（电气工程专业论文）异步电动机变频调速控制策略的研究.pdf

异步电动机变频调速控制策略的研究 摘要 随着新型电力电子器件、智能功率模块的问世，现代控制理论的发展和计算机技 术的应用，交流调速技术日新月异，新的控制策略不断涌现，这也使得交流调速开始 全面取代直流调速。在交流调速技术中，变频调速以其优异的调速性能、高效节能和 广泛的应用范围等优点而被国内外认为是最有发展前途的调速方式。 本论文采用正弦脉宽调制和电压空间矢量脉宽调制的方法，实现了对异步电机的 变频调速。 调速系统的控制芯片采用i n t e l 公司专门为电机控制而设计的高性能处理器一 8 0 c 1 9 6 m c ，利用该处理器中的波形发生器w f g 直接用软件产生三相调制波。系统 的主电路采用交一直一交拓扑结构，功率器件采用智能功率模块d m 。本文在软件设 计中，详细论述了基于8 0 c 1 9 6 m c 单片机控制的s v p w m 、s p w m 的算法构成、波 形发生器有关参数计算及相关寄存器设置。s v p w m 和s p w m 都采用三种方法实现： 同步调制、异步调制和分段同步调制。 该系统在一台三相异步电动机上进行了试验调试，实验结果表明：s v p w m 调制 比s p w m 调制时电机电流的谐波小，电压利用率高，电机的高频噪声低。 关键词：正弦脉宽调制电压空间矢量脉宽调制变频调速8 0 c 1 9 6 m c r e s e a r c ho nc o n t r o lm e t h o do fv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e da j u s t i n go f a s y n c h r o n o u se l e c t r o m o t o r a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea p p e a r a n c eo fn e we l e c t r o n i ce l e m e n t sa n di n t e l l i g e n tp o w e ri c ，t h e d e v e l o p m e n to fm o d e mc o n t r o lt h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，t h e t e c h n o l o g yo fa d j u s t i n gs p e e do fa ci n d u c t i o ne l e c t r o m o t o rc h a n g e sq u i c k l ya n dn e w c o n t r o lm e t h o da p p e a r sc e a s e l e s s l y d ce l e c t r o m o t o ri sr e p l a c e db yt h ea ci n d u c t i o n e l e c t r o m o t o ri nw i d er a n g e t h ea cv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ni sg e n e r a l l y a c k n o w l e d g e db yt h eh o m ea n da b r o a dt h a ti th a sag r e a tf u t u r ew i t he x c e l l e n ts p e e d r e g u l a t i o n , h i g he f f i c i e n c ys a v i n ge n e r g y , e x t e n s i v es c o p eo fa p p l i c a t i o na n d o t h e rm e r i t s ， v a r i a b l e - f r e q u e n c ya d j u s t i n g - - s p e e df o ri n d u c t i o nm o t o ri si m p l e m e n t e db ys i n ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) a n ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i nt h i s p a p e r i nt h i sc o n t r o ls y s t e m ，8 0 c19 6 m ci su s e d 弱t h em a i nh i g hp e r f o r m a n c e m i c r o p r o c e s s o rc h i p w h i c hi s p r o d u c e db yi n t e lc o m p a n ya n di ss p e c i a l f o rm o t o r c o n t r 0 1 t h r e ep h a s em o d u l a t i n gw a v ei sg e n e r a t e db yw a v ef o r mg e n e r a t o ri nc p u t h e a c d c - a ct o p o l o g i c a ls t r u c t r u ei sa d o p t e di nm a i nc i r c u i t i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ) i su s e da st h ep o w e rd e v i c e t h ea l g o r i t h ms t r u c t u r eo fs v p w m a n ds p