囊压-舟压奠压- 高压电巍 删q 卜匹磊 _ 刚吖) 高一低一高交舅调遵蓉撬结构田 高压电帆 r 1，、 o 削l 一高压寰期- 卜7 州m ) l _ j 、， cb ) 直接商酸拥调速秉莰结构田 图1 1 高压变频器的系统结构图 1 5 2 直接高压变频嚣拓扑结构 直接高压变频器的拓扑结构( 主要指逆变器拓扑结构) 可以分为如下几类： 1 ) 串联连接两电平s c 2 l ( s e r i a l c o n n e c t e d2 - l e v e l ) 4 华中科技大学硕士学位论文 s c 2 l 是将功率器件直接串联以承受输出高压的高压变频器拓扑结构【1 6 1 。该结构 的优点是：简单可行，不同电压等级的变换器设计相同，易实现p w m 控制，每个桥 臂可以提供冗余设计( n + 1 ) 。缺点是：串联器件存在动、静态电压分配问题；由于串 联器件同时换相，d v d t 高；输出波形中含有较高的开关频率谐波。 2 ) 中点钳位三电平3 l n p c ( 3 l e v e l n e u t r a l p o i n t c l a m p e d ) 中点钳位3 电平变频器如图1 2 所示，若直流电压为2 e ，3 l n p c 可以输出+ e ， 0 ，一e 三种电平。采用普通i g b t ，其最大输出电压为2 4 k v ，采用高压 g b t 和i g c t ， 图1 2 基于三电平变换器的高压交频器结构图 三电平变频器可以达到4 2 k v 等级，如果再采用串联器件的形式，还可以提高输 出电压的等级【1 7 1 。该结构的优点是：谐波含量比两电平减少；比较充分利用了开关器 件；每桥臂开关元件数相同的时候，d r d t 只有s c 2 l 的一半。缺点是：难于实现冗 余控制；需要复杂的p w m 控制策略；需要特殊的钳位二极管：需要将直流环节分为 串接的几个部分；需要中点电位平衡控制；开关器件需要s n u b b e r 吸收电路。 3 ) 二极管钳位多电平逆变器d c m l f d i o d ec l a m p e dm u l t i l e v e l ) 謦辩d ij 一童筘暴1 t ： 下甫再i 二j 垡电 一j 撼1 1 1 ：瓜l l ：t 一 r ：；：i 兰 糟 l r l r _ f = a ) d 血拓扑结构：5 电平b ) c c m l 拓扑结构：5 电平 图1 3 钳位型高压变频逆变器拓扑结构 华中科技大学硕士学位论文 二极管钳位多电平逆变器如图1 3 ( a ) 所示，对于电平逆变器，每相桥臂需要 主功率器件和反并联二极管数为2 ( n 一1 ) ，钳位二极管为( n 1 ) ( 一2 ) ，直流侧电容 数为( 一1 ) t s l 1 9 】。该型变频器谐波含量和d v d t 很小，但是和三电平结构一样，难于 实现冗余控制，并且也需要更复杂的p w m 控制和直流测串接电容的电压平衡控制。 另外，流过功率元件的电流也不一样，需要一定的吸收电路。 4 ) 电容钳位多电平逆变器c c m l ( c a p a c i t o rc l a m p e dm u l t i l e v e l ) 电容钳位多电平逆变器如图1 3 ( b ) 所示，它具有众多多电平逆变器的优点，采 用元件少，可以不需要吸收电路，比三电平容易实现电容电压平衡控制。对于n 电平 c c m l 逆变器。需要主功率器件和反并联二极管数与d c m l 一样，都为2 ( n 1 ) ，每 相桥臂钳位电容数为( 一1 ) ( 一2 ) 2 ，直流测电容数为( 一1 ) 2 0 l o 其缺点是：可能会在寄生电感和直流耦合电容之间产生谐振；难以实现串联冗余 控制：需要复杂的p w m 控制策略：当输入电压波动时会引起电容电压的重新分配； 由于杂散电感的影响，变换器控制要复杂一点：逆变器容量受到流经电容的负荷电流 的限制。 5 ) 隔离串联混合桥式( 亦称电压胞级联型多电平) i s h b ( i s o l a t e ds e r i a l h b r i d g e ) 该结构国内也有称功率单元级联型多电平的，本文中约定统一称电压胞级联型多 电平。电压胞级联型多电平结构为高压变频器提供了一种比较实际的解决方案，每个 电压胞单独供电，由于采用级联形式，因而每个电压胞的开关可以选用耐压相对较低 的功率器件。对于个电压胞级联的变频器，可以输出2 n + 1 电平的波形，虽然每个 单元的开关频率可以较低，但等效的开关频率可以做得很高1 2 ”。