（电力电子与电力传动专业论文）变频器并联运行的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y m a n yf i e l d sh a v ea ni n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fs p e e d r e g u l a t i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h em o t o r h o w e v e r p a r a l l e li n v e r t e rc a nn o to n l ye n h a n c et h e c a p a c i t yb u ta l s og r e a t l yi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m i ta n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fp a r a l l e li n v e r t e r e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p a r a l l e li n v e r t e r a n dr e s e a r c h e dt h e c i r c u l a t i n gc u r r e n t o fp a r a l l e l i n v e r t e r t h r o u g h s i m u l a t i o n i ti n t e r p r e t e dt h er e l a t i o nb e t w e e nc i r c u l a t i n gc u r r e n ta n da m p l i t u d ed i f f e r e n c e p h a s ed i f f e r e n c e f r e q u e n c yd i f f e r e n c ew h i l ei n v e r t e r sw o r k e di np a r a l l e l i m c i n t e r n a lm o d e lc o n t r 0 1 t e c h n o l o g yw a ss t u d i e d a n dt h es t a t o rc u r r e n td e c o u p l i n g c o n t r o lo fi n d u c t i o n m o t o rw a sr e a l i z e db yt h ei m ct e c h n o l o g y t h er e s u l to fs i m u l a t i o n i n d i c a t e dt h a ti m ch a sag o o dt r a c e a b i l i t yo ft h ec u r r e n te v e nt h o u g ht h ep a r a m e t e ri sn o t a c c u r a t e l ye s t i m a t e d t h em e t h o do fp a r a l l e li n v e r t e rw a sd e s i g n e db a s e do ni m c a n dt h ec u r r e n tl o o p f l u x l o o p s p e e dl o o p s p e e ds e n s o r l e s sa n dl cf i l t e r sw e r ed e s i g n e d a n dt h e nt h es i m u l a t i o n m o d e lo fp a r a l l e li n v e r t e rw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h em e t h o d t h er e s u l to fs i m u l a t i o n e x p l a i n e dt h a tt h em e t h o dn o to n l yh a sav e r yg o o dr e s t r a i n to fc i r c u l a t i n gc u r r e n t b u ta l s o h a sav e r yg o o dp e r f o r m a n c eo ft h em o t o r s p e e dr e g u l a t i o n i te s t a b l i s h e dt h e e x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo fp a r a l l e li n v e r t e r d e s i g n e dt h ec o n t r o l c i r c u i t r ya n dd s ps o f t w a r e a n ds h o w e dt h ew a v e f o r mo fe x p e r i m e