【《潜油电机的变频调速系统理论分析案例》10000字】

潜油电机的变频调速系统理论分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2485潜油电机的变频调速系统理论分析案例 1224461.1异步电动机的调速 1196051.1.1变极调速 3285721.1.2变转差率调速 4263111.1.3变频调速 4287241.2变频调速基本原理 661591.1.1基频以下调速控制 7249041.1.2基频以上调速控制 8234681.3潜油电机在变频调速时的负载特性 10248371.4脉冲宽度调制技术 12203131.4.1PWM技术的分类 13136851.4.2PWM的选择 15110791.4.3SVPWM原理 16243311.5变频调速控制系统 2369161.5.1转速开环控制系统 23236741.5.2转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统 2416361.5.3控制系统的选择 241.1异步电动机的调速在电机运行时转子的转速和定子的旋转磁场之间出现差异，这就是异步电动机和同步电机为何会出现异步和同步这个区别。转差率就是定子旋转磁场转速与转子转速之差再除以同步转速。对于异步电动机,是用同步转速n1和转差率S来表示其转速。理想空载转速nS=（n1-n）/n式中,n原理:三相交流电会与定子绕组连接就是导致异步电动机旋转磁场出现的原因。异步电动机的旋转磁场相对于导体来说是在运动的，导体对旋转磁场的切割，就是产生感应电动势的原因。当感应电动势通过导体时，电流就产生了。转子产生旋转是由一个电磁力推动的。这个力主要是因为磁场和电流之间出现了相互作用而产生的。在异步电动机中，如果没有外力的影响，其转子转速会低于磁场的转速。在实际使用过程中,如果要对异步电动机进行调速,就要根据异步电动机的调速公式，其公式为：n=60f(1-S)/p（2-2）式中,n为电动机的转速(r/min),p为电动机极对数,f为供电电源频率(Hz),S为异步电动机的转差率。通过观察式（2-2），也就是异步电动机的调速公式，我们可以发现，其转速主要受这三个条件的制约，也就是说，对其中两个条件进行控制，改变其中一个条件的大小，就可以做到对异步电动机进行调速。这几种方式按照改变的条件不同，分别是改变电动机极对数的变极调速，改变转差率的变转差率调速，最后就是改变供电电源频率的变频调速。这三种调速方就是异步电动机的改变转速的方法，它们各自有着自己的优点以及缺点，相互之间是无法替代的。图1.1为异步电动机在不同调速方式下的机械特性。图1.1不同调速方法的机械特性1.1.1变极调速变极调速，这是一种非常简单的调速方式，只需要改变电动机的极对数，就可以达到调速的目的。不过改变极对数只能一整对的改变，不能连续进行，所以变极调速相对来说是不够平滑的。其机械特性如图1.1a所示。变极调速只适用于变极电动机,一般都是通过安装在外部的开关来控制磁极对数然后进行调速。其优点是:有着特别良好的稳定性，因为在每一级调速时的机械特性都是特别稳定的。其缺点是:要改变转速只能一整极的改变，并不能连续平滑的进行改变;在一些不同的接线方式下还会导致最大转矩减小,这样就只能用于风机、水泵等负载的调速;变极电动机一般来说体积都会比较大，成本高。换向极点时的速度调节通常是以两个速度进行的，并辅以阀门和节气门的调节，比简单使用阀门效果更好，不过依然还有很多方式可以提高其节能效率。此外，由于结构复杂，变极电动机相对于普通的通用机器效率稍低。这种转变的好处在于投资较少。

