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1、单元串联式高压变频器间接磁场定向矢量控制系统的研究,研究生：邱华山指导教师 ：沈传文副教授,本文主要内容,绪论单元串联高压变频器及其PWM调制方法高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制系统仿真研究系统软硬件设计和实验结果结论,1.绪论,1.1课题研究意义电动机耗电量约占整个国民经济用电量的66% ；使用高压变频器产品进行调速可实现大幅节能（约20%-30%）；国内企业产品控制方式基本为开环恒压频比控制，满足简单的风机、泵类负载，但在要求高性能调速的领域，国外矢量控制高压变频器产品占据市场；矢量控制可实现交流电机解耦控制，控制性能可媲美直流调速系统；研发矢量控制高压变频器具有很好的研究价值
2、和非常现实的意义，国内高压变频器企业也在积极开发此产品；,1.绪论,1.2课题来源北京动力源科技股份有限公司合作项目无速度传感器矢量控制高压变频器的研制,1.绪论,1.3感应电机控制方案综述,1.绪论,1.4中（高）压大容量调速技术综述普通三相逆变器降压-通用变频-升压电路交交变频电路嵌位型多电平逆变器级联型多电平拓扑（最广泛的为单元串联型）,本文主要内容,绪论单元串联高压变频器及其PWM调制方法高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制系统仿真研究系统软硬件设计和实验结果结论,2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.1概述：主电路结构,2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.1
3、单元串联高压变频器概述：功率单元结构,2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.1概述 ：旁通控制1998年，罗宾康公司提出了中心点偏移式功率单元旁路的方法,2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.2飞车启动电机旋转启动时，当转速与给定频率不匹配时系统会过流或过压；常用方法：扫频。从最高频率向下扫频，当频率与转速匹配，电流很小，检测到后快速升压至压频曲线；本文设计的飞车启动方法，已在实际产品中应用。,2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.3基于载波水平移相SPWM调制方法,对于N单元串联逆变器，三角载波之间移相 可获得最大的谐波消除，而且可以提高等效开关频率。,2.单元串联高
4、压变频器及其PWM调制方法,2.3基于载波水平移相SPWM调制方法(续),右图为5单元串联的单极性调制方法仿真图；采用单极性调制的N单元串联结果相电压台阶数为：2N+1，右图为11台阶输出，THD=11.06%。目前高压变频器产品中均采用单极性载波移相SPWM调制。,2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.4叠加三次谐波以提高直流电压利用率,为保证正弦波被充分调制，其幅值不应超过载波幅值。此时H逆变桥输出电压直流电压利用率最大为1；叠加三次谐波以后，将正弦波变为马鞍形，可提高正弦基波幅值、提高输出电压基波，从而提高直流电压利用率。且三相三次谐波幅值相位相同相互抵消，不影响线电压的输出。,
5、2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.4叠加三次谐波以提高直流电压利用率(续1),要最大限度提高直流电压利用率，需要在保证鞍形波最大值不超过三角载波幅值的条件下，使获得的基波幅值最大，这是条件极值问题；使用matlab求解此极值问题，得到当正弦基波幅值1.1547倍三角波幅值、三次谐波幅值为0.1925倍三角波幅值时，可以获得最大的直流电压利用率。该结论已在产品中获得应用。,2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.4叠加三次谐波以提高直流电压利用率(续2),右图上为未叠加三次谐波5单元串联输出相电压的谐波分析图，下图为叠加了三次谐波的相电压谐波分析；由图可见，基波幅值由5提高到5
6、.775，直流电压利用率提高了约15.5%。,未叠加三次谐波相电压谐波分析，基波幅值5,叠加三次谐波后相电压谐波分析，基波幅值5.775,2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法,2.4叠加三次谐波以提高直流电压利用率(续3),右图上为未叠加三次谐波5单元串联输出线电压的谐波分析图，下图为叠加了三次谐波的线电压谐波分析图；与相电压提升幅度相同，基波幅值由8.662提高到10，直流电压利用率提高了约15.5%。,未叠加三次谐波线电压谐波分析，基波幅值8.662,叠加三次谐波后线电压谐波分析，基波幅值10,本文主要内容,绪论单元串联高压变频器及其PWM调制方法高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢
7、量控制系统仿真研究系统软硬件设计和实验结果结论,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.1感应电机数学模型,A：两相任意转速旋转坐标系的电压方程,B：磁链方程,C：转矩方程和机电运动方程,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.1感应电机数学模型(续),考虑以下条件时：坐标系以同步转速旋转；旋转坐标系d轴定向到转子磁通方向上；磁通达到稳态。,感应电机的电压方程利用线性化处理技巧后可变成两个独立的子系统：,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.2矢量控制分类,直接磁场定向矢量控制间接磁场定向矢量控制,本文控制系统选取间接磁场定向矢量控制的方案,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.3转速辨识,动态速度估测器
8、基于模型参考自适应(MRAS)的转速观测 基于PI自适应法的速度辨识,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.3转速辨识(续),模型参考自适应(MRAS)由三个基本要素组成：参考模型、可调模型和自适应机构。参考模型是能代表受控系统性能的准确模型；可调模型就是受控系统，可以调整其参数或输入以获得尽量接近参考模型的性能；e是参考模型和可调模型输出的误差；自适应机理则是由广义误差按上述目的调整受控系统的规律。参考模型的输出与可调模型的输出之差通过自适应机构来修正，调节可调模型的参数，使得两模型的输出稳态误差e为零，从而使可调模型的输出跟随参考模型的输出。,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.3转速辨识(
9、续),本文系统采用的速度辨识方法：基于定子转矩电流给定值与实际值偏差的PI自适应法,如右图所示，其本质上也是一种MRAS方法，电机本身作为参考模型，速度调节器为包含速度观测值的可调模型，两个模型共同的输出为定子q轴电流。达到稳态时，PI调节器输入为0，观测转速等于实际转速。PI自适应调节器结构简单，在保持了MRAS方案自适应能力的基础上，降低了算法的复杂性和计算量，且具有一定的自适应能力。,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.4磁通计算,磁通角频率通过估测的转速与转差相加得到，对其积分可得到旋转变换需要的磁通角磁通幅值与定子励磁电流之间的传递函数为一阶惯性环节,3.高压变频器矢量控制方案设计,
10、3.5矢量控制系统原理图,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.6电机参数自检测,电机参数是进行矢量控制所必需的，矢量控制的质量很大程度上取决于电机参数的准确程度。电机参数自检测可以按照测量电机参数的实验方法进行，变频器上电以后依次进行直流测试、堵转测试、空载测试，测量电机定转子电阻、定转子漏感和互感。,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.6电机参数自检测(续),直流测试：测量定子电阻由于电机定子电阻值很小，使用一个单元输出小占空比的脉冲，稳态时电流值为电压平均值与定子电阻的比值。右图为等效电路图。,堵转测试：测量转子电阻 、定转子漏感 此时不像电机实验可以进行电机堵转，一般通过施加如下不含零序
11、分量的三相电压来实现模拟堵转，此时因有 ，忽略该支路，等效电路如右图所示。,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.6电机参数自检测(续),空载测试：测量定转子互感忽略铁损，等效电路如右图所示。,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.6电机参数自检测(续),右图为电机参数自检测的仿真。仿真过程：0-0.5s时加占空比为5%的直流；0.5-0.8s不加电压，让电机线圈中的电流指数衰减；0.8-1.2s按照上文堵转实验所述方法加电压，A相30%额定电压，B、C相15%额定电压；1.2-1.4s不加电压；1.4-2.1s加正序电压进行空载实验。,3.高压变频器矢量控制方案设计,3.6电机参数自检测(续),
12、使用上述方法仿真得到的电机参数与实际参数比较如下表所示,由表可见计算所得电机参数与所用电机模型实际参数误差很小，证明设计方法的可行性。,本文主要内容,绪论单元串联高压变频器及其PWM调制方法高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制系统仿真研究系统软硬件设计和实验结果结论,4.高压变频器矢量控制系统仿真研究,4.1仿真总体框架,4.高压变频器矢量控制系统仿真研究,4.1仿真总体框架,4.高压变频器矢量控制系统仿真研究,4.2加减载仿真波形仿真过程如下：0s：给定转速800转/分阶跃，空载启动0.5s：突加60%负载1s：卸除负载右图上依次为三相电流，转速，转矩仿真波形。右图下为实际转速与估计