n ta t5 0 h z 4 0 h za n d 2 0 h z t h er e s u l to f e x p e r i m e n tw a ss a t i s f y i n ga n di tp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d k e yw o r d p a r a l l e li n v e r t e r i n t e m a lm o d e lc o n t r o l c i r c u l a t i n gc u r r e n tr e s t r a i n i n g m o t o r s p e e dr e g u l a t i o n d s p 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行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 也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料 其他人员对本学位论文所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 作者签名 罩圭堡垒 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档 有权送 交给有资质的信息档案机构存档 除在保密期内的保密论文外 本论 文允许被查阅和借阅 可以公布论文的全部或部分内容 上述事项授 权南京理工大学研究生院办理 作者签名卫圭堡曼 硕士论文变频器并联运行的研究 1 绪论 1 1 变频调速的发展 电动机作为主要的动力设备广泛的应用于工农业生产 国防 科技及社会生活等各 个方面 其耗电约占总发电量的6 0 7 0 电动机按照供电电源的不同 分为直流电 动机和交流电动机 由这两种电动机作为动力源的传动系统 先后诞生于1 9 世纪 距 今已有1 0 0 多年的历史 并成为动力机械的主要驱动装置 但是由于技术上的原因 在 很长一段时间内 占整个电力拖动系统8 0 左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动 机 而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机 但是 由于结构上的原因 直流电动机存在以下缺点 1 需要定期更换电刷和换向器 维护保养困难 寿命较短 2 由于直流电动机存在换向火花 难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境 3 结构复杂 难以制造大容量 高转速和高电压的直流电动机 而与直流电动机相比 交流电动机则具有以下优点 1 结构坚固工作可靠 易于维护保养 2 不存在换向火花 可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境 3 容易制造出大容量 高转速和高电压的交流电动机 因此 很久以来 人们希望在很多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电 动机 并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作 随着电力电子技术 的发展 2 0 世纪7 0 年代后期 作为交流调速系统中心的变频技术得到了显著的发展 并逐渐进入实用阶段 发展变频驱动技术的最初目的是为了节能 但是随着电力电子技 术 微电子技术和控制理论的发展 电力半导体器件和微处理器的性能不断提高 变频 驱动技术也得到了显著发展 随着各种复杂控制技术在变频技术中的应用 变频器的性 能不断得到提高 而且应用范围也越来越广 目前变频器不但在传统的电力拖动系统中 得到了广泛应用 而且几乎扩展到了工业生产的所有领域 并且在空调 洗衣机 电冰 箱等家电产品中也得到了广泛应用 交流电机变频调速经历近3 0 年的发展及应用 已逐步被人们接受并成为当代电机 调速的主流 由于变频器体积小 重量轻 精度高 工艺先进 功能丰富 保护齐全 可靠性高 操作简便 通用性强 易形成闭环控制等优点 它优于以往的任何调速方式 如变极调速 调压调速 滑差调速 串级调速 整流子电机调速 液力耦合调速等 因 而深受各个行业的欢迎 由于交流笼型电机没有直流电机的滑环和炭刷 极大的提高了 系统可靠性和扩大了应用领域 它逐渐地替代了直流调速 l 捌 1 绪论 硕士论文 1 2 变频器基本原理 变频器的发展已经有数十年的历史 变频器的种类也很多 其内部结构也各有不同 但是目前主流的变频器都有着图1 2 1 所示的基本结构 主要由整流电路 直流中间电 路和逆变电路三部分以及有关的控制电路组成 频率和电压 图1 2 1 变频器的基本结构 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成 它的主要作用是对工频的外 部电源进行整流 并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源 整流电路按其控制 方式可以是直流电压源也可以是直流电流源 在电压型变频器中整流电路的作用则相当 于一个直流电压源 而在电流型变频器中整流电路的作用相当于一个直流电流源 根据 所用整流元器件的不同 