（计算机应用技术专业论文）智能变频器研究.pdf

智能变频器研究 辛希正( 计算机应用技术) 指导教师：刘新平( 副教授) 捅要 目前，我国油田中普遍使用的游梁式抽油机由于配重不平衡等原因， 大都运行于轻载或空载状态，使电动机的功率因数低、工作效率低下， 电能浪费情况比较严重。课题以抽油机节能为目的，把电动机作为控制 对象，利用智能控制理论与交流变频技术相结合，设计实现了抽油机智 能变频器控制系统。论文首先综述了交流调速理论和变频控制理论的发 展。然后结合当前智能变频技术在抽油机上的应用现状，并针对其存在 的问题，设计实现了本系统。智能变频器结合了油田专家的经验，能够 自行调整抽油井工作方式，寻找最佳工作曲线：改变抽油机的冲程频次， 达到上、下冲程间的平稳过渡；针对抽油机电机处于发电状态时，回馈 电能难以处理的问题，设计了一种新的能量回馈方法来解决该问题，并 实现了这部分能量的回收利用。该系统采用1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 m c 作为 变频器控制核心，逆变器采用s v p w m 的脉宽调制技术来实现，并引入 智能模糊控制理论对其转速进行闭环控制，以提高控制精度。文中详细 给出了s v p w m 的调制原理、模糊控制器的设计、电抗器回馈法解决能 量回馈问题的原理和实现，以及系统的软硬件设计。最后试验证明，该 系统具有良好的节能效果，基本满足了设计的要求。 关键词：抽油机，变频器，智能模糊控制，能量回馈，节能 s t u d yo f t h ei n t e l l i g e n tf r e q u e n c yc o n v e r t e r x i n x i - z h e n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o 】o g ) ，) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ux i n p i n g a b s t r a e t a tp r e s e n t , t h ec o m m o n l yu s e do i lp u m p i n gu n i t si nt h eo i lf i e l di no u r c o u n t r ya r ew o r k i n gc o m m o n l yi nu n d e rl o a do rl i g h tl o a dc o n d i t i o n , c a u s e d b yi m b a l a n c e dm a t c h i n g 1 1 1 ep o w e rf a c t o r so fe l e c t r i cm o t o r sa r el o w , a n d t h e ya r ew o r k i n gi n e f f i c i e n t l y , t h u st h ee n e r g yw a s t ei sv e r ys e r i o u s m e n e r g ys a v i n go fo i lp u m p i n gu n i ti so u rg o a l ，a n dw et a k et h ee l e c t r i cm o t o r a so u ro b j e c tt oc o n t r 0 1 a ni n t e l l i g e n tf r e q u e n c yc o n v e r t e rc o n t r o l l i n gs y s t e m o ft h eo i lp u m p i n gu n i th a sb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e d ，u s i n gi n t e l l i g e n c e c o n t r o lt h e o r ya n da cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y t h et h e s i sh a s s u m m e du pt h ed e v e l o p m e n to ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt h e o r ya n da ct i m i n g t h e o r ya tf n - s t a n dt h e na c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o no ft h e i n t e l l i g e n c ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g ya n dt h ee x i t i n gp r o b l e m s ，t h i s s y s t e mw a sd e s i g n e d n ei n t e l l i g e n c ef r e q u e n c yc o n v e r t e rh a sc o m b i n e d t h e e x p e r i e n c eo fo i lf i e l de x p e r t s ，a n di tc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ew