由5 个电压胞级联的 高压变频器如图1 4 所示，( a ) 为主电路结构，( b ) 为单个电压胞结构图。级联型高 压变频器对于不同的电压等级需要特殊设计的变压器，并且不容易实现再生发电运 行：在负荷功率因数比较低时，功率将以两倍的输出频率波动。 1 5 3p w m 调制策略 在确定好高压变频系统结构后，还需要选择合适的p w m 调制策略来实现高压变 频控制。就高压变频采用的多电平变换器结构来说，近2 0 年来，国内外学者提出了 大量的调制策略，可分为两大类：三角载波p w m 技术和直接数字技术。例如消谐波 p w m ( s h - - p w m ) 、开关频率优化p w m ( s f o - - p w m ) 、载波移相p w m ( p s - - p w m ) 6 华中科技大学硕士学位论文 和分段p w m 等属于前者，空间电压矢量调制( s v p w m ) 属r 后者 2 2 幡憎1 。这些调 制策略各有特点以及适用范围，例如空间矢量调制的电压利用率高，输出谐波含量低， 优点明显，但如果应用于5 电平以上的多电平变换器则过于复杂，很难实现：载波移 相p w m 和分段p w m 非常适用于级联型系统；开关频率优化p w m 则必须运用于三 相系统才能体现出其直流电压利用率高的优势。高压变频的实现需要结合主电路拓扑 结构和设计性能指标来选择合适的p w m 调制策略。 0 1 ； l 绕组li 鞘 一1 j【j 蛾 矗 b 二： l a 【】 4s 图1 4 ( a ) 电压胞级联型高压变频器( b ) 单个电压胞结构图 1 6 高压变频国内外研究现状 国外开展研究较早，产品早己趋于成熟，如目前在中国市场上的大功率高压变频 器( 不舍交一交变频) 国外品牌主要有：英国西技来克( c e g e l e c ) 的采用高一低 一高方式的高压变频器：日本明电舍( m e i d e n ) 和美国艾伦一布拉德a b 公司的采 用g t o 直接串联逆变器的直接高压变频器：德国西门子( s i m e n s ) 的基于高压i g b t 的三电平大容量变频器，电压等级为2 3 k v 、3 3 k v 、4 1 6 k v 、6 k v ，容量8 0 0 k v a 4 0 0 0 k a ；欧洲a b b 的基于i g c t 的三电平大容量变频器，电压等级为2 3 k v 、3 3 k v 、 4 1 6 k v 、6 k v ，容量3 1 5 k v a 7 4 6 0 k v a ；美国罗宾康( r o b i c o n ) 和日本东芝 ( t o s h i b a ) 的基于低压i g b t 、采用多重化技术的多级串联高压变频器，电压等级 为2 3 k v 1 3 8 k v ，容量8 0 0 k w 5 6 0 0 k w 2 5 1 。这些公司的产品可靠性高，各有特色， 已经被国内多家单位采用，并产生了非常明显的节能效应h ”。 1 2 3 4 5 蚤 华中科技大学硕士学位论文 国内高压电机节能潜力巨大，对电厂、矿山、石化的大功率风机、水泵进行高压 变频改造是必然趋势，但国外产品价格昂贵，不便大范围推广，所以国家在1 9 9 9 年 正式提出要实现高压变频器的国产化。我国的高压变频研究起步晚，发展很快，如北 京先行新机电技术有限公司的三相6 0 0 0 v 、2 9 0 k v a 的h v f 高压变频调速系统于1 9 9 7 年在北京燕山石化集团动力部第三供水车间进行了试运行，填补了国内空白 t s l 。成都 东方凯奇电气有限责任公司的d f c v e r t m v 7 0 0 6 a 型的无污染高压变频器也于 2 0 0 1 年末在吉林四平热电公司的5 0 0 k w 6 3 k v 风机上投运成功【2 7 】。这两家公司的国 产高压变频器均是采用电压胞级联型罗宾康模式。 1 7 论文的主要工作和章节安排 本课题的研究且标是在总结高压电机变频控制和保护的现有成果和不足之处的 基础上，完成实用的高压电机级联变频控制与保护集成系统设计。本文的主要工作集 中在以下几方面： 1 ) 变频与保护集成系统的总体方案设计； 2 ) 2 电压胞级联变频微机控制系统硬件设计； 3 ) 级联型高压变频器输出谐波问题仿真研究； 4 ) 级联型高压变频器死区效应的理论分析和仿真研究； 5 ) 变频控制条件下高压电动机保护配置方案设计和变频调速差动保护的实现方案 研究。 论文章节安排如下： 第一章介绍课题的背景知识、研究现状和存在的不足，进而提出本课题的研究目 标。 第二章主要介绍磁场定向矢量控制原理，这是变频微机控制系统设计的理论基 础。 