w m b a s e do n8 0 c19 6 m cs i n g l e c h i pc o m p u t e r , t h er e l a t i v ep a r a m e t e r s c a l c u l a t i o na n dt h e s e r i n gm e t h o do fs o m er e g i s t e r so ft h ew a v ef o r mg e n e r a t o ra r ed e t a i l e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g ns c h e m ei st e s t e da n dd e b u g g e do n a na s y n c h r o n o u sm o t o r t h es c e n e r e s u l t ss h o wt h a tl o w e rc u r r e n th a r m o n i c ， n o i s ec a nb ea c h i e v e d b y t h em e t h o d m o d u l a t i o n ( s p w m ) m o r ee f f i c i e n tu s eo fs u p p l yv o l t a g e ，l o w e r o fs v p w mt h a nt h es i n e p u l s e w i d t h k e y w o r d s ：s p w m s v p w mv v v f8 0 c 19 6 m c 插图清单 图2 1恒压频比控制特性9 图2 2 异步电机变压变频调速控制特性9 图2 3 异步电机稳态等效电路图1 0 图2 4 恒压恒频时异步电动机的机械特性1 1 图2 5 恒压频比控制时变频调速的机械特性1 2 图2 - 6 不同电压，频率协调控制方式时的机械特性1 4 图2 - 7 基频以上变频调速的机械特性15 图3 1 变幅p l i m 型变频器1 6 图3 - 2 利用斩波器的变频电路图1 7 图3 - 3p w m 型逆变器17 图3 - 4 单相逆变器( 0 为直流电源的理论中心点) ：1 8 图3 - 5 电路的波形19 图3 - 6p 硼逆变器电路1 9 图3 - 7 双极性脉宽调制波形2 0 图3 - 8 生成s p w m 波形的自然采样法2 1 图3 - 9 生成s p 删波形的规则采样法2 3 图3 - 10 三相s p 删波形2 3 图3 - 11双极式s p 删逆变器输出电压波形2 4 图3 - 1 2s p w m 变压变频器谐波分量与调制度m 的关系2 6 图3 一1 3 间电压矢量2 8 图4 1 变频调速系统原理框图3 1 图5 - 1中心对准p w m 波形3 6 图5 2 给定频率与调制深度关系3 8 图5 - 3 逆变器输出电压空间矢量及扇区划分4 0 图5 4 平均电压矢量“。，4 0 图5 - 5 软件实现示意图4 3 图5 6 程序框图4 5 图6 - i 实验测得的波形4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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，也不包含为获得金目巴工些太堂 或其他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 并表示谢意。 学位语文作者签名：饿砍 签字日期：2 聊年歹月1 7 = 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墅王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 胆王些太堂可以将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、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：令妄只久 签字日期：2 叩辟y 月j 了日 导师签名： 签字脚衙9 1 7 日 致谢 本论文是在学校导师王建平教授、企业导师李长久高级工程师指导下完成的。在 本课题的设计与论文的撰写过程中，两位导师给予了极大的帮助。在完成课题设计过 程中，两位导师给予了很多重要的思想和实际的指导，并在课题的总体设计思想上给 予了很多启示性的建议和指导，在程序设计和调试过程中给予了极大的帮助，对两位 导师的帮助表示诚挚的感谢。 在课题的进行过程中，石油学校电气与自动化系的老师也给予了我大力支持和帮 助，在此向帮助过我的老师表示由衷的感谢和深深的敬意。 第一章绪论 1 1 交流电动机调速技术的发展和现状 电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、日 常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的6 0 7 0 ，成为用电量最多的电气 设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类， 其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电 动机和异步( 感应) 电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占电机总用 电量的8 5 左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，是要使电 动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节 电动机的旋转速度。电动机的调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动生产率 和节省电能有着直接的决定性影响。