整流电路也有多种形式 如二极管整流电路 晶闸管整流电路 晶体管和i g b t 整流电路 利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流 但是这种电压或电 流含有频率为电源频率六倍电压或电流纹波 此外变频器逆变电路也将因为输出和载频 等原因而产生纹波电压和电流并反过来影响直流电压或电流的质量 因此为了保证逆变 电路和控制电源能够得到较高质量的电流或电压 必须对整流电路的输出进行平滑减少 电压或电流的波动 这就是直流中间电路的作用 所以直流中间电路也称为平滑电路 当整流电路是电压源时直流中间电路的主要元器件是大容量的电解电容 而整流电路是 电流源时平滑电路则主要由大容量电感组成 此外由于电动机制动的需要 在直流中间 电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路 逆变电路是变频器最主要的部分之一 它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑 电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源 逆变电路的输出就是变 频器的输出 它被用来实现对异步电动机的调速控制 变频器的控制电路包括主控制电路 信号检测电路 门极驱动电路 外部接口电路 以及保护电路等几个部分 也是变频器的核心部分 控制电路的优劣决定了变频器性能 的优劣 控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路 使运算电路 能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极驱动信号 并对变频器以及异步电动机提 供必要的保护 此外 控制电路还通过a d d a 等外部接口电路接收 发送多种形式 2 硕士论文 变频器并联运行的研究 的外部信号和给出系统内部工作状态 以便使变频器能够和外部设备配合进行高性能的 配置 4 訇 1 3 交流电源并联常用的方法 变频调速是为了适应交流电动机调速发展起来的 随着现代科学技术的发展 交流 电动机的容量越来越大 型号越来越多 仅仅依靠单台变频器已经不能满足各种型号电 动机的需求 而且由于受功率开关管的功率等级限制 单台变频器的容量是有限的 所 以不能满足大功率电动机的需求 解决这个问题的办法就是采用变频器并联技术 变频器并联运行主要有以下三个好 处 第一 可以用来灵活的扩大调速系统的容量 第二 可以组成并联冗余系统以提高 运行的可靠性 第三 具有极高的系统可维修性能 在单台变频器出现故障时 可以很 方便的进行热插拔更换或维修 所以在大容量 高可靠性的场合 变频器并联技术有着 巨大的优势 变频器的输出电压是幅值和频率可调的交流电 所以变频器并联属于交流电源并联 的范畴 目前交流电源的并联控制方法经历了集中式控制 主从式控制 分布式控制的 发展过程 控制手段也从早期的模拟控制发展到现在的数字控制 使控制系统的精度 动态响应 灵活性和负载适应性得到了很大的提甜7 9 1 近年来又出现了无互连线的并 联控制方案 使整个电源系统向分布式系统发展 真正实现电源的模块化 智能化和高 每 可靠性 1 3 1 集中式控制 在交流电源并联技术发展的早期 一般采用带有集中控制器的电源并联集中控制方 法 如图1 3 1 1 所示 集中控制的特点是存在着一个集中控制器 该控制器的锁相环 电路用于保证各模块输出电压频率和相位与同步信号相同 同时并联控制单元还负责检 测总负载电流 将负载电流 除以并联单元的个数n 作为各台交流电源的电流指令 同时各台交流电源检测自身的实际输出电流 求出电流偏差 假设各并联模块单元每一 个同步信号控制时输出电压频率和相位偏差不大 可以认为各并联单元的输出电流偏差 是由电压幅值的不一致而引起的 这种控制方式把电流偏差作为参考电压的补偿量引入 各电源模块 用于消除输出电流的不均衡 l 绪论 硕士论文 l 1 r 图1 3 1 1 集中式控制 集中控制方式比较简单 易于实现 且均流效果较好 但是 集中控制器的存在使 得系统的可靠性有所下降 一旦控制器发生故障将导致整个供电系统的崩溃 所以 集 中控制式并联系统的可靠性不高 1 0 1 3 2 主从式控制 由于集中控制方式中的集中控制器一旦出现故障而不能正常工作时 整个并联系统 将处于瘫痪状态 使系统可靠性降低 为了解决集中控制方式的缺点 提出了主从控制 方式 主从控制方式是通过一定的逻辑选择来确定一台模块作为主机 当主机退出系统 时 一台从机自动的切换为主机 执行主机的控制功能 r 图1 3 2 1 主从式控制 这种控制方法的原理与集中控制是一样的 只是避免了由于主控制器出现故障时整 个系统的崩溃 因此 提高了系统的可靠性 在一些主从控制并联系统中 正常运行时 只有主机存在电压闭环控制 从机内部没有电压闭环 从机接收主机的电压环输出信号 作为电流环的电流指令 因此从机中只有电流环起作用 主机是电压控制型电源 而从 4 硕士论文 变频器并联运行的研究 机是电流控制型电源 主从控制方式中还有以并联交流电源的输出功率特性为基础 利 用有功和无功来调整各电源输出电压的相位和幅值来实现各电源的同步并联运行 主从 控制方式解决了集中控制器出现故障引起整个系统崩溃的问题 但是由于存在主从切换 的问题 因此 主从控制中确定主机的逻辑选择方法至关重要 直接影响系统的可靠性 一旦主从切换失败 