矿用矿车的变频调速系统设计

摘摘 要要 矿用电机车是煤矿生产中的一种重要运输装置 其一直沿用直流电动机驱 动 由于电刷维护和换向器火花等缺点 使得矿用电机车直流传动系统的运营 成本高 运行可靠性低 维修费用高 随着电力电子技术的发展 采用电力电 子变流器的交流传动系统得以实现 特别是大规模集成电路和计算机控制的出 现 交流调速的性能得到了很大的进步 而交流电机比直流电机功率高 效率 高 而且没有电刷和换向器 减少了维护成本 所以在矿用电机车上 交流电 动机取代直 流电动机已经成为必然趋势 论文针对这个系统进行了硬件和软件的设计和开发 设计了基于SVPWM的矢 量控制系统 采用了TMS320F2812芯片来完成矢量控制 产生所需的SVPWM 设 计采用了IPM智能功率模块作为逆变器件 TMS320F2812和IPM模块的采用大大简 化了系统设计 IPM受到DSP输出的SVPWM控制产生电动机所需的三相电压 然后 对电机进行电流 转速信号检测 送入DSP根据矢量控制算法进行分析计算 再 生成相应的SVPWM信号 最后在实验对整个设计进行了验证 实验证明 系统调 速性能良好 能够满足实际应用的要求 关键词关键词 变频调速 DSP 矿用电机车 矢量控制 空间矢量 i Abstact Mine electric locomotive is all important conveyance in coal production It hasalways been driven by DC motor It has some disadvantage such as the maintenance ofbrush and the spark of commutator which making high operating costs low operational reliability high maintenance cost With the development of power electronics technology the AC drive system based on power electronic converters can be realized Especially after the realization of LSI and Compmer Controling the performance of AC variale speed has been improved a lot AC motor has a lot of advantages over DC motor These characters include its higher power and efficiency brushc and commutator the lower cost of maintenance So it is all inevitable trend that the DC motor will be replaced by DC motor to be used on mille electric locomotive Then I designed the hardware circuit and s01 are program of the vector control system based on SVPWM Because the caltulation work of the vector control is huge the TMS320F2812 chip is used to realize the vector control and make the SVPWM The design uses IPM as the inverter device The using of TMS320F2812 and IPM greatly simplifies the system design IPM which is controlled by the SVPWM generates 3 phase voltage for AC motor The system detectes the current and the speed to send them to DSP then DSP analyzes and cMculates these signed according to the vector controlalgorithm to generate the SVPWM signal At last the experiment to validate this design was made in lab The experiment testified the system has a betteradjustable speed performance The system meets the requirements of pratical applications KeyWords variable frequency adjustable speed DSP mine electric locomotive vector control applications space vector ii 目目 录录 摘 要 i Abstact ii 第一章 绪论 1 第一节 研究背景 1 第二节 国内外研究现状 1 第三节 交流调速系统的现状及其发展 2 一 交流调速系统的现况 2 二 异步电动机交流调速的基本类型及特点 2 三 交流调速系统的发展 3 四 脉宽调制技术 5 第四节 变频调速系统在矿用电机车上的应用 5 第二章 异步电动机及矢量控制系统的原理 7 第一节 异步电动机数学模型 7 一 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 7 二 坐标变换 12 三 