电动机和控制装置一起合成电力传动自动 控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调 速系统；以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速 系统。根据交流电机的类型，相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系 统。 众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速、电流双闭环直 流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来在变速传动领域 中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流电动机的机械式换向器和电 刷存在以下弱点，这给直流调速系统带来了不足。 机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有极限容许值，这就限制了 电机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成 本，以及调速系统的复杂性。因此，在工业生产中，对转速要求高、大功率的 场合则根本无法采用直流调速方案。 为了使机械式换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向器直径，导致 电机转动惯量很大。对于要求快速响应的生产工艺，采用直流调速方式难以实 现。 机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换，使得直流调速 系统维修工作量大，维修费用高，也直接影响正常的生产。 在易燃、易爆、多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合更不宜使用直流电动 机。 由此可见，这将使得直流调速系统的应用也相应受到了限制。然而，采用 无换向器的交流电动机组成的交流调速系统代替直流调速系统可以突破这些限 制，满足生产发展对调速传动的各种不同的要求。 交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、坚固 耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优 点。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机所存在 的问题未能得到较好的解决，只有一些调速性能差、低效耗能的调速方法，如： 绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级调速方法。 鼠笼式异步电动机定子调压调速方法( 自耦变压器、饱和电抗器) 及后 来的电磁( 滑差离合器) 调速方法。 2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各 国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技 术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此， 交流调速理论及应用技术得到了较快的发展，大致体现在以下几个方面。 1 电力电子器件的蓬勃发展促进了交流技术的迅速发展和交流调速装置的 现代化 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调 速的发展。2 0 世纪8 0 年代以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置 的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。8 0 年代中 期以后用第二代电力电子器件g t r 、g t o 、v d m o s i g b t 等制造的变频装置在 性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着电力电子器件向大电流、高 电压、高频化、集成化、模块化方向的继续发展，第三代电力电子器件是2 0 世 纪9 0 年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置( i 1 0 0 0 k w ) 主要是采用i g b t ，中、大功率的变频调速装置( 1 0 0 0 1 0 0 0 0 k w ) 采用g t o 器 件。2 0 世纪9 0 年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代。如： 高压i g b t 耐压水平由1 2 0 0 v 提高到3 3 0 0 v 。构成变频器容量达到6 0 0 0 k v a ，输出电 压等级达到4 1 6 0 v 。 i g c t 其耐压及容量保持了g t o 的水平，门极控制功率大大减小，仅为0 5 1 w 。 目前实用化的i g c t 变频器容量6 0 0 肛1 0 0 0 0 k v a ，输出电压等级达到 3 3 0 0 - - - , 6 0 0 0 v 。 i e g t 把i g b t 器件和g t o 器件二者优点结合起来的注入增强栅晶闸管。 s g c t 等 第四代电力电子器件模块化更为成熟。如：智能化模块口m 、专用功率器 件模块a s p m 等。 2 脉宽调制( p w m ) 技术 2 脉宽调制( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，为交流调速 技术的普及发挥了重大作用。 