必将导致系统的瘫痪 1 2 1 5 1 3 3 分布式控制 为了实现交流电源的真正冗余 即并联系统中每一台电源模块的运行都不依赖于其 它电源模块 各模块单元在并联系统中地位相同 没有主次之分 于是提出了分布式并 联控制方式 在分布式并联系统中 各台电源模块的地位是相等的 当检测到某台电源 发生故障时 可以控制该电源模块自动退出系统 而其余的电源模块不受影响 分布式 控制的并联系统解决了集中控制和主从控制中存在的可靠性差的缺点 使并联系统的可 靠性大大的提高 同时 该分布式并联控制方式具有控制原理简单 易于实现 均流效 果好等特点 在并联台数不多的情况下采用这种方式比较实用 r 图1 3 3 1 分布式控制 分布式控制方案虽然可以使系统以较高的可靠性运行 但是随着并联系统中电源台 数的增加 各电源之间的互连线增多 将使整个系统变得复杂 同时 随着各台电源之 间距离的增大 使得它们之间的互连线增长 均流信号容易引入干扰 降低了系统的可 靠性 尤其是采用模拟控制时 由于连线距离较远 干扰更为严重 因此 有些公司专 门研制了采用光纤进行通讯的完全无电气互连线的并联方式 提高了分布式并联系统的 可靠性 但同时也增加了系统的成本 使控制系统更加复杂 1 6 1 8 1 1 3 4 无连线式控制 为了减少交流电源之间的连线 近年来一些专家学者提出了无互联线式的电源并联 s l 绪论 硕士论文 系统 该并联均流控制是基于交流电源输出电压和频率的外下垂特性实现的 这种思想 来源于电力系统的并网运行 假设并联系统中各台电源的相位 幅值相差较小时 并联 系统的有功环流跟相位差有关 而无功环流跟幅值差有关 利用电源输出的下垂特性 各台电源以自身的有功和无功功率为依据 调整自身输出电压的频率和幅值以达到各台 电源的并联稳定运行 1 9 2 2 1 图1 3 4 1 无互连线式控制 该控制方式的最大优点就是各模块之间不需要信号的传输 完全依赖自身的算法实 现自动均流 特别适用于多模块和不同功率等级的交流电源并联 但是采用这种控制方 法时 要求电源的输出特性必须设计为软特性 即输出电压和频率随着负载大小而变化 而且使并联系统在非线性负载下和动态过程中的均流效果变差 实现算法也十分复杂 1 4 课题主要内容 本文总共分七章 第一章为绪论 第二章为变频器并联运行分析 主要分析变频器并联的原理 建立变频器并联的数 学模型 研究变频器的环流特性 并通过仿真来研究变频器并联的环流特性 第三章为感应电动机的内模控制技术 主要分析了异步电动机的数学模型 研究了 内模控制的原理 实现了感应电动机定子电流内模解耦控制 通过仿真分析说明了内模 控制的优越性 第四章为基于内模控制的变频器并联方案的设计 首先提出并联方案的总体设计 6 硕士论文变频器并联运行的研究 接着分别设计了电流环 磁链环 转速环 无速度传感器 输出滤波器 第五章为变频器并联的仿真研究 根据第四章所设计的方案建立变频器并联的模 型 通过仿真分析验证控制方案的可行性 第六章为变频器并联系统的设计与实验 首先设计了控制电路和d s p 控制软件 其次以两台变频器并联进行实验 给出实验结果 第七章为总结与展望 对全文进行总结概括 并提出展望 7 2 变频器并联运行分析 硕士论文 2 变频器并联运行分析 2 1 变频器并联运行的基本原理 由于变频器并联运行组成的是交流调速系统 各变频器输出为三相交流电 因而 它们之间的并联要比直流电源的并联运行复杂得多 首先要说明的一点就是变频器的输出电压波形为s p w m 波 异步电机是感性负载 所以单台变频器可以直接带电机 但是变频器却不能直接并联 因为当变频器并联运行 时 如果驱动信号稍有差异 就可能会产生某些瞬间一台变频器的上管导通 另一台变 频器下管导通 如图2 1 1 所示 如果i g b t l 和i g b t 2 同时导通 则直流电源通过i g b t l 和i g b t 2 构成回路 此时两台变频器的电压差 u 为直流侧电压 而并联支路的电阻仅 为导线电阻 其值很小 所以必然会产生很大的冲击电流 进而烧坏变频器 图2 1 1 变频器并联结构图 由于控制电路的一些原因 使得两台变频器的驱动信号不可能完全一致 所以变频 器输出端必须加滤波器后才能进行并联 当变频器接入滤波器后 输出波形近似为正弦波 这样变频器并联就相当于交流电 源并联运行 所以要实现两台或多台变频器的并联运行 要求它们输出电压的相位 幅 值 频率必须相同 即 1 2 u u 石 以 式中 u f 分别为变频器 输出电压的相位 幅值 频率 当各变频器的输出电压幅值 频率相等 相位一致时电 压差为零 并联工作为最理想状态 但是 在实际的变频器并联系统中 由于变频器参 数的差异或由于控制系统的固有特性问题 各个变频器之间的输出电压的瞬时值往往不 8 硕士论文 变频器并联运行的研究 可能完全相等 这样 势必存在一定的电压差 从而在系统内部形成环流 而环流对于 各变频器的功率器件有一定的破坏影响 因而 在变频器并联运行系统中 必须解决均 流控制问题 2 2 并联运行的数学模型 变频器并联是用来驱动感应电动机的 而根据电机学理论 感应电动机的等效模型 如图2 2 1 所示 2 3 1 图2 2 1 感应电机t 形等值电路 其中 为定子电阻 x 口l 为定子电抗 以为折合到定子侧的转子电阻 x 二2 为折合 到定子侧的转子电抗 为铁耗等值电阻 x m 为励磁电抗 图2 2 1 可以简化为图2 2 2 的串联等值电路 其中 吃 衄益告1 辫 2 警i