（电力电子与电力传动专业论文）高压变频器无速度传感器矢量控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t h i g l lv o l t a g ea c d r i v es y s t e m sh a v eb r i g h tp r o s p e c ti nh i g hp o w e rp u m p sa n d f a n s ，r o l l i n gm i l la n ds oo n ，w h e r eu s i n ga d j u s t a b l es p e e ds c h e m ec a nn o to n l y s a v ee n e r g yg r e a t l yb u ta l s oi m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h em o t o r w i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g h v o l t a g ea n dl a r g e c u r r e n td e v i c e ，m u l t i l e v e l i n v e r t e rb e c o m e st h em o s tp o p u l a rt o p o l o g yi n h i g h v o l t a g ea d j u s t a b l es p e e d s c h e m e t h i sp a p e ri sb a s eo nh i g hv o l t a g ec o n v e r t e rd e s i g n e db yz h u z h o u e l e c t r i cl o c o m o t i v er e s e a r c hi n s t i t u t e w h i c h a d o p t st h ec a s c a d e dh - b r i d g e m u l t i l e v e lt o p o l o g y t h em a i nc o n t e n t sa r es h o w na sf o l l o w 1 f i r s to fa 1 1 c o n v e n t i o n a lt o p o l o g ya n dm o d u l a t i o nm e t h o da r e r e s p e c t i v e l y g e n e r a l i z e d c o n s e q u e n t l y ；t o p o l o g yo ft h r e e - l e v e lh b r i d g ec a s c a d e dt y p e m u l t i - l e v e li n v e r t e rw i t hc l a m p e d d i o d ei ss p e c i f i e d f u r t h e r m o r e ，b o t h o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e la r ep r e s e n t e d 2 as p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lm e t h o df o rh i 曲v o l t a g ec o n v e r t e ri s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a n dt h i sp a p e rd e v e l o p sa s i m p l i f i e dm a t h sm o d e l o fi n d u c t i o nm o t o rb a s e do i ls t a t i ca x i s ，an e wa d v a n c e dr o t o rf l u x e s t i m a t e dm e t h o dw h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lv o l t a g e m e t h o da n dc u r r e n tm e t h o di sa d o p t e d ，a n dd i r e c ts p e e de s t i m a t i o ni s e m p l o y e d a l lc o n t r o ls y s t e mi sv e r i f i e db ys i m u l a t i o ns o f t w a r e 3 t h ec a s c a d e dh - b r i d g em u l t i l e v e li n v e r t e rw i t hv e c t o rc o n t r o lh a sa l a r g e n u m b e ro fv o l t a g ev e c t o r s ，w h i c hm a k e ss e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o no fi t s v o l t a g es p a c ev e c t o r sd i f f i c u l t an o v e ls v p w mc o n t r o ls t r a t e g yi s p r e s e n t e df o rc a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r s t h ec l o s e s ts p a c ev o l t a g e v e c t o rt ot h er e f e r e n c ev e c t o rw o u l db ec h o s e na st h eo p t i m a lo n et ob e t r a n s m i t t e dt ot h e1 0 a d w h e nm o d u l a t i o ni se n o u l g h 。