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型 15 第二节 矢量控制系统原理 16 一 矢量控制系统的基本思路 17 二 异步电动机矢量控制系统 17 第三节 脉宽调制 PWM 技术 18 一 正弦波脉宽调制 SPWM 技术 18 二 电压空间矢量 PWM SVPWM 控制技术 19 三 空间矢量 SVPWM 的实现 24 第四节 矿用电机车矢量控制系统 27 一 矿用电机车系统设计 27 二 矿用电机车控制系统模型及分析 28 第三章 系统硬件电路设计 30 第一节 系统整体结构 30 第二节 DSP 电路板设计 31 一 TMS320F2812 的主要性能特点 31 二 TMS320F2812 电路板相关电路设计 31 第三节 系统主回路设计 33 一 升压斩波电路 34 二 直流滤波电路 35 三 逆变电路 35 iii 第四章 系统软件设计 39 第一节 引言 39 第二节 TMS320F2812DSP 的核心结构及功能模块 40 一 TMS320F2812 DSP 的核心结构 40 二 中断系统 42 三 事件管理器 EV 43 四 ADC 模块 44 第三节 控制系统软件整体结构与设计 45 一 软件编制流程 45 二 控制系统软件结构 45 第四节 控制系统软件具体模块 47 一 矢量控制中的坐标变换 47 二 转速观测 50 三 电流检测 53 四 SVPWM 的 DSP 实现 55 总结 60 参考文献 61 外文资料 63 中文翻译 66 附录 69 致谢 70 0 第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 研究背景研究背景 电机车运输是矿井运输中极为重要的部分 广泛用于矿山地面及井下运输 是矿井水平巷道长距离运输的主要方式 据不完全统计 目前我国各类矿用电 机车的总保有量在5万台以上 考虑到煤矿的隔爆防爆要求 现在多采用防爆特 殊型蓄电池电机车作为井下轨道动输牵引设备 但是由于其技术上的落后使其 在矿井上的应用存在着许多不足之处 1 直流电机上因为有线圈和易磨损的换 向铜头 碳刷等 故障率高 维修费用高 其调速器由于是凸轮控制触头的通 与断 在断开时产生的电弧 经常烧蚀触头 维修工作量大 2 由于直流调速 电机车带有电阻器运行 电能白白消耗在电阻上 同时可能会因为电阻发热导 致电阻瓷架和电阻片烧坏 3 调速是有级的 起动不够平稳 牵引力低 爬坡 能力差 4 直流电机具有电刷和换向器必须经常检查维修 同时换向火花使其 不适合在井下防火防爆的要求 随着我国煤矿现代化程度的不断提高 作为煤矿井下生产 瓶颈 之一的矿 用电机车系统从可靠性 维护性和经济性上考虑 必须研制新型的电机车调速 牵引系统 第二节第二节 国内外研究现状国内外研究现状 近几年来 随着电力电子技术和计算机控制技术的发展 矿用电机车的应 用技术也在不断的更新 国外先进的工业国家生产直流传动装置基本呈下降趋 势 交流变频调速装置的生产大幅上升 以日本为例 1975年在调速领域 直 流占89 交流占20 1985年交流占80 直流占20 到目前为止 日本 除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外 几乎所有的调速系统都采用交流 变频装置 德国作为先进交流调速理论的诞生地 著名的矢量控制理论和直接 转矩控制理论就是德国人发明的 现在德国大力发展交流传动 已经能生产出 兆瓦级的电力机车牵引系统了 从发展趋势上来看 在国外电机车方面基本都 采用了交流传动技术 而在国内由于工业技术的落后 国内很多厂家依旧在生 1 产老式的电机车 不过有不少厂家已经加速研制生产基于变频调速技术的电机 车 并且吨位也越来越高 第三节第三节 交流调速系统的现状及其发展交流调速系统的现状及其发展 一 交流调速系统的现况一 交流调速系统的现况 直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生 在20世纪上半叶 鉴于 直流传动具有优越的调速性能 高性能可调速传动都采用直流电动机 而约占 电气传动总容量80 以上的不变速传动系统则采用交流电动机 虽然当时交流 调速系统的多种方案虽然早已问世 并已获得实际应用 但其性能却始终无法 与直流调速系统相匹敌 直到20世纪60 70年代 随着电力电子技术的发展 采用电力电子变流器的交流传动系统得以实现 特别是大规模集成电路和计算 机控制的出现 逐步解决了调速装置的减少设备 缩小体积 降低成本 提高 效率 消除噪声等问题 使高性能交流调速系统应运而生 这时 直流电动机 和交流电动机相比的缺点日益显露出来 例如具有电刷和换向器因而必须经常 检查维修 换向火花使它的应用环境受到限制 换向能力限制了直流电动机的 容量和速度等等 现在 交流传动控制系统已经成为电气传动控制的主要发展 方向 自从发明了矢量控制等高性能调速技术之后 提高了交流调速系统的静 动态性能 同时各种高性能芯片的问世 解决了高性能控制方法繁琐的运算问 题 使交流调速系统更上一层楼 得到了更广泛的应用 二 异步电动机交流调速的基本类型及特点二 异步电动机交流调速的基本类型及特点 交流电动机有异步电动机 即感应电动机 和同步电动机两大类 每种电动 机又都有不同类型的调速方法 根据电机学原理 异步电动机从定子传入转子的电磁功率分为机械功率和 转差功率 根据转差功率的流向 异步电机的调速系统可分为三类 1 转差功率消耗性调速系统 在这类系统中 全部转差功率都转换成热能消耗 在转子回路里面 如变压调速 转子回路串电阻调速等 这种系统效率最低 是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低 恒转矩负载时 但其结构简单 设备成本最低 在一些场合还有应用 2 转差功率馈送型调速系统 在这类系统中 大部分转差功率在转子侧通过变 流装置馈出或馈入 转速越低 能馈送的功率越多 2 3 