（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的异步电动机控制系统.pdf

：兰至：盔：竺：= 兰兰 t h ec o n t r o ls y s t e mo f a s y n c h r o n o u sm o t o rb a s e d o nd s p a b s t r a c t i t i s t h er e a l t i m e p r o c e s s i n gp r o p e r t i e s o fs i l i c o n ，s u c h a st h e t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pc o n t r o l l e r , t h ea c c u r a t ea s y n c h r o n o u sm o t o rm o d e la n da l l k i n d so fa d v a n c e dt h e o r i e st h a th a v er e s u l t e di nt h ed e v e l o p m e n to fah i g h l y r e l i a b l ed r i v ew i t hh i g h l ya c c u r a t ea n dv a r i a b l es p e e dc e n t r e i sf i e l do r i e n t e d c e n t r e l ( f o c ) i so n eo ft h ea d v a n c e dt h e o r i e s ，w h i c hi sb a s e do nm o t o r u n i f i c a t i o np r i n c i p l e ，e n e r g yc o n v e r s i o na n dv e c t o rc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n t h e o r y i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sn o v e l t y , p r a c t i c a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y b y t r a n s f o r m i n gt h e m o d e lo fa cm o t o rt od cm o t o r ，t h es t a t o rc u r r e n ti s d e c o m p o s e di n t ot w od cp a r t sw h i c ha r eo r i e n t a t e dt o w a r d st h er o t o rm a g n e t i c f i e l da n dc o n t r o l l e d r e s p e c t i v e l y t h u s t h e m a g n e t i c f l u xa n d t o r q u e a r e d e c o u p l e d i n t h i s m e a n i n g , t h ea s y n c h r o n o u sm o t o r j sc o n t r o l l e di na s y n c h r o n o u sw a y an e wd s pc h l pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7u s e di nt h ed i g i t a lm o t o rc o n t r o l ( d m c ) w a s i n t r o d u c e d ，a n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ev v v fs y s t e mw a sd i s tu h s e d t h et h e s i s i n t r o d u c e dt h ea c t u a l i t yi nt h ef i e l do ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na n t ii t sp r m c l p l e ，a n d t h e m o s t l yc h a r a c t e r i s t i co fd s ead i g i t a lm o t o rc o n t r 0 1 y q e mu s i n gv f c o n t r o la n ds p a c ev e c t o rp w mt e c h n i q u eb a s e do na p p l i c a t i o no fd s pw a s d e v e l o p e d t h es p a c ev e c t o rg r a p h so f v o l t a g ew e r ep r e s e n t e db e t t e r w ea d o p t e dd s pt or e a l i z et h ec o m p l i c a t e dv e c t o