t h ee r r o rc a nb e n e g l e c t e df o rt h ed i s t r i b u t i o nd e n s i t yo fc a s c a d e dm u l t i - l e v e lc o n v e r t e r s s p a c ev o l t a g ev e c t o r s s i m u l a t i o nw a v e sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v e v e r i f i e dt h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：c a s c a d e dh b r i d g em u l t - l e v e li n v e r t e r ；s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ； h y b r i df l u xo b s e r v e r ；s p e e de s t i m a t i o n ：v e c t o rc o n t r o l ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 高压变频器是相对于3 8 0 v 、6 6 0 v 等电压等级的低压变频器而言的。我 国工矿企业把1 0 0 0 v 以上的交流电动机例如3 k v 、6 k v 、l o k v 等交流电机都 称为高压电动机，对应用于这类电动机的变频器都称为高压变频器，国外则 把这种电压等级的变频器称为中压变频器。为与我国电机的电压等级一致， 我们把l k v 以上的变频器都称为高压变频器。 1 1 课题研究背景及意义 十一五规划中，建设节约型社会是今后发展的一项重要内容。有效地利 用能源、节约能源是建设节约型社会的具体体现。据国家电动机调速技术 产业化途径与对策的研究报告披露，目前我国电动机耗电量大约占整个国 民经济用电量的6 6 ，而且中、高压电机仅有少部分进行了变频调速改造“1 。 尽管低压电机( 6 9 0 v 以下) 的数量是高压的几十倍，但所消耗的电能仅为高压 的八分之一左右。高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速，既可满足 生产工艺过程对电动机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大 幅度的节约能源，降低生产成本。从目前高压变频器的一般使用情况来看， 平均节电可达3 0 ，因而，高压变频系统的投入和使用，都是非常有效的节 能手段。 异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、制造成本低、易于维护、 可工作于恶劣环境等优点，在工业领域得到了广泛的应用。异步电机是一个 高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统，而早期的交流电机控制多是建立 在电机稳态模型的基础上，其系统控制规律是从电机的稳态等效电路和稳态 转矩公式出发推导出的平均值控制，没有考虑过渡过程，因而在系统设计时， 不得不做出较强的假设，忽略较多因素，这就使得设计结果与实际相差较大， 系统在稳定性、启动及动态响应等方面的性能不能令人满意。其中比较有代 表性的是v f 比恒定的变频调压技术。由于缺乏对转矩的有效控制，系统带 载能力差，动态响应馒。尤其在低速时由于定子电阻压降和逆变器互锁效应 影响加剧，使得控制性能更差，并可能产生振荡和不稳定现象。但由于该方 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 法实现相对简单，因而广泛地应用于风机、水泵等调速性能要求不高的场合。 矢量控制，在国外多称为磁场定向控制( f i e l do r i e n t a t i o nc o n t r 0 1 ) ，其核 心思想是以电机磁场为坐标轴基准方向，通过坐标变换的方法，实现对电机 转矩和磁通的解耦控制，从而改善了异步电机的动态控制性能，使之能与直 流机的控制效果相媲美。1 。 高压大功率变频器的矢量控制，不仅节约能源，而且可以提供更好的调 速性能，从而提高了工业生产质量。然而，由于矢量控制技术实现的难度， 目前高压大功率电机矢量控制的相关产品主要是由国外如罗宾康，西门子， a b b ，a b ，a l s t o m 等公司生产，而国内企业基本上还是以简单的开环控 制为主“1 。因此，研究高压变频器矢量控制对节约能源，提高国内高压变频 器产品的整体性能都具有很重要的意义。 1 2 高压变频器的特点及应用领域 目前，低压变频器已经比较成熟，由于其强大的功能而被广泛应用予多 种电机拖动领域。