（电机与电器专业论文）异步电动机系统转速持续振荡分析实验平台的开发.pdf

e x p l o i t a t i o no fe x p e r i m e n tp l a t f o r mf o ra n a l y z i n gs p e e d s u s t a i n e do s c i l l a t i o ni ni n d u c t i o nm o t o rs y s t e m a b s t r a c t t h es u s t a i n e do s c i l l a t i o np h e n o m e n o no f t e na p p e a r sw h e na nl n d u c t i o nm o t o r ( i m ) d r i v es y s t e mo p e r a t e su n d e rt h ec o n t r o lm o d ei nw h i c hv fi sk e p tc o n s t a n t m a k i n gu s eo ft ic o m p a n y ss p e c i a lm o t o r c o n t r o lm i c r o p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a si t sc o n t r o lc o r e ，t h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e7 m b p10 0 r a12 0a ss w i t c hp a n so f a ni n v e r t e ra n ds v p w ma sc o n t r o ls t r a t e g y ，a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e v e l o p e d f o ra c h i e v i n gv a r i a b l ef r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e d t h ep l a t f o r mi sn o to n l y p r o v i d e dw i t hs h o w i n gt h es u s t m n e do s c i l l a t i o np h e n o m e n o no fr o t o rs p e e d ，b u t a l s od e v e l o p i n gc o n t r o la r i t h m e t i ct i m ea f t e rt i m ea c c o r d i n gt os y s t e ma c t u a ln e e d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h i se x p e r i m e n tp l a t f o r mh a ss i m p l es t r u c t u r e ， r e l i a b l ep e r f o r m a n c ea n do p e nc o n d i t i o nw h i c hs u p p l yar e a s o n a b l ea n dp r a c t i c e p l a t f o r mf o ra n a l y z i n gs p e e ds u s t a i n e do s c i l l a t i o ni nt h ei n d u c t i o nm o t o rs y s t e m a n dp r o v i d ep o w e r f u lg u a r a n t e ef o ri m p r o v i n ga n de l i m i n a t i n gt h es u s t a i n e d o s c i l l a t i o np h e n o m e n o n k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o rs y s t e m ；s u s t a i n e d o s c i l l a t i o no fr o t o rs p e e d ； s v p w m ；e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o r v a r i a b l ef r e q u e n c ya 由u s t a b l es p e e d ；d s p ； i n t e ll ig e n tp o w e rm o d u l e 插图清单 图2 1s p w m 波的生成方法8 图2 2s p w m 的对称规则采样法9 图2 3 不对称规则采样法生成s p w m 波1 0 图2 4 三相电压型逆变器原理图1 1 图2 5 基本空间电压矢量1 2 图3 1 变频调速系统的硬件结构图1 7 图3 2 三相整流滤波电路1 9 图3 3d s