脉宽调制技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本可分四类，即等宽 p w m 法、正弦p w m 法、磁链追踪型p w m 法及电流跟踪型p w m 法。p w m 技 术的应用克服了相控原理的很多弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波形 的电压和电流，提高了整个调速装置的功率因数和输出效率。目前p w m 生成电 路大多采用具有高速输出口h s o 的单片机( 如8 0 1 9 6 ) 及数字信号处理器d s p ， 通过软件编程生成p w m 信号。近年来，新型全数字化专用p w m 生成芯片 h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 、m a 8 1 8 等达到实用化，并已经实际应用。 3 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基 础 交流电动机是多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态 重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量 之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程， 使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取 代直流调速成为可能。目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多的采用了矢 量控制型的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的优越性 高于直流调速系统。 受矢量控制启迪，近年来又涌现出诸如多变量解耦控制、变结构滑模控制 等方法。针对电机参数时变特点，在矢量控制系统中增加了自适应控制技术。 毫无疑问，矢量控制技术在实践应用中将会更加完善，更具有实际应用价值。 继矢量控制技术之后，2 0 世纪8 0 年代中期德国d e p e n b r o c k 教授首先取得 了直接转矩控制技术实际应用的成功。近十几年的实际应用表明，与矢量控制 法相比可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此，交流电动机直接转矩 控制也是一种很有前途的控制技术。目前，采用i g b t 、i g c t 的直接转矩控制 方式的变频调速装置已广泛应用于工业生产及交通运输部门中。 4 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交 流调速系统提供了重要的技术手段和保证 早期的交流调速系统的控制器( 或系统的控制回路) 多为由模拟电子电路 组成。近十几年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器d s p 为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用及大规模集成电路的应用， 促使交流调速系统的控制回路由模拟控制转向数字控制。当今模拟控制器已被 淘汰，全数字化的交流调速系统已经得到普遍应用。 数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制， 如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解耦控制、滑模变结构控制、参数辨识的 自适应控制等，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统如果没 有微机的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术又给交流调速系统增 加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。 。 微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性和操 作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。 以微处理器为核心的数字控制已经成为现代交流调速系统的主要特征之 一。用于交流调速系统的微处理器发展情况如下： ( 1 ) 单片机 就组成而言，一片单片机芯片就是一台计算机，大大缩小了控制器的体积， 降低了成本，增强了功能。随着单片机性能的不断提高，单片机具有了丰富的 硬件资源和软件资源。然而，单片机对大量数据处理或浮点运算能力有限，因 此有待于进一步提高运算速度。 ( 2 ) 数字信号处理器( d s p ) 为了提高运算速度，在2 0 世纪8 0 年代初期出现了数字信号处理器，其中 采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器、提高时钟频率、支持浮点运算等， 以提高运算速度。近几年来，将d s p 作成磁芯，把p w m 生成、a d 变换器等 集成于一个芯片上，成为一种高速的单片机。 ( 3 ) 精简指令集计算机 r i s c 在1 9 8 6 年前后问世，它是将控制器、p w m 、a d 等归纳一体作成芯 片，是计算机体系结构上的一次突破，使微处理器在性能上获得了质的飞跃。 在r i s c 以前，微处理器的进步往往只靠改进v l s i 硬件的工艺，来提高时钟频 率和微处理器速度。r i s c 则把着眼点放在经常使用的基本指令的执行效率上， 依靠硬件与软件的优化组合来提高速度。在r i s c 中，扬弃了运算复杂而用处不 大的指令，省出这些指令所占用的硬件资源，以提高简单指令的运行速度。自 r i s c 诞生以来，经过十多年，其工作速度已从2 - 3 m i p s ( m 口s 表示每秒百万 条指令) 提高到1 0 0 0 m i p s 。 ( 4 ) 高级专用集成电路 a s i c 也称为适合特定用途的i c ，是专用芯片的标准单元、门阵列合在一起 的内部门阵列和作为程序使用的可编程逻辑阵列、可编程序阵列的结构。能完 成特定功能的初级专用集成电路早已商品化，现代高级专用集成电路的功能远 远超过一个发生器，往往能够包括一种特定的控制系统。 交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交 流调速的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用， 微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技 术和物质条件。 实践证明，交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大 的经济和社会效益。现在，交流调速系统正在逐步取代直流调速系统。交流调 4 速在电气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。 1 2 交流调系统的类型 根据被控对象一交流电动机的种类不同，交流调速系统可分为异步电动机 调速系统和同步电动机调速系统。 1 2 1 同步电动机调速系统的基本类型 由同步电动机转速公式n = 6 0 f n ，( 工为定子供电频率，n ，为电动机极对 数) 可知，同步电动机唯一依靠变频调速。根据频率控制方式的不同，同步电 动机调速系统可分为两类，即他控式和自控式同步电动机调速系统。 1 他控式同步电动机调速系统 用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源叫做他控式同步电动机调速 系统。他控式恒压频比的同步电动机调速系统目前多用于小容量场合，例如永 磁同步电动机、磁阻同步电动机。 2 自控式同步电动机调速系统 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系 统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动 机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统可分为两种类型：负载换向 自控式同步电动机调速系统( 无换向器电机) 、交一交变频供电的同步电动机调 速系统。 1 - 2 2 异步电动机调速系统的基本类型 由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率p 。可分为两部分： 一部分p d = ( 1 一s ) p 。是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率p ，= s p 。，与 转差率s 成正比。转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网，可衡量异步电 动机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可以把异步电动机 调速系统分为三类。 ( 1 ) 转差功率消耗型调速系统 将转差功率全部转换成热能的形式而消耗掉。晶闸管调压调速属于这一类。 这类系统的效率最低，是以增加转差功率的消耗为代价来换取转速的降低。但 是由于这类系统结构最简单，所以对于要求不高的小容量场合还有一定的用途。 ( 2 ) 转差功率回馈型调速系统 将转差功率- d , 部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网。转速越 低，回馈的功率越多。绕线式异步电动机串级调速和双馈调速属于这一类。显 然这类调速系统效率最高，但系统的功率因数低。 ( 3 ) 转差功率不变型调速系统 转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转 速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率很高。变频调速属于此类。目前 在交流调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能的交流 调速系统。变频调速技术及其装置仍是2 1 世纪的主流技术和主流产品。 1 3 交流调速系统的发展趋势和动向 综观交流调速的发展过程和现状，可以看出交流调速技术今后的发展趋势 和动向。 以取代直流调速系统为目标的高性能交流调速系统的进一步研究与开 发。 新型拓扑结构功率变换器的研究与开发。 p w m 模式的改进和优化。 中压变频装置( 我国称为高压变频装置) 的研究与技术开发。 围绕以上四个方面，交流调速技术研究与开发的主要课题如下： 1 控制理论与控制技术方面的研究与开发 十几年的应用实践表明，矢量控制理论及其他现代控制理论的应用尚待随 着交流调速的发展而不断完善，从而进一步提高交流调速系统的控制性能。各 种控制结构所依据的都是被控对象的数学模型。因此，为了建立交流调速系统 的合理适用的控制结构，仍需对交流电动机数学模型的性质、特点及内在规律 作深入研究和探讨。特别是交流调速系统的综合与校正理论及工程设计方法是 今后交流调速系统的重要研究课题。 按转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统实现了磁通电流和转矩电流的 完全解耦，转矩数学模型和直流电动机的转矩数学模型完全样。然而转子参 数估计的不准确及参数变化影响造成定向坐标的偏移问题，至今国内外并未真 正解决，因此转子参数辨识及针对参数变化的自适应控制是今后矢量控制研究 的攻坚课题。 近几年来，不依赖电机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能化控 制方法开始引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论、控制技术新的研 究发展方向。 