论文第三章论述本文的总体方案设计，包括设计思想、高压变频主电路结构选择、 变频微机控制系统总体设计和高压变频电机保护配置方案设计。 论文第四章阐述变频微机控制系统的硬件各板卡的实现功能、芯片选型和设计特 色等。 论文第五章论述级联型高压变频器输出谐波和死区效应的理论及仿真研究，本章 8 华中科技大学硕士学位论文 的研究对于优化输出波形质量具有较大的参考价值。 论文第六章讨论了变频控制高压电动机的保护方案配置，并重点研究了工作频率 宽范围变化下差动保护的实现问题，提出了基于采样值算法的实现方案。 论文第七章对全文进行了总结，展望了下一步的研究工作。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 磁场定向矢量控制系统原理 摘要】本章主要介绍感应电机转子磁场定向矢量控制的原理，为下一步的高压变 频微机控制系统设计提供理论基础。 2 1引言 1 9 7 1 年e c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请了美国专利：“感应电机定子电压的坐标变 换控制”。同年西门子公司的e b l a s c h k e 和w f l o t o r 提出了“感应电机磁场定向的控 制原理( f o c ) ”，奠定了矢量控制的基础【4 】。在8 0 年代末，采用磁场定向控制的异步 电机变速传动系统已经在工业中应用。经过3 0 年的发展，这项技术从工业应用的角 度来看已经成熟。对于他励直流电动机，电动机的磁场由励磁绕组产生，在励磁电流 不变时，如果忽略电枢反应造成的影响，电机的转矩和电枢电流成正比，控制电枢电 流即可控制电机转矩。而对于异步电动机，简单的控制电机的定子电流大小并不能控 制电机的转矩。这是因为异步电动机的转矩不仅与电机磁通和电流的大小有关，而且 和它们之间的相位差有关。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动 机的动态数学模型，将异步电动机构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分离成相位 羞9 0 0 的转矩电流和励磁电流分别进行控制，因而具有直流电动机相类似的控制性能 【2 8 】。本章将介绍异步电机磁场定向矢量控制的基本原理。 2 2三相坐标系中的电机磁链、电压和转矩方程 变频传动系统的控制是比较复杂的，要设计研制一个品质优良的系统，确定最佳 的控制方式，都必须对系统的静态和动态特性进行充分的研究。建立一个适当的异步 电机数学模型是研究交流变速传动系统静态和动态特性及其控制技术的基础，以下列 出异步机三相坐标系中的电机磁链、电压和转矩方程t 2 9 1 1 磁链方程 定子、转子六个绕组的磁链表示式为： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 掣_ 甲b k 只 髟 甲c ( 2 1 ) l 矩阵中对角元素是各绕组的自感，为常数： 三“= l n b = l c c 。l _ i + 厶l l = l = l = l ，2 + l ，2 其中，l 。l 为定子互感，l m 2 为转子互感，l l i 为定子漏感，k 为转子漏感，由于 折算后定、转子绕组的匝数相等，且各绕组间互感都通过气隙，磁阻相同，认为l 。i = l f r l 2 。 非对角元素是互感，互感又可分为两类： ( 1 ) 定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置固定，互感为常值： l 。= l j c = 北= l “= 厶_ = c 日= c o s ( t 2 0 。) k l = 一i 2 l ，l l 神= l 钟= l k = 工蛔= 工= 三曲= c o s ( 1 2 0 0 ) 。2 = 一1 2 l 。2 ( 2 ) 定子和转子任一相间的位置是变化的，互感是角位移0 的函数： 上= l = l c c = l “= = l , c = l ，1 2 c o s b l _ 6 = l = l e o = l = c = l m = 三m = l m l 2 c o s ( 0 + 1 2 0 0 ) l m = l = l c b = l o s = l w = 三“= l ，1 2c o s ( 0 1 2 0 0 ) 则a b c 坐标系中的电感矩阵为： 小 ：兰：跚s r 晓z ， 其中 l s s = 一l 2 上+ 厶1 一工，2 艘= l ，c o s ( 0 - 1 2 0 0 ) l ，c o s 0 l ，c o s ( b + 1 2 0 0 ) 一工，2 工。