rc o n t r o la l g o r i t h m ，t h e i p m 6 m b p l 0 0 r a l 2 0w a su s e dt oe n h a n c er e l i a b i l i t ya n di ta 1 、om a d eh a r d w a r e c i r c u i ts i m p l e t h es y s t e mr e a l i z e st h eb e t t e rf u n c t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o no ft h e m o t o r t h em o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do na p p l i c a t i o no fd s ph a dl o w e rc u r r e n t h a r m o n i c ，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 et h a ns p w m ，1 e ss w i t c hl o s s o n t h eo t h e rh a n d t h i ss y s t e mm a k e sal o w e rn o i s ef o rt h ep u mm o d u l a t i o n f r e q u e n c yi su pt o2 0 k h z t h es y s t e mh a dt h ea d v a n t a g e so fs l m p l ec o n t r o l ，f e w - 竺! ：薹矍三奎兰二兰竺：兰竺丝圣 p e r i p h e r a lh i 曲p e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c e ，t h e y w o u l dm e e tt h ed e m a n d so f g e n e r a lp u r p o s ei n v e r t e r , a n dt h ei n v e r t e r su s i n gi nh v a c ( h e a t i n gv e n t i l a t i n g a i rc o n d i t i o n i n g ) s y s t e m k e y w o r d sd s p ；v v v f ：s v p w m i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的异步电动机 的控制系统，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期：功伊多, q v o 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的异步电动机的控制系统系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保雹蕊 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 日期：怖石月z o 日 日 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 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技术的发展创造了极为有力的技术条件和物质基 础。从此交流调速理论及应用技术大致沿下述发展【j l 【2 l 。 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。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。矢量控制 技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统的高性能化的基础。其实现了将交 流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速的动态性能得 到了显著的提高，从而使交流调速取代直流调速成为可能。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的成功应用提 供了重要的技术手段和保证。其主要的优点为精度高、可靠性及稳定性好、灵 活性好、存储及逻辑运算能力强。 目前我国的电气传动技术水平与国际先进水平相比差距很大。在中小功率 变频器技术方面，国外的一些大公司的产品己实现控制系统的全数字化，而且 通常采用较先进的控制理论和高性能的处理器，如1 6 位，3 2 位高速微处理 器，d s p 和专用集成电路( a s i c ) 等。在我国，几乎所有的产品都是普通的 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种和质量还不能满足市场需要。 为了减少与国际先进水平的差距，适应变频调速的未来发展有必要加强肘 全数字化变频调速控制的研究。采用数字信号处理器作为控制核心，研究它在 变频调速系统中的应用是一个较好的切入点。数字信号处理器( d s p ) 从诞生之 日起，就以其高速、低功耗和商集成度的特点在军事、航天等领域得到了广泛 应用1 3 1 。