x d x一2 v m s m 口 骆垃监告黠 s j4 等ix i x 02 厂2 9 2 变频器并联运行分析 硕士论文 其中r r 2 x k l 以2 图2 2 3 简化模型 根据感应电机的简化模型 建立变频器并联的模型 以两台变频器为例 可以得到 如图2 2 4 所示的模型 z 1 z 2 图2 2 4 变频器并联模型 其中z o r z l z 2 分别为两台变频器的等效输出阻抗 2 3 环流分析 2 3 1 环流产生原因 由图2 2 4 列出方程式 1 0 对于两台变频器并联 定义环流 k 五7 毛 降一剥 由式 2 2 可将变频器并联运行时环流产生的原因归为三类 2 1 2 2 一 一乙一一一乙 i l 厶 厶 j l 硕士论文 变频器并联运行的研究 1 两台变频器的空载输出电压不同 输出阻抗也不同 即u l u 2 z l z 2 此时环 流为 ll t i l 一卦三皖睦一翔 旺3 这种情况下环流分为两部分 第一部分是由于两台变频器空载输出电压和等效输出 阻抗造成的 第二部分是由于两台变频器等效输出阻抗不一致造成的 2 两台变频器的空载输出电压相同 输出阻抗不同 即u u 2 u z z 2 此时 环流为 三 江皖姥一乏1 互1 玩匕一壶 2 舢 这种情况下环流与电压差 砜和两台变频器输出阻抗相关 环流大小与两台变频 器输出阻抗的倒数差成正比 式 2 4 也表明 对于变频器并联系统 如果各模块输出阻 抗不同 即使各模块空载输出电压相同 环流仍然存在 3 两台变频器的空载输出电压不同 输出阻抗相同 即u i u z i z 2 z 此时 环流为 去 邑一沅 西a u 眨5 这种情况下环流与两台变频器空载输出电压差 u 成正比 与变频器输出阻抗成反 比 在电路元器件误差不是很大的情况下 一般可认为各并联模块输出阻抗是一致的 因此只讨论第三种情况下的环流情况 由式 2 5 看出由于z 仅仅为线路阻抗 其值非常小 所以两台变频器输出电压矢量 在相位 幅值上有所差异时就会在各变频器的输出端形成较大的电流 这一电流不经过 负载而在变频器之间形成环流 环流较大时极易损坏变频器 必须加以控制 2 4 之7 2 3 2 环流的数学分析 假设变频器的输出电压经过滤波器后得到的是正弦波 并且三相对称 只看其中一 相 设两台变频器的彳相输出电压幅值分别为彳j 么2 相位差为 p 那么可以得到以 下公式 擘2 a 1 s i n c o t 功 2 6 i u 2 4 s i n o o t 2 变频器并联运行分析 硕士论文 那么电压差为 a u u t u 2 4s i n c a t c o s a a c o s o x s i n a 吁 一4s i n o x 2 7 由于a q i 4 所以有 c o s a 呼o 1 s i n a 矽 矽 于是式 2 7 简化为 a u a i a 2 s i n c a t a 缈 a l c o s o j t 2 8 所以 j a u a t a 2 s i n c a t a 呼o a t c o s c o t 2 9 2 么2 么z 么 从式 2 9 中可以看到环流也是正弦量 它有两部分组成 一部分是由于电压的 幅值差异所造成 另一部分是由电压的相位差所造成 下面分别进行讨论 1 幅值不同 相位相同 此时环流的表达式为 i 4 1 a r 2 s i n c o t 2 1 空载 阻性负载和感性负载对应的矢量图分别如图2 3 2 1 2 3 2 2 2 3 2 3 所示 2 1 2 图2 3 2 1 空载矢量图 图2 3 2 2 阻性负载矢量图 硕士论文变频器并联运行的研究 图2 3 2 3 感性负载矢量图 空载时两台变频器的输出电流幅值相等相位相差1 8 0 0 输出电压幅值大的发出有 功功率 承担感性无功功率 幅值小的吸收有功功率 承担容性无功功率 带阻性负载 时对于输出电压幅值较大的变频器和幅值较小的变频器 前者的输出电流幅值大于后 者 但前者输出电流相位滞后于后者 两者都发出有功功率 但前者承担更多的有功功 率 前者承担感性无功功率 后者承担容性无功功率 带感性负载时对于输出电压幅值 较大的变频器和幅值较小的变频器 两者输出电流幅值和相位关系与阻性负载时相同 两者同时发出有功功率和承担感性无功功率 前者承担更多的感性无功功率 2 幅值相同 相位不同 此时环流的表达式为 j 日 a a i 4 c 厂o s c o t 2 1 1 二厶 空载 阻性负载和感性负载对应的矢量图分别如图2 3 2 4 2 3 2 5 2 3 2 6 所示 图2 3 2 4 空载矢量图 图2 3 2 5 阻性负载矢量图 2 变频器并联运行分析 硕士论文 图2 3 2 6 感性负载矢量图 空载时电流幅值相等 相位相差1 8 0 0 相位超前者发出有功功率 承担容性无功 功率 滞后者吸收有功功率 承担感性无功功率 带阻性负载时对于输出电压相位超前 的变频器和相位滞后的变频器 前者的输出电流幅值大于后者的输出电流幅值 同时前 者输出电流相位超前于后者输出电流相位 两者都发出有功功率 但前者承担更多的有 功功率 前者承担容性无功功率 后者承担感性无功功率 带感性负载时对于相位超前 和相位滞后的变频器 两者输出电流幅值和相位关系与阻性负载时相同 前者发出正有 功功率 后者可能发出 比前者小 也可能吸收有功功率 两者都承担感性无功功率 无功 功率关系不确定 2 3 3 多台并联分析 对于两台变频器并联的情况 环流只能从一台变频器流到另一台变频器 