转差功率不变型调速系统 在这类系统中 转差功率只有转子铜损 而且无 论转速高低 转差功率基本不变 因此效率更高 如变极对数调速 变压变频 调速等 变压变频调速效率高 性能好 最有发展前途 三 交流调速系统的发展三 交流调速系统的发展 电气传动技术自五十年代第一个晶闸管诞生以来 进入电力电子发展时期 近10年来 随着电力电子技术 计算机技术 自动控制技术的飞速发展 电气 传动技术正面临着一场历史性的变革 以交流调速取代直流调速 以计算机数 字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势 交流调速技术广泛应用于冶金 矿山 石油 化工 交通 农业 国防等国民经济和人民生活的各个领域 尤 其是在风机 水泵类机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制流量 具有 明显的节能效果 实践证明 交流异步电动机高效调速方法的典型是变频调速 用异步电动机变频调速系统取代矿用电机车直流串级调速系统是最好的选择 异步电动机变频调速不但能实现无极调速 而且根据负载的特性不同 通过适 当调节电压和频率之间的关系 可使电动机始终运行在高效区 并保证良好的 动态特性 交流变频调速系统在调速时和直流电动机变压调速系统相似 机械 特性基本上平行上下移动 而转差功率不变 同时交流电动机采用变频起动更 能显著改善交流电动机的起动性能 大幅度降低电动机的起动电流 增加起动 转矩 变频调速技术已成为当代节电 改善工艺流程以及提高产品质量和环境 保护 推动技术进步的一种重要手段 变频调速以其优异的调速和起制动性能 高效率 高功率因数和节电效果 广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外 公认为是最有发展前途的调速方式 为了取代直流调速 提高控制性能并降低成本 各种变频控制策略得到了 很大的发展 新的控制策略也在不断产生 目前最具代表性的有 转速开环恒 v F控制 转差频率控制 矢量控制以及直接转矩控制 1 转速开环恒V F控制 也称为恒V F控制 这种调速方法为了实现电压一频率 协调控制 通常采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案 其控制系 统结构最简单 成本最低 虽然可以满足平滑调速的要求 但动 静态性能都 有限 适用于风机 水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合 2 转速闭环转差频率控制 根据异步电动机转矩的近似公式 在转 2 2 s mm Tek R 差s很小的范围内 只要能够保持气隙磁链不变 电动机转矩就近似与转差频率 3 成正比 控制就达到间接控制转矩的目的 但是转差频率控制是从异步电动机 稳态等效电路和转矩公式出发的 因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立 一般说来 它只适用于转速变化缓慢的场合 而在要求电动机转速做出快速响 应的动态过程中 电动机除了稳态电流以外 还会出现相当大的瞬态电流 由 于它的影响 电动机的动态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同 因此 如何在动态过程中控制电动机的转矩 是影响系统动态性能的关键 人们经过 深入的研究 提出了对异步电动机更有效的控制策略 3 矢量控制 简称VC 异步电动机的数学模型是一个高阶 非线性 强耦合的 多变量系统 对其最有效的控制首推70年代提出的矢量控制技术 1971年德国 西门子公司的F Blaschkc等提出的 感应电动机磁场定向的控制原理 和美国的 只P C Custman和A A Clark申请的专利 感应电动机定子电压的坐标变换控 制 经过不断的实践和改进 形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速 系统 矢量控制是以交流电动机的双轴理论为依据 在同步旋转坐标系中把定 子电流矢量分解为两个分量 一个分量与转子磁链矢量重合 称为励磁电流分 量 另一个分量与转子磁链矢量垂直 称为转矩电流分量 通过控制定子电流 矢量在旋转坐标系的位置及大小 即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大 小 实现像直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制 矢量控制具有转矩响应 快 调速精度高 调速范围宽等优点 但涉及电机参数多 计算复杂 矢量控 制技术的提出 使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善 这无疑是交流 传动控制理论上的一个质的飞跃 4 直接转矩控制 该系统是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能 的交流电动机变频调速系统 在它的转速环里面 利用转矩反馈直接控制电动 机的电磁转矩 直接转矩控制摒弃了解耦的思想 取消了旋转坐标变换 通过 检测电机定子电压和电流 借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁通和转矩 并 根据与给定值比较所得差值 实现磁通和转矩的直接控制 其优点是方法简单 计算量小 但直接转矩控制的磁通观测多采用电压模型 在低速时 定子电压 降对磁通观测影响较严重 导致系统的低速性能不理想 存在转矩脉动 转速 波动很大 调速范围也不够宽 四 脉宽调制技术四 脉宽调制技术 脉宽调制 PWM Pulse Width Modulation 技术是变频调速系统的关键技 4 术之一 PWM技术的发展和应用优化了变频调速系统的性能 PWM控制的基本原 理很早就已经提出 但是受电力电子器件发展水平的制约 在上世纪80年代以 前一直未能实现 