受电力电子器件功率和开关频率的制约，高压变频器出现 了多种拓扑结构，如二极管箝位、电容箝位、级联型、电压自平衡式等等， 拓扑结构种类多且比较复杂是高压交频器的第一个特点。拓扑结构的多样化 势必引起控制方法的多样化，于是在p w m 技术的基础上产生了多电平消谐 法，开关频率优化的p w m 、多电平空间矢量法等等，这些方法在高压变频 器中都有着广泛的应用，可见，多种调制方法是高压变频器的第二个特点。 拓扑结构和控制方法的多样化为电力电子理论和实践注入了新的活力。另外， 高压变频器要想适用于各种拖动场合，即使是拖动风机、水泵这种调速要求 不高的大电机，也需要功能齐全、操作安全方便的变频器，因此，完善的功 能自然是高压变频器的重要特点。这些功能包括开放式的人机界面、外部端 子控制功能、多种启停变频器方式选择、频率设定、点动频率设定、禁止频 率设定、加减速时间设定、转矩提升、v f 控制、矢量控制和瞬时掉电保护、 速度搜索功能等。 高压变频器除了拖动风机、水泵来代替风门和阀门外，还广泛的应用在 其它领域。在冶金行业，大型轧钢机需要很快的动态响应和相当高的过载能 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 力，以前一直是用直流电动机，由于直流电动机的换向器及电刷在大容量方 面的问题较多，维修量较大，目前已经逐步被交流电动机调速代替，取得了 良好的效果：在发电厂中使用着大量的中高压大电机，因此，高压变频器在 发电厂中的广泛应用是理所当然的；另外，在电动车辆、船舶、石化、石油 等行业也有着广泛的应用。总之，高压变频器的应用将大大提高我国工业的 生产效率和节能效率，达到经济和节能双赢的效果。 1 3 高压变频器现状 随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动 的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制己成为 发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产 品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率 因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展 前途的调速方式。 过去的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，谐波大， 对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状， 如i g b t 、i g c t 、s g c r 等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实 现p w m 逆变，甚至是p w m 整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度 的提高。 国内现在已经出现了大量的高压变频器生产厂商，稍具规模的有北京利 德华福，山东风光，哈尔滨九州，成都东方日立，佳灵等公司。由于技术开 发起步较晚，从而导致目前所开发的高压变频器的品种和性能还依旧处于发 展阶段，功率等级低，5 m w 功率以上的产品几乎都很少。控制方式大多采用 的是v ，f 控制，产品主要应用在调速性能要求不高的负载。与高压变频器相 配套的产业也很不发达，而且国内高压变频器的技术标准还有待规范。 虽然国产高压变频器性能总体还处在发展阶段，但与发达国家的技术差 距正在缩小。比如利德华福已研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功 能的无速度传感器矢量控制高压变频器。 国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也 是国外品牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时 有变频器的存在。技术开发起步时间远远早于国内厂家，并且己具有相当大 的产业化规模。变频调速产品的技术标准比较完备。新技术，新工艺层出不 穷，并被大量的、快速的应用于产品中。 我国高压变频器市场绝大部分被国外高压变频器产品所占据。日本的厂 家三菱、富士、东芝、安川、日立等，欧美的西门子、a b b 、施耐德，罗宾 康等。控制方式为无速度传感器矢量控制和直接转矩控制，其产品大量应用 在提升机，轧钢机，电力、电气传动等调速性能和技术附加值较高的场合。 业内人士估计我国变频器总的潜在市场容量应为1 2 0 0 1 8 0 0 亿元，其中 低压变频器约占市场份额的6 0 左右，中、高压变频器需求数量相对比较少， 但由于单台变频器功率大、售价高，所以占市场份额的4 0 左右。由于高压 变频器目前应用较多的行业是：冶金、石化、电厂、城市供水、建材，主要 应用的设备是风机与泵类负载。 高压变频器行业是一个有相当技术难度，投资强度大，风险大，成长周 期长的领域。而且进入该领域的国内生产厂商众多，在相同的技术水平下， 使得目前的竞争较为混乱。因此，具有技术优势和特点的产品在市场中才具 有较大的发展前景。 1 4 高压变频器发展趋势 交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大 电能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定 会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后 者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面 得到发展，其主要表现为： 1 高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。 