随着半导体工艺的进步和工业民用领域的大量采用，d s p 价格不断下 调，而性能却不断提高，在通信、工业控制和消费领域逐渐占据了重要地位。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 是荚圉德州仪器( t i ) 公司2 4 x x 系列产品中的一种。2 4 x x 系列芯 片是号为数字电机控制而设计的一种d s p 控制器，具有较高的性能价洛比。 竺! ：兰! 三茎兰三兰竺! 茎竺尘苎 我们采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制芯片、i p m 智能功率模块构建的变频调速系 统，具有结构简单，电机电压、电流谐波失真较少，器件的开关损耗低和电压 利用牢商等特点，可满足通用变频器、风机和泵类、空调用变频器的性能要 求。 1 2 交流调速的发展 1 2 1 直、交流调速技术的比较 电动机作为电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电机 具有较高的机电能量转换效率；二是要根据机械的工艺要求控制电动机的旋转 速度【3 】【4 l 。电动机的调速性能对如何提高劳动生产率和节约电能有着直接的影 响。 众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励 磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保 持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒转矩调速。采用转速、电流双闭 环直流调速可以获得优良的动、静态调速特性。因此长期以来( 2 0 世纪8 0 年 代前) 在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位【s 1 。 但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱 点，这给直流调速系统的开发和利用带来一系列限制，即： 1 机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一个极限容许值，这就限 制了单机的转速和功率。如果要超过这一容许值，则大大的加大了电机制造的 难度和成本，以及调速系统的复杂性。因此在一些工业生产中，对一些要求特 高转速、特大功率的场合根本无法采用直流调速方案。 2 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，采用直流调速难以实现。 3 机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须经常更换。这表明了直流 调速系统的维修工作量大，维修费用高，同时维修和检查必须停机也影响了正 常生产。 4 在一些易燃易爆场合和多粉尘、多腐蚀性气体的场合也不能或肯不适用 于直流电动机的使用。 由于直流电动机的应用中存在这些限制，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作为调速传动设备代替直流调 竺尘薹至三奎兰三兰竺! ：兰竺丝三 速传动可以突破这些限制，满足生产发展对调速的各种不同要求。其优点如 下： 1 节约电能。较之直流调速系统其提高运行可靠性，提高了电压利用率， 并且可以数台控制和调速控制一起使用。使控制和调速更为简单方便。 2 减少电力污染，采用新式的控制方式可以使注入电网的谐波次数现少， 使电网电压更接近正弦波。电网波动小。 3 提高了调速的实时性和可靠性。 4 可以在些易燃、易爆场合和多粉尘、多腐蚀性气体的场合也能用于电动 机的调速。 5 实现了调速的静音化和平滑调速，并可以减少设备的维修、维护的费 用。 6 使调速系统的结构更为紧凑、简单。 鉴于上述原因使交流调速电气传动能够大举进入电气传动调速控制的各个 领域，并在微处理器和数字控制技术发展的推动下，取得了很大的发展。 1 2 2 微处理器与数字控制技术 适用于电机系统控制的控制器有单片机和数字信号处理器两种。一般来 说，单片机片内集成较多的i o 接口，但运算速度较慢：d s p 是面向快速信号 处理的，运算速度也比同一时期内的单片机要快l 到2 个数量级，但是i o 接 口和外围的部件较少，价格也相对昂贵。为了满足需要，单片机和数字信号处 理器正沿着扩大集成度、增加位数、提高数据处理能力、扩展功能、降低成本 的方向发展。电机驱动控制微处理器的发展可分为三个阶段： 2 3 2 1 具有单一数据处理功能的微处理器在这个阶段中最早为i n t e l 公司的8 位微处理芯片8 0 0 8 ，以后又推出了i n t e l 8 0 8 5 和i n t e l 8 0 8 6 等。在这个时期，微 处理器存在处理速度慢、硬件配置不全的缺点，致使系统数字化程度有限、控 制精度不高。 2 3 2 2 采用单片机阶段典型的代表足i n t e l 公司于1 9 7 6 年推出的8 0 4 8 单片 机，以后又推出了m c s 5 i 系列和m c s 9 6 系列单片机，其集成度越柬越高，配 置也十分齐全。1 9 9 1 年i n t e l 公司又推出了8 0 c 1 9 6 m c 单片机，同以往的器件 相比，它具育与位置信号相接口的端口和适合电机控制的p w m 输出，可以方 便地进行实时控制。但由现育的单片机实现高性能全数字控制是比较团难的， 主要原因是单片机的处理速度满足不了系统对电流控制提出的快速性要求。