所以两台 变频器的环流大小相同 但是对于多台变频器并联的情况 环流在各台变频器之间相互 流动 每台变频器的环流都是各不相同 所以多台变频器并联时环流比较复杂 可以这 样定义环流 i n j 厶一旦 2 1 2 刀 其中 胁为第 台变频器的环流 为第f 台变频器的输出电流 刀为变频器的并联台数 左为感应电机的定子电流 i o 二 一 在分析多台变频器并联的环流时 可以采用叠加定理 当求其中一台变频器的环流 时 可以利用式 2 9 分别求出这台变频器和其它各台变频器之间的环流 然后相加 便得到该变频器的环流 2 4 环流的仿真分析 通过上面的分析 变频器并联运行时微小的相位 幅值和频率差都会带来很大的环 1 4 硕士论文 变频器并联运行的研究 流 如果不加以抑制 必然会损坏变频器 下面通过仿真来说明由于幅值 相位和频率 差异而带来的环流 由于本文要做大量仿真研究 所以为了方便后面的仿真分析 先给出感应电动机的 仿真参数 各仿真参数如下 额定电压2 2 0 v 额定频率5 0 h z 定子电阻r 0 4 3 5 q 定子电感厶 7 1 3 1 x1 0 3 h 转子电阻r o 8 1 6 f 2 转子电感厶 7 1 3 1 x 1 0 3 h 互感瓦 6 9 3 1 x 1 0 一h 极对数已 l 转动惯量j 0 1 堙 m 2 仿真模型如如图2 4 1 所示 载波频率取3 k h z 滤波器参数为l i m h c 2 5 u f 设计方法见4 6 小节 变频器的输出频率为5 0 h z 仿真波形如下 0 0 当 1 图2 4 1变频器并联的环流分析模型 图2 4 2 变频器输出电压波形 1 5 2 变频器并联运行分析 硕士论文 1 6 图2 4 3 滤波器输出电压波形 舡 趾敬凇二艇一融 趾投撒 肝一 i i i in n n 门门n n o b lu l 1 l l g 精 e 0 b bg vi vv v i 时简ls 图2 4 4 幅值差为l v 时的环流波形 ii1 l 五 j l aa五o f i 一 n 仁 魏莲 1 7 魏翟 享鞋囊疆 一 r 一 f 一刊 盯一r v r 时阿ls 图2 4 5 相位差为l o 时的环流波形 图2 4 6 频率差为0 1 h z 时的环流波形 器 硕士论文变频器并联运行的研究 通过仿真分析 可以看到微小的幅值差 相位差 频率差都会产生比较大的环流 当两台变频器存在幅值差和相位差时环流都是一个幅值不变的正弦量 这是因为变频器 经过滤波器后的输出电压为正弦量 所以由于幅值差或者相位差产生的偏差电压也是正 弦量 当存在频率差时 环流也是正弦量 但是幅值会越来越大 这是因为当变频器存 在频率差时 相位差会随着时间的推移越来越大 最终呈现周期性变化 所以环流也会 越来越大 最终呈现周期性变化 所以要实现变频器并联运行 必须通过适当的控制方法来保证并联变频器输出电压 的频率 相位 幅值严格一致 否则都会产生比较大的环流 2 5 本章小结 本章分析了变频器并联的原理 根据电机学理论得到了变频器并联运行的数学模 型 定义了变频器并联运行时的环流 分析了环流产生的原理以及在不同负载下的环流 特性和功率关系 最后通过仿真分析说明了当变频器的幅值 相位和频率存在差异时所 产生的环流 1 7 3 感应电动机内模控制技术 硕士论文 3 感应电动机内模控制技术 通过前一章的分析 说明了变频器并联运行的特性 环流产生的原因 并通过仿真 分析说明了存在微小的幅值差 相位差和频率差时产生的环流 所以变频器并联运行最 重要的任务就是抑制环流 如果采取适当的控制方法使得各变频器的电流都能很好的跟 踪感应电动机的定子给定电流 而不受模型精度的影响 必然能起到很好的均流效果 采用内模控制技术可以抑制感应电动机模型估计不准带来的影响 起到了很好的电流跟 踪效果 3 1 异步电动机的数学模型 变频调速的对象主要是异步电动机 而要对异步电动机进行控制 首先要知道它的 数学模型 根据矢量控制理论 通过坐标变换分析可以得到异步电动机在各个坐标系下 的数学模型 2 8 之9 1 为了便于后面的分析 下面只给出异步电动机在各个坐标系下的数学 模型 不作推导 3 1 1 异步电动机在a b c 静止坐标系中的数学模型 定子电压方程为 i 彳 r s i a p g 彳 口 r s 如 p 沙b 3 1 1 c r s 如 p 9 c 转子电压方程为 i 口 r 屯 p c 4 甜6 r i b p 沙6 3 2 甜c r p 沙 式中 u 一 甜占 掰c 为定子三相电压 材口 u 为转子三相电压 屯 为定子三相电流 i o i b t 为转子三相电流 为定子三相磁链 甄 虬为转子三相磁链 r r 分别为定 转子电阻 p d d t 为微分算子 磁链方程为 1 8 硕士论文 式中 l r l l 话 制 隆镏 l n i 厶 一兰厶 一互1l 槲l m l l l 一1 2 l 胂1 一互1 三棚 l m l 厶 一三厶 三厶 丢匕 l i 厶2 扣 三厶 卅1 厶l 知 三厶 一互1l 训l m l 厶2 c o 妇 c o s 9 1 2 f f c o s 9 1 2 f f c o s 0 1 2 1 c o s 口 c o s 秒 1 2 0 变频器并联运行的研究 c o s 妙 1 2 0 e o s 9 1 2 1 c o s 秒 3 3 式中 0 为定子a 轴和转子a 轴的空间位移角 l m 为定子和经过折算后的转子互 感 l l l 分别为定子和转子漏感 