2 高压变频器将向着直接器件高压和器件串联和单元串联两个方向发展。 3 现阶段，i g b t 、i g c t 、s g c r 仍将扮演着主要的角色，s c r 、g t o 将会退 出变频器市场。更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 频器中。 4 无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于 成熟。 5 全面实现数字化和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术：故障自诊 断技术。 1 5 论文主要内容 本课题得到了株洲变流技术国家工程研究中心自动化开发部硬件平台的 提供和支持，以该中心开发的单元串联多电平高压大功率变频器作为研究对 象，针对目前大功率异步电机调速系统的技术升级和改造，初步设计了无速 度传感器矢量控制系统整体方案。全文共分六章： 第一章为绪论，简述了高压变频器的研究背景及研究意义，指出了当前高压 变频器的现状与今后发展趋势，最后介绍了本文的主要研究工作； 第二章对目前高压变频器的拓扑结构作了简单分类，概述了级联型高压变频 器的控制方式。并对现有硬件平台作了详细的介绍，同时对该高压交频器系 统建立了相应的数学模型； 在第三章中建立了静止坐标轴上简化的电机状态空间方程。由于感应电机的 数学模型是一个高阶的，非线性的，强耦合的多变量系统。为了更精确的获 取所需状态量，在建立简化模型的基础上，编写了基于预测校正欧拉算法的 电机模块仿真函数； 第四章给出了高压变频器无速度传感器矢量控制系统一个初步方案。高压变 频器对电动机的控制方式主要为恒u f 控制，矢量控制。由于对控制精度的 要求，以及某些特殊环境的限制，无速度传感器矢量控制一直是研究的热点。 本章在介绍整个控制系统统是，又分别介绍了转子磁链观测器，转速估计模 块，空闻电压矢量控制，以及p i d 控制模块等。对所有模块都编写了仿真函 数，通过m a t l a b 软件进行了验证； 第五章给出了仿真结果和实验波形，并对结果进行了简单分析； 第六章为结论部分。对本论文进行了总结，并指出了存在的问题和相应的解 决措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章高压变频器主电路拓扑及其控制 2 1 高压变频器拓扑 目前，在低压变频调速技术方面，变频调速技术的运用已经比较成熟，但 在高压方面，由于功率器件耐压能力所限，造成了现在的高压变频器不象低 压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构。根据实现高电压的途径，大 致可以分为两类【5 】： ( 1 ) 有输出变压器的高一低一高方案 ( 2 ) 无输出变压器的高一高方案 后一种方案又主要采用两种结构：一是器件串联结构，二是多电平结构。 下面对这几种方案分别加以介绍。 2 1 1 有输出变压器的高低高方案 如图2 1 所示，先用一台降压变压器把高压降为低压，经过通用低压变 频器变频，再用一台升压变压器把低压升至高压，这种方案实质上还是低压 变频器，只不过从电网和电机两端来看是高压的。优点是采用了标准低压变 频器，其缺点是存在中间低压环节，电流大且系统复杂，变频器输出含有高 次谐波和直流分量。升压变压器必须特殊设计；同时，多用了两台变压器， 增加了成本和占地面积，损耗大，降低了系统的效率。 图2 - 1 具有输出变压器的高一低一高方案 2 1 2 器件直接串联方案 无输出变压器的器件串联方案一般采用g t o 两电平电流源逆变器结构， 如图2 2 所示的三相逆变桥结构图。为了实现较高的电压输出，采用器件串联 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 技术：为了削弱输入电流谐波，网侧整流器采用1 8 或2 4 脉波多重化整流电路； 中间直流环节采用电感滤波，三个g t o 器件串联，交流侧采用电容器滤波作 为输出滤波器，使得输出电压电流波形都接近于正弦波。 + s 乙 e 乙 s 7 i s 乏 s 之 玉7 l s 之 s 之 s 7 t f 1 s 己 s 乙 s乙钳 刖 ，、t：； 5 乙 s 之 s 5 乏- s 之 s 图2 2g 1 d 器件串联逆变器 采用器件串联方案的典型产品如美国a b 公司的旧产品g t o 电流型和新 产品s g c t 电流型中压变频器。目前国内成都佳灵也开发出这种拓扑结构的 产品，采用的是功率器件i g b t 直接串联电压型高压变频器。 功率器件直接串联优点是电路结构简单，使用的功率器件少，但器件串 联带来均压问题，且二电平输出的d v d t 会对电机的绝缘造成危害，要求提高 电机的绝缘等级；况且谐波成分大，需要专门设计输出滤波器。 2 1 3 多电平方案 所谓“多电平”始于三电平电路，1 9 8 1 年由日本长冈科技大学a n a b a e 等人首次提出”。其基本原理是将几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输 出。多电平变换器作为一种新型的高压大容量功率变换器，在得到高质量的 输出波形的同时，克服了两电平变换器的诸多缺点，它无需输出变压器和动 态均压电路，开关频率低，开关器件应力小，系统效率高。 多电平目前主要有三种电路拓扑： ( 1 ) 二极管箝位( d i o d e - c l a m p e d ) 多电平逆变器。