直到进入上世纪80年代 全控型电力电子器件的出现和迅速 发展 PWM控制技术才得到真正应用 随着电力电子技术 微电子技术和自动控 制技术的发展以及各种新的理论方法 如现代控制理论 非线性系统控制思想 的应用 PWM控制技术获得了空前的发展 到目前为止 已经出现了多种PWM控 制技术 根据PWM控制技术的特点 主要有以下方法 1 相电压控制PWM 2 线电压控制PWM 3 电流控制PWM 4 空间电压矢量控制PWM 第四节第四节 变频调速系统在矿用电机车上的应用变频调速系统在矿用电机车上的应用 近年来 电力电子技术 计算机技术 自动控制技术取得了迅猛的发展 导致电力传动技术一场历史性的革命 随着我国煤矿现代化程度的不断提高 作为煤矿井下生产 瓶颈 之一的 矿用电机车运输系统从可靠性 维护性及经济性上考虑 必须研制新型的电机 车调速牵引系统 同直流电动机相比 交流电动机具有明显的优势 体积小 重量轻 坚固耐用 维修方便 同时交流电动机在运转时没有直流电动机那样 的换向火花 所以更适合应用在井下防爆环境 而采用变频调速技术的交流电 机车由于不用高耗能降压电阻 节电率可达35 还具有维修率低 启动转矩 大 调速性能好 经济效益高等优点 使得交流电机车取代直流电机车已成为 一种趋势 所以 用交流异步电动机作为电机车的牵引电机是最好的选择 由于考虑电机车的工作环境恶劣 调速系统处于频繁的起动 制动 加减 速等状态 还要适应负载上下坡和颠簸路况等情况 因此要求电动机启动转矩 大 过载能力强 而采用矢量控制的交流调速系统启动转矩和牵引特性可以和 直流电动机调速时的特性相媲美 所以 本论文采用矢量控制方案 矢量控制 经过多年的发展 各方面性能都在不断提高 并已进入实用阶段 同时高性能 DSP芯片的 应用解决了矢量控制中的计算量大的问题 所以高动态性能的矢量控制变频器 已经成功地应用在轧机主传动 电力机车牵引系统和数控机床等项目中 采用 高速电动机控制专用DSP 嵌入式实时软件操作系统 开发更实用的转子磁场定 5 向方法和精确的磁通观测器 使变频器获得高起动转矩 高过载能力 将是未 来矢量控制技术的重要发展方向 本文对矿用蓄电池电机车进行了改造 保留蓄电池装置 选择异步电动机 和矢量控制技术来进行改造 然后分析相应的原理与技术 然后根据矿用电机 车的特点 选择相应的各种技术 并进行所需的硬件和软件设计 可以实现电 机车无级调速 彻底改变了电机车常用电阻调速的落后状况 可使电机车具有 零速起动且起动平滑 均匀调速 无冲击 牵引力大 能耗小 操纵简单方便 可靠性高 性价比优 安全性好 制动性能优 该技术对1日电机车进行改造 大大节约了研发成本 可以提高企业的经济效益 具有广阔的应用前景 6 第二章第二章 异步电动机及矢量控制系统的原理异步电动机及矢量控制系统的原理 第一节第一节 异步电动机数学模型异步电动机数学模型 异步电动机变压变频调速时需要进行电压 或电流 和频率的协调控制 有电 压 电流 和频率两种独立的输入变量 在输出变量中 除转速外 磁通也算得 上是一个独立的输出变量 因为电动机只有一个三相输入电源 磁通的建立和 转速的变化是同时进行的 为了获得良好的动态性能 也希望对磁通施加控制 而电压 电流 频率 磁通 转速相互之间又都有影响 所以异步电动机的动 态数学模型是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 一 三相异步电动机的多变量非线性数学模型一 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时 常作如下的假设 1 忽略空间谐波和齿槽效应 三相绕组对称 在空间上互差120 电角度 所产 生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布 2 忽略磁路饱和 认为各绕组的自感系数都是恒定的 3 忽略铁心损耗 4 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响 将电动机转子等效成三相绕线转子 并折算到定子侧 折算后的定子和转 子绕组匝数都相等 这样 电动机绕组就等效成如图1所示的三相异步电动机的 物理模型 图 2 1中定子三相绕组轴线A B C在空间上是固定的 以A轴为参 考坐标轴 转子绕组轴线a b c随转子旋转 转子a轴和定子A轴间的电角度 为空间角位移变量 规定各绕组电压 电流 磁链的正方向符合电动机惯例 1 和右手螺旋定则 这时异步电动机的数学模型由下述电压方程 磁链方程 转 矩方程和运动方程组成 7 图2 1三相异步电动机的物理模型 1 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为 2 1 A AAS B BBS C CCS d ui R dt d ui R dt d ui R dt 与此相应 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 2 2 a aar b bbr c ccr d ui R dt d ui R dt d ui R dt 将电压方程写成矩阵形式 并以微分算子 p 代替微分符号的 d dt 得 2 3 S S S S S 0 0 R 0 0 0 0 00R0 0 0 00 0R 0 0 00 0 0 R 0 00 0 0 0 R SAA BB C a b c Rui ui u u u u A B CC aa bb cc i p i i i 2 4 uRip 8 2 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的磁链之和 因此 六个绕组的磁链可表达为 2 AAABACAaAbACA BBABBBCBaBbBc CCACBCCCaCbCc aaAaBaCaaabac bbAbBbCbabbbc ccAcBcCcacbcc LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL A B C a b c i i i i i i 5 或写成 2 6Li 实际上 与电动机绕组交链的磁通只有两类 一类是穿过气隙的相间互感 磁通 另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通 前者是主要的 由 于绕组的对称性 定子各相漏感值均相等 而且折算后定 转子绕组匝数 mr L 相等 且各绕组间互感磁通都通过气隙 磁阻相同 所以定子互感转子 ms L 互感 对于每一相绕组来说 它所交链的磁通是互感磁通和漏感磁通之和 mr L 因此 定子各相自感为 2 7 AABBCCmsls LLLLL 转子各相互感为 2 8 aabbccmrlsmslr LLLLLLL 两相绕组之间只有互感 定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置都是 固定的 三相绕组轴线彼此在空间的相位差是 互感为常值 在假设气 0 120 隙磁通为正弦分布的条件下 互感值应为 于是 00 1 cos120cos 120 2 msmsms LLL 2 9 1 2 ABBCCABAACms LLLLLL 9 2 11 22 aabccabaacmrms LLLLLLL 10 定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的 定转子绕组间的互感是角位移 的函数 2 11 cos AaaABbbBCccCms LLLLLLL 2 12 0 cos 120 AbbABccBCaaCms LLLLLLL 2 13 0 cos 120 AccABaaBCbbCms LLLLLLL 当定 转子两相绕组轴线一致时 两者之间的互感值最大 就是每相的最大互 感 ms L 将式 2 7 和式 2 13 都代入式 2 5 即可得完整的磁链方程 式 2 14 为磁 链方程的分块矩阵形式 2 sssrss rsrrrr LLi LLi 14 如果把磁链方程代入电压方程 即得展开后的电压方程 2 didLdidl uRip LiRiLiRiLi dtdtdtd 15 其中 项属于电磁感应电动势中的脉变电动势 或称变压器电动势 Ldi dt 项属于电磁感应电动势中与转速成正比的旋转电动势 dL d i 3 转矩方程 根据机电能量转化原理 在多绕组电机中 在线性电感的条件下 磁场的 储能和磁共能为 2 16 11 22 TT mm WWii Li 10 而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变率 电流约束为常值 m m W 且机械角位移 于是 mp n 2 17 mm ep m i cti ct WW Tn 将式 2 16 和电感的分块矩阵关系分别代入式 2 17 并展开 舍去负号 即 电磁转矩的正方向为使减少的方向 则 0 sin sin 120 epmsA aB BC cA bB cC a Tn Li ii ii ii ii ii i 2 18 0 sin 120 A cB aC b i ii ii i 4 电力拖动系统运动方程 若忽略电力拖动系统传动机构中的粘性摩擦和扭转弹性 则系统的运动方程 式是 2 19 eL p J d TT ndt 式中 负载阻转矩 L T 机组的转动惯量 J 将式 2 14 式 2 15 式 2一18 和式 2 19 综合起来 再加上 便构成在恒转矩负载下三相异步电动机的多变量非线性数学模型 ddt 用结构框图表示 如图2 2所示 11 图2 2异步电动机的动态结构框图 从该图中可以知道异步电动机数学模型的性质 1 除负载转矩输入外 异步电动机可以看成一个双输入双输出的系统 输入量 是电压向量和定子输入角频率 输出量是磁链向量和转子角速度 u 1 电流向量可以看作是状态变量 它和磁链向量之间有由式 2 14 确定的关系 i 2 非线性因素存在于和中 即存在于产生旋转电动势巴和电磁转矩两 1 2 e T 个环节上 还包含在电感矩阵中 旋转电动势和电磁转矩的非线性关系和直L 流电动机弱磁控制的情况相似 只是关系更复杂一些 3 多变量之间的耦合关系主要也体现在和两个环节上 特别是产生旋转 1 2 电动势的对系统内部的影响最大 1 二 坐标变换二 坐标变换 虽然已经推导出异步电动机的动态数学模型 但是分析和求解这个数学模 型是十分困难的 在实际应用中通常采用坐标变换的方法进行简化 1 坐标变换的基本思路 异步电动机数学模型之所以复杂 主要是因为其中包含一个复杂的6x6的电 感矩阵 该矩阵体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系 所以要进行简化 必须从简化磁链关系入手 直流电动机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定 这是直流 电动机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因 如果能将交流电动机的 物理模型等效转换成类似直流电动机的模式 分析和控制就可以大大简化 坐 标转换就是按照这条思路进行的 不同电动机模型彼此等效的原则是 在不同 坐标下所产生的磁动势完全一致 在交流电动机三相对称静止绕组A B C中通入三相平衡正弦交流电 时 能产生一个旋转磁动势F F在空间呈正弦分布 以电流角频 ABC iii 率顺着A B C相序旋转 除三相外 在两相静止绕组和 和在空 1 间互差 通入时间上互差的两相平衡交流电流 也产生旋转磁动势 0 90 0 90 12 当上述两个旋转磁动势的大小和转速都相等时 即可认为这两套绕组等效 若 让两个匝数相等且互相垂直的绕组d和 分别在其中通入直流电和 并q d i q i 让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转 则产生一个旋转磁动势 