（电机与电器专业论文）基于三相四开关逆变器供电永磁同步电机直接转矩控制容错运行研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 移，最终会导致运行失败。本文在直流母线电容电压不平衡条件下进行了仿真分 析和实验研究，提出了一种软硬件相结合以控制直流母线电容电压不平衡度的行 之有效的方案，并针对普通s v p w m 算法不适用于三相四开关逆变器供电条件 的问题提出了一个新s v p w m 算法并将其应用于s v p w m d t c 和s m c d t c 中， 改善了三相四开关逆变器供电的p m s md t c 系统的运行性能。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；三相四开关逆变器；容错运行：空 间矢量调制；滑模变结构控制；直流母线电容电压不平衡 a b s t r a c t p e m l a i l e n tm a g r l e ts y n c l d n o u sm o t o r ( p m s m ) f e a t l l r e sh i g hp o w e rd e n s 畸a i l d l l i 曲p o w 盯f a c t o r ，d i r e c tt o r q u ec o n 仃o l ( d t c ) i sf a n l o u sf o ri t ss i m p l i c 埘a n d 缸t t o r q u er c s p o n s e ，t h e r e f o r e ，p m s md t cs y s t e m s ，w i mt h ea d v a n t a g e so fb o t h ，a r e 淅d e l y 印p l i e di ne l e c t r i cv e h i c l e s ，i i l i l i t a 巧，h o m e 印p l i a l l c e sa i l dm a i l y0 t h e rf i e l d s ， a i l dt l l e i rr e l i a b i l i t i e sh a v eb e e np a i dm o r ea n dm o r ea n e n t i o n p m s md t cs y s t e m u s u a l l yu s ev o l t a g es o u r c ei n v e n e r ，d u et om ef a n g i b i 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r ep r o m i n e n t s oi ti su 培e n tt os o l v et l l ec o n t r a d i c t i o no fd y n a i i l i ca n d s t a t i cc h 孤a c t e r i s t i c su n d e rt h en e wc o n d i t i o no fp o w e rs u p p l y ，n 锄e l ys u p p r e s s i n go f t 0 i q u er i p p l ew 量l i l eb a s i c a l l ym a i n t a i l l i n gt h ef a s td y n a l l l i cr e s p o n s e 1 1 1 i st h e s i s sm a i nw o r ki n c l u d e ： 1 1 1 鹏e 巾h a s ef 0 u r s 诹t c hi n v e r t e rf e dp m s mc o n v e n t i o n a ld t c b 舔e d0 nt l l e o p e r a t i o no ft h r e e p h a s i x - s 晰t c h i n v e n e rf e dp m s mc o n v e n t i o n a ld t c ，t 1 1 e v 0 1 t a g es p a c ev e c t o ra 1 1 dt h ec o 