目 f i f 采用1 6 位单片机控制的电机调速系统多采用数字和模拟混合控制方式，即 哈尔淳理t 赶学t 学顾卜学竹诊史 位冒环、速度环的控制及其旋转坐标变换等由单片机实现，电流环的控制一般 由模拟电路完成。 2 3 2 1 九十年代出现的数字信号处理器d s pd s p 的最大特点是运算速度快， 它比目前的1 6 3 2 位微处理器和单片机的运算速度还要快一个数量级。因此， 具有很强运算能力的d s p 能够满足电流环实时控制的要求。当采用d s p 构成 全数字电机控制系统时，其控制功能可以由软件实现，故有利于提高系统的可 靠性，降低系统的成本，并且可以采用先进的控制策略，获得更高的控制性 能，同时呵完成数据存储、故障诊断等功能，使系统智能化。典型的器件有 m o t o l o r a 公司的5 6 0 0 0 系列、日立公司的s h 7 0 0 0 系列、a d 公司的 a d s p 2 1 0 0 系列和t i 公司的1 m s 3 2 0 x 2 4 x 系列。其中t i 公司的面向电机控制 的d s p 芯片t m s 3 2 0 c ( f ) 2 4 0 芯片具有适合电机控制特点，从而在电机数字控 制领域发挥了巨大作用，被称为“电机数字控制中的首选芯片”。 1 9 6 4 年，德国的a s h o n u n g 把通信中的调制技术应用到交流传动中，产 生了正弦脉宽调制( s p w - m ) 变压变频的思想。脉宽调制技术较相控技术能更有 效抑制高次谐波，适用于各类电动机，能够满足高性能交流调速的要求，目前 已成为逆变的最主要控制方式。 目前主要应用的s p w m 可分为三大类：电压s p w m 、电流s p w m 、电压 空间矢量p w m ( s v p w m ，也称为磁链s p w m ) 具体实现的技术上则有：自然采 样法，对称规则采样法，消除特定谐波法，梯形调制技术，“”调制技术，相 位调制技术，面积等效法，滞环b a n g b a n g 调制等1 0 多种p w m 调制技 术。电压s p w m 和电流s p w m 分别以追求电压和电流的正弦波形为目标。电 压空日j 矢量s v p w m 则把电动机与p w m 逆变器看为一体着眼于如何使电动机 获得幅值恒定的圆形磁场为目标，其思路是以三相对称正弦电压供电时交流电 动机中的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼 近基准圆，即用多变形来近似模拟圆形。理论分析和实验都表明s v p w m 调制 具有转矩咏动小噪音低，直流电压利用率高等优点，目前已在变频器产品中得 到了广泛的应用。 需要指出的是原先的已波淘汰的p a m 调制技术，目前又以新的面目出 现。在r 产的变频空调中，p a m 和p w m 技术相结合，这土要是为了降低低频 时的直流母线电压，是解决低频脉动过大的一种有效方式川1 。 呛尔漳理t 大学t 学硕卜学 译贮 1 3 变频调速技术的研究概况 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接影响交流调速的发 展8 1f 9 】。2 0 世纪8 0 年代中期以来变频装置功率回路主耍采用晶闸管元件，8 0 年代中期以后用的第二代电力电子器件g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、g t o ( g a t et u r n 0 f ft h y r i s t o r ) 、v d m o s i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 等制造的变频装 置在性能与价格上有一定的优点。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、 模块化方向发展，2 0 世纪9 0 年代以来研制的第三代电力电子器件的主流产品 在中、小功率变频调速装置( 1 一i o o o k w ) 主要采用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 电子器件进入了第四代。s i e m e n s 公司的沟槽式绝缘 珊晶体管i g b t 使器件 的耐压水平由常规的1 2 0 0 v 提高到3 3 0 0 v 。i g c t ( i n s u l a t e dg a t ec o n t r o l l e d t r a n s i s t o r ) 器件：a b b 公司把环形门极g t o 器件配以外加m o s f e t 功能，研制 成功全控型i g c t 器件，使耐压和容量保持了g t o 水平，而门极功率大大减 少。 1 m c t ( i n j e c t i o ne n h a n c e dg a t et r a n s i s t o r ) 器件：其集合了i g b t 和g t o 器 件的优点，现在也进入了使用阶段 2 智能化模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) ：智能化功率模块更为成熟， 智能功率模块是一种先进的功率开关器件，具有g t r 大功率晶体管高电流密 度、低饱和电压和耐高压的优点，以及高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率 的优点。