其中，三电平逆变器也称为 中点箝位( n e u r a l p o i n t c l a m p e d 简称n p c ) 三电平逆变器； ( 2 ) 浮动电容器( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 多电平逆变器： ( 3 ) 逆变单元串联( c a s c a d e di n v e r t e r s ) 多电平逆变器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 二极管箝位多电平逆变器 二极管箝位多电平逆变器的结构特点是利用多个二极管对相应的开关 元件进行箝位，解决了功率器件直接串联均压问题1 7 1 。图2 3 为三电平二极管 箝位i g b t l 重变器主电路，它的直流侧滤波电容器由电容器c d l ，c d 2 组成。若 直流侧电压为u d ，每个电容器上的电压为u d 2 ，通过筘位二极管使每个功率 器件上的电压限制在一个电容器电压值v s 内。 q i ：l u = = 坫曲 一 - - -一 zzz i 习乓z 【一 ji 卜j i i 墙一j墙 一 - - 一 i 均 zzz = 墙培 一 上 li j 图2 3 二极管箝位三电平逆变器主电路 二极管箝位三电平变频器，国外自八十年代以来应用就很广泛，尤其在 交流电力机车牵引领域占主导地位。典型产品如a b b 的a c s1 0 0 0 系列、西门 子公司的s i m o v e r t m v 系列等。三电平变频器输出电压仍不能达到要求时， 有时采用器件串联和多电平电路复合结构，如西门子公司在三电平逆变电路 中同时采用两只i g b t 串联的方法，实现4 1 6 k v 电压输出。 二极管箝位型拓扑不需要结构复杂的多绕组电源变压器而直接实现高电 压功率，从而大大降低功率变换装置的体积和成本。但是它也存在一些问题。 虽然解决了功率元件的均压问题，可是引起筘位二极管自身承受电压不均匀 问题。当要求输出电平数目很高时，需要箝位的二极管数目很大，增加了系 统成本。 2 浮动电容器多电平逆交器 图2 4 所示为单相的飞跨电容三电平变换器的拓扑结构图”。可以看出， 直流侧电容不变，箝位二极管被筘位电容所代替，工作原理与二极管筘位电 路相似，但在电压合成方面，开关状态的选择比后者具有更大的灵活性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 - ji ! 卫 一 zz 3 牛! 一9 。 一一占丰t 一晤t - zzz5 j b 图2 4 飞跨电容多电平交换器的拓扑结构 通过对比，不难看出，这种拓扑结构虽省去了箝位二极管，但又引入不 少电容。大容量电容器存储的能量可以作为电源提供额外能量。但对于高压 大容量系统而言，电容体积庞大、占地多、成本高、封装不易。电容的引进 使电压合成的选择增多，通过在同一电平上进行合适的不同开关状态的组合， 可使电容电压保持均衡，可较好地应用于有功调节和变频调速系统，但控制 方法非常复杂，而且开关频率将增高，开关损耗加大，效率随之降低，迄今 为止，该种电路结构尚未达到实用化程度。 3 逆变单元串联多电平逆交器( c a s c a d e di n v e r t e r s ) 逆变单元串联结构中每个逆变单元的结构相同，易于模块化设计和封装， 且无中点电位波动的问题。逆变单元故障时可以将其旁路，可靠性高。 u v w zz z = 占。 _ 仁一a 1 一 _ ；下。铲。1j zzz 图2 5 逆变单元电路结构 每个单相逆变单元都有独立的直流电源( 电压为v d e ) ，分别可以输出v d c ， 0 ，- v d c 三种电平，单元串联可以构成多级电平。 常见的单元串联多电平变频器主电路结构如图2 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 6 逆变单元串联多电平变频器主电路 输入侧移相交压器采用多重化设计，以降低输入谐波：单元串联输出多 电平，使输出电压接近正弦波，将多电平与多重化结合在一起，对电网无谐 波污染，电动机转矩波动较小。由于采用二极管整流电路，能量不能回馈电 网，不能四象限运行，对于有功功率变换场合，需要独立直流电源，多用于 大功率风机、泵类调速系统“”。 从单元模块串联的方式可以看出，各模块的电压等级和串联数量决定高 压变频器的输出电压，单元模块的电流决定了变频器的输出电流。由于不是 采用传统的器件串联方式来实现高压输出，而是整个功率单元串联，所以不 存在器件串联引起的均压问题。由于串联的功率单元较多，所以对功率单元 本身的可靠性要求很高。单元串联多电平高压变频器的一个发展方向是采用 额定电压较高的功率单元，在满足输入输出波形质量的前提下，减少串联的 数量，以降低成本，提高可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2级联性高压变频器控制策略 多电平变换器的控制方法由两电平控制方法演化而来，主要可以分为三 角载波p w m 技术和空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 技术两大类( “j f l 2 j 。 三角载波p w m 技术可分为消谐波( s h p w m ) ，三角载波移相( p s p w m ) 和开关频率最优( s f o p w m ) 等方法，由于三角载波p w m 控制方法简便易行， 因而获得了广泛的应用。 空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 技术因其电压利用率高，谐波含量低，硬 件电路结构简单而受广泛关注。