o r k i n g s y s t e mo fo i lp u m p i n gu n i t s e e kt h eb e s tw o r k i n gc u r v e 1 1 圮s t r o k e f r e q u e n c yc a nb ec h a n g e da n dt h eu pa n dd o w ns t r o k ew i l lh a v eas t a b l e t r a n s i t i o n w h e nt h ee l e c l x o m e c h a n i c a lm o t o ro fo i lp u m p 岖u n i ti s i n e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o ns t a t e ，h o wt od e a lw i t ht h ef e e db a c ke n e r g yw i l lb e ap r o b l e m w ed e s i g n e dan e we n e r g yf e e db a c km e t h o dt or e s o l v et h a t p r o b l e m a n dr e c l a i mt h i sp a r to fe n e r g y 1 1 l cs y s t e mu s e st h e1 6 - b i ts c m 8 0 c 1 9 6 m ca st h ec e n t e rc o n t r o l l e ro f t h ef r e q u e n c yc o n v e r t e r t e c h n o l o g yo f t h es v p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nb a s e do nv fc o n t r o lh a sb e e na p p l i e d a n di n t e l l i g e n tf u z z yc o n t r o lt h e o r yw a si m p o r t e dt ot r a c ka n dc o n t r o lt h e r o t a t i o nr a t e 1 1 垃a r t i c l eg i v e st h em o d u l a t i o np r i n c i p l eo fs v p w ma n dt h e d e s i g no ff u z z yc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l 1 1 1 ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no f e n e r g yf e e db a c kb yr e a c t o rm e t h o dt h a tr e s o l v et h ef e e d b a c kp r o b l e mw a s e x p l a i n e d n 他s o rw a r ea n dh a r dw a r ed e s i g no ft h es y s t e mw e r eg i v e n f i n a lt e s tp r o v e dt h a tt h ee n e r g ys a v i n ge f f e c tw a sp e r f e c ta n dt h es y s t e mh a s f u l f i l l e dt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n tb a s i c a l l y k e yw o r d s ：o i lp u m p i n gu n i t ，f r e q u e n c yc o n v e g e r ，i n t e l l i g e n tf u z z yc o n t r o l ， e n e r g yf e e d b a c k , e n e r g ys a v i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 月f日 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 年4月f日 年出月l e l i 1，f 1， 枷 纱 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 相关技术的研究现状 1 1 1 交流调速概述 电动机是当今社会一种最常用的机械动力源，在工农业生产中有着 非常广泛的应用范围。在工业应用中，电机往往需要进行速度调节和特 性控制，这一方面是满足运行和生产工艺的需要，如车辆、电梯、机床、 造纸机械、纺织机械等的调速运行，另一方面是为了减少运行损耗、节 约电能，如风机、抽油机、水泵等的调速节能【1 】【4 】。 交流电动机是一个多变量、强耦合的非线性对象，定子电流同时包 含有转矩电流分量和励磁电流分量，因而对其电磁转矩瞬时值进行控制 比较困难。近三十余年来，世界各国都在致力于交流电动机调速系统的 研究，并不断取得突破。到现在为止，高性能的交流拖动系统正逐步取 代直流拖动系统，交流伺服系统也正占据越来越大的市场份额。