p 对s ，的控制电路2 0 图3 47 m b p l0 0 r a l2 0 内部框图2 1 图3 5u 相光耦隔离的功率驱动及警报电路2 2 图3 - 6u l n 2 0 0 3 单路驱动2 2 图3 7 直流电压检测2 5 图3 8 电流检测及转换电路一2 6 图4 1 进入c o d ec o m p o s e rs e t u p 后的界面2 9 图4 2c c c 2 0 0 0 集成调试环境3 0 图4 3 打开后的应用工程3 0 图4 4 主程序流程图3 1 图4 5 初始化子程序3 2 图4 6 定时器t 3 下溢中断服务子程序3 3 图4 7 比较单元和p w m 电路产生对称的p w m 波形3 4 图4 8 正弦波脉宽调制( s p w m ) 程序流程图3 5 图4 9 空间矢量的最佳合成顺序3 6 图4 1 0 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 程序流程图3 8 图4 1 1 串行通信中断服务子程序3 8 图4 1 2v b 通讯程序运行过程3 9 图4 1 3 人机界面程序4 0 图4 1 4 上位机的串行通信程序流程图4 0 图5 1 电压表和电流表发测定绕组的直流电阻4 2 图5 2 堵转时感应电机的等效电路4 2 图5 3 铁耗和机械耗的分离一4 4 图5 4 额定运行时的等值电路4 5 图5 5 流程图4 6 图5 - 6 自由停车过程曲线4 7 图6 1s v p w m 鞍形波4 9 图6 2s v p w m 调制时相电流波形4 9 图6 3 施耐德变频器控制下相电流波形4 9 图6 4s v p w m 调制时线电压波形5 0 图6 - 5 施耐德变频器控制线电压波形5 0 图6 - 6 实验平台控制时电机转速5 0 图6 - 7 施耐德变频器控制时电机转速5 0 图6 8s p w m 调制时电机相电流波形5 1 图6 - 9s p w m 调制时电机线电压波形51 图6 1 0s p w m 调制时相电流谐波序列5 1 图6 11s v p w m 调制时相电流谐波序列5 1 图6 1 22 9 h z 时相电流振荡波形5 1 图6 1 3 电机运行时的v f 曲线一5 2 图6 1 44 2 7 5 h z 时相电流振荡波形5 2 图6 1 55 0 2 5 h z 时相电流振荡波形5 2 图6 1 67 9 5 h z 时相电流振荡波形5 2 图6 1 79 h z 时相电流振荡波形5 2 图6 182 9 h z 时电机转速的振荡5 3 图6 1 95 h z 的情况5 3 图6 2 08 h z 的情况5 3 表格清单 表2 1 三相电压型逆变器不同开关组合时交流侧相电压值1 2 表2 2 毛、厶与x 、y 和z 的对应关系表1 4 表3 1 电压源型和电流源型交一直一交变频器比较1 7 表3 2t l p 5 5 9 技术参数2 1 表4 1n 与扇区数s e c t o r 的对应关系表3 6 表5 1 空载试验数据表4 3 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 盒目巴王些盔堂 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已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：d 髟年彩_ 心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盘堂有关保留、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 权金壁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： 签字日期：og 年。伽i ! , - b 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 缸经 签字e 1 期：夕名年6 月t - 日 电话： 邮编： 致谢 在合肥工业大学浓厚的学术氛围中，我顺利地完成了硕士研究生阶段的学 业，并按时完成了我的硕士论文。在此，我谨向所有曾支持与帮助过我的老师、 同学和朋友致以深深的谢意! 首先，我最衷心地感谢我的导师杜世俊教授与李红梅教授，两位恩师严谨 的治学态度、活跃的学术思想、丰富的实践经验以及对知识不倦的追求精神不 仅让我在学业上跃上了一个新的台阶，更让我懂得了人生的许多道理，让我受 益终生。 从论文的选题到论文的整理、从论文详细审稿到最后定稿无不倾注了杜老 师与李老师的辛勤汗水，借此机会向两位老师表达我最诚挚的谢意和深深的祝 福! 特别感谢王晓晨老师，他在科研学习和日常生活中给了我很多的帮助和支 持。 此外，感谢实验室的李文生老师以及同师门的卢永尧、王建等同学，他们 对我的研究工作提出了很好的建议和意见；感谢我的父母，有了他们的鼓励和 支持，我才能够安心的完成学业，他们是我前进的精神动力。 最后，由衷地感谢各位评委在百忙之中抽出时间给我评审。 作者：赵振 2 0 0 8 年4 月 第一章绪论 1 1课题研究背景及意义 众所周知，交流电动机是非线性、强耦合的多变量系统，可控性较差，因 此过去在调速方面相对于直流电机而言一直处于调速性能不佳的状态。