玳s p o n d i n gs 晰t c ht a b l ei sr e d e f i n e df o rt l l 】e e p h a s e f o u r - s w i t c hi n v e n e rb y 锄a l y z i n gi t st o p o l o 影f i n a l l yt h r e e - p h a s ef o * s 谢t c h i n v e r t e rf e dp m s mc o m r c n t i o n a ld t ci sr e a l i z e d 2 t l l r e e - p h a s ef o 胪s w i t c hi n v e n e rf e dp m s ms v p w m - d t c b yt h ei n s p i r a t i o no f t l l ef a c tt h a tt l l et e c h n i q u eo fs p a c e 、厂e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i sa b l e t 0r e d u c et h et o r q u er i p p l es i g n i f i c 趾t l yi nt l l et h r e e p h a s es i x s w i t c hi n v e n e rs y g t e m ， s v w p mi si n 仃o d u c e di n 恤廿此e p h a s ef o - s w i t c hi i l v e n e rt oo p t i i l l i z et l ：屺 p e r f o m 戤1 c eo f 嘶v es y s t e m 3 t l e e p h a s ef o u r s 、 ，i t c hi i i v e n e rf e dp m s ms m c d t c s l i d i n gm o d ec o n t r o l f e a t u r e so u t s 仞m d i n gr r l e r i t so fg o o di n t e r f e r e n c er e j e c t i o n ，g o o dr o b u s t i l e s s ，a i l di t s 印p l i c a b l ef o rn o l l l i n e a rc o n t r o l ，a i l di ti si n t r o d u c e df 砸t h et l l r e e p h a s ef o u r - s 、衍t c h 浙江大学硕士学位论文 i n v e r t e rt or e a l i z et h es m c d t cs t m t e g y t 1 1 ec o n t r o lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h e s v p w m d t c 4 s u p p r e s s i o no fd cb u sc 印a c i t o rv o l t a g ei m b a l a n c e 觚dt 1 1 ec a l c u l a t i o nu n d e rt h e u n b a l a n c ec o n d i t i o n t h em o t o rw i n d i n gc o n e s p o n d i n gt 0t 1 1 ef a u l tp h a s eo ft l l e i n v e r t e ri sc o 衄e c t e dt ot h em i d p o i mo ft l l et v 旧d c l i m ( c a p a c i t o r si ns e r i e s ，a n da l o n g w i t hc a p a c i t o rc h a r g i n ga i l dd i s c h a 唱i n g ，t l l ev o l t a g ew i l lc h a n g e s i m u l a t i o