外文翻译译文-一个混合溶液为负载整流逆变器控制感应电机驱动器

IEEE关于工业应用的汇报，第一期41卷，2006年1月/2月一个混合溶液为负载整流逆变器控制感应电机驱动器SangshinKwak，StudentMember，IEEE，andHamidA.Toliyat，SeniorMember，IEEE摘要：一个新奇的、混合解决方案采用一个负载整流逆变器(LCI)和电压型三电平逆变器(VSI)的结合提出了感应电机驱动器。通过避免输出电容和强制直流变换电路的使用，该解决方案可以消除在基于LCI传统的感应电机驱动器的这些电路的所有的缺点。此外，可达到输出电流波形和更快的动态反应的质量改善。提出的混合方案突出以下任务:1)LCI安全换向角，电压源逆变器控制感应电机的整个速度区域；2)直流环节电流控制回路，保证最低VSI率。提出的解决方案的优势在传统LCI建立感应电机驱动器包括以下几点:1)正弦电机相电流和电压基于瞬时电机速度控制；2)快速动态响应的电压源逆变器操作；3)电机电路共振和电机转矩脉动的消除。大功率传动系统提出的混合电路的可行性是通过计算机模拟验证一个500马力感应电机。实验结果支持使用所提出的系统还包括了一个1hp感应电机实验室的设置。索引词交流输出电容器、混合式电路、感应电机、负载整流逆变器(LCI)。介绍以负载整流逆变器(LCI)为基础的感应电机驱动器传统的用于非常高功率的应用，如泵、压缩机和风扇驱动器。这个驱动是基于经济的和可靠的电流源逆变器(CSIs)使用晶体闸流管和坚固的笼型感应电机。基于LCI系统的优点起因于事实，它采用变换器级晶体闸流管和利用晶体闸流管的自然换向。它提供了简单性、鲁棒性、成本有效性和非常低的开关损耗6、11。此外，因为它有CSI拓扑，它有固有的CSI的优势:1)短路保护:由直流环节监管电流输出电流是有限的；2)高转换器可靠性，由于开关和固有的短路保护的单向自然性；3)瞬时和连续再生能力9.所有这些特性，驱动器对采矿业特别有利于研磨操作。在过去的二十年一直在进行研究来控制基于LCI感应电机驱动和改善中等的到大功率应用的性能2-7。然而，传统的基于LCI的感应电机驱动器显示一些严重的困难。因为系统有一个基于晶闸管的拓扑，它必须保证晶体闸流管的安全换向，这需要一个在所有操作区域主导功率因数的LCI。连接于感应电机的额外的输出电容器产生自然换向要求的主导功率因素，因为感应电机不能通过励磁控制提供主导功率因素用于同步电机。随着感应电机的额定功率的增加，一个较大的电容需要创建上级主导定义变量要求电容器的采取，这高度可能不合理。输出电容器还设置了电机电感的共振现象的交互，严重限制驱动性能和导致高频区域的内在不稳定性4。大输出电容器在一定条件下可能会导致不良的自激，一个问题就加剧了更高的速度2。通过输出电容器生成主要功率因素的这种方法，尽管使用非常广泛，但它本身的方法产生了一些基本问题。此外，在启动和低速操作期间，通过输出电容器降低生成主要增值，导致滞后功率因素，因此，负载换向是不可能的。因此，在低转速区LCI操作所需要一个复杂的和强制直流变换电路4。此外，在低速区域准方形波电机电流波形，富有低阶谐波，可以产生相当大的电流谐波和合成损耗以及电动机的定子漏电感的电压峰值，对于早期机失败存在潜在的危险8、10。在本文中，感应马达驱动使用一个LCI和一个电压型三电平逆变器(VSI)并行装配提出了一种基于LCI的新型的混合解决方案。调查和描述了提出的电路的操作。结果表明，由输出电容与直流整流电路在传统LCI感应电机系统引起的所有的问题可以通过提出解决方案来克服。这种混合解决方案具有以下特点和优势。LCI的负载换向所要求的主要的功率因素完全由VSI在所有操作区域提供。LCI的安全换向是通过VSI的主要功率因素角的主动控制。传统的基于LCI的感应电机驱动器输出电容所引起所有问题，比如由于VSI模拟输出电容器，可以解决基本的和和谐的共振和在高频区域的内在不稳定性。