1、单元串联式高压变频器间接磁场定向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矢量控制系统的研究 研究生：邱华山研究生：邱华山指导教师指导教师 ：沈传文副教授：沈传文副教授本文主要内容本文主要内容1.绪论2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法3.高压变频器矢量控制方案设计4.高压变频器矢量控制系统仿真研究5.系统软硬件设计和实验结果6.结论1.绪论绪论n1.1课题研究意义课题研究意义u电动机耗电量约占整个国民经济用电量的66% ；u使用高压变频器产品进行调速可实现大幅节能（约20%-30%）；u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
2、，国外矢量控制高压变频器产品占据市场；u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；u研发矢量控制高压变频器具有很好的研究价值和非常现实的意义，国内高压变频器企业也在积极开发此产品；1.绪论绪论n1.2课题来源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.绪论绪论n1.3感应电机控制方案综述感应电机控制方案综述1.绪论绪论n1.4中（高）压大容量调速技术综述中（高）压大容量调速技术综述n普通三相逆变器普通三相逆变器n降压降压-通用变频通用变频-升压电路升压电路n交交变频电路交交变频电路n嵌位型多电平逆变器嵌位型多电平逆变器n级联型多电平拓扑
3、（最广泛的为单元串联型）级联型多电平拓扑（最广泛的为单元串联型）本文主要内容本文主要内容1.绪论2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法3.高压变频器矢量控制方案设计4.高压变频器矢量控制系统仿真研究5.系统软硬件设计和实验结果6.结论2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.1概述：概述：主电路结构主电路结构2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.1单元串联高压变频器概述：单元串联高压变频器概述：功率单元结构功率单元结构2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变
4、频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.1概述概述 ：旁通控制旁通控制n1998年，罗宾康公司提出了中心点偏移式功率单元旁路的方法 2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n 2.2飞车启动飞车启动电机旋转启动时，当转速电机旋转启动时，当转速与给定频率不匹配时系统与给定频率不匹配时系统会过流或过压；会过流或过压；常用方法：扫频。从最高常用方法：扫频。从最高频率向下扫频，当频率与频率向下扫频，当频率与转速匹配，电流很小，检转速匹配，电流很小，检测到后快速升压至压频曲测到后快速升压至压频曲线；线；本文设计的飞车启动方法，本文设计的飞车启动方法，已在实际产品
5、中应用。已在实际产品中应用。2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.3基于载波水平移相基于载波水平移相SPWM调制方法调制方法对于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。 N22.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.3基于载波水平移相基于载波水平移相SPWM调制方法调制方法(续续)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目前高压变频器产品中均
6、采用单极性载波移相采用单极性载波移相SPWM调制。调制。 2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.4叠加三次谐波以提高直流电压利用率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。2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.4叠加三次谐波以提高直流电压利用率叠加三次谐波以提高直流
7、电压利用率(续续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。2.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.4叠加三次谐波以提高直流电压利用率叠加三次谐波以提高直流电压利用率(续续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
8、.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，基波幅值叠加三次谐波后相电压谐波分析，基波幅值5.7752.2.单元串联高压变频器及其单元串联高压变频器及其PWMPWM调制方法调制方法n2.4叠加三次谐波以提高直流电压利用率叠加三次谐波以提高直流电压利用率(续续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，基波幅值未叠加三
9、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本文主要内容本文主要内容1.绪论2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计4.高压变频器矢量控制系统仿真研究5.系统软硬件设计和实验结果6.结论3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.1感应电机数学模型感应电机数学模型iiiipLRLpLLLpLRLpLpLLpLRLLpLLpLRuuuurqrdsqsdrrrdqrmmdqrrdqrrrmdqrmmmdqssssdqsmdqsmsdqsssr
10、qrdsqsdiLiLiLiLiLiLiLiLrqrsqmrqrdrsdmrdrqmsqssqrdmsdssdempsq rdsd rqNi ii iTLmreLpdJTTNdt3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.1感应电机数学模型感应电机数学模型(续续)sdrmripTL1mepsqrrLTNiLrrsqmseTiLsdessqsqssqssqsqessdsdssdssdiLudtdiLiRUiLudtdiLiRU3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.2矢量控制分类矢量控制分类本文控制系统选取间接磁场定向矢量控制的方案本文控制系统选取