直接转矩控制技术在应用实践中不断完善和提高，其研究的主攻方向是解 决低速时电机定子参数对磁链运动轨迹的影响；进一步提高低速时的控制性能， 扩大调速范围。 取消通过机械连接的测速发电机及其他测速传感器，实现无硬件测速传感 器的交流调速系统已有应用，但是转速推算精度和控制的实时性有待于进一步 深入研究与开发。 2 变频器主电路拓扑结构研究与开发 提高变频器的输出效率是电力电子技术发展中主要解决的重要问题之一。 提高变频器输出效率的主要措施是降低电力电子器件的开关损耗。具体解决方 法是开发研制新型变频器主电路，如有人提出的谐振直流环逆变器，使电力电 6 子器件在零电压或零电流下转换，即工作在所谓“软开关 状态下，从而使开 关损耗降低到零。 ， 目前，电力电子逆变器正朝着高频化、大功率方向发展，这使装置内部电 压、电流发生剧变，不但使器件承受很大的电压、电流应力，而且在输入、输 出引线及周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备误动作，这种公害称为 电磁干扰。抑制电磁干扰的有效方法也是采用软开关技术。具有软开关功能的 谐振变流器在国内外都在进行研究与开发。 3 p w m 模式改进与优化研究 近年来，随着中压变频器的兴起，对于电压空间矢量控制p w m 模式进行了 改进和优化研究，其中为解决三电平中压变频器中点电压偏移问题，研究了电 压矢量合成p w m 模式( 不产生中点电压偏移时的电压长矢量、短矢量、零矢量 的组合) ，已经取得了具有实用价值的研究成果；用于级联式多电平中压变频器 的脉冲移相p w m 技术已有应用。 4 中压变频装置的研究与开发 中压是指电压等级为2 3 0 0 - - 1 0 0 0 0 v ，中、大功率是指功率等级在3 0 0 k w 以 上。中压、大容量的交流调速系统研究与开发已有2 0 多年了，逐步走上了实际 应用阶段，尤其高压全控型功率器件的产生，中压变频器的应用趋势迅速加快。 其中，目前应用较多的是采用i g b t 、i g c t 三电平中压变频器及级联式多电平 中压变频器。当今多电平中压变频器已成为交流调速研究的新领域。 中压变频器今后发展方向和研究课题为： 装置安全技术方面包括：功率器件串联技术，触发技术，隔离技术，绝 缘技术，保护技术，遥控及通信技术，电磁兼容技术，谐波抑制技术等。 控制技术方面包括：将矢量控制技术、直接转矩控制技术引入中压变频 器；研究开发适用于中压变频器的p w m 技术。 中压变频器的发展受到了电力电子器件耐压等级不高的限制。当前，许 多公司投入巨资研制一种碳化硅( s i c ) 电力电子器件，其p n 结耐压等级可达 1 0 k v 以上。预计今后1 0 年内，碳化硅器件会有突破性的发展，新一代的中压变 频器将随之诞生。 我在以下章节将详细阐述，通过采用正弦脉宽调制和电压空间矢量脉宽调 制的两种方法，实现对异步电机的变频调速。在论文的软件设计部分，详细论 述了基于8 0 c 19 6 m c 单片机控制的s v p w m 、s p w m 的算法构成、波形发生器 有关参数计算及相关寄存器设置。 7 第二章异步电动机变频调速原理 由异步电动机的转速公式刀= 6 0 z ( 1 一s ) p 可知，当转差率变化不大时，1 1 基 本上正比于石，所以改变供电电源频率z ，即可调节异步电动机的转速。这种调速 方法，可以获得很大的调速范围，很好的调速平滑性和相对稳定性。 2 1 变频调速的基本控制方式 在进行异步电机调速时，希望保持电机中每极磁通量。为额定量不变。如 果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果增大磁通，又会使 铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是 以= 4 4 4 f i 1 足l 中。 ( 2 1 ) 式中， 石一定子频率； 1 一定子每相绕组串联匝数； 。基波绕组系数； 中，每极气隙磁通量。 由式( 2 _ 1 ) 可知，l 、k m 是常数，只要控制好e 。和z ，便可达到控制 磁通$ 。的目的。对此，需要考虑基频( 额定频率) 以下和基频以上两种情况。 2 1 1 基频以下调速 由式( 2 1 ) 可知，要保持西。不变，当频率彳从额定值z 。向下调节时， 必须同时降低e g ，使 g m = 常值 ( 2 _ 2 ) 即采用恒定的电动势频率比的控制方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势的值较高时，可 以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压uz 乞，则得 u , l i , = 常值 ( 2 3 ) 这是恒压频比的控制方式。 低频时，u 和e g 都较小，定子漏阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再 忽略，这时，可以人为的把电压u 抬高一些，以便近似的补偿定子漏阻抗压降。 其控制特性如图2 1 所示。 u 图2 1 恒压频比控制特性 ( 1 一不带定子压降补偿，2 _ 带定子压降补偿) 2 1 2 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从石。向上增高，但电压u 却不能超过电机 的额定电压u 。，最多只能保持u i = u 。由式( 2 - 1 ) 可知，这将迫使磁通与 频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上的情况结合起来可得图2 2 所示的异步电动机变压 变频调速控制特性。 如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，即电机都能在温升允许情况 下长期运行，则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；而在基频以上，转速升高时 转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。 