避免复杂的和昂贵的强迫直流整流电路的使用，对于电机的直流变换电路和转矩脉动整流失败的潜在风险可以被消除。在所有运行条件下电机电流和电压几乎接近纯正弦，包含小谐波组件。通过VSI操作拟议的系统显示了快速动态响应。通过提出的策略达到最低电压率和成本。仿真和实验结果表明提出的系统和控制结构的可行性。标准基于LCI感应电机驱动的回顾基于LCI感应电机驱动的非典型原理图如图1所示。它由一个输入侧的三相可控整流器和有着一个大的直流环节电感器输出侧的CSI组成。提供给电机的电流的振幅由通过一个电感直流环节的相位控制整流器控制。直流环节的电感降低电流谐波和保证输入的LCI，因此，电机作为一个电流源出现。直流电流强度以及电机电流强度可以通过调整可控整流器的发射角控制。负载逆变器只能通过选择晶体闸流管的控制实例来控制电机电流的基本频率。对于晶体闸流管在LCI的成功换向，输出LCI的电流，必须主导相应的电机相电压。因为通过感应电机的特点感应电机的电机相电流总是滞后于相应的电机相电压，通过输出电容器得出一个主要的功率因素。输出交流电容器要求提供一个电机相电流的移相，导致一个主要的功率因素。图2的矢量图明确解释了输出电容怎样提供电流的移相，导致一个主要的功率因素角。主要的功率因素允许高于的感应电机临界频率的LCI的晶体闸流管转换速度。输出电容器在高频操作通过提供一个低阻抗的谐波电流路径也消除了来自逆变器的输出电流波形接近正弦。图1传统基于LCI感应电机驱动。图2传统基于LCI感应电机驱动的矢量图。然而在启动和低速区，由于电容器的高阻抗这些输出电容器不能有足够的主要角因为电容器电流太小。因此，为了促进变换从一个阶段到另一个阶段所需要的附加强直流变换电路，通过有效地绕过在负载直流环节的流动电流。随着电路的操作，感应电机可以启动和引起操作到达上面的临界速度，这将确保输出电容器的负载换向。然而，这种传统的基于LCI的输出电容与直流变换电路的感应电机系统显示了一些缺点。因为为了提供一个相移输出交流电容器应充分补偿感应电动机电感的效应，所需的电容大小必须相应的增加感应电动机的额定功率。输出交流电容器是不可靠的，尤其是大功率的应用程序。共振现象可能是由于输出电容和电机的电感之间的交互引起的。这些基本的和谐波共振问题严重限制了系统的性能。在高频区域的固有的不稳定性可能又输出电容器引起。通过直流换向电路中强制换向执行，可能发生低速运行时一个转矩脉动。在启动和低速区，准方波电机电流波形，富有低阶谐波，产生相当大的电流谐波，这可能引起损耗和内机加热。此外，他们可能导致电机的定子漏电感的电压峰值。提出的混合逆变器系统拓扑结构和属性所提出的系统一个完整的电力线路图如图3所示。它是由一个三相可控整流器、后跟一个直流环节电感的LCI和三相VSI组成。通过一个小的LC滤波器VSI与LCI平行连接。基本上，拟议的系统有一个LCI和VSI的结合的逆变器拓扑。注意到尽管这个配置类似于一个活跃的电力滤波器或串联逆变器的拓扑，它的目的和操作完全不同于他们。图3提出的系统的线路图。在准方波模式下转换器-级晶体闸流管的LCI的操作。因此，输出电流的平均每个周期只有一次在LCI晶体闸流管自然地打开和关闭，因此，他们的开关损耗可以忽略不计。为了调节电机速度以及提供一个安全的LCI换向角VSI的主要功能是正弦相位电压应用于感应电机。感应电机速度是通过瞬变调整输出电压幅值和VSI的频率控制的。此外，输出电压的相位角是通过适当地改变LCI的点火角获得安全负载换向角来达到的。因此，LCI操作的主要功率因素是完全通过VSI超过感应电机的整个速度范围得到的。基于LCI的主要功率因素由VSI所提供，该系统可以运行一个没有直流整流电路的感应电机，传统基于LCI感应电机驱动器的输出交流电容器也一样。因此，该系统可成功解决输出电容和强直流变换电路所引起的所有的问题。此外，提出的计划可以为所有速度区域生成正弦波电机电压和电流，以减少低阶谐波注入到电机。