11、间接磁场定向矢量控制的方案3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.3转速辨识转速辨识3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.3转速辨识转速辨识(续续)3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.3转速辨识转速辨识(续续)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
12、。 3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.4磁通计算磁通计算3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.5矢量控制系统原理图矢量控制系统原理图3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.6电机参数自检测电机参数自检测3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.6电机参数自检测电机参数自检测(续续)直流测试：测量定子电阻直流测试：测量定子电阻由于电机定子电阻值很小，使用一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时电流值为电压
13、平均值与定子电阻的比值。右图为等效电路图。的比值。右图为等效电路图。堵转测试：测量转子电阻堵转测试：测量转子电阻 、定、定转子漏感转子漏感 此时不像电机实验可以进行电机堵转，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分量的三一般通过施加如下不含零序分量的三相电压来实现模拟堵转，此时因相电压来实现模拟堵转，此时因有有 ，忽略该支路，等效电，忽略该支路，等效电路如右图所示。路如右图所示。tUUasin2tUUsin22btUUcsin22 |rrmLjRL3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.6电机参数自检测电机参数自检测(续续)空载测试：测量定转子空载
14、测试：测量定转子互感互感忽略铁损，等效电路如右图所忽略铁损，等效电路如右图所示。示。 3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.6电机参数自检测电机参数自检测(续续)右图为电机参数自检测右图为电机参数自检测的仿真。仿真过程：的仿真。仿真过程：0-0.5s0-0.5s时加占空比为时加占空比为5%5%的直流；的直流；0.5-0.8s0.5-0.8s不加电压，让电不加电压，让电机线圈中的电流指数衰机线圈中的电流指数衰减；减；0.8-1.2s0.8-1.2s按照上文堵转实按照上文堵转实验所述方法加电压，验所述方法加电压，A A相相30%30%额定电压，额定电压，B B、C C相
15、相15%15%额定电压；额定电压；1.2-1.4s1.2-1.4s不加电压；不加电压；1.4-2.1s1.4-2.1s加正序电压进行加正序电压进行空载实验。空载实验。 3.3.高压变频器矢量控制方案设计高压变频器矢量控制方案设计n3.6电机参数自检测电机参数自检测(续续)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。 定子电阻定子电阻()转子电阻转子电阻()互感互感(mH)漏感漏感(mH)模型实际值模型实际值0.73840.7402124.13仿真计算值仿真计算值0.74280.7560126.32.904
16、误差误差0.59%2.1%1.7%3.3%本文主要内容本文主要内容1.绪论2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法3.高压变频器矢量控制方案设计4.4.高压变频器矢量控制系统仿真研究高压变频器矢量控制系统仿真研究5.系统软硬件设计和实验结果6.结论4.4.高压变频器矢量控制系统仿真研究n4.1仿真总体框架仿真总体框架4.4.高压变频器矢量控制系统仿真研究n4.1仿真总体框架仿真总体框架4.4.高压变频器矢量控制系统仿真研究n4.2加减载仿真波形加减载仿真波形仿真过程如下：仿真过程如下：0s0s：给定转速：给定转速800800转转/ /分阶跃，分阶跃，空载启动空载启动0.5s0.5s：突加：突加
17、60%60%负载负载1s 1s：卸除负载：卸除负载右图上依次为三相电流，转右图上依次为三相电流，转速，转矩仿真波形。右图下速，转矩仿真波形。右图下为实际转速与估计转速为实际转速与估计转速。由图可见：由图可见：系统动态性能良好，系统动态性能良好，0.1s0.1s空载空载加速到加速到800800转转/ /分；加减载转分；加减载转速突变后可迅速回到给定值；速突变后可迅速回到给定值；电流波形良好；估计转速较电流波形良好；估计转速较好的跟踪实际转速，无稳态好的跟踪实际转速，无稳态误差。误差。4.4.高压变频器矢量控制系统仿真研究n4.3加减速仿真波形加减速仿真波形仿真过程速度给定如下：仿真过程速度给定如
18、下：0s0s：800800转转/ /分阶跃给定；分阶跃给定；0.5s0.5s：反向：反向800800转转/ /分。分。 右图上依次为三相电流，转右图上依次为三相电流，转速，转矩仿真波形。右图下速，转矩仿真波形。右图下为实际转速与估计转速为实际转速与估计转速。由图可见：由图可见：动态性能较好；动态性能较好；电流波形良好；电流波形良好；转速估计在速度给定从正向转速估计在速度给定从正向800800转转/ /分跃变到反向分跃变到反向800800转转/ /分时，估计转速有个尖刺，分时，估计转速有个尖刺，但可以很快回到实际转速附但可以很快回到实际转速附近。近。4.4.高压变频器矢量控制系统仿真研究n4.4
19、磁通观测的仿真磁通观测的仿真观测磁通与实际磁通观测磁通与实际磁通、轴分量比较轴分量比较4.4.高压变频器矢量控制系统仿真研究n4.4磁通观测的仿真磁通观测的仿真(续续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。 转子磁通轨迹图转子磁通轨迹图4.4.高压变频器矢量控制系统仿真研究n4.4磁通观测的仿真磁通观测的仿真(续续2)磁通开环控制磁通开环控制磁通闭环控制磁通闭环控制本文主要内容本文主要内容1.绪论2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法3.高压变频器矢量控制方案设计4.高压变频器矢量控制系统仿