2 0 世纪 6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节能的要求，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，科学技术的迅速发展为交流调 速技术的发展创造了极为有力的技术条件和物质基础。其中电力电子器件的蓬 勃发展和迅速换代促进了交流技术的迅速发展和交流装置的现代化，而脉宽调 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 发挥了重大的作用。随之出现了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系 统，变频调速系统，无换相器电机调速系统等。 近年来交流调速系统中最活跃，发展最快的是变频调速技术，在国民经济 和日常生活中占据着越来越重要的地位。以s p w m 或s v p w m 为调制策略的逆变 器控制异步电动机传动系统运行于v 伪定值的变频调速系统最为常见，国内外 使用的大多变速驱动都是这种类型，尽管这个系统比较简单，但在变频调速运 行中常伴随有电机运行的质量问题，主要表现为系统在低频段轻载或空载情况 下运行时，异步电动机转速会出现持续振荡现象，影响了系统的运行质量和可 靠性【1 - 6 1 。 要解决上述问题不但要对异步电动机本体、控制策略进行研究，最主要的 还是要从系统的角度，从逆变器与异步电动机相匹配的角度来进行研究。针对 同一台异步电动机，在不同的控制策略下所表现出来的转速持续振荡现象不尽 相同【1 - 6 1 。而且，异步电动机在出厂之后所有的技术参数都已经成型，对其更改 的可能性很小、操作性也很不灵活。 要对异步电动机在变频调速下产生的转速持续振荡现象进行分析研究，首 先必须得有一个具有直观性、可操作性以及开放的环境下可多次开发控制策略 的变频调速系统实验平台。由于我国在变频调速方面的技术本来就不成熟，国 产大部分变频调速产品采用的控制芯片大都还是单片机，难以实现先进的控制 算法，只有小部分的产品采用数字信号处理器( d s p ) 来控制，逆变部分采用 分立元件，电路复杂，品种与质量不能满足要求 7 1 。国外的变频调速技术虽然 发展得比较成熟了，有的产品确实也能在一定程度上运用技术手段回避振荡的 发生，但其核心的控制算法都是专属的知识产权，对我国基本都是进行技术保 密的，并且国外现成的变频调速产品并不是具备允许自行开发多种控制策略的 开放性平台。综上所述，如果没有一个可实现多次开发的实验平台，不但很难 在实际的电动机传动系统中直观地对观测到的振荡现象进行表征，更不能为改 善和消除振荡问题开发出相应的控制策略。因此，为了分析研究异步电动机系 统的转速持续振荡现象，必须自行搭建一套既能直观地表征转速持续振荡现象， 又能根据实际需要实现控制算法多次开发的变频调速实验平台，这对于改善异 步电动机传动系统低频运行下的控制性能和实现变频调速先进控制理论和控制 策略的研究是十分必要和必须的。 1 2电力电子技术的发展 交流变频调速技术是建立在电力电子技术发展基础上，其关键器件之一的 变频器随着逆变器件的发展而发展 8 】。如2 0 世纪5 0 年代出现硅晶闸管s c r ，6 0 年代出现门极可关断晶闸管g t o ，7 0 年代出现晶体管g t r ( 也称b j t ) 和功率 场效应晶体管m o s f e t ，8 0 年代相继出现了绝缘栅双极型晶体管i g b t 和绝缘栅 双极型门控晶闸管i g c t ，9 0 年代出现智能功率模块i p m 。 g t o 是高电压大电流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大p j 。g t r 是 电流驱动器件，通态压降低，容量没有g t o 大，但功耗大，调制频率不高，噪 声大，现趋于淘汰中。m o s f e t 是电压型驱动器件，开关频率高，驱动功率小， 安全工作区广，但耐压不高。而i g b t 集g t r 和m o s f e t 的优点于一体，是目前 变频调速系统和通用变频器中使用最广泛的主流功率器件之一。i p m 是先进的 混合集成功率器件，由高速低耗的i g b t 和优化的门极驱动及保护电路构成，采 用了有电流传感器功能的i g b t ，能连续监控功率器件电流，从而实现高效的过 电流保护。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。 目前，i p m 以其可靠性高、用户使用方便等优点已赢得了越来越大的市场， 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。本文搭建 的试验平台硬件电路设计中选用了智能功率模块i p m 作为功率开关器件，不仅 简化了控制电路，而且提高了控制系统的可靠性。 1 3p w m 技术 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，适用于各类 交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重大的作用。