口m 集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来，不仅减小了系 统的体积以及开发时问，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的 发展方向一模块化、复合化和功率集成电路p i c ，在电力电子领域得到了越来 越广泛的应用。 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： 1 市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺， 变频器越来越广泛地应用在机械、化工等各个行业以及节能场合，并取得了显 著的经济效益。 2 功率器件的发展。近年来高电压、大电流的s c r , g t o , i g b t i g c t 等 器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的 生产及应用成为现实。 3 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊 控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；1 6 位，3 2 位高速微 处理器以及数字信号处理器( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，为 实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。 4 基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化 生产。 国内与国外相比，则有相当大的差距。在大功率交一交、无换向器电机等 变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性 方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运 行、大容量风机、压缩机、和轧机传动等方面有很大需求。在中小功率变频技 术方面，国内几乎所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的样机采用矢量 控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。目前国内变频器市场 的绝大部分为国外产品占领。国内生产中、大容量的仍停留在g t r 技术上， 小容量的仅有少部分i g b t 产品，质量上也不十分令人满意；且已实现的矢量 控制方式，仍多以8 0 3 1 或8 0 9 8 为处理器，以数字化键盘操作的产品也不多 见，方式较传统、性能较差。对国外已经成熟的矢量控制技术，在国内仍处于 理论消化阶段，真正产品化的并不多见。 国内交流变频调速技术产业状况如下： 1 变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力， 但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模； 2 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白； 3 相关配套产业及行业落后； 4 产销量小，可靠性及工艺水平不高； 这也说明我们需要更深入研究变频调速理论知识，逐步缩小同国外的差 距。 1 4 本文的主要工作 1 本文在介绍了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片主要特点的基础上，重点阐述了 利用这一芯片构建的一个全数字化异步电动机的变频调速系统。 2 研制了d s p 的开发板，建立了异步电动机的数学模型，调试了开环算法 并在此算法的基础上研发了系统钦件。 3 采用口m 智能功率模块6 m b p l 0 0 r a l 2 0 ，简化了硬件电路，提高了系 哈尔泞珲t 大学t 学盱卜学p 论文 统的可靠性， 4 系统采用简单的开环电压频率( v ，f ) 控制方法，空| 日】矢量脉冲宽度调制 ( s v p w m ) 算法，经实验研究得到了较好的电压空问矢量波形。 5 本系统的设计着重于结构简单，电机电压、电流谐波失真较少，器件的 开关损耗低和电压利用率高等特点，可满足通用变频器、风机和泵类、变频器 的性能要求。 嚷尔渖岬tk 学t 学缔f 学伊帚七 第2 章交流电动机的控制技术 2 1 交流电动机的控制类型 现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器 等四大部分构成。如图2 1 所示电力电子功率变换器与控制器及电量检测器集 中于一体，也叫做变频调速装置，如图2 1 的虚线框所示。从系统的方面定 义，虚线框的外部也被人们叫做交流调速系统。下面给出交流调速系统的方框 图。 图2 - 1 交流调速系统组成示意图 f i g 2 1s k e t c hc h a r to f a cc o n v e r s i o n 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。 2 1 1 同步电动机调速系统基本类型 ， 由同步电动机转速公式”m = 6 0 7 么( z 表示定子供电频率，n ，表示电 一， 动机极对数) 可知，同步电动机依靠变频凋速。