20、真研究5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果6.结论5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果n5.1实验系统组成实验系统组成5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果n5.2硬件设计硬件设计1.主控制器电路设计如右图所示，核心为TMS320F2812+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。5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果n5.2硬件设计硬件设计(续续)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
21、阻容硬件设置；5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果IGBT驱动电路驱动电路5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果3.模拟量采集电路模拟量采集电路C49104C50104C40104C47102RP24200K/ceR22610KR22830KC4210483245761N52AD6281X10CON1C38104R70W-12R7427/0.5WR7327/0.5WW+12W+12W-12W-GNDW-GNDW-GNDV161N4148V171N4148LEMINLEMOUTOUTVIN15GND116-V12+V11VOUT7+V29-V210GND28
22、N35ISO124+12-12W-12W+12W-GNDR22R21321411N32ATL074C10C11C55C56R23AGNDAGNDAGND+12-12567N32BTL074OUT5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果n5.3系统软件设计系统软件设计主程序流程图5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果AD采采样样中中断断流流程程图图5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果移相变压器移相变压器控制板控制板单元驱动板单元驱动板5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果未叠加三次谐波相电压未叠加三次谐波相电压叠加三次谐波相
23、电压叠加三次谐波相电压未叠加三次谐波线电压未叠加三次谐波线电压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：叠加三次谐波叠加三次谐波未给线电压带来未给线电压带来谐波影响；谐波影响；线电压幅值由线电压幅值由660V提升到了提升到了760V，提升幅度，提升幅度约约15%，同第二，同第二章仿真结论一致。章仿真结论一致。5.5.系统软硬件设计和实验结果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矢量控制程序各模块调试5.
24、5.系统软硬件设计和实验结果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。sdrmripTL1磁通计算模块调试波形矢量控制程序各模块调试矢量控制程序各模块调试5.5.系统软硬件设计和实验结果系统软硬件设计和实验结果由于整个高压变频器由于整个高压变频器系统较为复杂，为保系统较为复杂，为保证系统的可靠输出，证系统的可靠输出，对单个功率单元进行对单个功率单元进行了电感负载实验，波了电感负载实验，波形如下图所示。形如下图所示。功率单元输出电压及电流波形功率单元输出电压及电流波形功率单元调试功率单元调试5.5.系统软硬件设计和实验结果
25、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矢量控制程序输出电压及电流波形输出电压电流调试输出电压电流调试本文主要内容本文主要内容1.绪论2.单元串联高压变频器及其PWM调制方法3.高压变频器矢量控制方案设计4.高压变频器矢量控制系统仿真研究5.系统软硬件设计和实验结果6.6.结论结论6.结论本文结论：本文结论：n解决高压变频器应用中的两个较关键的问题：飞车启动和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
26、加，已在实际高压变频器产品中应用。三次谐波叠加，已在实际高压变频器产品中应用。n研究电机参数自检测的离线自设定和在线辨识的方法，对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。性。n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：采做了总结和分析，选择间接磁场定向的矢量控制方法：采用用PIP
27、I自适应法辨识转速，间接计算法获取磁通。设计了高自适应法辨识转速，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。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：本文结论：搭建高压变频器的实验平台，包括以搭建高压变频器的实验平台，包括以TMS320F2812TMS320F2812为核为核心的主控制器、以心的主控制器、以CPLDCPLD为核心的单元控制和驱动电路、为核心的单元控制和驱动电路、三相功率单元、电压电流检测电路，这些电路和实验电机、三相功率单元、电压电流检测电路，这些电路和实验电机、西门子西门子200200系列系列PLCPLC、触摸屏、移相变压器等一起组成
28、整、触摸屏、移相变压器等一起组成整套实验系统。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，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。验证了高压变频器矢量控制设计方法可行性。6.结论n不足与今后工作展望不足与今后工作展望 ：仿真系统中发现当采用基于仿真系统中发现当采用基于PI调节器的方法获得电机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，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。问题还需要做出进一步的分析和实验。系统中的系统中的PI调节器使用较多，调节器使用较多，PI调节器参数的调节没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节器参数，下一步工作可以根据各PI调节器的情况，调节器的情况，分析参数选择的方法。分析参数选择的方法。感谢各位老师！感谢各位老师！2009-03-03