所谓p w m 技术就是 利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实 现变频、变压并有效控制和消除谐波的一门技术，目前已成为逆变的主要控制 方式之一。p w m 控制技术的不同，全在于谐波控制的不同，大致可以分为三类， 连续p w m ( 包括电压、电流或磁通正弦为目标的各种p w m 方案，多重p w m 也 应归于此类) 、优化p w m 以及随机p w m 。连续p w m 已为人们所熟知，其旨在改 善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重p w m 技术，在大功率变频器 中有其独特的优势。而优化p w m 所追求的则是实现电流谐波畸变率( t h d ) 最 小、电压利用率最高、效率最优及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。目前 2 工程上最常用的三种p w m 形式为：正弦波对三角波脉宽调制的s p w m 控制、电 流滞环跟踪的c h p w m 控制和空间电压矢量s v p w m 控制【l 。 1 s p w m 技术 s p w m 法是从电源的角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的三相 正弦波电源。s p w m 波形的生成有许多方法，例如等效面积法、自然采样法、 规则采样法等等。三相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，是目前国内外的电机控制中应用最广的一种。该方法使得流入电动 机的电流谐波较少，电机振动小，其控制效果较好【1 1 1 ，相应的硬件和软件技术 比较成熟，但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。 2 电流追踪型p w m 技术 电流追踪型p w m 技术的基本思想是将一个正弦波定子电流给定信号和定 子电流实测信号相比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器开关器件的动 作使之减少，反之，则使之增加。电流轨迹追踪p w m 变频器通常由p w m 电压 源型变频器和电流控制环组成。 3 空间电压矢量s v p w m 空间电压矢量s v p w m 控制是一种新颖的脉宽调制方法，它并不局限于如 何使逆变器输出按正弦规律变化的电源，而是将逆变器和电机看成一个整体， 基于电压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的电压空间矢量， 建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量，并依据电机的定子磁链矢量与定 子电压之间的关系，直接达到控制电机的目的。 1 4d s p 芯片的发展及现状 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是一门涉及许多学科而又广泛应 用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速 发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。虽然数字信号处理的理 论发展迅速，但在2 0 世纪8 0 年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的 理论还得不到广泛的应用。直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初世界上第一片单片可 编程d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 芯片的诞生，才将理论研究结 果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的 微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信 号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点【l 2 j ： 1 在一个指令周期内可完成次乘法或一次加法； 2 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 3 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块r a m 中同时访问； 4 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件i 0 支持； 5 快速的中断处理和硬件支持； 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 7 可以并行执行多个操作； 8 支持流水线操作，使取值、译码和执行等操作可以重叠执行。 