矾，圣。 0 ，惜 图2 2 异步电机变压变频调速控制特性 9 2 2 异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性 2 2 1 恒压恒频时异步电动机的机械特性 根据电机学原理，在下述假定条件下：( 1 ) 忽略空间和时间谐波，( 2 ) 忽 略磁饱和，( 3 ) 忽略铁损，异步电动机的稳态等效电路如图2 3 所示。 冠、膨一定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻； 厶。、三二一定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； 三。一定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感； u 、皑一电动机定子相电压和供电角频率； s 一转差率； 占，气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势； e 。一定子全磁通的感应电动势； ，一转子全磁通的感应电动势( 折合到定子边) 。 彤 s 图2 - 3 异步电机稳态等效电路图 当异步电动机定子电压u ，和电源角频率劬都是恒定值时，电机的机械特性 方程式为： 即刀，2 而可鬻可可 c h ) 当s 很小时，可忽略上式分母中含s 的各项，则 咒p 2 等o c sc 2 删 即s 很小时，转矩近似与s 成i - f l t ，机械特性疋= 厂( s ) 是一段直线。 1 0 i i ps n o , o s 雕 0 ， z 眦t 图2 - 4 恒压恒频时异步电动机的机械特性 当s 接近于1 时，可忽略式( 2 4 ) 分母中的，则 即门p 2 而o c 喜 c 2 “， 即s 接近于1 时转矩近似与s 成反比，这时，t = ( s ) 是对称于原点的一段双 曲线。 当s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如 图2 4 所示。 2 2 2 基频以下电压、频率协调控制下的机械特性 当异步电动机带负载乃稳定运行时，由式( 2 叫) 得， 即胛p 2 两可鬻而可 ( 2 卅 此式表明，对于同一种负载要求，即p a - - 定的c c gn 一( 或转差率s _ ) 在一定的 负载转矩乙下运行时，o g f 玉, u 。和频率劬可以有多种配合。在电压和频率的不同 配合下机械特性也是不样的，因此可有不同方式的电压一频率协调控制。 ( 1 ) 恒压频比控制( u 。劬= 常数) 在2 ，1 节中已经指出，为了近似的保持气隙磁通巾。不变，以便充分利用电 机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时， n o ：6 0 c 0 1 ( r m i n ) ( 2 - - 8 ) 2 2 n - n p r m i n ) 血= s 刀。= 瓦6 0 j q ( 枷n ) ( 2 呻) 菊 沪1 0 ) 3 以， 由此可见，当u 。劬为恒值时，对于同一转矩t ，s 劬是基本不变的，因 图2 - 5 恒压频比控制时变频调速的机械特性 当u 。劬= 恒值时，最大转矩疋一随角频率皑的变化关系为 。双翻2 里+ q ( 2 1 1 ) 可见t 一是随着q 的降低而减小的。频率很低时，t 一太小将限制调速系统的 1 2 带负载能力。采用定子压降补偿，适当地提高电压u 。，可提高t 一增强带负载 能力，见图2 5 中的虚线所示。 ( 2 ) 恒e 窖皑控制 如果在电压一频率协调控制中，恰当的提高电压弘的份量，使它在克服定 子压降以后，能维持e g 劬为恒值( 基频以下) ，则由式( 2 1 ) 可知，无论频率 高低，每极磁通。均为常值，由图2 3 等效电路可知 i ( 2 1 2 ) 由此可得恒e g 劬时的机械特性方程式 辅以p 阿蒜( 2 - - 1 3 ) 当s 很小时，忽略式( 2 一1 3 ) 分母中含s 2 项，则 即始p 等一s ( 2 - - 1 4 ) 这表明机械特性近似为一条直线。 当s 接近i 时，可忽略式( 2 1 3 ) 分母中的r 2 瞳项，则 辅，z p 彘o c 喜( 2 - - 1 5 ) 机械特性是一段双曲线。 s 值为上述两处的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条 特性与恒压频比控制时的特性具有相同的性质。但是，对比式( 2 _ - 4 ) 和式( 2 - - 1 3 ) 可以知道，恒e g 劬控制的转矩公式分母中含s 项要小于恒u ，q 控制转 矩公式中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使含s 项在分母中占有显著 的分量，从而不能被忽略，因此恒g q 控制机械特性线性段的范围更宽一些。 如图2 6 所示。 由式( 2 一1 3 ) 令d t 凼= o ，可得恒e 。q 控制发生最大转矩时的转差率 2 瓦- - l 只： ， l ( 2 - 一1 6 ) 最大转矩 疋嗽= 纠甜专 c 2 邗) 当以劬为恒值时疋一值恒定不变，即恒e g q 控制的稳态性能是优于恒 u 。劬控制的，它正是恒己，。q 控制中补偿定子压降所追求的目标。 ( 3 ) 恒e ，q 控制 把电压一频率协调控制中的电压u 。相对地提高一些，把转子漏抗上的压降 也抵消掉，即得恒e ，嵋控制，由图2 3 可得 = 南 机械特性方程式为 ( 2 一1 8 ) 辅，z p 2 等 c 2 邗) 机械特性是一条直线，如图2 6 所示。可知，恒e q 控制的稳定性能最好，可 以得到和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流电机变频调速所追 求的目标。 