1.1.2变转差率调速由异步电动机的特性方程可以发现，异步电动机产生的转矩会随着定子的应力上升而上升，它们是成正比，因此我们只需要通过改变异步电动机定子的应力，就可以改变异步电动机的转矩，而电动机转矩的改变也就会造成转速的改变，达到调速目的。我们可以发现，通过改变异步电动机转速进行调速是有两种方式的，这两种方式分别是变频调速和变极调速。不过构成这两种方式的主要是转子的铜耗，它的PS一直是基本保持不变的。总的来说，以这两种方式进行调速，都是要固定转差率，使其保持不变，所以由于这两种方式都是固定转差率，也叫转差功率不变型。当我们通过改变异步电动机的转差率来进行调速时，PS∝s。在变转差率调速中，我们根据它作用的不同来说，可以把它分成回馈型和消耗型，这主要是看PS1.1.3变频调速变频调速的调速方式就是通过改变发电机的供电频率，其原理就是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，其机械特性如图1.1e所示。从变频调速的特性曲线可以看出来，我们想要对发动机的同步转速做出改变，只需要对发动机的电源频率做出改变就可以了，发动机转速可在一个大范围内连续变化。具有调频特性的任何转速段的硬度均接近自然机械性能，良好的调速性能；如果有变频电源，这样的调速方式可以适用于笼式电动机，因此应用广泛。异步交流电机作为机械能和电能的转换设备，该机最重要的性能之一就是机械特性，由于变频器转速调节具有经济性、调速平顺性，调速的机械特性等明显优势，所以这是一种比较常用且好用的调速方式。变频器的作用就是作为转变交流电的频率和电压的一种交换设备，使之由固定变为可调的。可以按不同的方法为其分类，一般可分为电压源型、电流源型或交-交型、交-直-交型。前一种是按电源性质划分，后一种是按照结构分的。交-直-交型是现在是一种比较常见的变频器，在工业领域得到了广泛的应用，它的结构以及原理如图1.2所示。

图1.2变频器的结构原理通过观察图1.2可以看到，变频器是由五个部分构成的，但是其中最为重要的还是中间三个部分，它们分别是整流电路、直流环节和逆变电路。直流环节相对来说非常重要，它是由大电感或者大电容构成的。如果我们想要逆变器输出的三相交流电符合用户的需求，想要控制其大小以及频率，就需要对开关元件进行控制，让开关元件有着一定规律的通断[17]。1.2变频调速基本原理当我们对感应电动机进行速度调节时，如果主磁通Фm为了让ФmE1=4.44f式中：Фm--每极磁通(Wb)；E1--相电势有效值(V)：f1--定子电源频率(Hz)；K通过式(2-3)可以得知，我们想要等式中的Фm保持不变，我们需要在改变频率的同时对E1做出改变，即控制好E11.1.1基频以下调速控制我们通过式（2-3）就可以看出来，我们将频率f1以额定频率f1N作为起始点开始进行调小时，我们要维持电动机的负载能力就应该保证ФmE1/f这也就是保证电动势和频率的比值恒定的控制方式。不过我们处于实际操作时，如果我们想要对绕组中的电动势直接检测和控制是有非常大的难度。所以我们可以在漏磁阻抗压降比较小甚至可以忽略时，由于电动机的幅值相对来说是比较大的，我们可以直接认定定子相电压U1≈EU1/f这就是恒定压频比的控制方式。图1.3变压变频调速控制特性1.1.2基频以上调速控制在这个时候我们从f1N开始增加频率，知道达到极限情况时U1=图1.3是结合这两种情况得到的变压变频调速控制特性。这样，在基频以下区域，为“恒转矩调速”性质，具有恒定的磁通，以及恒定的转矩；而在基频以上区域，转矩会在转速升高时降低，基本上属于“恒功率调速”[24]。对于潜油电机的正常使用来说，我们有一个很重要的原则，那就是我们必须要对前有点记得最高频率做出一个限制。第一个原因是由于输入的频率过高会让电机的运行速度变得太快，这样电机的寿命就会因为内部产生的局部摩擦而降低；第二个原因是如果我们增加的电流和电压太过多，反而会产生不好的影响，加大成本的同时还会影响电动机和变频器的可靠使用。图1.4为恒转矩区域机械特性，图1.5恒功率区域机械特性。图1.4恒转矩区域机械特性图1.5恒功率区域机械特性