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美 国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑，这两种 芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公 司推出的p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。t i 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) ，t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 c 5 4 x c 5 5 x ) ， t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。 d s p 发展到今天，大致可按照三种不同的分类方式来归类： 第一，根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型分类分为静态d s p 芯片( 指在某时 钟频率范围内的任何时钟频率上，d s p 芯片都能正常工作，除计算速度 有变化外，没有性能的下降) 与一致性d s p 芯片( 指两种或两种以上的 d s p 芯片，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容) 。 第二，按数据格式分为定点d s p 芯片( 数据以定点格式工作) 与浮点d s p 芯片 ( 数据以浮点格式工作，不同浮点d s p 芯片所采用的浮点格式不完全一 样) 。 第三，按用途分为通用d s p 芯片与专用d s p 芯片。本文以t i 公司推出的电机控 制专用d s p 芯片为控制核心进行研究。 1 5 异步电动机的参数辨识 随着电机调速的发展，电机参数的重要性日益凸现。本论文设计的异步电 动机系统转速持续振荡的分析实验平台，究其目的虽然是能够展示异步电动机 系统的动态和静态性能，表征实际系统低频轻载运行时转速持续振荡的出现， 但是如果要实现系统转速持续振荡现象的控制，提高系统的运行质量和稳定性， 准确的电机参数辨识则成为一个重要前提条件u 3 | 。 异步电动机的参数包括定子电阻、转子电阻、定子漏抗、转子漏抗和激磁 阻抗。这些参数的确定，可以利用电机设计时的技术数据进行理论计算，也可 以通过实验的方法确定。但前者，不仅计算复杂，而且与实际有时存在较大的 误差；后者，虽然方法简单，但无法将各参数进行分离，为此常采用参数估算 或参数辨识的方法来分离参数【l 4 1 。 异步电动机参数的各种辨识方法简介如下： 1 ) 实验法 4 实验法其实就是利用堵转( 短路) 实验和空载实验来测定电动机分别在堵 转和空载状态下的电流、电压和功率，利用电动机的等效电路来计算所需要的 电动机参数。 2 ) 逐次逼近法l ”】 逐次逼近法是一种在异步电动机空载实验、堵转实验、负载实验的基础上， 通过对计算参数不断地修正，使理论计算值逐步收敛实际实验值的计算方法。 比起单纯进行实验测定法准确，但多了一个负载实验，并且须编程实现算法。 3 ) 定、转子漏抗分离法 在变频调速的异步电动机中，定、转子漏电抗是限制谐波电流的主要因素， 它们的数值决定了系统谐波电流的含量以及负载变化时电压调节的范围。然而 从空载、堵转试验不能分离定、转子漏抗，要实现定、转子漏抗的分离，最为 常用的三种方法归纳如下： a 经验估算法 根据经验，一般对大、中型异步电动机，取近似值五。= z 。= x r 2 ；对1 0 0 k w 以下的小型异步电动机，极数6 的异步电动机，取z 。= o 6 7 彳r ，极数8 的 异步电动机，取z 。= 0 5 7 x k 1 6 , 1 7 】。 b 额定值法 本方法建立在空载和堵转实验的基础，利用电动机额定数据和等效电路， 将定、转子漏电抗参数分离。本方法在异步电动机空载、堵转实验基础上，不 需再增任何额外实验，就可实现电动机定、转子漏抗的分离，原理简单，而且 与经验估计法相比具有较高的精度。 c 迭代最小二乘寻优法【l 引 迭代最小二乘寻优法是在异步电动机负载试验、空载和堵转试验的基础上， 再通过工频下异步电动机在不同转差下的工作特性实验获得一组已知数据，编 程建立目标函数，估算鼠笼型异步电动机t 型等效电路中的漏抗，将定、转子漏 电抗参数高精度地辨识出来。此种方法辨识分离出来的参数要比额定值法更精 确一些，但实验的工作量更大些，算法的编写也较额定值法复杂。 鉴于上述，论文中采用额定值法分离异步电动机的定、转子漏抗。 1 6本文的主要内容 本论文以目前比较先进的3 2 位数字信号处理器d s pt m s 3 2 0 f 2 81 2 和智能 功率模块( i p m ) 为硬件核心，以空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 为控制算 法，设计了旨在研究异步电动机系统转速持续振荡的全数字化变频调速实验平 台，针对一台1 5 k w 的异步电动机在此实验平台上完成了性能实验，并将所得 实验结果与施耐德变频器相同实验内容的结果进行了比较和分析。试验结果表 明：本论文设计的实验平台满足异步电动机变频调速系统的基本要求，具有开 放的环境，可作为异步电机闭环控制，不仅为异步电动机系统转速持续振荡现 象的分析提供了合理且实用的平台，还为改善和消除振荡而开展的振荡控制研 究提供了有力的保障。 