如 果把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成和前两个相同 那么这个旋转的直 流绕组和前面两套固定的交流绕组等效 这样 当观察者也站在铁心上和d 绕组一起旋转时 在他看来 d和是两个通入直流而且相互垂直的静止绕组 qq 若控制磁通的位置在d轴上 此时就是一个直流电动机的物理模型 绕组d相 当于励磁绕组 相当于电枢绕组 q 因此 以同样的旋转磁动势为准则 在三相坐标系下的和在两 ABC iii 相坐标系下的以及在旋转两相坐标系下的直流等效的 坐标变 ii dq ii 换的任务就是求出与和之间的准确的等效关系 ABC iii ii dq ii 2 三相 两相变换 3 2变换 即三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换 如图 2 3 图中绘出了A B C和个坐标系 为方便起见 取A轴和 轴重合 设三相绕组每相有效匝数为 两相绕组每相有效匝数为 各 3 N 2 N 相磁动势为有效匝数与电流的乘积 其空间矢量均位于有关相的坐标轴上 由 于交流磁动势的大小随时间在变化着 图中的磁动势矢量长度是随意的 13 图2 3三相和两相坐标系 设磁动势波形是正弦分布的 当三相总磁动势与二相总磁动势相等时 两 套绕组瞬时磁动势在轴上的投影都应相等 因此 00 23333 11 cos60cos60 22 aABCABC N iN iN iN iNiii 0 2333 3 sin60 2 BCBC N iN iN iNii 写成矩阵形式 得 2 20 3 2 11 1 22 33 0 22 i N iN A B C i i i 考虑变换前后总功率不变 在此前提下 可以证明 匝数比应为 23 2 3NN 代入上式 令表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩 则 3 2 C 3 2 C 2 3 2 21 11 1 22 33 0 22 如果要从两相坐标系变换到三相坐标系 简称2 3变换 可利用增广矩阵的方 法把扩成方阵 求其逆矩阵后 再除去增加的一列 即得 3 2 C 2 222 3 10 213 322 13 22 C 按照所采用的条件 电流变换阵也就是电压变换阵 同时也是磁链的变换 阵 3 两相一两相旋转变换 2s 2r 14 从两相静止坐标系到两相旋转坐标系d q的变换称作两相 两相旋转 变换 简称2s 2r变换 其中s表示静止 r表示旋转 把两个坐标系画在一起 即得图4 图中 两相交流电流和两个直流电流产生同样的以 ii dq ii 同步转速旋转的合成磁动势 由于各绕组匝数都相等 可以消去磁动势 1 s F 中的匝数 直接用电流表示 但是这里的电流都是空间矢量 而不是时间矢量 图2 4 两相静止和旋转坐标系 在图 2 4中 d q轴和都以转速旋转 分量的长短不变 相 ss F i 1 dq ii 当于d q绕组的直流磁动势 但轴是静止的 轴与d轴的夹角随时间 而变化 因此在轴上的分量的长短也随时间变化 相当于 s i ii 绕组交流磁动势的瞬时值 由图可知 2 23 cossin sincos d q ii ii 所以两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵为 2 2 2rs C cossin sincos 24 对式 2 23 进行变换 可以得到两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换 15 阵 2 2 2 cossin sincos rs C 25 电压和磁链的旋转变换阵也与电流 磁动势 旋转变换阵相同 三 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型三 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型 前面所提到的异步电动机数学模型是建立在三相静止的ABC坐标系上的 如 果把它变换到两相坐标系上 由于两相坐标轴互相垂直 两相绕组之间没有磁 的耦合 仅此一点 就会使数学模型简单许多 两相坐标系可以是静止的 也可以是旋转的 其中以任意转速旋转的坐标 系 dq坐标系 为最一般的情况 有了这种情况下的数学模型 要求出某一具体 两相坐标系上的模型就比较容易了 1 磁链方程 2 00 00 00 00 sdsd sm sqsq sm rdmrrd rqmrrq i LL i LL LLi LLi 25 2 电压方程 2 SSdqsSmdqsm sd sqdqsSSSdqsmm rdmdqrmrrdqrr rq dqrmmdqrrr RL pLL pL ui uLRL pLL p uL pLRL pL u LL pLRLp sd sq rd rq i i i 26 3 转矩和运动方程 转矩方程为 2 epMsq rqsd rq Tn Li ii i 27 运动方程与坐标变换无关 仍为 2 28 eL P J d TT ndt 上述几个方程构成了异步电动机在两相以任意转速旋转的由坐标系上的数 学模型 它比ABC坐标系上的数学模型简单得多 阶次也降低了 但其非线性 16 多变量 强耦合的性质并未改变 第二节第二节 矢量控制系统原理矢量控制系统原理 电动机调速的关键是电磁转矩的控制 他励直流电动机由于电枢电流和 励磁电流可以分别控制 当励磁电流不变时 控制好电枢电流就可以控制好电 磁转矩 因此很容易获得良好的动态性能 然而三相异步电动机却做不到这一 点 因为在异步电动机中 磁通是定子电流和转子电流共同建立的 而与电磁 转矩有直接关系的转子电流 则由定子电流以及转速等电动机的状态所决定 是无法直接对其控制的 矢量控制理论是在普通的三相交流电动机上设法模拟 直流电动机转矩控制的规律 在转子磁场定向坐标上 将定子电流矢量分解成 产生磁通的励磁分量和产生电磁转矩的转矩分量 并使两分量互相垂直 