该方法在三电平电路中虽有应用，但应用于 5 电平以上电路时，控制算法非常复杂，如何简化计算，实现实时控制是当 前研究的热点。 2 2 1 消谐波s h p w m 法 对于一个n 电平的变换器，每相采用一1 个具有相同频率兀和相同峰 一峰值彳。的三角载波与一个频率为厂m ，幅值为彳。的正弦波相比较，为了使 一1 个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且整个载波 集对称分布于零参考的正负两侧。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制 波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件，反之如果调制波 的幅值小于某个三角波的幅值则关断该器件。该方法的原理如下图所示。 彩弼添姒燃j 黪澎沈揍赵燃一八。八八i 八八l 八沁么八。八。 一 、n9l 一 一 图2 7 五电平s h p w m 调制原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 2 三角载波移相p s p w m 法【1 3 1 这种控制方法与s h p w m 方法不同，每个模块的s p w h 信号都是由一 个三角载波和一个正弦波比较产生。若需要倍频则由一个三角载波和两个反 相位的正弦波产生的，也可以是由一个正弦波和两个反相位的三角载波比较 产生。相互级联的多个模块之间的三角载波有一个相位差o 。该方法原理如 图2 8 。对于一个n 电平的变换器，每相采用n 1 个具有相同频率f c 和相同 峰一峰值a e 的三角载波与一个频率为f m ，幅值为a m 的正弦波相比较。n - 1 个三角载波对称分布于零参考的正负两侧，而且三角波之间依次相移二 ( n 1 ) 或2n ，( n 1 ) 。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于 某个三角波的幅值，刚开通相应的开关器件，反之，如果调制波的幅值小于 某个三角波的幅值则关断该器件。由于相邻三角载波之间有一个相移，这一 相移使得所产生的s p w m 脉冲在相位上错开，从而使最终迭加输出的s p w m 波等效开关频率提高到原来的n 倍( 倍频情况下提高到2 n 倍) ，因此可在不 提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。 图2 - 8三角载波移相p s p w m 调制原理 载波移相p w m 调制技术已经被广泛应用于单元级联中压变频器，而且 技术上比较成熟，其控制方法简单，在数字系统中易于实现。 2 2 3 开关频率优化s f o p w m 法 开关频率优化p w m 法与s h p w m 法类似，这种方法，它们的载波要求 相同，但s f o p w m 的正弦调制波中注入了零序分量，使调制比增大。对于 一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大最小值的平均值。所以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 s f o p w m 法的调制波是通常的三相正弦波减去零序分量后所得到的波形，零 序分量和三相调制波的计算公式如下： v z c r o = ( m a x ( v a ，v b ，v c ) + m i n ( v a ，v b ，v c ) ) 2 v a = v a v z e r o v b = v b v z e r o v c = v c v z e r o 撇撇渊淞! 撇粼泓燃一 图2 - 9 开关频率优化s f o p w m 调制 该方法只适用于三相系统，因为注入的零序分量在单相系统统中无法相 互抵消，从而在输出波形中存在三次谐波。 2 2 4 空间电压矢量控制( s ，w m ) 目前应用的h 桥级联型多电平逆变器大多采用三角载波p w m 技术。 在有高性能调速要求的场合需要矢量控制、直接转矩控制等电机控制手段， 这些方法都是基于瞬时值理论，而载波调制基于平均值理论，因此三角载波 p w m 不能将逆交器和高性能的电机控制策略相结合。s v p w m 技术是基于 瞬时值理论的，它从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆 形旋转磁场，具有控制效果好，直流电压利用率高，控制灵活的特点。应用 s v p w m 技术才能实现逆变器对电机的高性能控制。 s v p w m 技术已广泛应用于两电平系统，然而，随着电平数的增加， 开关状态数和电压矢量数急剧增多，造成s v p w m 算法过于复杂，难以应 用于实际系统【1 4 1 。 抓 磊 。 靠 弧 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 二极管箝位三电平h 桥级联高压变频器系统n 钉 目前，模块级联高压变频器主电路拓扑结构大都采用的是单相全桥模块 串联。每个功率单元采用了相互独立的直流电源，所以不存在电压不平衡问 题，易于实现p w m 控制。但对于二极管箝位三电平h 桥级联多电平拓扑使用 和研究，国内外很多综述性文献都已提及，但都没有对其进行具体深入的研 究。 现有硬件平台是由株洲国家变流技术工程研究中心高压交频部和自动化 部联合开发的6 k v 1 m v a 高压变频器，采用的是二极管箝位三电平h 桥级联 多电平拓扑结构。由于本课题基于该高压变频器进行相关的控制算法仿真和 研究。