全文共分为六章，主要内容安排如下： 第一章绪论。介绍了课题研究背景及意义，实验平台设计中相关电子器件和 理论技术的发展。 第二章变频调速原理及两种脉宽调制策略实现算法。介绍了正弦脉宽调制 ( s p w m ) 和空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 的原理和控制算法， 阐述了它们之间的区别和联系。 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 以t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 和i p m 为核心的变频调速实验平台的硬件设计。详细 分析了基于d s p 变频调速系统硬件的设计过程，介绍了各部分电路的工 作原理、参数计算以及其器件的选取依据。 以t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 为算法处理芯片的变频调速实验平台的软件设计。给 出了程序的流程框图，主程序、s p w m 和s v p w m 这两种脉宽调制p w m 波的实现程序、基于v b 6 0 实现p c 机与d s p 的串行通讯程序等。 异步电动机参数辨识方法。采用额定值法实现了异步电动机的定、转 子漏抗的分离，借助d s p 与光电编码器实现了转动惯量的确定。 实验结果。展示实验结果并对其进行分析和比较。 全文总结与展望。 6 第二章p w m 变频调速的基本原理及控制算法 2 1 引言 p w m 控制技术广泛应用于电气传动及能量变换控制系统中，所谓p w m 控 制技术就是利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压变成电压脉冲列，通 过控制电压脉冲的宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。 逆变电路是p w m 控制技术最为重要的应用场合。交流调速系统中的功率变换 目前应用最广的是电压型逆变器，正弦p w m ( s p w m ) 和空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 是应用最多的两种控制技术。本章将介绍这两种控制技术的原理 及其算法，而且分析了两种技术的直流电压利用率，以及它们的区别和联系。 2 2 变压变频调速的基本控制方式 交流异步电机的定子绕组的感应电动势的有效值e 。的计算为 1 2 ，1 9 】： e = 4 4 4 z m k 丸 ( 2 - 1 ) 式中，m 为定子每相绕组串联匝数，k 。为基波绕组系数，丸为每极气隙 磁通。将( 2 1 ) 式经过适当变换可得： 死= 鲁丽1 2 ， 异步电机绕组端电源电压玑与感应电动势巨的关系为： 虬= 巨+ l ，+ 肛 ( 2 - 3 ) 该式表示，电机绕组端的电源电压u 。，一部分产生感应电动势e 。，另一部 分则消耗在阻抗( 线圈电阻r 和漏电感x ) 上。其中定子电流，又分为两部分： 少数部分用于建立主磁场磁通丸，大部分用于产生电磁力带动机械负载。 为了得到较好的变频调速效果，解决好机械特性下降的问题，由式( 2 2 ) 可知，只要保证e z = 4 4 4 m k s 九= 常数，采用这种控制方法，在基频以下调 速时可以保证丸= 常数，从而保证了电机的输出转矩为常值，不失为一种较理 想的控制方法。虽然在实际操作中e 。的大小无法进行直接控制，但是由于在阻 抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压【，很小，可以近似地得到 阢= e ，即用加在绕组端的电源电压玑近似地代替巨，使得调节电压配跟随着 频率z 变化，以此达到保持磁通恒定不变之目的( 鬈z = u z = 常数) 。这就 是保持电机输出转矩恒定不变的恒压频比控制方法，也即所谓的v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 2 0 】。 本章中介绍的两种p w m 波实现方案，调速的原理都是保持磁通恒定的变 压变频( v v v f ) 控制，异步电动机就是调速的控制对象。 7 2 3正弦脉宽调制( s p w m ) 原理与算法 2 3 1电压s p w m 调制原理 1 9 6 4 年，德国的a s h o n u n g 将通信中的调制技术创造性地运用到交流传动 中来，由此产生了正弦脉宽调制变压变频的控制理论。目前主要应用的p w m 调制法可分为三大类：电压s p w m 、电流s p w m 和磁链s p w m ( 即空间电压 矢量s v p w m ) 【2 1 1 。本小节就电压s p w m 调制法作简要介绍：电压s p w m 脉 冲宽度调制技术，顾名思义就是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直 流电压变成电压正弦波的输出，实现变压、变频控制并且可以较好的消除谐波。 s p w m ( 正弦脉宽调制波) 是将正弦波变成宽度渐变的脉冲波，其中的脉 冲波的宽度变化规律完全符合正弦的变化规律【2 2 1 。