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，即他控式同步电动机调速系统和自控式同步电 动机调速系统。 1 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f 小容量场合。例如 永磁同步电动机、磁阻同步电动饥。 竺竺茎! 三苎兰三兰竺：兰竺丝兰 2 采用频率闭环方式的同步电动家调速系统叫做自控式同步电动机调速系 统，使用电机轴上所装得转子位置检测器来控制变频装置的触发脉冲，使电动 机工组在自同步状态叫做自控式同步电机调速系统。又可分为 1 2 】： ( 1 ) 负载换向自控式同步电动机调速系统l c i ( l o a dc o m m u t a t e di n v e r t e r ) 。 主电路常采用交一直一交电流型变换器，利用同步电动机电流超前电压的特 点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。 ( 2 ) 交一交变频供电的同步电动机调速系统。他的逆变器采用交一交循环变 流结构，由晶闸管组成，提供频率可变的三项交流电给同步电动机。 2 1 2 异步电动机调速系统基本类型 由异步电动机的工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率只可以分为 两部分：一部分只= ( 1 一s ) 己是拖动负载的有效功率：另一部分是转差功率 只= 以与转差j 成正比。转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网，可 以衡量异步电动机调速系统效率的高低。因此按照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 功率消耗性调速系统全部转差功率以热能的形式消耗掉晶闸管调压调 速属于这一类。在异步电动机调速系统中，这种系统的效率较低，是以增加转 差率的消耗为代价来换取转速的降低。但是由于这类系统的结构最为简单，所 以在要求不高的小容量场合还有很多应用。 2 转差率回馈型调速系统转差率的一小部分消耗掉，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。显然这类的调速效率较高。 3 转差功率不变型调速系统转差功率中的铜耗是不可避免的，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i ； 的交流调速中，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，取代直流调速”4 1 。 2 2 异步电动机变频调速系统 国民经济的各个部门中，异步电动机台数占交流电动机的8 0 以上，因 而异步电动机变频调速系统应用最多、最广泛】 1 6 1 。目前实用的异步电动机变 频凋速系统，主要有四种控制类型。即： 1 恒压频比控制的调速系统。 2 转差频率控制的调速系统。 3 矢量控制的调速系统。 4 直接转矩控制的调速系统。 与直流调速相同，在额定转速以下调速时，希望保持电机中每极磁通量为 额定值。如果磁通下降，则异步电动机的电磁转矩将减小，这样在基频以下 时，无疑会失去调速系统的恒转矩特性。另外随着电机最大转速的下降，有可 能造成电机的堵转。反之，如果磁通上升，又会使电机磁路饱和，励磁电流将 迅速上升，导致电机铁损大量增加，造成电机铁心严重过热，会使电机的输出 效率大大降低，因此在调速过程不仅要改变定子供电频率，而且还要保持磁通 不变1 11 1 8 1 。 恒压频比控制和转差频率控制区别就是保持磁通恒定的方法不同。前者是 感应电动势与频率之比为常数，但是由于感应电动势难以检测，而可以检测定 子电压，所以在基频以下常用变压变频的控制方式。但歼环的变压变频控制并 不能真正实现动态过程中的转矩控制。 转差频率控制能够在一定程度上控制电动机的转矩，相对于开环的、，、厂、，f 控制动其静态性能有所提高【1 9 1 。但转差频率控制是以电动机的稳态方程为基础 设计的，并不能真正控制动态过程中的转矩。 矢量控制技术以经过3 ，2 坐标变换的电动机的动态模型为基础，利用坐标 旋转变换技术实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解藕，使得交流电动机在 理论上能像直流电动机- 样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，获得像 直流电动机一样良好的动态性能。 尽管矢量控制技术从理论上可以使交流传动的动态性能达到直流电动机一 样的水平，但是因为要进行复杂的旋转坐标变换，而且对电动机定转子参数依 赖性很强，这些都难以保证动态过程的完全解藕，转矩的控制效果打了折扣。 直接转矩控制不需要解藕电动机模型，强调对电动机的转矩进行直接控 制。在控制转矩时不需要电动杌l 的转速量：采用简单的u i 磁链模型时，整个 控制仅仅需要知道电动机的定子电阻参数即可。从其诞生伊始，直接转矩控制 就以新颖的控制思路，简明的系统结构，优秀的动态性能受到了人们的普遍关 注。因此直接转矩控制是一种很有发展日f 途的新型控制方法口o l 。 对于新型的控制策略，单纯从电动机的物理模型出发去寻求改善性能的方 法获得的效果已经比较有限了。在其它新型控制策略中，有应用多变量解藕理 论，采用变结构控制解决非线性问题等。应用模型参考自适应理论和神经网络 理论在参数辨识和无速度传感器控制方面已做了大景的工作，模糊控制由于具 有非线性控制、鲁棒性好、查询控制表简单易行等特点也己应用到控制方面的 实验研究上来。