由于传统LCI的准方波电机电流允许转矩脉动和谐波损耗的消失。一个小的LC滤波器需要用来消除由VSI生成的脉冲宽度调制电压。图4显示了一个所提出系统的每相等效电路。所提出的系统有两个逆变器的平行连接，电流源代表LCI，电压源代表VSI。VSI传送一个正弦电机相电压到电动机。此外，它控制LCI的安全整流的主要功率因素。一个电机相电流取决于VSI控制的正弦电机相电压。与此同时LCI还提供一个电流到电机。因此，电机相电流是LCI输出电流和VSI输出电流的总和。从操作点的角度看，快速VSI操作作为一个主逆变器和慢LCI作为一个从动装置。因此，该系统与传统基于LCI的感应电机驱动相比可展示一个快速系统瞬态响应因为该系统时间响应接近于VSI的采样周期。图4所提出的系统的每相等效电路。图5显示了所提出的系统的一个电流向量图。相位角度表示LCI的安全交换的主要的功率因素角。这个角是由调整电机相电压和LCI的选通即时之间的相角来控制的。因此，这种策略可以确保超过感应电机的所有操作速度的LCI的安全交换。相位表示感应电机的功率因素角。依据提供到电机的额定功率，LCI供应真正的功率到电机负载，而VSI提供了相应的真正功率到LCI输出电流和电机相电压之间的移相及无功和谐波功率。从成本的角度看LCI比不上VSI。因此，VSI额定功率应保持在最低限度来作出该系统的一个成本效益解决方案。因为VSI应该供应其输出电流等于电机相电流和LCI输出电流之间的差异，VSI输出电流与和之间的相角成正比，对应。因此，相角应该维持在小VSI等级的最低限度值。这种情况可以通过调整主要的角度来为最小值满足于安全交换和控制感应电动机功率因素获得。由于大功率感应电机比小额定值电机具有更好的功率因素，预计功率因素角在大功率电动机的应用程中很小。它使提出的系统更具竞争力和大功率应用更有效。B控制系统结构一般基于驱动所提出的混合逆变器的控制框图如图6所示。总体控制策略是由两个主要控制回路组成的。图6提出的系统总体控制方案。第一个控制回路是基于VSI的操作的电机速度控制。电机转速可以使用一个使用滑动速度调节器的闭环速度控制器调节，这决定了滑动速度参考。通过增加实际的速度和滑动速度得到的同步速度设置变频器操作频率。电压幅值命令然后设置使用函数发电机的逆变器频率，可以确保有一个近似于常数通量操作。最后，为了给LCI的安全交换提供主要的功率因素()决定了电机电压的相角。这个空间矢量调制器产生的开关模式基于VSI的正弦输出电压的振幅、频率和相位的命令信号。这个速度回路控制通过VSI实现确保快速动态响应器以比传统的LCI更快的采样周期。第二个是使用可控整流器的直流环节电流控制的控制回路。这个计划为了保持在稳定状态下的VSI评级最小化而改变直流连接电流。这个回路的主要功能是设置以这样的方式的直流环节电流参考，那样VSI评级最小化，基于电机电流幅值和相角。下一节理论上论证VSI的转换器评级可以通过适当地调整直流环节的电流有效地减少。转换器大小和VSI等级最小化策略因为提出的混合电路包括两个逆变器，他们之间的输出功率分布，给定一个特定的电机功率要求，是重要的。一个评级因素被定义为LCI评级的比例和VSI等级。注意到，通过假设由于VSI的LC滤波器输出电压下降，他们的输出终端的两个逆变器连接着相同的电机相电压可以忽略不计。因此，评级因素与VSI输出电流和LCI输出电流的有效值比例成正比。VSI的大功率需要驱动导致一个非常高系统成本，这将限制该系统。从成本的观点看，LCI比不上VSI。作为结果，应该尽量减少感应电机所需的运行功率下的评级因素。为了驱动直流环节电压电流控制最小化VSI评级，纯电流源来模拟LCI的直流环节阶段。图7显示了两个逆变器输出电流、电机相电压和电流的平面图。由于电机电流是正弦量和LCI电流在直流环节没有纹波组件，LCI输出电流和电机输出电流都表达为其中为正弦波电机相电流的振幅。图7。LCI电流、电机相电压、电机相电流和VSI电流。