交流调 速的发展可具体归纳为三个方面：首先，转差频率控制、矢量变换控制和 直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论依 据；其次，g t r 、m o s f e t 、i g b t 等为代表的新一代大功率电力电子器件的 出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置的发展 做好了准备工作；最后，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复 杂的控制算法和控制方式能得以实现。交流异步电机转速公式为1 4 l ： f ， 疗：疗( 1 一j ) = o v i i ( 1 一j ) ( 卜1 ) 。 h ， 其中n 。为同步转速；s 为转差率；f t 为定子电流频率；n ，为极对数。根据 式( 1 - 1 ) 调速方法可分为如下两大类p 1 ： 1 ) 不改变同步转速的调速方法有：转子串电阻、转子斩波调速、改 变定子电压和改变转子附加电势等。 2 ) 改变同步转速的调速方法有：改变定子极对数、改变定子电压或 电流频率( 即变频调速) 等。v f 控制、转差频率控制、矢量变换控制和直 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 接转矩控制都属于变频调速方法。 根据电机理论，我们知道：经定转子空气隙传递的电磁功率，其中与 转差成比例部分消耗在转子电阻上，其余部分转化为机械功率。所以第 二类方法明显比第一类方法优越，因为转差为同步速度与转子速度之差， 即第二类方法比第一类方法节能由于改变定子极对数方法不是连续调 节，故应用范围有限，所以变频调速是得到大量应用的主要调速方式。 1 1 2 变频调速的控制理论 在电机交流变频调速控制理论发展过程中，以下几种策略可以代表 其发展的历程：v f 控制，矢量控制，直接转矩控制等。为了实现这些 策略，又把非线性，自适应以及智能控制等理论加入进来。这些控制策 略各有优缺点，在实际应用时要根据自己的需要适当选择，才能取得最 佳的控制效果【l 】吲。 恒v f 控制。在异步电动机变频调速时，通常希望保持电机中每极 磁通为额定值，并保持不变。对于异步电机，磁通由定子和转子磁势合 成： e ，= 4 4 4 f , n ，k ，。 ( 1 - 2 ) 其中：e s 为气隙磁通在定子绕组中的感应电势；f s 为定子频率；中m 为每极气隙磁通；n s 为绕组匝数；k s 为系数：可见，只要控制e s 和f s ， 即可控制磁通。图卜1 给出了电机变频调速的v f 曲线图。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 u l 1 n 0 丘 f 1 图1 - 1 v f 曲线图 由图卜1 可知，基频以下调速为恒转矩调速，基频以上为恒功率调 速。由式( 卜2 ) 可知，只要保持e f 为常值，就可以保持q b m 不变。但 是，绕组中的感应电动势是很难直接控制的，在电动势较高时可以忽略 定子绕组的阻抗压降而认定e ：u ，则有u f - 常值；在低频时e 和u 都比 较小，这对不能忽略误差，可以人为的抬高u 去补偿定子绕组的阻抗压 降。当基频以上调速时，频率往上升高，定子相电压u 却不能比额定电 压u n 还要大，最多使其相等。因此，由式( i - 2 ) 可知，这将迫使磁通 与频率成反比，相当于直流电机弱磁升速的情况【4 】。v f 方式控制电路和 算法简单，成本低易于实现，适合在本系统中应用。 矢量控制，1 9 7 1 年由f b l a s c h k e 提出。矢量控制理论将交流传动向 前推进了一大步，其基本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐 标，将定子电流分解为相互正交的2 个分量，一个与磁链同方向，代表 定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量， 然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。但 矢量控制要进行复杂的坐标变换并需准确观测转子磁链，而且对电机参 数依赖很大，难以保证解耦。此外，过多的计算也使矢量控制难以在一 般单片机上实现。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 理论，采用空间矢量的方法，直接在定子坐标下计算和控制交流电机的 转矩，采用定子磁场定向，对转矩进行直接控制。这种控制方法可以获 得很大的瞬时转矩和极快的动态响应，并且电机的磁场接近圆形，谐波 小，损耗小。它的控制结构简单，实现起来方便，性能优良。目前该技 术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上，预计在以后几年会 有很大的发展。 1 1 3 智能控制理论现状 1 9 6 5 年，美国普渡大学的傅京孙( f u ，e s ) 提出把人工智能的直觉 推理规则方法用于学习控制系统，从而最早把人工智能引入到控制技术 中。智能控制具有较强学习功能、适应功能和组织功能，能克服被控对 象和环境所具有的高度复杂性和不确定性，实现有效控制【l ”。 模糊控制是应用模糊集合理论，从行为上模拟人的模糊推理和决策 过程的一种实用方法。其核心为模糊推理，主要依赖模糊规则和模糊变 量的隶属度函数。其基本结构框图如图1 2 所示。