实现 了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦 从而达到对异步电机的磁链和转矩分 别控制的目的 获得与直流调速系统同样优良的静 动态性能 一 矢量控制系统的基本思路一 矢量控制系统的基本思路 异步电动机的动态数学模型是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 虽然通过坐标变换可以使之降阶并简化 但并没有改变其非线性 多变量的本 质 因此 需要异步电动机调速系统具有高动态性能时 必须面向这样一个动 态模型 既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机 那么模仿直流电动 机的控制策略 得到直流电动机的控制量 经过相应的坐标反变换 就能够控 制异步电动机了 由于进行坐标变换的是电流 代表磁动势 的空间矢量 所以 这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统 Vector Control System 简称VC系统 二 异步电动机矢量控制系统二 异步电动机矢量控制系统 实际应用的交流电机矢量控制系统根据磁链是否为闭环控制可分为两种类 型 一是直接矢量控制系统 这是一种转速 磁链闭环的矢量控制系统 二是 间接矢量控制系统 这是一种磁链开环的矢量控制系统 通常称作转差型矢量 控制系统 也称作磁链前馈型矢量控制系统 1 直接矢量控制系统 17 对解耦后的转速和磁链两个独立的线性子系统分别进行闭环控制的系统称 作直接矢量控制系统 其主要分为以下两种 1 带磁链除法环节的直接矢量控制系统转速调节器输出带有除法环节 使 系统可以在有关条件下 简化成完全解耦的磁链与转速两个子系统 这是一种 典型的直接矢量控制系统 两个子系统都是 单变量系统 其调节器的设计方法和直流调速系统相似 2 带转矩内环的直接矢量控制系统这种系统是通过在转速环内增设转矩内 环来提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能 控制系统可以分为转速和磁链两 个子系统 它们是互相耦合的 电流和磁链作用在转矩内环所包围系统的前向 通道上 因而受到转矩内环的抑制 也就是说 转矩内环改造了转速子系统 使它少受磁链变化的影响 或者说转矩内环实现了磁链和转速两个子系统间的 近似解耦 2 间接矢量控制系统 在磁链闭环控制的VC系统中 转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的 其 幅值和相位都受到电动机参数变化的影响 造成控制的不准确性 即然这样不 如采用磁链开环控制 系统反而会简单一些 在这种情况下 可利用矢量控制 方程中的转差公式 从代表转矩给定的转速调节器ASR输出信号形成转差频率给 定信号 构成转差型的矢量控制系统 又称为间接矢量控制系统 磁链开环转差型矢量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信号确定 靠 矢量控制方程保证 并没有用磁链模型去计算转子磁链及其相位 所以属于间 接的磁场定向 但由于矢量控制方程中包含了电动机的转子参数 定向精度仍 受参数变化的影响 无论是直接矢量控制还是间接矢量控制 都具有动态性能好 调速范围宽 的优点 采用光电码盘转速传感器时 一般可以达到调速范围D 100 当系统和 传感器精度高时 甚至可达到D 1000 已在实践中获得普遍应用 第三节第三节 脉宽调制脉宽调制 PWM 技术技术 异步电机矢量控制系统中 还有一个必不可少的环节一功率器件的通断时 间控制环节 早期的交 直一交变压变频器所输出的波形都是矩形波或六拍阶 18 梯波 这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管 其关断的不可控性和较 低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化 从而会有较大 的低次谐波 使电动机输出转矩存在脉动分量 影响其稳态工作性能 这在低 速运行时更为明显 为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能 在出现了 全控式电力电子开关器件之后 开发了应用PWM技术的逆变器 传统的交流变压 变频脉宽调制技术是应用正弦波来调制等腰三角波 从而获得一系列等幅不等 宽的PWM矩形波 按照波形面积相等的原则 这样的PWM波形与期望的正弦波等 效 经过一段时间的应用实践后 这种脉宽调制方法取得了很大的效能 也发 现了一些缺点 因此 科研人员一直在研究新的PWM控制技术 并取得一定进展 一 正弦波脉宽调制一 正弦波脉宽调制 SPWM 技术技术 以正弦波作为逆变器输出的期望波形 以频率比期望波高很多的等腰三角 波作为载波 并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波 当调制波与载波相 交时 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻 从而获得在正弦调制波 的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波 按照波形面积相 等的原则 每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等 因而这个序列 的矩形波与期望的正弦波等效 这种调制方法称作正弦波脉宽调制 Sinusoidal Pulse WidthModulation 这种序列的矩形波称作SPWM波 SPWM控制技术有单极性控制和双极性控制两种方式 如果在正弦调制波的 半个周期内 三角载波只在J下或负的一种极性范围内变化 所得到的SPWM波也 只处于一个极性的范围内 叫作单极性控制方式 如果在正弦调制波半个周期 内 