+ f 2 一l m f 2 一，2 一l m 2 i _ + 三，2 j ，c o s p + 1 2 0 0 ) i 。c o s - 1 2 0 0 ) i l ，c o s ol 0kkbk 加 肿 。 们 缸 ； 三三工 舢 鼬 _ 宕 蚰 宕 工三 加 船 。 甜 蚰 工三 伽伽胁缸伽缸 加 舳 拈 帖 拉 上三三三上 咖助砌知伽如 但胆 + k k k 一 一 ，。，l，j 胆胆“ m 卜 “以u“胆胆 卜 m 屯屯 l 妒妒口坦他瞄乳 m 文娟 e o o c c m m ，l = 船 l 华中科技大学硕士学位论文 附匮钏l s , 1 嘲 4 ， ： = 台尺o ，且l r k , , 1 + p 葚： c z s ， 靴舢嚣嚣二嚣拳晓s ， t = 一甩，z , , ( i f i o + + 镇) s i n 0 、+ ( i 一+ 镰+ i c i a ) s i n p + 1 2 0 。)( 2 8 ) + 也+ i a + i c i b ) s i n ( o + 1 2 0 0 自 电机的转矩平衡方程式可表示为 瓦= t 一丢等 ( 2 9 ) 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 3 坐标变换 上一节列出了异步电机在三相坐标系中的基本方程式，但是由于三相坐标系中电 机数学模型的非线性和强耦合性，分析和求解这组非线性方程显然是十分困难的。根 据电机过渡过程的理论，可以通过坐标变换使问题简化。 b j pl dj 。 - 、。 d ( r ) 弋忒 嫡 么舡： r r 口( s ) 图2 1 坐标轴的相对位置 a 它的基本思路是将三相异步电动机等效为空间上互差9 0 0 的两相电动机，由此推 导电机的状态方程。这种变换从物理意义上不难理解。因为电机的机电过程是通过磁 场而作用的，只要变换前后的磁场不发生变化，电机的机电过程就不会发生变化。 在研究异步电动机控制策略中，主要采用两种坐标系： a 一8 坐标系这种坐标系是固定在定子上的直角坐标系，选择a 相绕组作 为a 轴，从n 轴沿旋转磁场前进9 0 0 方向作为b 轴方向。以产生同样的旋转磁动势为 准则，以变换前后电压电流有效值不变为条件，进行等效变换。 d - q 坐标系 这种坐标系是以同步转速旋转的直角坐标系，以转子磁通方 向为d 轴，从d 轴沿旋转磁场前进9 0 0 方向作为q 轴方向。 三种坐标轴在空间上的相对位置如图2 1 所示，图中同时标注了定子和转子坐标 系，其夹角为曰。旋转坐标系为了任意性的设置，定转子的d 轴没有重合，转速也可 以是不相等的，其中d ( r ) 为转子的d 轴，与转子的a 相夹角为，d ( s ) 为定子 的d 轴，与定子的a 相夹角为。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 三种坐标系之间的变换如表2 1 所示： 表2 1变换前后有效值不变为条件的p a r k 及反p a r k 变换 2 4 磁场定向矢量控制的基本原理 磁场定向矢量控制的基本原理是通过坐标变换实现电机转矩和磁链的解耦控制。 本小节介绍异步电机数学模型的坐标变换，以及转矩和磁链的控制方程。 2 4 1 转矩基本公式 任何电气传动系统转子运动都由以下转矩平衡方程式所决定： 丝：一t ( 2 1 3 ) 胛p d t 。 可见，电机转速动态特性的调节和控制完全取决于暂态中是否有可能简便而精确 的控制电机的电磁转矩。 直流电动机具有两套绕组：励磁绕组和电枢绕组。两套绕组在机械上是独立的， 在空间上互差9 0 0 ：两套绕组在电气上也是分开的，分别由不同电源供电。如果保持 磁通0 不变，即励磁电流i f 不变，则电磁转矩t e 与电枢电流l 。成正比。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 7 ：= k r o l 。 ( 2 1 4 ) 调节和控制电枢电流i 。也就直接调节和控制了电磁转矩t e ，所以直流传动系统具 有很好的调节和控制特性。当进行闭环控制时，可以很方便的构成速度、电流双闭环 控制，系统具有良好的静、动态性能。 而异步电动机的电磁转矩t c 由式( 2 8 ) ，是运行参数( 如定子各相电流，转子各相 电流) 的复杂函数，具有强耦合性，耦合程度还与转子位置有关，即方程是非定常的。 