但目前这些研究多处于实验宅阶段，较少有实际应用的报道。 2 3 空间电压矢量调制 1 9 8 7 年日本的g 正u 大学的y o s h i h i r om u r a l 教授在i e e e 上发表全数字 化逆变器的新型p w m 方法一文，由此标志着s v p w m 调制技术的正式问 世。 s v p w m 调制技术一问世就受到人们的高度重视，其独特的矢量调制方 式，把电动机与p w m 逆变器看为一体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的 圆形磁场为目标，他以三相对称正弦电压供电时交流电动机中的理想磁链圆为 基准，用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近基准圆；即用多 边形来近似逼近圆形，理论分析和实验都表明s v p w m 调制具有转矩脉动小， 噪啬低，直流电压利用率高( 比普通的s p w m 调制约高1 5 ) 等优点。目前已在 通用变频器产品中得到了广泛的应用。 随即于1 9 9 2 年，y o s h i h i r om u r a l 教授在i e e e 上发表感应电动机传动中 减少谐波的高频劈零矢量p w m 。在s v p w m 高频调制中，y o s h i h i r om u r a l 教 授引入劈零矢量，减少了电流谐波，使得低频时电动机运转得更加平滑。其原 理就是在s v p w m 调制中均匀的插入零矢量，使得等待时间变得更加均匀，从 而减少了电流的高次谐波，使电动机的脉动转矩也更小。由于大量的零矢量的 插入需要更多的元件开关次数来实现，所以命名为高频劈零矢量。 一般来说，由于电动机在高速运行时，需要的零矢量等待时日j 较短，所以 在较高频率时，均匀插入零矢量的效果并不明显( 考虑到死区的影响，甚至效 果会更差) ，而在低频运转时，需要的零矢量等待时间较长，此时均匀的零矢 量插入会使谐波明显降下来。 考虑到算法的实时性要求、三角载波的产生、时间的比较，死区的没定、 安全性等等因素，所以现在普通的s p w m 产生部有等门的硬件支持来实现， 在这方面德州仪器( t i ) 公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 x x 专门设霞了空问矢量状态 机这一硬件系统，使得s v p w m 的实现容易起来。 ， 2 4 异步电动机的动态数学模型 异步电动机是一个高阶、非线性、强祸合的多变量系统】。在研究异步电 哈尔滨珲t 大学t 肇够卜学p 毋 动机的多变量、非线性数学模型时常作如下假设： 1 忽略空间谐波，三相绕组对称，空间互差1 2 0 0 电角度，所产生的磁动势 沿气隙圆周正弦分布。 2 忽略磁路饱和，认为绕组的自感和互感都是恒定的。 3 忽略铁心损耗的影响。 4 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 在保持变换前后功率不变的约束条件下，经过三相静止到两相静止坐标变 换，得到异步电动机在静止两相a 、口坐标系中的数学模型【2 2 】。 阡 乏地 弘， 式中墨= 砂。吵。1 r ； 鬈= 眇。y 虬f ； = ki 。l r ； i i = k 。i bt 蠢； 乞= l ，= l 。+ l b 一三k 一三 l m + l p 一扛 一扛 1 r 1 rl i l 埘一j l 埘l k + 屯一三kj kk + 气j 1 ，1 ， 一j l 柑一i l 柑 上。+ o 一昙。 一三k u c o s ( o )伽p 一1 2 0 。) c o s ( o + 1 2 0 。门 厶= 巧= k ic o s ( o + 1 2 0 。) c o s ( o ) c 0 5 ( 口一1 2 0 。) i ； ic o s ( o 一1 2 0 。) c o s ( o + 1 2 0 。)c o s ( o ) i y 、y b 、吵c 、y 。、矿b 、矿。定、转子绕组全磁链。 i 。、i b 、f f 、f f 定、转子相电流瞬时值； 厶、定、转子绕组漏感： 。，定子互感。 蛤尔滓弹t 、学丁学碲t 学桁诒丈 u ：肼+ 坐+ 坐c o ) d t d o 式中( | l 一定、转子相电压瞬时值； 卜定、转子相电流瞬时值： k 定、转子电阻； 工掣脉变电动势； 讲 券硝旋转电动势 乏= k ( f 。l a + i b i b + i c i c ) s i p ) 】+ 上棚缸。+ i c + i c i a ) s i n ( o + 1 2 0 。) j + n ，三。【( f 。+ + i c i b ) s m ( 9 1 2 0 。) j ( 2 3 ) 式中 ，一极对数； 乃一电磁转矩。 。 ，d c o t 一瓦= 二- ( 2 - 4 ) 月，a l 式中乃负载转矩； ，机组转动惯量。 ：d o1 2 - 3 1 = 一 疵 式( 2 1 卜- ( 2 5 ) 所示为异步电动机的等效数学摸型。由于是在变换前后功率 保持不变的约束条件下得到的电动机模型，是恒转矩负载下的三相异步电动机 的多边量非线性数学模型，能够真实地反映电动机的实际物理过程，具有一定 的可信度。 2 5 异步电动机的调速控制方法 2 5 1 基频以下调速 对于通用跫的变频凋速，采用的变压变频( v v v f ) 控制算法是以电动机的 稳态方程为基础推导的m 11 2 4 1 。 根据异步电动机的稳态转速表达式： 月：月。