s 0 t 图2 - 6 不同电压，频率协调控制方式时的机械特性 1 恒【，q 控制，2 恒e 。q 控制，3 恒e ，q 控制 1 4 2 2 3 基频以上变频调速时的机械特性 在基频z 。以上变频调速时，由于电压u 。= u 。不变，式( 2 4 ) 的机械特 性方程式可写成 最大转矩可写成 t 。= 3 n p u l 2 不鬲丽考丢雨丽( 2 咄) 疋一= 吾n p u i n 2 面瓦丽丽1 器丽2 吲) 同步转速的表达式和式( 2 8 ) 样。由此可知，当角频率劬提高时，同步转 速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，其形状基本相似，如图2 7 所示。 图2 - 7 基频以上变频调速的机械特性 由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。但转速 升高，可以认为输入功率基本不变。所以，基频以上变频调速属于恒功率调速。 以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电的情况下。如果供电电压含 有谐波，并非正弦波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此， 在设计变频装置时，应尽量减少输入电压的谐波。 1 5 刀 m 弛 缸 刀 以 以 以 第三章交流调速的脉宽调制( p w m ) 控制技术 所谓脉宽调制技术( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n - - p w m ) 是指利用全控型电力电子 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，实现变压、变频控制并 且消除谐波的技术，简称p w m 技术。 1 9 6 4 年，德国的a s c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信 系统中的调制技术应用于变频调速中，为交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道 路。4 0 多年以来，p w m 控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展过程。 目前p 删技术已经广泛应用到变频调速系统中。利用微处理器实现p 1 | i m 技术数字 化后，p 1 】i m 技术不断优化和翻新，从追求电压波形为正弦波，到电流波形为正弦波， 再到磁通波形为正弦波；从效率最优，转矩脉动最小，再到消除谐波噪声等。 变频调速系统采用p w m 技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求，而且 更重要的是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时 电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率和调速系统性能。 目前，实际工程中主要采用的p w m 技术是正弦p 删( s p w m ) ，使变频器输出电压 或电流波形更接近于正弦波形。s p w m 方案多种多样，归纳起来可以分为电压正弦p 1 j | m 、 电流正弦p 删和磁通正弦p w m 等三种基本类型，其中电压正弦p 删和电流正弦p 删 是从电源角度出发的s p 删，磁通正弦p w m ( 也称为电压空间矢量p 删) 是从电机角度 出发的s p 删。 3 1p 删型变频器的工作原理 3 1 1p w m 型交频器的基本控制方式 通用的p w m 型变频器是一种交一直一交变频，通过整流器将工频交流电整流成 直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。 异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即 保持压频比基本恒定。 p w m 型变频器一般采用电压型逆变器。根据供给逆变器的直流电压是可交的还 是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。 1 变幅p w m 型变频器这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控 制方式，其基本电路如图3 1 所示。中间环节是滤波电容器。 晶阑管整流器 l晶闸管逆变器 图3 - 1 变幅p 嘲型变频器 1 6 晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变 触发脉冲的延迟角口来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。逆变器 只作输出频率控制，它一般是由6 个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。 图3 2 所示是另一种直流电压可调的p w m 变频电路。它采用二极管不可控整流 桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大 小，通过逆变器输出三相交流电。 图3 2 利用斩波器的变频电路图 以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥 可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出 直流电压的减小丽降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所 以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。另外，就动态响应的快速性来 说后者比前者好。 2 恒