1.3潜油电机在变频调速时的负载特性图1.6为异步电动机正弦稳态等效电路。设U1UN=图1.6异步电动机正弦稳态等效电路一般来说Rm是远小于Xm的，所以我们可以不用考虑Rm。我们将电抗X可表示成额定频率时的电抗值乘以k，如图1.7(a)所示。图1.7(b)是图1.（a）（b）图1.7变频调速时异步电动机的等效电路在图1.7中U1k=s1k=（n1−nn1）f1f式中：U1为电源频率为f1时定子相电压（V）；UN为电源频率为额定频率fN时定子相电压（V）；n1为电源频率为f设在频率f1情况下，实际的旋转磁场以转子为参照的速度与fN时的速度的比值为β，表达式为β=（n1UN=(R1k+jX1)I1+(RjXm（I1+I2）=(R2βs=βk异步电动机转矩公式为T=pm联立式(2-7)与式(2-9)与式(2-12)，则异步电动机的电磁转矩采用恒定电压／频率比的变频方式时用UN、k、β、fT=pm最大转矩为Tk=p根据图1.7，并将式（2-7）带入上式，得到Tk=p从图1.8可以看出来，当采用恒压频比的变频方式时，在稳定运行时，电机机械特性曲线都是基本平行的，当转速下降时，电机的过载能力也会下降。我们从式(2-15)也能得到，频率的最大值是随着频率的下调一直在减少的，而这是定子电阻所造成的影响。在图1.8中，虚线表示的就是泵类负载的转矩特性。当我们对电机使用恒压频比的控制方式，在减小电机转速的同时，也让电机的过载能力变弱了。这个时候，电机是处于稳定运行的状态的。图1.8恒压频比时异步电动机的转矩特性1.4脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术也就是PWM技术，这种技术主要是通过数字输出控制模拟电路，这项技术在通信、测量以及功率控制的很多方面都是经常使用到的。PWM控制技术之所以能够成为目前在电力电子技术方面使用频率最多的控制方式，是因为它有着非常良好的动态反应，同时也有着优良的灵活性，尤其是它有着控制简单的优点，这也是人们一直在研究着的地方。现如今，如何结合现代控制理论思想可能会变成现在PWM控制技术发展的方向。PWM技术有一个很好的优点，那就是不需要进行数模转换这一过程，可以减少一部分的工作运算量，因为它的所有过程都是一直处于数字形式的。在信号一直保持在数字形式时，信号的噪声就可以降低到最小。1.4.1PWM技术的分类等脉宽PWM法VVVF(VariableVoltageVariableFrequency）装置在早期是采用PAM(PulseAmplitudeModulation）控制技术来实现的，但这种方式有一个很大的缺点，那就是因为用这种方式逆变器输出的电压只能是方波电压，正是如此导致这种方式无法对电压进行调控。等脉宽PWM法的出现就是为了克服采用PAM的控制方式的这一个缺陷而出现的。顾名思义，等脉宽PWM法所产生的每一个脉冲的脉冲列都是相等的，它所产生的PWM波就是由这些脉冲列所构成的。随机PWM大概是在二十世纪70年代左右，有一种相当不错的大功率晶体管，它的频率一般来说都是低于5KHz的，不过采用这种三极管也会有很大的缺陷，它会造成大量的噪音以及振动。在日常使用过程中，噪音和振动可以说对我们的影响是非常之大的，所以人们创造出随机PWM来解决这些问题。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，这种方式在减噪方面其实效果一般，不过却可以很好的消除有色噪音。也是因为这个原因，在很多IGBT已经被广泛使用的场合，由于需要限制较低的载波频率，依然会使用到随机PWM；从另一个方面看来，我们盲目的提高工作效率并不能完美的消除机械噪音和电磁噪音，通过随机PWM法可以让人们得到分析、解决这些问题的一个不一样的想法。SPWM法SPWM(SinusoidalPWM）法现在技术已经相当成熟了，目前来说使用范围相当。SPWM法的理论基础就是，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，可以产生基本完全相同的效果。用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。SPWM是指在调制期间，变频电源的输出幅度相等并且序列脉冲占空比根据正弦函数规律变化的一种调制方法。