( 1 5 ) ：盟( 1 一s ) ：6 0 0 9 、1 5 ) ( 2 - 6 ) 胛pz 翮p = ：竺兰：三 式中刀实际电动机转速： 电动机的同步转速； f 定子供电电源频率； h 。电动机极对数； 卜转差率。 由公式( 2 6 ) 可知，当极对数n 。不变时，均匀地改变定j 伊电电源频；筝厂 则可以达到平滑的调节电动机实际运行转速以的目的，我们通。苦所说的变频调 速由此而来。 由电动机学知识可知，当忽略定子压降时，异步电动机矗：j 二电压为： u ，ae = 4 4 4 工k ，n ，吼( 2 - 7 ) 式中u 定子电压； e 定子绕组感应电动势； f 定子供电电源频率； 置。定子绕组系数： 定子绕组匝数； 函。气隙磁通。 由公式( 2 7 ) 可看出，若定子电压以不变，则随着，的刀高，气隙磁通4 减小，从而电动机出力不足，过载能力下降。若维持定子电ju 不变，而减 小z 将使或增加，磁路饱和，励磁电流上升，从而铁损增自j ，也动机效率降 低。因此要使电动机具有较好的性能，必须在变频的旧时p 一训的改变定子电 压，以维持气隙磁通不变，通常采用恒压频比调速，u ，：= f 。或，设 cs = 4 4 4 n k s c ，z = c 的恒压频比调速的机械特性如下。 由电动机学可知，当定子电压u ，和z 都确定后，异步r lz 山机工作在稳念 f 的转矩为： 乇= 式中n 。电动机的极对数； r ，l ，定子每相的电阻和阻抗； r ，l 。折合到定子侧的转子每相电阻和电抗 ( 2 8 ) 哈尔泞理t 火学t 学碲卜学p 诒史 一为转差率。 对式( 2 - 8 ) 稍作处理，可以得到： 纠( 告) 2 阿砑篙瓦砑 亿9 ， 同样可以求得其最大转矩乙一及其对应的转差率s 。，初始启动转矩l ， 和同步转速j l ，的公式分别如( 2 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 所示。 死一刊毒 2 等+ 骊 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 。s 时雨耐 弘四 驴盟：_ 6 0 t o , ( 2 - 1 3 ) h ，2 ；m p 以上各式表明，恒压频比条件下异步电动机的机械特性方程，相应的机械 特性曲线和正弦波恒压恒频供电的机械特性曲线相似。如图2 - 2 所示。 图2 - 2 机械特性 f 1 9 2 - 2m e c h a m c a lc h a r a c t e n s t m 由于o s s 。时，并且s 很小时，可忽略式分母中含s 各项，则 呛：泞珲t 夫学t 学硕卜学伊诊史 菊 亿14)3 j q2 尹= 专 z 一 胛p i l 由于哆，= c ，因而对于同一个乙，有s q 约等于常数a 又 址叩盖c 弘柳 可见，当哆c o , = c 为恒值时，对于同一转矩乞。，j q 是基本是不变的， 转速下降。又哆j = c ，所以初始启动转矩( 萨l ，月= o ) 在频率很低时也变 w n7w n7 删1 2 ，w - 3 嘎 上一! 吐7 厂 ， ，： 吁 1 一噬 。j o i j r 上一无 图2 - 3 、，、，、，f 控制f 异步电动机的机械特性 f i g 2 - 3 m e c h a m c a lc h m a c t e n s 6 co f a s y n c h r o n o u sm o t o rb yv v v f 可以看出，在恒压频比控制变频调速时，电动机最大转矩随着频率的降低 而减小，频率很低时，过小的转矩将限制调速系统的带载能力。实用中，在低 频时，采用定子压降补偿，适当地提高定子电压，以增强带载能力。 2 5 2 基频以上调速 在基频以上调速时，即当电机转速超过额定转速时候，定子供电频率正大 r ， 于基频。想要继续保持“以= c 是不允许的。因为定子电压过高会烧坏电动机 ，j t 绝缘。因此，当正大于基频时往往把定子电压限制为额定电压，并保持不变。 哈尔i 亨理r 丈学t 学硕卜学伊诒定 由公式( 2 7 ) 可知这将迫使磁通4 卅与频率成反比降低，相当于直流电动机弱磁 升速的情况。即保持p 。= c 的恒功率控制方式渊。 把基频以下和辏频以上丽种情况结合起来，得异步电动机变频调速的控制 特性如图2 - 4 所示。 图2 4 控制特性图 f i g 2 - 4c h a r a c t e rc h a l to f c o n t r o l 其电压频率的协调控制关系如下所示。由公式( 2 一l o ) 可得： 只= 3 u ：r ， g 曩+ r ，) 2 + j2 ( 以+ x ，) 2 在基频以上调速时，s 较小可得： 只z s 警= 3 咐r 在额定频率和额定电流下，即在额定工作点处。3 u 刍r ， 在基频以上，采用恒功率调速时己= ， u k s v = u ：s = c ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) 其中：堕：譬：掣 f o c n w l nj | “ ，；丝：竺二竺：丘 i。| s 由于变频凋速时，电机机械特性的曲线平行移动，1 l f i - c o , , 一h = q - - g o 根据公式( 2 1 8 ) 町以得到 哈尔泞理t 大学t 学面卜学p 诊电 粤：粤：c 或者粤：粤：c ( 2 d 9 ) 0 f | t i s n0 | _ 。 。护击商 o ) 时，随着频率的增加，其机械特性的曲线也上移，最大转矩瓦一随之减小。 乙 图2 - 5 恒功率调速的机械特性 f i g 2 - 5m