正弦脉宽调制方法也叫三角 波调制法，产生原理是采用一组等腰三角形波信号( 载波) 与正弦波信号( 调 制波) 通过比较器进行比较，其交点时刻作为开关管的导通和关闭时刻，当调 制波( 正弦波) 大于载波( 三角波) 时，逆变桥的开关管导通，反之，则关断， 逆变器就产生一组等幅不等宽的脉冲序列。正弦波的频率和幅值是可控的，只 要改变正弦波的频率，就可以改变输出脉冲的频率，从而改变电机的转速；改 变正弦波的幅值，它与三角波的交点发生改变，使输出的逆变脉冲序列的宽度 发生变化，从而改变输出脉冲的电压，其s p w m 生成的原理如图2 1 所示，通 过生成的s p w m 信号来控制逆变器的开关管从而实现电机的变频调速。由此可 矢玎，调速系统的关键在于如何实时地获得s p w m 开关信号，这就需要对其建立 数学模型。建立数学模型的方法主要有：谐波消去法、等面积法和采样型s p w m 法以及由此派生出的其他算法。 开时 l目列彼载波 删 。 陬八厅八肛一 j vvv k u u 一t v 一 s p 、 一 t 关爵萎0 图2 1s p w m 波的生成方法 波 2 3 2 s p w m 调制技术 下面我们介绍采样型s p w m 法，而采样型s p w m 又有多种实现方案：自 然采样法、对称规则采样法、不对称规则采样法。由于求解脉冲宽度时需要解 超越方程，求解费时较长，实时性差，而规则采样法易于实现，并且在采样频 率很高的情况下可以代替自然采样法，故工程应用中常采用规则采样法。 自然采样法 9 jl r c 冉i u t i s in ( ( i ) t ) f i 尊l p 兰够 ；v f 7 8l 瓜l ，ia t lt 2l t - o n lt - o n 2 一 ot - o 翩 一0 m t 图2 - 3 不对称规则采样法生成s p w m 波 2 4 空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 的原理及算法 上一节介绍了s p w m 的控制算法中的规则采样法，这仅仅是从电源的角度 出发，得到的一个输出频率和电压可调且三相对称的正弦供电电源。运用此方 法实现电机的变频控制，虽然数学模型简单、控制性能较好、便于实现、同时 又在一定程度上解决了谐波分量等问题，但在控制过程中受到调制度m 的限制 ( m l 时会出现过调制现象) ，使得电压的利用率较低。为了提高电 压的利用率，人们引入了三次谐波注入法等技术，让调制度m l ，同时又不 出现过调制现象，但这些方法只是出于一种补救的目的，并没有从根本上解决 问题a 自从德国学者h w v h n d e rb r o e c k 等人提出了空间矢量脉宽调制技术 ( s 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 ) 以来，s v p w m 技术在交流 调速系统中得到了广泛的应用。s v p w m 技术是一种优化的p w m 方法，将逆 变器和交流电机视为一个整体，其数学模型是建立在电机统一理论和电机坐标 轴系变换理论的基础之上，数学模型简单、直观，便于实时控制。s v p w m 能 明显减少逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低转矩脉动，输出 的最大基波相电压幅值比传统的正弦波p w m 提高1 1 5 倍，这种技术控制简洁， 数字化实现方便。 2 4 。1 电压空间矢量与磁链矢量的关系 当用三相平衡的正弦电压向交流电动机供电时，电动机的定子磁链空间矢 琶幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场( 磁 笔圆) 。因此如果有一种方法使逆变电路能向交流电动机提供可变频电源、并能 ；证电动机形成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频调速。 电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。电动机的三相 子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，这是一个特殊的坐标系，它有三 油，相互间隔1 2 0 。，分别代表三个相。兰相定子相电压u 。，以，坼的方向 l o 始终在各相的轴线上，大小则随时间按正弦规律变化。因此，三个相电压空间 矢量相加所形成的一个合成电压空间矢量u 是一个以电源角频率0 9 速度旋转的 空间矢量。 u = u + + “c ( 2 4 ) 同样也可以定义电流和磁链的空间矢量i 和沙。因此有： “：彤+ 坐( 2 5 ) d f 当转速不是很低时，定子电阻r 的压降相对较小，上式可化简为： d 沙 u = = j o d t 或y = i “出 ( 2 6 ) 因为沙= g m e 皿 ( 2 - 7 ) 所以“= d ( _ g z 厂e j 埘) = 缈g z m e j 硝= c o g e “册砟) ( 2 8 ) 该式说明，当磁链幅值一定时，u 的大小与国成正比，或者说供电电压 与频率成正比，其方向是磁链圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周 时，电压矢量也就连续地按磁链圆的切线方向运动2 z r 弧度，其运动轨迹与磁链 圆重合。