空间电压矢量控制PWM空间电压矢量控制PWM(SVPWM）也叫磁通正弦PWM法。其前提是有必要形成一个整体的三相形状效应，使旋转磁场的理想圆形轨迹接近发动机的气隙，实际从逆变器开关的不同模式获得的磁通量接近基本的圆形磁通量，由此，他们的比较结果决定了逆变器的开启和PWM形状的形成，该方法从电动机、逆变器和电动机为一体，在圆周内近似多边形的控制下，使电机得到恒定幅度的圆形磁场（正弦流），具体方法分为开路回路和闭路磁通，开路回路由两个非零向量和一个组成等效应力向量的零向量组成，可以合成任何电压矢量，如果采样时间足够小，这个规律下的输出电压比正弦波调制增加15%，而谐波电流比后者的值最小，磁通闭环引入流反馈，确定了它的大小和流量变化率。比较了磁通量和给定磁通量的估计后，错误地确定了下一个电压矢量，形成PWM波形的方法消除了磁通循环的缺点，解决了电机转速低的问题，定子电阻影响很大，减小了电机的脉动和噪声。不过系统的根本性能想要改善还是得引入转矩，这种方式还是未能达到。1.4.2PWM的选择在SPWM中，正弦PWM的信号波也为正弦波，是用矩形波等效而成的正弦波，而正弦波和三角波自然相交所得出来的脉冲宽度就是PWM的脉冲宽度。正弦波波形产生的方法有很多种，但较典型的主要有：对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种。第一种方法由于生成的PWM脉宽偏小，所以变频器的输出电压达不到需求;第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波，显然输出电压高于前者，但对于微处理器来说，增加了数据处理量当载波频率较高时，对微机的要求较高;第三种方法应用最为广泛的，它兼顾了前两种方法的优点。不过SPWM法也有其不可避免的缺点，虽然SPWM可以得到三相正弦电压，但它对于直流侧的电压利用率实在是太低了。SVPWM与SPWM最大的不同便是出发点不一样，SPWM调制是从三相交流电源出发，主要是为了生成一个三相对称的正弦电源可以对其进行调频和调压。而在SVPWM中逆变器和电动机会被当成一个整体来看，用八个最基本电压矢量合成我们所期望的最终电压矢量，然后根据电压和电机之间的关系，从而实现对电动机的变压变频调速。如果我们忽略掉定子电阻压降，对定子绕组给定一个理想的正弦电压，这时由于电压的空间矢量被转换成一个等幅值的旋转矢量，所以气隙磁通会保持一个恒定的角速度进行旋转，最终出现一个圆形轨迹。这个轨迹是在使用对称的三相交流电为电动机提供电能时产生的。我们可以改变SVPWM的逆变器，这样就可以得到不同的开关状态，通过不同的开关状态进行控制来保证电动机的控制性能。经过对比两者的情况来看，对于潜油电机的变频调速控制系统这个课题来说，考虑到在潜油电机实际运转的情况中，会有谐波以及其他干扰的影响，而相对于SPWM来说，SVPWM能更加有效的避免这些情况，所以SVPWM更加符合条件。同时，SVPWM相对于SPWM更加适合对于数字信号的模拟，这个课题主要也是需要通过模拟潜油电机的运行情况来研究，所以最终选择SVPWM来进行仿真模块的搭建。1.4.3SVPWM原理SVPWM有着其独特的理论基础，那就是平均值等效原理，我们想要它的平均值和给定的电压矢量保持相等，就要在一个开关周期内要对基本的电压矢量进行组合。图1.9逆变电路在图1.9所示的逆变电路中，我们可以设直流母线上的电压为Udc，将逆变器输出三相的相电压分别设置为UA、UB、UC，在平面坐标系中，这个三相的相电压分别有着120°的差值，我们可以设这三个电压空间矢量为UA(t)、UBUA(t)=2UB(t)=2UC(t)=那么通过三相电压空间矢量相加之后合成的空间矢量U（t）可以表示为：U（t）=2U通过公式可以看出来U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值且保持不变，以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转。而SVPWM的目的就是用三相桥的开关状态把在空间中旋转的U(t)矢量表示出来。由于逆变器三相桥臂一共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量，特定义开关函数SxSx0下桥臂导通（2-18）(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U图1.10等效电路图因此相电压可以表示为：Ua=UA-UUb=UB-UNUc=UC-U同理可以得出其他开关状态时三相的相电压。线电压为两相之间的电压差，比如Uab=Ua-当开关Sa=1时，UA(t)=Udc；当开关Sb=1时，UB(t)=UUout=2/3Udc（Sa+S从式（2-20）可以看出来，Uout