与专家系统控制类似， 其推理过程也是基于规则形式表示的人类经验。因此有人把两者都归类 于基于规则的控制，其主要特点是：它是一种非线性控制方法；不依赖 于对象的数学模型；具有内在的并行处理机制，并表现出极强的鲁棒性： 算法简单、执行快、容易实现。模糊控制已在一些领域取得了很好的研 究成果。展示了其处理精确数学模型，非线性，时变和时滞系统的强大 功能【1 6 j 。常规模糊控制的两个主要问题在于：改进稳态控制精度和提高 智能水平与适应能力。在实际应用中，往往是将模糊控制或模糊推理的 思想，与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处， 从而获得理想的控制效果。由于模糊规则和语言很容易被人们广泛接受， 加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现，所以这种结合 展现出强大的生命力和良好的效果。对模糊控制的改进方法可大致的分 为模糊复合控制自适应和自学习模糊控制，以及模糊控制与其他智能 化方法的结合等三个方面。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 l 一 横翱控制嚣i 图卜2 模糊控制器结构 专家控制( e x p e r tc o n t r 0 1 ) 是一种将人的感知经验( 浅层知识) 与 定理算法( 深层知识) 相结合的传统的智能控制方法。主要优点是在层 次结构上、控制方法上和知识表达上有灵活性、启发性和透明性，既可 以采用符号推理也允许数值计算；既可以精确推理也可以模糊决策。专 家系统的基本组成部分有：知识获取、知识库、推理机和解释器四个部分。 知识获取为修改知识库中原有的知识和扩充知识提供手段；知识库用于 存储领域内的原理性知识、专家的经验知识以及有关的事实等，并为推 理机提供求解问题所需知识；推理机根据当前的输入数据或信息，再利 用知识库中的知识，按一定的推理策略去处理、解决当前的问题；解释 器根据知识的语义，对找到的知识进行解释，向用户提供了一个认识系 统的窗口i 。 人工神经网络是由大量处理单元组成的非线性大规模自适应动力系 统，具有学习能力、记忆能力、计算能力及智能处理功能，并在不同程 度上模仿人脑神经系统的信息处理、存储及检索功能。近年来随着人工 神经网络理论的发展，人们开始将神经网络和模糊控制结合起来，构成 模糊神经网络系统( f n n s ) ，这是目前非常活跃的一个研究领域【l ”。 1 2 智能变频技术在抽油机上的应用 我国的油田大部分是低能、低产油田，不像中东的油田有很强的自 喷能力，我们的大部分油田要靠注水来压油入井，靠抽油机把油从地层 中提升上来。在我国，以水换油、以电换油是目前油田的现状，电费用 在石油的成本中占了相当大的比例。因此，石油行业十分重视节约电能， 节电就意味着降低石油的开发成本。目前我国的抽油机数量在1 0 万台左 右，电动机装机总容量超过3 5 0 0 m w ，年耗电量已逾百亿千瓦时。抽 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 油机的运行效率比较低下，我国平均运行效率只有2 5 9 6 ，而国外平均 水平为3 0 0 5 ，年节能潜力可达几十亿千瓦时。可见，如何节能增效， 降低损耗是油田长期需要解决的重要课题【5 1 1 6 1 。 1 2 1 节毹原理 关于抽油机节能，最佳方案是采用变频器对其电机拖动系统进行改 造【2 】。在抽油机上应用的智能变频技术涉及到变频调速，电力电子，智 能控制，单片机和传感器等现代化技术，其基本的原理就是将5 0 h z 的交 流电经整流和逆变，转换为频率和电压都可调的三相交流电源供给电动 机使用。电动机的转速和输入电源的频率成正比，改变了输入电源的频 率，电机转子的转速就随之改变，从而达到调速的目的。目前在抽油机 上应用的变频器，大多采用恒v v 法，控制简单可靠，容易实现，在本 设计中，也采用了v f 控制方式【7 j i ”。 在抽油机上应用的智能变频技术之后，系统可以根据油井的实际情 况，由操作设置油井工作参数和工作方式，经过运算处理后，变频器自 行调整抽油井工作制度，改变抽油机的冲程频次，达到上、下冲程间的 平稳过渡。使抽油机的固定动态特性变为可根据油井开采情况自动调节 的可变动态特性，提高泵充满系数及排量系数，达到节能、增产、无级 调速的效果。 1 ) 可以动态调节抽油机的冲程频次，实现节能的目的。抽油机的冲 程频次可以通过机械的方法调整，但是，一旦调整好之后，人是不可以 经常改动的，并且通过皮带轮直径调整频次的方法是有限的。不能动态 适应油井负荷的需要。而变频调速则能动态调整抽油机的转速，可无级 调节抽油机冲次，从而调整泵的充满度，提高抽取效率，增加原油产量， 减少了电机功率，实现了节能目的。 2 ) 可以动态调节抽油机的上、下行程的速度实现节能增产的目的。 由于采用变频调速技术，通过上、下死点位置传感器控制变频调速器上、 下冲程输出不同频率的电源，从而使电动机上、下冲程转速不同，可无 级调节抽油机上下冲程速比。还可以根据实际需要分别地调整每一冲程 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 下行程的速度，可以提高原油在泵的充满度；而适当提高上行程的速度， 则可以减少在提升过程中的漏失系数，有效地提高单位时间内的原油产 量【9 】【1 们。 1 2 2 抽油机变频器研究现状和存在的问题 在通用变频器技术的开发和应用上，欧美一些发达国家一直处于领 先地位，我国在这方面和国外有一定的差距。