因此下述章节首先介绍该型高压变频器系统总体结构，然后简单的分 析二极管箝位三电平h 桥单元模块的工作原理。 2 3 1 高压变频器主电路 变频器主电路拓扑结构采用五电平单相逆变器模块级联，输入为线电压 6 k v 三相交流，然后经过移相变压器。其输出电压为阶梯波，接近正弦波。 输入与1 8 脉波整流方式类似，输入电流谐波小。框图如图2 1 0 ，三相输出， 每相由3 个模块级联而成。整个变频器由3 3 - - - 9 个模块组成。 图2 1 06 0 0 0 v 1 m v a 高压变频器系统框图 套套柱母冷窖水 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 2 移相变压器 电网电压经过高压移相隔离变频器降压后，给各功率单元供电。这种多级 移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率 因数接近1 。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回 路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。移相变压器电气原 理图如图2 1 1 ： 功率单元之间及二次绕组之间相互绝缘。 原边绕组输入线电压为6 k v ，副边共9 个绕组 分为三组，由于变压器输入采用延边三角形 接法，每组输出相位互差2 0 个电角度。在变 压器二次绕组分配时，同一相位的二次绕组 分别给电机的单相供电，这样保证各相位组的 电流基本相同。变频器输入侧相当于1 8 路脉 冲整流，可以有效地消除3 5 次以下的谐波， 不需增加任何消谐滤波器就可以满足供电部 图2 - 1 1 移相变压器门对电压和电流谐波失真的要求。电动机所需 的无功功率可由功率单元滤波电容提供满载运行时功率因数在0 9 8 以上， 不必采用任何功率因数补偿措施。 2 3 3 二极管箝位三电平h 桥功率模块单元 三电平h 桥功率模块是二极管箝位三电平h 桥级联多电平变换器的基本 构成单元。图2 1 2 为二极管箝位三电平h 桥单元的电路拓扑结构，其中v d l ， v d 2 ，v d 3 ，v d 4 为箝位二极管。c d l ，c d 2 为直流侧分压电容，由于c d l = c d 2 ， 所以v d c l = v d c 2 = e 。在实际应用中三电平h 桥单元的直流侧电压( 2 e ) 一股由 三相或单相交流电压整流成脉动的直流电压，经电容滤波后获得。开关管 s i l ，s i 2 ，s i l s i 2 ( i = a ，b ) 及其反并联二极管构成三电平h 桥单元的两个桥臂， 两个桥臂并联后连接到直流母线上。通过对8 个开关管进行p w m 控制，使 左右桥臂的中点输出端a ，b 之间产生出幅值和频率可变的交流电压。 套套套奇窖奇参 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 u v w i i b 驯j 晤b 、。毛型 - _ 王l 奉碚i、l7 z王zz 一 z王2z 图2 1 2 单个功率模块拓扑 为防止直流母线发生短路，来自控制系统的触发信号中，以左桥臂为例， s a l 和s a l 触发信号互补，s a 2 和s a 2 触发信号互补。这样，就存在四种开关 状态组合，但是如果存在s a l ，s a 2 开关管同时导通，中点将输出不确定状态， 安排触发信号时应该避免出现这种状态。因此，每个桥臂实际上只有三种有 效的开关状态组合。功率模块输出电平数与开关管状态对应关系如表2 1 所 示： 表2 1 输出电压导通开关状态表使用电容 2 e s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 1 1 0 0全部 s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 1 1 0 l上端 e s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 o 1 0 0下端 s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 0 1 0 1无 o s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 l l l l无 s a l ，s a 2 7 ，s a 3 ，s a 4 0 0 0 0无 s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 0 1 1 l上端 e s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 0 0 0 1下端 2 e s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 o o l l全部 注：1 表示开关管道通，0 表示开关管关断 酉南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 46 0 0 0 v l i v a 高压变频器数学模型 数学模型是功率变换电路行为、状态的数学描述，建立研究对象的数学 模型，是深入研究和分析对象的工作机理、特性，以及提高系统控制性能的 基础和必要手段。 2 4 1 三电平h 桥模块的数学模型 三电平h 桥单元是三电平h 桥级联多电平变换器的基本单元，因此建立 三电平h 桥单元的数学模型是建立完整多电平变换器数学模型的基础。