矢量控制的目的就是，通过坐标变换实现电机转矩和磁链的解耦，达到甚至超过直流 电机的调速性能。 2 4 2 异步电动机数学模型的坐标变换 ( 1 ) 异步电动机在任意两相旋转坐标系( d q 0 ) 上的电压方程 设：q 。_ d q 0 旋转坐标系相对于定子的角转速 q ：_ d q o 旋转坐标系相对于转予的角转速 由式( 2 6 ) 和( 2 1 1 ) 推得 u s d u w u h u q r ，+ l ，p 国l l 上， 三，p 国1 2 l _ q l 三， + 三，p 国1 2 l _ 上。p l 。p 1 1 工m r ，+ l ，p 国1 2 上， ( 2 ) 异步电动机在两相静止坐标系( a b 0 ) 上的数学模型 由于a p o 坐标系相对于定子静止，q l = 0 ，q 2 = c o l l - - c o = 可直接由式( 2 1 5 ) 得到： u ，。 u m u 。 u i 8 r ，+ l ，p 0 工，p 0 0 。 0 r ：+ 三，p 0 工。p 0 妒 。p础。r ，+ ，p c o l ，8 i 。 一c o l 。l 。p a r l r r r + l r p j l i ，- p ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 3 ) 异步电动机在两相同步旋转坐标系( m t o ) 上按转子磁场定向的电压方程 转子磁场转速= 同步转速= i n t o 坐标系转速 国l l 。o ) 11 22 l l 一国2 国s 又由于 苒z s 也= + l r 三躲a 代入龆嘲俑u ： 。埘。哳：w：啊 =iiiooooo且 p 幻 础“肋十 一 一砟 华中科技大学硕士学位论文 u ，。 u 。 u ， u r ，+ ，p一曲1 l ，l 。p 国l ，r ，+ l ，p0 3 l l 。 三，p 0 r ，+ l ，p 0 3 s l 。00 3 s l ， 对于笼型异步电机，转子短路，转子电压为0 。 u 。 u s | 0 o r ，+ l ，p一1 l ，。p c o i l ，r ，+ 工，p 国l 。 l ，p 0 r ，+ l ，p l 。0，l ? ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 2 4 3 矢量控制基本方程式 由式( 2 2 0 ) 的第三行中，得 r ，f 。+ p y ，= 0 ( 2 2 1 ) 在稳态运行时，如转子磁链保持不变，即p ”= 0 ，则f ，= 0 ，由式( 2 1 7 ) ，得 y ，= 。f 。这说明在转子磁链保持不变的情况下，即稳态时磁链完全由定子m 轴 电流f 。决定，与转子电流无关。只要保持。恒定，转子磁链就能确保恒定。 如果转子磁链是变化的，由式( 2 1 7 ) 和( 2 2 1 ) ，推得 r l 炸2 。丽m 2 2 2 式( 2 2 2 ) 表明，定子电流的磁化分量。的变化会引起转子磁链的变化，但是存 在延时。其延时时间常数决定于转子时间常数r 。 电机转矩由坐标变换得到m t 坐标系下的转矩方程： ， t = n p 孚y ，i s , ( 2 2 3 ) l 在转子磁链恒定时，转矩与f 。成正比，调节t 轴定子电流就可以方便的调节电机 转矩，且转矩响应的速度与电流响应速度相等。磁链和转矩可由图2 3 所示。 由m t 轴上的异步电机电压方程式的第四行可以求得 0 = 0 3 。上，i 册+ 0 3 ，三，f 删+ r ，f = ，矿册+ r ，i d 由此可以求得转差与定子电流转矩分量之间的关系为 1 6 kk =oijjooojj= 舢。b 一 o0k汀0 0 韭吼啪。耳 华中科技大学硕士学位论文 妒一等= 丧y 厢，矿棚 图2 2 转子磁场定向坐标系下的磁链及转矩模型 ( 2 2 4 ) 由方程式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 3 ) 可以看出交流异步电机模型通过m t 坐标系变换可以等 效为直流电机模型，定子电流分解到l i ，2 和两个子系统。可以通过控制m 、t 坐标 系中定子电流的两个正交分量i s t 和i s m ，分别实现对转子磁链的转矩的控制。转子磁 链对i s m 的响应是一阶惯性环节，转矩对i s t 的响应却是即时的，这便是交流感应电 机转子磁场定向矢量控制的基本原理。 2 4 4 间接磁场定向矢量控制 由上一节介绍的转子磁场定向矢量控制原理可知，为了进行磁场定向控制和坐标 变换，需要确定转子磁链甲2