转矩方程为 t p l 册l f s i n8 i s i n 8 1 2 0 i s i n 8 1 2 0 3 4 式中f i a f 口 f 曰以 j c f p 肼为电动机的极对数 上式说明电动机转矩是定子和转子 电流及秒的函数 是一个多变量 非线性 强耦合的方程 3 1 2 异步电动机在仅 p 静止坐标系中的数学模型 定子电压方程为 甜别 尺 1 p 沙洲 3 5 户l r l p 5 f 卢l 7 1 9 b c 口 6 c杪y 杪妒妒妒 3 感应电动机内模控制技术 硕士论文 转予电压方程为 j 口2 欠 2 p 沙口2 缈r y 声2 3 6 i 甜 2 r r 如2 p 2 一国 少口2 定子磁链方程为 髋勃 毪 7 i 沙p l 三j l 三脚 2 转子磁链方程为 a 2 l r i a 2 2 l m i a p 3 8 l 沙 2 三r f 2 三坍f l 7 式中 丘 三 分别为定子 转子两相绕组的自感 l 为定 转子两相绕组之间的 互感 彩 为转子转速 1 代表定子侧变量 2 代表转子侧变量 口1 l 屯l 如l 儿i 沙口 分别为定子电压 定子电流 定子磁链的口 轴分量 口 2 屯 知2 f 口2 y 口 分别为转子电压 转子电流 转子磁链的口 轴分量 对于鼠笼型感应电动机 转子短路 即 口 口 0 则电压方程可变化为 转矩方程为 t p m l m 啊屯2 一幺屯 3 1 0 3 1 3 异步电动机在d q 静止坐标系中的数学模型 异步电动机在d q 同步旋转坐标系中的数学模型有3 种定向方式 定子磁链定向 气隙磁链定向 转子磁链定向 由于转子磁链定向具有模型简单 可以实现解耦控制等 优点 所以采用转子磁链定向的数学模型 所谓转子磁链定向就是当d q 同步旋转坐标系的d 轴与转子磁链方向一致 转子磁 链的d 轴分量等于转子磁链 而q 轴分量为0 这将使电动机的数学模型简化 为了突 出该定向方式 一般用同步旋转的m t 坐标系来表示以该方式定向的d q 同步旋转坐 标系 此时有 2 叫以2 y 3 1 1 l y 2 杪9 2 2u j l 1 j l l 2 2 k h 心h 乙 盎w 0 告搿 以 幺锄o 叽比 k 邯 弘耻 儿叫 硕士论文变频器并联运行的研究 式中 孵为转子磁链 在m t 同步旋转坐标系下 感应电动机的数学模型为 定子电压方程 j 材l 2 r m 1 p w u l y 丁l 国 3 1 2 n t i 2 r s i t l p 弘t r t 杪 f l 国s 转子电压方程 卜2 0 r 舶 p 妙 3 1 3 u r 2 0 r i r 2 a 0 3 定子磁链方程为 牌二l州 iml l iml ili 2 n 缈r l sr l 朋r 2 转子磁链方程为 三 i m 2 三小0 1 3 1 5 0 l i 7 2 l 肘i r l 式中 u 吖l u r i 0 l i r l l r 1 分别为定子电压 定子电流 定子磁通的 m t 轴分量 u 盯2 u r 2 0 2 i r 2 2 沙7 t 2 分别为转子电压 转子电流 转子磁 通的m t 轴分量 用矩阵形式表示的电压方程为 z f m l u t l 0 0 r s p l a c os l s p l m a 0 3 厶 一 s l 3 r p l i 0 o p l m一 s l m s l p l m r r p l r 0 a 0 3 r l rr r 以转子磁链表示的感应电动机数学模型为 u m l u t o o r s c r ls p一 s o l s 国c r l s 尺 肼 三 0 r r l p 0 r l l p 生 1 三 三 功 上 3 三 月 p j 三 a 0 3 r 3 1 6 3 1 7 2 1 h h oooooo卫 h k i 一0 峨母一t畦专衄哮 一 一 p 3 感应电动机内模控制技术 硕士论文 式中 盯为漏感系数 仃 1 一e e l l 吐 1 一己 e l 三 l 口 考虑 至i j 沙m 2 y 和 把 o 贝i j 有 肘l r 砚 p i m i 一国 砚 i r l p 争 甜7 l r a l p i r l 国 o l i u l 缈j 了1 i m 一警 参 j 幻 o 一挚 崛虬 田弟二瓦口j 以得到 舻南 t 式中 z 三 r 为转子时间常数 由第四式可以得到 q 等 转钜方程 唧专押 由式 3 1 8 可以看到感应电机m 轴和t 轴存在耦合关系 电势为u m t 则 一士毗m 睁 t 轴到m 轴的耦合电势为甜蹦 则 u t m s o l s i r l 3 1 9 3 2 0 3 2 1 设m 轴到t 轴的耦合 为了获得高性能的调速指标 必须消除m 轴与t 轴之间的耦合 一般的解耦方法 都要求对电动机参数准确估计 即解耦效果依赖于被控对象的准确数学模型 而感应电 机在调速过程中 电机参数会随着频率 温度等因素的变化而变化 所以很难建立准确 2 2 硕士论文 变频器并联运行的研究 的数学模型 解耦效果不理想 电流跟踪性能不佳 3 2 内模控制原理 3 0 内模控制 i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l 订c 是从化工过程控制中发展起来的一种控 制方法 是一种实用性很强的控制方法 内模控制不过分依赖于被控对象的准确数学模 型 对模型精度要求低 系统跟踪调节性能好 鲁棒性强 能消除不可测干扰的影响 所设计的控制器结构简单 