n 锄a l y s i s 锄de x p e r i m e n t a ls t u d ya r ep e r f o 珊e du n d e rt 1 1 eu n b a l a l l c ec o n d i t i o ni nt l l i sm e s i s k e y w o r d s ：p e 册a i l e n tm a g i l e ts y n c l l r o n o u sm o t o r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r d l ；t l l r e e p h a s e f o u r - s w i t c hi n v e r t e r ；f a u l t t o l e r 锄t 叩e r a t i o n ；s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ；s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t m c t l l r ec o n t r o l ；d cb u sc a p a c “o rv o l t a g eu n b a l a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期： 年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 致谢 值此论文脱稿之际，谨向在我硕士期间所有指导、帮助、关心过我的人表示 感谢。 首先把最诚挚的谢意献给敬爱的导师贺益康教授。贺老师严谨的学术态度、 深厚的学术功底我早在本科阶段就有所耳闻，并在大三的电力电子技术教材 中和大四机电运动控制系统的课堂上得到了亲见。贺老师是我本科阶段所知 晓的知名度和好评度最高的老师，于是萌生了投入贺老门墙的想法，并在2 0 0 7 年的3 月得偿所愿，师徒缘分由此开始，至今已届三年之期。师者，所以传道授 业解惑也，贺老师是我所见过的最完美诠释师道的老师。他潜心学术淡泊名利， 他的学生从事的研究课题从来都不是渔利之作而是出于科研需要。贺老在工作中 以身作则，和学生们同进同出，迟到时一进门若看到灯光下他忙碌的背影就自觉 羞愧：学生在需要他指导的时候无论何时都可以在办公室找到他，即使周末也不 例外：他经常主动关心课题进展，实验室里师生间的学术讨论往往不绝于耳。他 对学生高度负责，凡学生的论文、报告、表格等一概亲自阅览，导师评语、签字 必定亲力亲为，本论文所受重视尤为隆重，经他批阅字斟句酌增删数次延续旬日， 如此待遇令我众多同学艳羡不已。贺老以近古稀之年仍事必躬亲，非与学生切身 相关的事务绝不假手学生，他的学生由此能专心于科学研究工作。贺老为人宽厚 温和诲人不倦，从不苛责学生也无须如此，他的失望就是对学生最大的、无声的 批评；贺老学术态度谦和，善于倾听学生的想法，从不以师者之尊而拒学生之见， 使学生皆能畅所欲言。此外，他还非常关心学生在生活中的困难，三年来我受到 的特别照顾不可胜数。如今硕士阶段行将结束，多谢贺老师在科研和为人上的言 传身教，此生能成为他的学生是我一生的幸运。在此还要一并感谢师母石渭珍老 师，有石老师的支持和奉献才能使贺老师能全身心扑在科研事业上。两位老师把 学生们视如己出，倾注了无数关爱，有时还亲自下厨请学生去家中作客，难忘的 经历使学生们如沐春风。祝两位老师永远健康快乐、福泽绵长。 接下来把最特别的谢意献给此刻身处大洋彼岸地球彼端的孙丹老师。我所从 事的研究课题是孙老师的课题，三年来我迈出的每一步都有孙老师关注的目光， 我的每一次成长都离不开孙老师的指导和帮助。我的课题计划是孙老师和贺老师 共同拟定的；在孙老师没有出国之前，我的论文往往是由她修改初稿，贺老师定 i i i 浙江大学硕士学位论文 稿的；至于研究成果则由孙老师直接审核。和两位老师的这段融洽的经历我将终 生难忘。孙老师在科研上是老师，在生活中是大姐姐，和我们学生是亦师亦友的 关系，得到了所有同学的一致爱戴。惟本人曾经不思进取疏于学业兼资质愚钝， 未能向孙老师交上一份完美的答卷，纯系自误，心中常怀愧疚。请孙老师放心， 我以后一定珍惜好每一天，您的教诲我将铭记心头。祝孙老师事业顺利。 