评级因素可以使用(1)和(2)驱动，在(3)中，应该注意到电机相电流幅值取决于电机轴速度和主要的功率因素角是一个LCI安全换向的控制因子。此外，是感应电机的滞后功率因素角，可检测。然后，直流环节电流值大大降低了VSI等级可以通过设置关于直流环节电流的导数为零得到。由一下产生一个直流环节电流命令方程(5)允许直流连接电流控制来实现最低V等级要求根据电机电流和LCI输出电流之间的电机电流和相位偏移，。这个直流环节电流控制算法通过可控整流器实现。从(5)值得注意的是，增加功率因素角度，直流环节电流值来减少评级因素也会增加。图8说明了直流环节电流命令的平面图作为一个电机相电流的幅值和相角的函数。最小评级因素是重要的是要注意到，直流环节电流值和相应的最小化评级因素在每一个感应电机和一个给定的主要功率因素角的操作点是独特的。图9显示了一个(5)中直流环节的电流值的最小化评级因素作为一个函数的相位角。图8直流环节的电流和电机相电流幅值的比率作为一个函数的相位角。图9最小化评级因素与相角。IV.仿真结果为了调查所提出的混合系统、详细的计算机的性能模拟进行使用一个附录已给出500马力感应电机的参数。图10描绘了全负荷下的电动机轴转速。电机轴速度设置为900r/min，引起逆变器30Hz的频率。图11显示了在稳定状态下三相电机相电流和LCI输出电流。关于LCI输出电流电机相电流有相位延迟，对应主要功率因数角()和负载功率因素角()之和。主要的功率因素角()控制使用VSI的晶体闸流管的安全交换。一个电机相电压和LCI的瞬间闸门之间的十度主要角()用来确保相应的晶闸管开关的安全变换。另一方面，电机相电压和电机相电流之间的负载功率因素角()通过电机的特性决定，这个模拟大约30度。为了最小化VSI评级在(5)中设置了直流环节电流命令。注意到直流环节电流监管比40度相移角LCI和电机电流之间的电机电流振幅高大约18%值。图10全负荷下感应电机轴转速。图11在稳态下LCI电机相电流和输出电流。图12分别显示了在稳定状态下LCI输出电流、电机相电流、VSI输出电流和直流环节电感电流。它可以指出，VSI输出电流提供电机相电流和LCI输出电流之间的区别以为相移以及无功功率提供电机的动态功率。由于有限的直流环节感应器直流环节的感应电流展示了一些谐波脉动组件，它出现在LCI输出电流。图12LCI输出电流、电机相电流、VSI输出电流和直流环节感应电流。V.实验结果验证提出的拓扑结构和控制算法，使用一个LCI的混合动力系统的原型的开发，一个相位控制整流器和一个VSI。一个基于绝缘栅门双极晶体管(IGBT)的商业逆变器(SEMIKRON)被用作VSI。此外，一个相位控制整流器和LCI原型在实验室是捏造的。120mH直流环节电感器用于LCI。提出的控制结构实现一个定点数字信号处理器(DSP)板(TMS320LF2407)。VSI控制信号由DSP板的PWM端口提供。另一方面，由于有限的DSP板的PWM端口可控整流器和LCI的选通脉冲命令由DSP板和20khz外部振荡器信号的数字I/O端口信号生成。脉冲变压器板(FCOAUX60)的脉冲行列用来打开控制整流器和LCI的晶体闸流管。在实验中，一个230V60赫兹1hp通用感应电机作为负载采用。一个三相输出滤波器使用0.5mH感应器和一个50电容器实现。该系统的不同输出频率(20、40、60Hz)稳态运行见图13。电流波形显示对应与LCI和电机电流的区别的小谐波和VSI注入输出电流的电机电流是正弦。图14显示了LCI输出电流和电机相电压。一个LCI输出电流和电机相电压之间的主要的功率因素角()设置为5度以确保安全负载换向。基于这个角度，在所有的速度范围内没有任何换向失败LCI可以运营成功。图15显示了稳态下的LCI输出电流和电机电流。因为检测LCI和电机电流之间的40度相角()，通过提出的控制策略来最小化VSI额定功率，监管到直流环节的电流比电机电流幅值高出大约18%。图16显示了供应电压、输入电流