参数单一 调整方向明确 在线计算方便 工程上容易实现 是一种先进控制技术 内模控制最初用于多变量 非线性 强耦合 大时滞的工业过程控制 而感应电动 机也是一个多变量 非线性 强耦合的系统 完全有可能应用内模控制技术 首先看一下反馈控制系统结构 如图3 2 1 所示 图中c s 为反馈控制器 g s 为 被控对象 d s 为不可测干扰 r s y s 分别为系统的输入和输出 图3 2 1 反馈控制系统 在图3 2 1 中 反馈信号直接取自系统的输出 这就使得不可测干扰d s 对输出的 影响在反馈中与其它因素混在一起 无法突出 得不到及时补偿 从而影响控制效果 如果将图3 2 1 变成图3 2 2 所示的内模控制结构 等效变换 其中g s 为被控对象的 内模 且用c 脚 s 来表示图中框内的等效控制器 则有 j 斗 3 2 1 c s 1 g s c 0 c 脚 s 1 一g s c 嬲 s r r i l s j r 翮赫闲 u 离屯杰 一弋 警卜型 一l 望r b 卜 d s 书井峨 3 2 2 图3 2 2 等效内模控制结构 c s 为反馈控制器 c 嬲 s 为内模控制器 匕 s 为内模g s 的输出 d s 为系 2 3 3 感应电动机内模控制技术 硕士论文 统输出y s 与内模输出匕 s 之差 图3 2 2 可用图3 2 3 来表示 其中忽略了d s 的作 用 图3 2 3 内模控制结构 把图3 2 3 稍作变换可得图3 2 4 它是内模控制的等价结构 即i m c 是经典控制 的一种特殊情况 经典控制系统中的等效控制器f s 与内模g s 及内模控制器c 脚 s 有关 即 胂 1 一 酬一 3 2 3 f s 步一田 图3 2 4 等效反馈控制结构 实际设计内模控制器时 通常分两步 首先设计一个稳定的理想控制器 而不考虑 系统的鲁棒性和约束 其次加入低通滤波器 s 通过调整三 s 的结构和参数来稳定 系统 并使系统获得所期望的动态品质和鲁棒性 当已知对象的预测模型 内模 为g s 时 采用式 3 2 4 所表达的控制器 则可 使控制系统具有一定的鲁棒性 即 c 脚 j g 1 j 三 s 3 2 4 如果为了与常规的反馈控制器相比较 则可用式将内模控制器c 嬲 j 变换为反馈 控制器f j 内模控制具有以下特点 1 对不可测干扰d s 所造成的输出偏差进行调节 当干扰d s 出现时 则 d s 个 r s 个专刍 s 个j lr s 一会 s i 山岭材 s 山一 j 毒 即系统能对不可测干扰d s 进行抑制 2 4 硕士论文 变频器并联运行的研究 2 对模型与对象失配 即含p g o 所造成的输出偏差进行调节 当出现预测模型台0 与实际模型g j 不一致 如6 s g s 时 则有 p 吵叫一驯个一如上一 一缸 i t 一删个弓荆个 刍 j 个哼 尺 j 一刍 s 山一 s 山哼 s 山 即系统对模型不准确所造成的输出变化也可进行抑制 3 当模型与对象准确时 系统对任何不可测干扰d s 都能加以克服 而对任何输a r s 均可实现无偏差跟踪 由图3 2 2 可得 y s 上趣斗r j l c 脚 s g s 一g s 其反馈信号为 1 一e 嬲0 g o 1 q 獬 s g s 一g s d s y s 一圪 s g s g j s d s 3 2 6 如果模型准确 有 g s g s 且c 脚 j g 1 s 则式 3 2 5 变为y s r s 系统的输出始终等于输入 不受任何干扰影响 4 当模型与对象失配 即g j g j 时 若q 啪 s 满足q 眦 o g 一1 o 则系统对 阶跃输入r s 和常值干扰d s 均不存在稳态偏差 若选择c 胧 s 使之满足 参1 且丢 q 们 s 台 j l 脚2 则系统对所有斜坡输入尺 s 和干扰 j 均 不存在稳态偏差 由图3 2 2 可得 e 0 犬 s 一 厂0 1 一q 獬 j g j r 占 一d s 3 2 7 1 c 脚 s g s 一g s j 显然 c a c 0 手 o 则对于阶跃输入和扰动 稳态偏差e 0 3 感应电动机内模控制技术 硕士论文 3 3 感应电动机定子电流内模解耦控制 感应电动机的矢量控制是通过控制定子电流来实现的 通过3 1 3 的分析 可以看 到 感应电动机在m t 坐标系下存在耦合 必须通过适当的方法对其解耦 3 l 都j 本节 通过内模控制的方法对感应电动机的定子电流进行解耦 实现优良的电流跟踪性能 在图3 2 3 中的内模控制结构图中g s 为内模 它与被控对象g s 并行 图中如果 把 s y s 分别对应于感应电动机的定子电压和电流 而r j r 对应感应电动 机的定子给定电流 c s 为内模控制器 则由电压方程 并令 l 蜥l q m r 得 m 蚓 矧一 险 葛 l 邢 嘲o k r 一川m 硕士论文交频器并联运行的研究 式中的f 表达中 主对角线上元素兄墨立坐 s 器的传递函数表达式 而反对角线上的元素五竺丛 j 的传递函数 上述反馈控制器得系统控制框图如图3 3 1 所示 名墨立生为定子电流控制 s 一允竺 生则为内模解耦网络 电动机 下面分析内模控制的解耦作用 根据图3 2 3 和图3 2 4 可知 当电动机定子电流系统采用内模控制后 定子电流环 的传递函数为 婴 善些骐 越塑兰o 3 3 2 一 一 二 二二 一 f l 尺 s j f s g s s g s 一6 s 一 热啪甜k 以m 砸 南 盼荆 嘲 1 如果模型估计准确 即g s g s 则由