感谢实验室章玮副教授、年珩副教授及电机系各位老师的指导和帮助，祝老 师们事业更辉煌。 特别感谢何宗元师兄和未曾共事的贾洪平师兄，我所做的浅薄工作是建立在 他们的研究成果基础之上的。因他们的帮助在参考文献中无法充分体现，谨在此 致以特别的谢意。 感谢实验室各位师兄、各位师弟师妹陪伴我度过了多姿多彩的硕士生阶段。 实验室师兄弟姐妹同气连枝亲如一家，每一张鲜活的面孔，每一个开心的笑容， 每一串欢声笑语，都在我脑中留下了难以磨灭的记忆。博士师兄中胡家兵的博闻 强识建树卓著、周鹏的聪明睿智和不拘小节、黄雷的熟知经史、郭晓明的精通数 码，硕士师兄中李和明的憨态可掬、潘剑的稳重谦和、陈东的白净浑圆慵懒可爱、 姚卫忠的英俊帅气富而多仁，同年中王宏胜的天马行空风趣健谈、赵静的工学和 艺术并重，师弟师妹中刘姣的纯真热烈、尚磊的幽默豪爽、肖建民的讷言敏行、 曾嵘的低调谦逊、全宇的风流善感、王伟颖的娇俏可人、程艳的和善可亲、贺子 倩的待接有度和精通音律多才多艺、徐海亮的绵里藏针，都是我记忆宝库中的珍 品。离别在即，但友谊将永存。特别是胡家兵和周鹏两位嫡系师兄，相处的时间 最长、接触的机会最多，平素给予我的帮助和关心最多，最舍不得你们。此生无 论身在天涯海角，仍难忘在教二1 1 1 窗前度过的每一个春夏秋冬。 感谢读硕期间的各位朋友和曾经的球伴。和朋友们经历的往事是记忆中一道 道美丽的风景，绝不会因岁月的流逝而尘封。借用其中一位朋友的话，“感谢我 的朋友，成就我生命中的每一天，因过去的相助说声感谢，为未来的希望互相共 勉，更想为一生的缘分说声永存! 最后感谢我的父母和弟弟，庆幸我出生和成长在这样一个温馨的家庭，有他 们的鼎力支持才有我一十九年学业的顺利完成。无论何时，血浓于水的亲情永远 是我最可信赖的依靠。 王波 2 0 1 0 年3 月6 日笔 玉泉校区教二1 1 l 室 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着电力电子技术及交流电机控制理论的发展和不断完善，交流电机调速传 动正逐渐取代传统直流电机调速传动得到广泛的应用。在当前节能减排已成全世 界共识的大背景下，作为调速节能的重要手段，交流电机的变频调速正受到越来 越多的重视。伴随着电力电子器件的突破性进展和计算机实时控制技术的发展， 现代交流电机调速技术取得了长足进步。现代交流调速技术的主要目标一方面是 降低损耗和成本，另一方面是提高系统的调速性能。 具有诸多优异性能的钕铁硼稀土永磁材料的出现，使得永磁同步电机 ( p m s m ) 成本不断降低，性能不断提高，在交流电机产品中异军突起。近年来 永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子技术的进一步发展，更使永 磁电机在高性能、大容量等领域中的应用得到了突飞猛进的发展。 在控制策略方面，当前在高性能交流调速领域内关注最多的是矢量控制 ( f o c ) 与直接转矩控制( d t c ) 。与矢量控制相比，直接转矩控制系统控制简 单，转矩响应快，是高性能交流传动领域电机控制方式的又一新型控制策略。直 接转矩控制摒弃了矢量控制中解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检 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链和转矩，并根据 所得结果与给定值之间的差值，实现磁链和转矩的直接控制。由于是通过三相电 压空间矢量来直接控制转矩，其动态响应非常快。直接转矩控制理论早已成功应 用于产品中，a b b 公司已经将其成功地运用于电力机车等新领域；基于直接转 矩控制的高性能变频器也已实现产业化，如a b b 公司的a c s 6 0 0 通用型交频器。 由于永磁同步电机定子电感较小，早期受电力电子开关器件所能达到的开关 频率和计算机实时控制技术的限制，采用直接转矩控制时电机容易发生过流故 障。现今随着电力电子器件和计算机实时控制技术的进步，这些限制已不复存在， 因而采用直接转矩控制的永磁同步电机驱动系统应用越来越广泛。 随着直接转矩控制应用领域的广泛扩展，驱动系统的安全性越来越受重视， 特别是在军事、舰船等重要应用场合的要求更高。永磁同步电机直接转矩控制系 l 浙江大学硕士学位论文 统通常采用交一直一交间接变频方式，相对电机本体故障而言，由电力电子器件 脆弱性引发的逆变器故障更为频繁。