为建 立三电平h 桥级联多电平变换器的数学模型，首先作如下理想假设： a ) 直流侧的输入电源2 e 是理想的恒定的直流电压源： b ) 所有开关器件都是理想的开关，也即所有开关器件没有惯性和损耗； 曲直流侧电容也是理想，也即无内阻、无电感且c a = c d 2 ； d 1 变换器的负载是三相对称感性负载； 引入函数s l 和s r 作为控制左、右桥臂开关管状态的变量。 r 1 s a ls a 2 导通s a l 。s a 2 关断 s l = 0s a l s a 2 导通s a ls a 2 3 断( 2 1 ) i 1s a l s a 2 导通s a ls a 2 关断 r 1s b l s b 2 导通s b ls b 2 关断 s r = 0s b l s b 2 导通s b l s b 2 关断( 2 - 2 ) i - 1s b ls b 2 导通s b l s b 2 关断 参照上图2 1 2 ，有如下方程： 左桥臂中点输出电压：v i - s 。e 右桥臂中点输出电压；v r - s 。e 单个模块输出线电压： v 枷v l v r ( 2 3 ) 一( s l s r ) e 、7 左桥臂电流：i 。= s l i 。 右桥臂电流：i 。- s r i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 因此直流侧电流为： i a i l + 1 r t ( s l - s r ) $ i 。 2 4 26 k v 1 m v a 高压变频器数学模型 ( 2 4 ) 下图为每相由三个二极管箝位三电平模块级联而成的6 k v 1 m v a 高压变频 器系统框图，负载为理想的三相对称感性负载。 图2 1 3 模块级联高压变频器拓扑 与上述一样，同样得到相对应的电压电流方程，以a 相为例： v a l = ( s t a l s r a l ) e( 2 - 5 ) v a 2 = ( s l a 2 - s g a 2 ) 4 e( 2 6 ) v a 3 = ( s l a 3 s r a 3 ) e( 2 7 ) i a l = ( s l a l - s l t a l ) l a( 2 - 8 ) l a 2 = ( s l a 2 - s l t a 2 ) i a( 2 - 9 ) l a 3 = ( s l a 3 - s r a 3 ) l a( 2 t 0 ) 其中s t a l ，s r a l 分别a 相模块1 左，右桥臂开关函数。b 相，c 相与此类似。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 由k i r c h o f 电压定律，列出交流侧a ，b ，c 三相的回路电压方程如下： 对于无中线三相负载对称系统有： i a + i b + i c = 0 ( 2 1 2 ) 由2 1 1 ，2 1 2 两式可以得出： v o n = 一1 3 ( v a o + v b o + v c o )( 2 1 3 ) 其中，对于三模块级联高压变频器 v a o = v a l + v a 2 + v a 3 v b o = v b l + v b 2 + v b 3 ( 2 - x 4 ) v c o = v c l + v c 2 + v c 3 综合上述方程式可以得出6 k v 1 m v a 高压变频器数学模型为： 矗 出 凸 矗 t f i c l - - d i 瑚】+ 罴薰飘卦 ( 2 1 5 ) 二极管箝位三电平h 桥级联多电平拓扑在输出电平数相同的情况下，相 对于单纯的二极管箝位多电平或传统两电平h 桥级联多电平变换器有定的 优势，该拓扑相对于二极管箝位型多电平变换器器件量( 二极管) 大大减少， 而相对于传统两电平h 桥级联变换器减少了一半的隔离d c 电源，适合模块 化程度也介于两者之间。而由于其可以做到很高的电压等级，同时模块内和 模块间的连接均不是很复杂，在中高压逆变领域还是有着广阔的应用前景。 因此，对基于二极管箝位三电平h 桥级联拓扑进行研究具有实际意义。 l2 r r r h m k 一 一 一 n n n o o o v v v + + + 幻 v v v l = m一小mm批一m l l l 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章异步电机数学模型 3 1 异步电机数学模型n 6 m 钉 三相异步电机的数学模型是个高阶的，非线性的，强耦合的多变量系 统，为了分析方便，一般假定： 1 电机定，转子三相绕组完全对称； 2 定，转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁势在空间呈正弦分布； 3 磁饱和，涡流及铁芯损耗忽略不计； 4 忽略绕组的集肤效应，不考虑颏率和温度交化对绕组电阻的影响； 上述假设对于研究交流电机的驱动系统已经可以保证足够的精度。基于 上述假设，可以分析异步电机在各个坐标系下的数学模型。 图3 1 显示了个三相异步电机的绕组分布，为了简便起见，鼠笼式异 步电机的转子导条也被等效为一个三相转子绕组。现以a 相为例，其中定子 a 相电压方程是处于定子的坐标系上，也即静止的三相坐标系统；而转子的a 相电压方程处于转子坐标系上，也即随转子起旋转的三相坐标系统上： f u - i ，r + p 1 l r 。( 3 1 ) lu ，- l ，r ，+ p v 。 其中，“p ”为求导运算。 图3 - 1 异步电机三楣绕组分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 由于假定三相磁遭呈正弦分布，凼此司以得到定fa 相磁通方程和转予 a 相磁通方程分别为： 妒。l l 。幺