这样，电动机旋转磁场的形状问题就可以转化为电压空间矢量运动轨 迹的形状问题来讨论。 2 4 2 基本电压空间矢量 图2 4 是一个典型的电压型p w m 逆变器。利用这种逆变器功率开关管的 开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形运行轨 迹为目标，就可以产生谐波较少、且直流电源电压利用率较高的输出。 l 。 l l v 划v a ， j l 态 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 讣猎 n 上 整流 t 1 图2 - 4 三相电压型逆变器原理图 图2 5 中的k 一圪是6 个功率开关管，、s 、母分别代表3 个桥臂的开 关状态。规定：当上桥臂开关管“开”状态时( 此时下桥臂开关管必然是“关 状态) ，开关状态为1 ；当下桥臂开关管“开状态时( 此时上桥臂开关管必然 是“关 状态) ，开关状态为0 ，三个桥臂只有“1 ”或“0 ”两种状态。当最、 最、足取不同值( 1 或o ) 时，即不同开关组合时的交流侧相电压值，如表2 1 所示，其中“出是直流电源电压，也称为总线电压。 表2 1 三相电压型逆变器不同开关组合时交流侧相电压值 s ds bs cu bu x ooo0oo 112 o o1 一了 一- - 4 u d c- - 4 u a c j) 121 olo 一j - 4 u a c 。- 4 u a o jj 211 o11 一：u d c ： ：“d c玩 jjj 2l1 1oo ：“如 。- - 4 u a c- - 4 u , t c jjj 111 1o1 4 u a c- 4 u a c- 4 u a c 氓 jjj 111 110 ：“如 - 4 u , 如： jjj 1110o0阢 分析表2 1 不难发现，三相电压型逆变器不同开关组合时的交流侧电压可 以用一个模为亏2 的空间电压矢量在复平面上表示出来，由于三相电压型逆变 器开关的有限组合，因而其空间电压矢量只有2 3 = 8 条。其中，u o ( 0o0 ) 、阢 ( 111 ) 由于模为零而称为零矢量。这8 条空间电压矢量称为基本空间电压矢 量，它们把复平面分为6 个扇区，如图2 - 5 所示。 文 图2 - 5 基本空l 司电压矢量 显然，某一开关组合就对应一条基本空间矢量，该开关组合时的、 玑即为该电压空间矢量在三个坐标轴( a ，b ，c ) 上的投影。 因此，复平面上逆变器基本空间电压矢量u 可定义为： q 一- - 二4 “出( 疋+ s h e 挖扪+ 疋p 一2 彬) ( f o ，7 ) ( 2 - 9 ) 如果在某一个开关周期内，需要调制的三相电压型逆变器交流侧相电压 1 2 叽、u c ( 或对应的口、分量、“。) ，则其对应的电压空间矢量也就确 定了。我们可以用三条基本电压空间矢量( 包括一条零矢量) 来合成这条给定 的电压空间矢量。如何合成呢? 首先要确定该矢量所在的扇区，然后计算包围 此扇区的两条基本矢量和零矢量在一个开关周期内分别作用的时间，最后确定 这三条基本矢量作用的顺序。 举例来说，如果给定参考电压矢量【厂。位于扇区i 内，那么u 。可用基本空间 矢量u 和以来合成。有如下等式： r=互+互+ro(2-10) u ，= ( r , r ) u + ( 乏丁) 上式中互和乃分别是在一个开关周期时间t 中巧和k 各自的作用时间，r o 是零矢量的作用时间。 因为u ，在口、轴上的分量、“。应分别等于( r , l r ) u , 在历、轴上的分 量和( 正i t ) u 2 在口、轴上的分量之和，所以有： = 事l u , i + 弘l c o s 6 0 。 ( 2 1 1 ) = - 事l u ：l s i n 6 0 。 根据三相电压型逆变器的原理，当直流侧电压为时，交流侧可产生的最 大线电压为，也就是说，可n _ ti l l i b l 的最大相电压为。我们以可n _ t i j l 匍j 的最大相电压为基准，其它的电压，如、l u i 、1 l ，都取相对于百1 的 标么值( 归一化) 。因为所有基本空间矢量的幅值都为2 u 出3 ，归一化后为， 所以( 2 1 0 ) 可化简为： 肛吾( 佤口，) ( 2 - 1 2 ) 【互= 为方便计算，取乐互与周期t 的比值、乞，有： 卜事= 丢( 民) ( 2 - 13 卜芋砷 以上推导了需调制的空间矢量u 。在扇区i 中各基本矢量作用时间的计算公 式。同理可推导出u 。在其它扇区中各基本矢量作用时间，这里不一一赘述。我 们对这些结果做了总结，可得到表2 2 ，该表列出了调制电压矢量在6 个扇区中 各基本矢量作用的时间占一个开关周期的比率。 间。 扇区 u 、彰、彰u 、以u 、玑玑、u 一zyxzyx 乞 xzyxzy 表中，变量x 、y 、z 定义如下： x = u o y = 丢( 厄一声) ( 2 - 1 4 ) z = 三( 一、f 3 u a + u p ) 有了表2 2 就能方便的计算出每一个扇区中各空间电压基本矢量的作用时 2 5s p w m 与s v p w m 的比较 规则采样s p w m 和s v p w m 是目前v v v f 变频器常用的p w m 方法，本文