但我国在抽油机上应用变 频调速技术方面目前处于国际前列【8 l 【1 0 1 ，文献【5 】，【刀， 9 】都对抽油机上 应用变频器进行了研究。但是目前变频器用于抽油机还存在以下的问题： 1 ) 智能变频器与抽油机的结合问题。目前对油机变频智能控制装置 的理论研究还不够充分，抽油机变频智能控制装置中用的变频器大多为 通用变频器，附加一些控制单元如p l c 之类来进行参数控制调节，且多 为开环控制，即使闭环控制，也比较简单，智能化程度很低，需要人工 干预的设置参数太多，自动化程度和智能化程度不理想。这致使变频智 能控制装置无法发挥出自身的诸多优势，如抽油机系统最佳参数匹配等。 这是由于许多研究电力电子的厂商( 包括著名的变频器制造商) 不太了解 采油系统的工艺，不了解抽油机现场的工况，而熟悉采油工艺的油田专 家又无力独自开发油田专用的变频调速装置。要解决这个问题，就必须 采取设计开发人员与油田专家的现场经验相结合的途径来开发抽油机专 用变频节能装置。因为有些知识是必须由多年的现场经验才能得来的， 只有结合了这些宝贵的知识，才能开发出适应抽油机现场的真正的智能 化变频器控制装置。 2 ) 电机发电状态产生的能量处理问题。由于抽油机属位能性负载， 尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程周期中，会出现电动机处 于发电状态。抽油机的负功率产生的电能的处理问题是智能变频器控制 装置在油田应用最难解决的问题，也是最关键的问题之一。 3 ) 可靠性问题。根据目前抽油机变频智能控制装置使用情况看，其 变频器节能柜的可靠性还远不能达到要求。我国的地面油井多在北方， 冬天很冷，而夏天又特别热，这就对抽油机变频智能控制装置的可靠性 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 提出了很高的要求。以胜利油田某节能实验区为例，- n 夏天，该区的 所有基于变频器的节能控制柜就全部关掉，改以工频电压直接供电，以 防止天气过热而烧毁设备。把变频调速技术应用到工作环境比较恶劣的 抽油机上，要求每个电力、电子器件都必须经的起长期的野外环境考验， 而抽油机变频智能控制装置是一个完整的系统，哪怕一个元器件失效都 会导致整个系统故障，因此运行中的高故障率常常导致油田不敢在抽油 机上应用这项先进的技术1 6 。 1 3 本课题的主要研究内容 课题参考了国内外的变频器在抽油机上应用的现状，以节能和增产 为目的，设计实现了基于8 0 c 1 9 6 m c 单片机的抽油机智能变频器控制系 统。系统重点解决了变频器与抽油机的结合问题，抽油机电动机的能量 回馈问题，以及自动寻找最佳抽油机工作曲线的智能化设计。本课题根 据实际需要做了如下工作： 1 ) 研究了当前变频调速的控制理论和方法，对其现状作了分析。 2 ) 研究了实现逆变器的脉宽调制技术，并着重介绍了空间电压矢量 调试算法，采用该调试算法实现电源的逆变。 3 ) 引入了智能控制理论对电机转速进行闭环控制以提高控制精度， 分析了模糊控制系统的原理和应用。 4 ) 对变频器在抽油机上应用能量回馈问题进行了深入分析探讨，并 提出了一种新的方法来解决该问题。 5 ) 给出了以8 0 c 1 9 6 m c 型单片机为核心的智能变频器的硬件具体 实现方案。 6 ) 给出了智能变频器的软件实现方案，给出了具有代表性的子程序 的设计思路。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章脉宽调制技术 第2 章脉宽调制技术 逆变器部分是变频器的关键部分，它将直流电流变为频率可调的交 流输出电源。逆变器是通过半导体开关的快速通断来实现的，它可以将 能量从电源转化为可控的离散值形式。而开关函数的产生方法就是脉宽 调制技术，现在有各种各样的脉宽调制技术，从简单的平均值到复杂的 实时优化。其主要的应用领域就是交流调速传动。电机负载需要三相变 频变压电源，而转子的转速则由电源频率控制，电机磁链由电压决定。 下面介绍目前常用的两种脉宽调试技术：正弦脉宽调试( s p w m ) 和空 间电压脉宽调试( s v p w m ) p j l l 7 1 。 2 1 正弦脉宽调制策略( s p w m ) s p 删( s i n u s o i d a lp w m ) 法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的p w m 法。采样控制理论中的有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉 冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。s p w m 法就是以该结论为 理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的p 1 v m 波形即 s p w m 波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积 与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频 率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。它的生成原理就是 以一个正弦波为基准波，和一个等幅值的高频三角波相比较，由它们的 交点来决定逆变器开关器件的开关状态。当正弦波大于三角波时，相应 的开关器件导通：当正弦波小于三角波时相应的开关器件关断。