13、转速。由图可见：系统动态性能良好，0.1s空载加速到800转/分；加减载转速突变后可迅速回到给定值；电流波形良好；估计转速较好的跟踪实际转速，无稳态误差。,4.高压变频器矢量控制系统仿真研究,4.3加减速仿真波形仿真过程速度给定如下：0s：800转/分阶跃给定；0.5s：反向800转/分。 右图上依次为三相电流，转速，转矩仿真波形。右图下为实际转速与估计转速。由图可见：动态性能较好；电流波形良好；转速估计在速度给定从正向800转/分跃变到反向800转/分时，估计转速有个尖刺，但可以很快回到实际转速附近。,4.高压变频器矢量控制系统仿真研究,4.4磁通观测的仿真,观测磁通与实际磁通、轴分量比较,
14、4.高压变频器矢量控制系统仿真研究,4.4磁通观测的仿真(续1),右图为转子磁通轨迹图，由图可见电机获得良好的圆形磁通，达到稳态值速度也较快。启动过程中磁通能快速的上升到给定值得益于磁通闭环的大比例环节。,转子磁通轨迹图,4.高压变频器矢量控制系统仿真研究,4.4磁通观测的仿真(续2),磁通开环控制,磁通闭环控制,本文主要内容,绪论单元串联高压变频器及其PWM调制方法高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制系统仿真研究系统软硬件设计和实验结果结论,5.系统软硬件设计和实验结果,5.1实验系统组成,5.系统软硬件设计和实验结果,5.2硬件设计,1.主控制器电路设计如右图所示，核心为TMS32
15、0F2812+FPGA;完成矢量控制算法，产生和发送15单元控制信号，通讯、故障处理等功能。,5.系统软硬件设计和实验结果,5.2硬件设计(续),2.功率单元控制与驱动电路设计如右图所示，控制核心为CPLD;驱动芯片采用HCPL-316J，经扩容有14A的驱动能力；盲区、死区通过阻容硬件设置；,5.系统软硬件设计和实验结果,IGBT驱动电路,5.系统软硬件设计和实验结果,3.模拟量采集电路,5.系统软硬件设计和实验结果,5.3系统软件设计主程序流程图,5.系统软硬件设计和实验结果,AD采样中断流程图,5.系统软硬件设计和实验结果,移相变压器,控制板,单元驱动板,5.系统软硬件设计和实验结果,未
16、叠加三次谐波相电压,叠加三次谐波相电压,未叠加三次谐波线电压,叠加三次谐波线电压,右图为叠加三次谐波的实验波形由图可见：叠加三次谐波未给线电压带来谐波影响；线电压幅值由660V提升到了760V，提升幅度约15%，同第二章仿真结论一致。,5.系统软硬件设计和实验结果,由于系统没有安装D/A模块，中间变量无法直接输出观察，调试过程借助CCS的图形工具。右图为矢量控制程序坐标变换模块的调试波形。可见坐标变换模块可正常工作。,矢量控制程序各模块调试,5.系统软硬件设计和实验结果,右图为ccs带硬件调试，使用其图形工具观察磁通计算模块输出波形。可见磁通计算模块可正常工作。,磁通计算模块调试波形,矢量控制
17、程序各模块调试,5.系统软硬件设计和实验结果,由于整个高压变频器系统较为复杂，为保证系统的可靠输出，对单个功率单元进行了电感负载实验，波形如下图所示。,功率单元输出电压及电流波形,功率单元调试,5.系统软硬件设计和实验结果,下图为五级系统输出电压及电流波形图。左图为给定转速环的输出，经电流调节器，电压补偿，2r/3S反变换，载波移相SPWM调制后输出的电压波形。右图为带载电压电流波形。,矢量控制程序输出电压及电流波形,输出电压电流调试,本文主要内容,绪论单元串联高压变频器及其PWM调制方法高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制系统仿真研究系统软硬件设计和实验结果结论,6.结论,本文结论：
18、解决高压变频器应用中的两个较关键的问题：飞车启动和三次谐波叠加，已在实际高压变频器产品中应用。研究电机参数自检测的离线自设定和在线辨识的方法，对电机参数自检测的相关问题进行了仿真验证，设计了电机参数离线自检测的实施方案，通过仿真验证了方法的可行性。对各种无速度传感器矢量控制的速度辨识和磁通观测方法做了总结和分析，选择间接磁场定向的矢量控制方法：采用PI自适应法辨识转速，间接计算法获取磁通。设计了高压变频器矢量控制整体方案并进行仿真研究。,6.结论,本文结论：搭建高压变频器的实验平台，包括以TMS320F2812为核心的主控制器、以CPLD为核心的单元控制和驱动电路、三相功率单元、电压电流检测电
19、路，这些电路和实验电机、西门子200系列PLC、触摸屏、移相变压器等一起组成整套实验系统。根据选定的矢量控制方案，开发了矢量控制系统软件程序，完成了分模块的调试工作，得到矢量控制实验结果，初步验证了高压变频器矢量控制设计方法可行性。,6.结论,不足与今后工作展望 ：仿真系统中发现当采用基于PI调节器的方法获得电机转速，整个系统在低速时性能比较差，转矩出现震荡，速度估计值不能很好的稳定在给定值，如何解决这个问题还需要做出进一步的分析和实验。系统中的PI调节器使用较多，PI调节器参数的调节没有给出具体计算方法，目前均是采用在MATLAB/SIMULINK仿真模型中调试的方法选择调节器参数，下一步工作可以根据各PI调节器的情况，分析参数选择的方法。,感谢各位老师！,2009-03-03,