三角载波在正负极性之间连续变化 则SPWM波也在正负之间变化 称为双 极性控制方式 三相桥式PWM逆变器一般都采用双极性控制方式 在模拟电子电路中 采用正弦波发生器 三角波发生器和比较器来实现上 述的SPWM控制 改成数字控制后 开始时只是把同样的方法数字化 称作 自 然采样法 自然采样法的运算较为复杂 在工程上更实用的是简化后的 规 则采样法 由于简化方法的不同 衍生出多种规则采样法 PWM变压变频应用 非常广泛 目前已经制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器 后来 进一步将其做在微机芯片里面 生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8 位 16位微机和DSP芯片 19 SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波 并未顾及 输出电流的波形 而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流 使之在正弦波附 近变化 这就比只要求正弦电压前进了一步 然而交流电动机需要输入三相正 弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场 从而产生恒定的电磁转 矩 如果对准这一目标 把逆变器和交流电动机视为一体 按照跟踪圆形旋转 磁场来控制逆变器的工作 其效果更好 这种方法即是空间矢量脉宽调制方法 SVPWM 二 电压空间矢量二 电压空间矢量 PWM SVPWM 控制技术控制技术 SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波 并未顾及 输出电流的波形 而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流 使之在正弦波附 近变化 这就比只要求正弦电压前进了一步 然而交流电动机需要输入三相正 弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场 从而产生恒定的电磁转 矩 如果对准这一目标 把逆变器和交流电动机视为一体 按照跟踪圆形旋转 磁场来控制逆变器的工作 其效果更好 这种控制方法称作磁链跟踪控制 因 为磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的 所以又称为电压空间矢 量PWM SVPWM 控制 1 电压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 量幅值恒定 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 链圆 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 能保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 图2 5 电压空间矢量 20 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 交流电动机绕 组的电压 电流 磁链等物理量都是随时间变化的 分析时常用时间相量来表 示 电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系 如上图 这是 一个特殊的坐标系 A B C分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线 互相间隔 三相定子相电压分别施加在三相绕组上 形成三个 0 120 ABC UUU 相电压空间矢量 它们的方向始终在各相的轴线上 大小则随时间 ABC uuu 按照正弦规律变化 时间相位互相错开的角度也是120 与电机原理中三相脉 动磁动势相加后产生旋转磁动势的情况相仿 可以证明 三相定子电压空间矢 量相加的合成空间矢量酞是一个旋转的空间矢量 它的幅值不变 是每相电压 值的3 2倍 当电源频率不变时 合成空间矢量魄以电源角频率CO为电气角速 度作恒速旋转 当某一相电压为最大值时 合成电压矢量就落在该相的轴线 s u 上 用公式表示 则有 2 29 BCSA uuuu 同样也可以定义电流和磁链的空间矢量和 因此有 s I s 2 s SSs d uR I dt 30 当转速不是很低时 定子电阻R的压降相对较小 上式可以简化为 或 2 s S d u dt ss u dt 31 因此 2 j t sme 32 所以 2 2 j t j tjt m Smm de ujee dt 33 该式说明 当磁链幅值一定时 的大小与成正比 或者说供电 m S u 电压与频率f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 21 一周时 电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动弧度 其运动轨迹与磁2 链圆重合 这样 电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨 迹的形状问题来讨论 2 基本电压空间矢量 图2 6是一个典型的电压型PWM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的 且直流电源电压利用率较高的输出 图2 6 三相电压型逆变器 图中的是6个功率开关管 a b c分别代表3个桥臂的开关状态 规 16 SS 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 l 或 O 两种状态 因此a b c形成 000 001 010 011 100 101 110 111共八种 8 开关模式 其中000和 3 2 111开关模式使逆变器输出电压为零