这种调制 方法得到的输出电压基波的频率和幅值都等于基准正弦波的频率和幅 值。保持三角波不变，通过控制正弦基波的频率和幅值就可以控制输出 电压的频率和幅值，从而满足变频调速对电压和频率协调控制的要求【”j 。 s p 州控制方式有两种即单极式和双极式，采用单极式控制方式在正 弦波的半个周期内单相只有一个开关器件导通或关断，例如b 相上桥臂 反复通断，图2 - 1 表示这种调制情况。当参考电压大于三角载波电压时， 相应比较器的输出电压为“高”电平，反之为“零”电平。只要正弦调 制波的最大值低于三角波的幅值，由图2 一l ( a ) 的调制结果必然形成图 2 一l ( b ) 所示的等幅不等宽而且中间宽两边窄的s p w m 脉宽调制波形。负半 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章脉宽调制技术 周采用同样的方法调制后再倒相而成。 l 姘妹氐。 叭 洲 i 图2 - 1 单极型s p 州调制波形 双极式的调制方法和单极式的相同，输出基波电压的大小和频率也 是通过改变正弦参考信号的幅值和频率来改变的，只是功率开关器件的 通断情况不一样。双极式控制时的逆变器同一桥臂上下两个开关总是交 替导通，处于互补的工作方式瞄】。如图2 - 2 所示。 喊k雨旷喊k1 r必k 。1i r 状。烈ff妖 。烈7状烈 、f n m7 。 fnm厂nm l l l fn fl fjn uu n 。_ ， ，一 1 厂 i i f ii 厂 厂11|ir1厂 uulluuu ili lu 厂 广1f1l i 1r 厂 l |li uuu jiiiuuu il f1r 厂 1 |ill | 厂1 - i l ji - - ui iul - - 1u i 图2 2 双极型s p w m 调制波形 在图2 2 中a ，b ，c 三相电压都是一u 2 和+ u 2 变化。三角载波与正弦 调制波的频率比称为调制比。对逆变器输出电压进行傅立叶分析可知， 调制比越高，所得到的调制波的谐波特别是低频谐波成分将大大减少， 也就是说输出波形越接近正弦波。因此在现有的条件下，应尽量追求高 1 0 v u w 叶 凯 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章脉宽调制技术 频载波，但考虑到开关损耗以及为了防止变频器同相桥臂上下开关器件 直通而设置的死区时间对波形的影响，实际应用中应采取折衷的方法。 s p w i v i 的性能与两个重要的参数有关，它们是调制深度m 和调制比k 。一 般情况下三角波的幅值保持不变。因此调制深度m 是通过改变正弦波的 幅值来改变的，在调制深度小于或等于l 的情况下，输出的电压值和调 制深度之间有一一对应的关系【2 i 2 2 1 。 2 2 空间电压矢量脉宽调制策略( s v p w m ) 删”明 电压空间矢量调制有被称为磁通脉宽调制或磁链追踪型脉宽调制。 三相变频器磁链追踪p w m 法与上节所述的s p w m 不同：三相s p w l v l 法是从电 源的角度出发的，其着眼点是如何生成一个可以调频调压的三相对称正 弦波电源：而磁链追踪型p 删法则是从电动机的角度出发的，其着眼点是 如何使电机获得圆磁场。具体地说，它以三相对称正弦波电压供电时三 相对称电动机定子的理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同开关模式所 形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪过程中，逆变器的开关 模式作适当的切换，从而形成p w m 波。该种方法控制简单，数字化实现方 便，显著减小了逆变器输出电流谐波成分及电机谐波损耗，降低脉动转矩， 提高直流侧电压的利用率【1 7 1 。 图2 - 3 三相逆变器主电路 如1 虱2 - 3 所示的三相逆变器拓扑结构中，对于功率晶体管的开关状态 假定其导通为l ，关断为0 ，而上下桥臂的两个开关不能同时导通或者关 断，则一共有8 种情况，从( 0 0 0 ) 到( 1 1 1 ) 。对于( 0 0 0 ) 和( 1 1 1 ) 两 种状态，逆变器输出的空间电压矢量为零，故也称之为零矢量，其余的6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章脉宽调制技术 个矢量则称为有效矢量。定义8 个电压矢量v o - 0 0 0 ，v ，= e 1 1 1 分 别对应8 种开关状态，其中v 。，v ：，v 3 ，u ，v 5 ，v 。这六个空间电压矢量的 幅值均为2 k 3 ，v o 和v ，则是零矢量。图2 4 是这8 个矢量形成的电压矢量 空间，将该空间分为6 个扇区。 匕 ( 0 1 1 ) 吒吒 八一 ， 八 0 0 0 ) 图2 4s v p 删的空间矢量及扇区 空间矢量p 啊技术就是通过8 种基本的矢量的组合，使逆变器的输 出电压在时间均值意义( 一个p w m 采样周期内) 下与期望的任意电压矢量 k ，相等，由于三相逆变器在任意时刻只能处在一种基本的开关状态，若 是利用八个基本空间矢量来逼近给定的参考空间电压矢量，则有【3 l i l 8 1 1 ( 月+ 1 1 珏1 f 以盯d = p 。+ ，l k + + 岛巧) ，0 ，i = o ，l ，7 ( 2 。1 ) sn t 7 其中t 0 一，t 7 分别为矢量v o , ，v t 的作用时间，而且有f ，= 瓦，t s 为 0 采样周期。若采样周期t s 很小，则参考空间电压矢量v 。