由于直接转矩控制基于空间矢量理论，将电 机与逆变器作为一个整体来考虑和实施控制，当逆变器发生故障时整个驱动系统 将立即失去运行能力，这在连续运行能力要求高的应用场合将造成灾难性后果。 因此，对逆变器故障时系统的容错运行策略进行深入研究具有重要的理论意义和 实用价值，以此为选题展开研究很有必要。 已有学者对异步电机的容错运行进行了深入研究【2 】【3 】1 4 】【5 1 。就永磁同步电机直 接转矩控制系统而言，目前的容错运行策略研究主要集中在逆变器故障在线诊断 方面，对于容错运行具体实施的研究报道还不多见。为了让逆变器供电的电机驱 动系统能在逆变器故障后具有不间断运行能力，需要对其拓扑结构进行必要改进 以便能实现重构及容错运行。目前实现容错运行主要思路有两种：一种是逆变器 开关器件冗余方式，这种方法是在普通逆变器中设置备用开关器件，当检测到某 相开关器件出现故障时立即将故障器件切除，随即将备用开关器件投入，保持原 主电路拓扑形式不变以保障驱动系统的持续运行。另一种是在隔离故障开关器件 后，利用剩余的完好开关器件构成替代拓朴结构，在减容状态下保持持续运行。 按照故障后驱动系统的主电路替代拓扑形式又可以分为三相四开关和两相四开 关两种容错运行形式。和两相四开关相比，三相四开关运行方式对逆变器而言负 载仍然对称，开关器件的容量要求也不变【5 1 。基于三相四开关容错逆变器供电的 这些优点，本文选择三相四开关逆变器供电的永磁同步电机直接转矩驱动系统作 为容错运行的研究对象。 1 2p m s m 变频调速系统的控制策略 永磁同步电机早期的控制方式是直接在电枢中加上三相交流电压，产生一个 以同步速旋转的圆形磁场。这样会出现起动时的失步问题，一般要通过异步启动 的办法来解决。实施频率开环控制，运行中也有定子旋转磁场与转子永磁磁场的 失步问题，严重影响了运行性能。随着高性能调速理论的建立、现代电力电子技 术和微电子技术的飞速发展，现代交流调速技术取得了突破性进步，永磁同步电 机的控制理论日臻完善，展现出了如下几种控制策略。 2 第一章绪论 1 2 1 恒压频比控制 这是一种频率、电压协调控制策略，目的是使变频运行下的电机保持按工频 设计的优良特性。该控制要求基频以下时保持定子端电压矾和定子供电频率石 之比始终不变以维持气隙磁通恒定，称之为恒压频比控制。 ，l nl 图1 1 恒压频比控制特性图 具体控制中因频率较高时电压也较高，定子电阻压降所占比例不大，此时可 以忽略定子电阻压降，因而可简单令压频比为常数，从图1 1 中可以看到特性曲 线在基频以下的频率较高段呈线性关系。但是在低频时定子电阻压降的影响不能 忽略，所以在低频时应提高电压以补偿定子电阻压降。当频率超过基频时，电压 阢只能维持在额定电压矾n ，因此迫使磁通与频率成反比地降低，从而实现弱磁 控制。当然，由于永磁体的存在，永磁电机的弱磁将只是一种等效的弱磁，这是 永磁同步电动机控制中值得特别研究的课题。 恒压频比方法控制简单，实现价格低廉，因而应用也比较广泛。但此方法仅 是在基频以下实现恒转矩控制，在基频以上只能实现恒功率控制。由于是频率开 环，受失步问题限制，其动态控制性能较差，所以主要用于空气压缩机、大功率 离心式风机、水泵、水泥轮转窑等对动态调速性能无要求的场合。 1 2 2 矢量控制 矢量控制即磁场定向控制( f o c ) ，最早于1 9 6 8 年由d 锄s t e r 大学的h 弱s e 博士在论文中提出，后由西门子公司的b l a s c h k e 于1 9 7 1 年将其系统化，并将其 以专利的形式发表。到1 9 7 9 年，日本将该技术用于异步电机驱动造纸机，在1 9 8 0 年，日本又将该技术首次引入永磁同步电机驱动轧钢机。目前该控制方式在电机 驱动系统的高性能控制策略中应用最为广泛。 3 浙江大学硕士学位论文 矢量控制的基本思想是在控制中将磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向 来研究电机的电气方程和动力学方程，通过旋转坐标变换将定子电流矢量分解为 励磁电流分量和转矩电流分量两部分分别加以控制，从而将强耦合的交流电机等 效为直流电机，实现解耦控制，以期望得到与直流电机相媲美的控制性能。常选 以定位的磁场矢量有定子磁场矢量、气隙磁场矢量和转子磁场矢量，而以转子磁 场矢量定向的应用最多。