表2-1开关状态矢量与各种电压对应关系SSSUUUUUU矢量000000000U001-Udc-Udc2Udc0-UUU010-Udc-Udc-Udc-UU0U011-2UdcUdcUdc-U0UU1002Udc-Udc-UdcU0-UU101Udc-2UdcUdcU-U0U110UdcUdc-2Udc0U-UU111000000U我们可以把上面表中的8个不同的电压空间矢量按照Uout的相位关系放在如图1.11所示的基本空间矢量分布图。图1.11基本空间矢量分布图三相电压给定所合成的电压向量旋转角速度为ω=2πf,则旋转一周所需的时间为T=1/f；若载波频率是fs，则频率比为R=fs/f。这样将电压旋转平面等切割成R个小增量，即设定电压向量每次增量的角度是：γ=2π/R。现在假设需要输出一个空间矢量图1.12第一扇区空间矢量图在两相静止参考坐标系（α，β）中，令Uref和UUref/sin（2π/3）=T6U因为U4=U6=2UT4=mTT6=mT式中m为SVPWM的调制系数，m=3Uref/T7=T0=(TS-T得到以U4、U6、U7及U0合成的Uref的时间后，下一步要做的就是如何产生实际的脉宽调制波形。在SVPWM调制方案中，可以对零矢量进行非常灵活的选择，这样就可以让我们以此来对开关的次数进行有效控制，以达到减小开关损耗的目的。因此，我们的目标就是要减少开关次数，将基本矢量作用顺序的分配原则选定为：在每次开关状态转换时，只改变其中一相的开关状态。并且对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM对称，从而有效地降低PWM的谐波分量。可以发现当U4(100)切换至U0(000)时，只需改变A相上下一对切换开关，若由U4(100)切换至U7(111)则需改变B、C相上下两对切换开关，增加了一倍的切换损失。因此要改变电压向量U4(100)、U2(010)、U

表2-2UrefUref开关切换顺序Ⅰ区（0°≤θ≤60°）…0-4-6-7-7-6-4-0…Ⅱ区（60°≤θ≤120°）…0-2-6-7-7-6-2-0…Ⅲ区（120°≤θ≤180°）…0-2-3-7-7-3-2-0…Ⅳ区（180°≤θ≤240°）…0-1-3-7-7-3-1-0…Ⅴ区（240°≤θ≤300°）…0-1-5-7-7-5-1-0…Ⅵ区（300°≤θ≤360°）…0-4-5-7-7-5-4-0…因此就可以利用U4、U6、U7以第Ⅰ扇区为例，其所产生的三相波调制波形在一个载波周期时间Ts内如图2-11所示，图中电压向量出现的先后顺序为U0、U4、U6、U7、U6、U4、U0，各电压向量的三相波形则与表2-2中的开关表示符号相对应。再下一个载波周期Ts，Uref的角度增加一个γ，利用式（2-19）可以重新计算新的T0、T4图1.13扇区Ⅰ内的三相波形通过以上SVPWM的法则推导分析可知要实现SVPWM信号的实时调制，首先需要知道参考电压矢量Uref控制系统需要输出的矢量电压信号Uref1.5变频调速控制系统在直流电动机和交流电动机中，二者的磁通是完全不一样的。直流电机的主磁通是可以直接确定并且独立控制的，而在交流电动机中，交流异步电动机的磁头是由定子以及转子的电流所构成的，所以交流异步电动机的磁通在空间上来说相对于定子和转子都是一直在变化的。另外，笼型转子电机的转子电流一样无法测量和控制。这也导致了异步电机的动态数学模型相对于直流电机的模型要更为复杂，在过去很长的时间里，人们无法精确表述出异步电机的动态数学模型。不过相对于一些一般的负载来说，就像风机和水泵这种，需要的动态性能并不是特别高，我们设计其