r 可以表示为 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章脉宽调制技术 t i l c o s 护= 詈瓦+ 詈瓦c 。s 詈 ( 2 4 ) 吲s m = ；瓦s m 詈 = 掣c o s 瓦= 掣一争 触：疋2 掣c o s 争 瓦= 掣州口+ 警 】3 皇望互垫奎堂! 些东) 硕士论文第2 章脉宽调制技术 瓦：- 倒- v 吲- -_)cos(o+llz 瓦：掣c o s ( o + 2 ) 翱：二型v 鬟2 翩：耻掣咧争 五= - 弘- c m - c o s ( o + - 等) 疋：- 蚓- - 7 - 唰- - c o s ( o + 刁3 l 扇区5 ： 。 。7 皇 2 乃= 掣c o s 汐掣5 7 t 胁：正5 掣c o s 争 瓦= 掣州口+ 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章脉宽调制技术 瓦= 弓= 三( t 一一l j ) ，就可以得到完全对称的p 咖波形。这些特性 使得s v p w m 的直流电压利用率和电流谐波的方面要优于s p w m 19 】【2 2 】【2 6 1 ，故 在本系统中，采用了基于恒v f 的s v p 册d 策略对逆变器进行控制。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章智能模糊控制的应用 第3 章智能模糊控制的应用 3 1 模糊控制的原理 模糊逻辑控制( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控制( f u z z y c o n t r 0 1 ) 。是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一 种计算机数字控制技术。1 9 6 5 年，美国的l a z a d e h 创立了模糊集合论； 1 9 7 3 年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1 9 7 4 年，英国的 e h m a m d a n i 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉 和蒸汽机的控制。在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控 制论的诞生【i ”l 。 模糊控制是通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模 型化，变成计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来实现人的控 制经验，对被控对象进行有效的实时控制。人的控制经验一般是由语言 来表达的，因而模糊控制规则本质上是非线性的，它通过计算机来完成 人们用自然语言所描述的控制活动，并根据人们总结出来的控制规律以 及系统的性能指标进行设计。因此，模糊控制有许多良好的特性，它不 需要事先知道对象的数学模型，具有系统响应快、超调小、过渡过程时 间短、鲁棒性好等优点。在理论上。模糊控制器由维关系明 示。关系 月可视为受约于 0 ，1 区间的个变量的函数。，是几个维关系r i 的组 合，每个足1 弋表一条规则皂i ft h e n 。控制器的输入x 被模糊化为一关系z ， 对于多输入单输出( m i s o ) 控制时z 为( ，_ 1 ) 维。模糊输出y 可应用合 成推理规则进行计算。对模糊输出j ，进行模糊判决( 解模糊) ，可得精确 的数值输出y 。图3 - i 表示具有输入和输出的理论模糊控制器原理图。 由于采用多维函数来描述x 、y 和r ，所以，该控制方法需要许多存储器， 用于实现离散逼近。 图3 - 1 理论模糊控制器原理框图 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章智能模糊控制的应用 模糊控制系统的基本结构如图3 - 1 所示。其中，模糊控制器由模糊 化接口、知识库、推理机和模糊判决接口四个基本单元组成。它们的作 用说明如下。 图3 - 2 模糊控制器结构图 1 ) 模糊化接口，测量输入变量( 设定输入) 和受控系统的输出变量， 并把它们映射到一个合适的响应论域的量程，然后。精确的输入数据被 变换为适当的语言值或模糊集合的标识符。本单元可视为模糊集合的标 记。 2 ) 知识库，涉及应用领域和控制目标的相关知识，它由数据库和语 言( 模糊) 控制规则库组成。数据库为语言控制规则的论域离散化和隶 属函数提供必要的定义。语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制 策略。 3 ) 推理机，是模糊控制系统的核心。以模糊概念为基础，模糊控制 信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策 过程。根据模糊输入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获 得模糊输出。 4 ) 模糊判决接口，起到模糊控制的推断作用，并产生一个精确的或 非模糊的控制作用。此精确控制作用必须进行逆定标( 输出定标) ，这一 作用是在对受控过程进行控制之前通过量程变换来实现的【2 】【1 3 l 。