永磁同步电机的转子磁链由永磁体产生，因此永磁同步 电机矢量控制的本质也就是控制定子电流矢量的幅值和方向。永磁同步电机定子 电流控制模式中直轴电流忙o 控制应用最为广泛。此种控制模式下保持直轴电 流为零，控制交轴电流，口的大小以调节转矩，在理论上和实现上都较为简单。 由于矢量控制需要执行复杂的旋转坐标变换和矢量运算，因此需要高速的数 字信号处理器，这导致在该理论被提出的最初几年里无法实现，但在微电子技术、 微机数字控制技术、特别是高速数字计算芯片日新月异的今天这已不再是问题。 1 2 3 直接转矩控制 直接转矩控制( d n c tt 0 r q u ec o n t r o l ，d t c ) 于1 9 8 5 年由德国鲁尔大学 d e p e n b r o c k ，1 9 8 6 年日本i s a ot a k a l l a s h i 针对异步电机分别提出【6 】川。其基本的 思想是通过控制磁链来直接控制电机的电磁转矩，与矢量控制通过控制电流来控 制转矩的思想有所不同，也造成了在静、动态特性表现上各有千秋的局面。直接 转矩控制的思想是在定子坐标系下观测电机定子磁链和电磁转矩，并将磁链和转 矩的误差值( 观测值与给定值之差) 送给两值滞环比较器调节后得到控制信号， 结合当前定子磁链位置，从事先定义好的开关表选择适当的电压空间矢量以迅速 改变定子磁链的幅值和相角，从而实现直接控制转矩的目的。 对于永磁同步电机来说，由于它的转子磁链由永磁体产生，其幅值保持不变， 所以若保持定子磁链幅值恒定，则电磁转矩只与定、转子两磁链间的夹角6 ( 称 之为转矩角) 成正比。d t c 就是通过控制定子磁链幅值恒定，改变定子磁链旋 转速度和方向来瞬时调整转矩角6 ，从而实现转矩的动态控制。 与经典的矢量控制相比，d t c 摒弃了矢量控制所必需的旋转坐标变换，在 静止坐标系中对电机的转矩和磁链进行直接控制，省去了复杂的旋转坐标变换和 电机模型计算，可以实现精确而快速的控制。d t c 采用定子磁链定向，只需定 子电阻即可观测电机的定子磁链，非常方便与检测和补偿；又因采用电压空间矢 4 第一章绪论 量的概念来控制定子磁链，避免了电流的调节和引入电流环，故其控制十分简洁。 目前在一部分要求转矩快速响应的应用领域，已出现了从应用矢量控制转向 应用直接转矩控制的趋势，电机的高性能控制策略已显示出直接转矩控制和矢量 控制共治的局面。近年来，永磁同步电机直接转矩控制已成为研究热点受到广泛 的关注【8 】【9 】，在工业控制领域、交通、航天以及军事等领域有广阔的应用前景【1 0 1 。 1 3 直接转矩控制技术现状 近十多年来，直接转矩控制技术已在永磁同步电机中获得了应用。目前 p m s md t c 的研究多集中在以下几方面： ( 1 ) 定子磁链观测器研究。d t c 对转矩的直接控制建立在定子磁场定向的基 础上，因而定子磁链观测技术是d t c 控制中的关键技术。而磁链不是可直接测 量物理量，需通过观测得到，故对定子磁链幅值和相位观测的准确性直接决定了 转矩观测的准确性。无论哪种观测方法，一般都需要定子电阻参数，而定子电阻 是一个随着时间、温度和频率而变化的量，不易获得精确值。定子电阻的变化、 定子电压矢量估算的误差、实际系统的离散化误差、电压和电流的采样误差等因 素的存在，大大增加了定子磁链的观测难度。尤其是当低压低频时，定子磁链的 观测不准确问题尤其突出。鉴于定子磁链观测在d t c 控制中的重要性，因而成 为研究中的热点。 ( 2 ) 转矩、磁链脉动抑制 d t c 的一个主要缺点就是转矩和磁链脉动较大。这是因为常规d t c 系统是 通过滞环控制器进行两值控制的，只考虑了误差的符号，并未考虑误差的大小， 对于很大的误差和很小的误差都选用同样的矢量作用于整个p w m 周期，这一方 面意味着调节作用不够精细，因而磁链幅值和转矩存在着较大脉动；另一方面导 致在d t c 系统中逆变器功率开关器件的实际开关频率不够高，也是引起转矩和 磁链脉动的一大原因。 对于这一问题，目前多采用以下几种方案解决：( 1 ) 在传统d t c 的开关表 中增加零电压矢量，对空间电压矢量细分，但其效果有限。( 2 ) 采用多电平功率 变换器，这样可以增加电压矢量数目，从而提高控制精度使磁链、转矩平滑。但 这种方法增加了系统成本，也使控制更复杂。