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章智能模糊控制的应用 3 2 模糊控制器的设计 模糊控制器在模糊控制系统中具有举足轻重的作用，因此，在模糊 控制系统中设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。模糊控制器的设 计包括以下几项内容【1 3 1 【1 5 1 1 1 6 l ： 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制量) 。 2 ) 设计模糊控制器的控制规则。 3 ) 确立模糊化和非模糊化的方法。 4 ) 选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域并确定模糊控制器 的参数( 如量化因子、比例因子) 。 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序。 6 ) 合理选择模糊控制算法的采样时间。 3 3 模糊控制系统的应用 在本智能变频器控制系统中，由于控制对象是电动机，而电动机的 负载则是非线性且变化很大的抽油机，该对象的精确数学模型很难获取， 动态特性不易掌握，加之v ，f 控制精度不高。故引入模糊控制器来对电 机转速进行闭环控制，以提高系统的控制精度，弥补v f 算法控制精度 不高的缺陷，取得了较好的控制效果。同时，为了增加系统的鲁棒性和 适应性，又引入了专家系统对模糊控制器的控制参数进行调整，使之更 加适应抽油机的负载变动范围大，非线性强的特点f 1 5 l 【。 3 3 1 模糊控制器的结构 选用二维模糊控制器，根据控制系统的特性，输入为转速的误差e ， 误差的变化率d e ，输出为变频器的频率f 。所以可设模糊变量：输入相 应为误差e ，误差变化e c ，输出为控制量u ，其为双输入单输出模式。 在实验阶段，设误差e 的变化范围是一3 0 r m i n ，3 0 r m i n ，则基本论域为 一3 0 ，3 0 ，误差变化率e c 的基本论域也设为 一3 0 ，3 0 。为便于计算， 设输出步长为0 o i h z ，将控制输出量u 的变化范围设置在1 0 0 以内，故 u 的基本论域为 一1 0 0 ，1 0 0 ) 。它们的模糊子集均用七个模糊量描述即： 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章智能模糊控制的应用 n b ，啪，n s ，0 ，p s ，p m ，p b ) ；它们的模糊论域均为： 一6 ，一5 ，- 4 ，一3 ，一2 ， - 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 l 3 3 2 模糊控制规则 1 ) 规定模糊集。误差e ，误差变化量e c ，输出控制量u 的语言变量( 模 糊状态) ，分为下列七个模糊状态：p b ，跚，p s ，0 ，n s ，n m ，n b ，它们 对应的模糊子集一般可分别按表3 - 1 ，3 - 2 ，3 - 3 取值。 表3 - 1 误差e 的隶属函数 x 65 _ 4 3 - 2 - 10l23456 p b0000oooooo 10 40 81 o p m0o000o000 20 71 0o 7o 2 p s00o000o 30 81 0o 50 100 oo00 0o 10 61 0o 60 ，loooo n s oo 0 1 o ，5 1 oo 8o 30o0o00 n m o 2 o 71 o o 7 0 2o000o000 n b1 o0 80 40 10o0oooo0 。0 表3 - 2 误差e c 的隶属函数 蔷 65 4 3 - 2 一l0l23456 p b0000o00000 10 40 81 0 p m0oooo0o00 2 o 71 0 o 7 o 2 p s00oo00o0 91 o 0 7 0 2 0 0 ooo000o 51 o0 50 0 0 o 0 n s000 20 71 o0 90o0 0 o 0 o n mo 2o 71 o0 70 2o 0 000 o00 n b1 00 8o 4o 1o0o00o 0o 0 表3 - 3 输出控制u 的隶属函数 x 65 4 3 2 10l23 456 p b0 0o o ooooooo 10 81 0 p m0 0oooo000 20 71 0o 2o p s00000o0 41 o0 80 40 1oo 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章智能模期控制的应用 l 0oo00oo 51 o0 5000o0 1 n s 000 1 0 4081 o0 40ooo0 0 n mo 2o 71 0o 7 0 ，2 o000ooo0 i n b0 80 40 10000oo0ooo 2 ) 确定模糊推理，即模糊控制状态表。根据控制过程中专家的实际 经验把推理语义规则，即模糊条件语句，写成一个模糊控制状态表，如 表3 - 4 所示： 表3 - 4 模糊控制规则状态表 惑 n b n mn s0p sp mp b n b p bp bp bp mp m0 o 删p bp bp b p m p m00 s p m跚掰附o n s幅 op mp mp s o n sn sn s p sp sp m0 n mn m n m n m p m 0 oon mn mn b n b p b000n m n yn bn b 3 ) 在模糊控制系统中，模糊控制规则是模糊控制器的核心，必须精 一b 选取这些规则。简单的模糊控制器采用不变