( 3 ) 基于智能控制如模糊控制理论 的d t c 控制，其缺点是在线模糊推理需要复杂的计算，难以实时控制。( 4 ) 引 5 浙江大学硕士学位论文 入空间矢量调制( s v p w m ) 【3 】【1 1 1 。 空间矢量调制引入了预测思想，根据转矩误差的具体大小( 而不仅仅是符号) 并结合当前定子磁链矢量，预测下一数字控制周期中磁链矢量的位置，计算出能 同时消除转矩误差和定子磁链矢量幅值误差的目标电压空间矢量，然后利用矢量 合成思想合成该矢量以实现对定子磁链和转矩的精细控制。 ( 3 ) p m s md t c 系统的运行可靠性。驱动系统的故障类型包括电机本体故 障、逆变器故障和控制系统故障，逆变器故障和控制系统故障总称变流器故障。 由于电力电子器件是系统中最脆弱的部分，逆变器故障最为频繁。在一些重要的 应用场合( 如电力机车驱动、舰船驱动、军事装备驱动等) 尤其注重驱动系统的 可靠性，因为一旦发生故障，无论何种类型都将造成严重的、甚至灾难性的后果， 必须要有相应的应对措施，这就涉及运行可靠性研究。 运行可靠性的研究主要包括两个方面。一是故障的在线诊断。由于逆变器故 障在各类故障中的常见性，在线诊断的研究多集中于逆变器故障诊断。逆变器发 生故障后，电机运行状态会出现异常，通过实时监测电机运行状态参数，可以及 时诊断出逆变器故障的类型和故障位置并发出告警信号。二是故障处置策略。对 于驱动系统而言一般不希望出现故障后立即停机，而是能继续维持运行状态，至 少是暂时维持运行，以便为采取处理措施赢得时间，这就涉及到容错运行问题。 1 4p m s m 变频调速系统逆变器故障 由于构成逆变器的电力电子器件是整个驱动系统中最为脆弱的部分，逆变器 故障发生的可能性最大，所以对逆变器故障进行深入研究有特别的意义。 1 4 1 逆变器常见故障 逆变器常见故障共有如图1 2 所示几种： ( a ) 一相桥臂一开关器件开路。 ( b ) 一相桥臂两开关器件开路。 ( c ) 一相桥臂一开关器件短路。 ( d ) 一相桥臂两开关器件短路。这是最严重的故障，将会造成直流母线短路。 一相桥臂两开关器件短路故障下，功率主电路中的快速融断器等元件将会烧断以 保护主电路，使系统停机，不是容错运行考虑的情形，故不作分析。 6 第一章绪论 ( a ) 1 4 2 逆变器故障诊断 ( b )( c ) 图1 2 逆交器常见故障 当逆变器出现任何一种故障时，电机的运行都会出现异常。通过实时监测电 机运行参数( 包括但不限于电压、电流、磁链等物理量) ，发现异常后，根据异 常的具体表现可以推断出故障位置和故障类型，这就是逆变器故障诊断技术。这 部分内容已有学者作了深入研究【1 2 】【1 3 】f 1 4 】【1 5 1 。本文将集中研究容错运行状态下驱 动系统的运行性能，因此对这部分内容仅作简单的回顾，不作深究。 逆变器故障常用的诊断方法有如下几种： ( 1 ) 专家系统法1 2 1 【13 1 。将可能出现的故障及对应的现象归纳出规则建立知识 库，发生故障时观测故障现象，查询知识库可判断出故障类型。这种诊断方法快 速准确，且对各种控制策略均适用，但完备的知识库较难建立。 ( 2 ) 平均电流肋后矢量法【1 4 】f 1 卯。通过对电机的定子电流的p 口，后矢量进行监 测来诊断逆变器故障。正常情况下定子电流r 砒矢量为零。发生故障时相电流 会出现直流分量，三相出现不对称，此时对应尸( 础矢量不为零，有一定的幅值 和相位，根据其幅值和相位的不同可判断出故障类型及故障所在相。这种方法迅 速可靠，但要求系统有一定的计算能力。 ( 3 ) 电压检测法【1 5 】。通过考察逆变器输出的线电压与正常时的偏差来诊断故 障。电流模式的故障诊断至少需要一个基波周期，而电压模式只需要四分之一基 波周期，大大缩短了诊断时间。 7 浙江大学硕士学位论文 1 4 3 容错方案 为了使电机驱动系统在逆变器发生故障后仍能持续运行，需要对原功率主电 路进行改进，使之符合容错运行的要求，主要是改进逆变器的拓扑结构，此即容 错型逆变器的研制。改进的思路有两种： 一种是为系统提供备用开关器件【1 6 l 。正常运行时备用开关器件不工作，当逆 变器某相有开关器件出现故障时将故障开关器件切除，然后将备用开关器件投入 运行。这种方法的最大优势是电机可以保持原有电气性能运行，最大的不足是需 要冗余开关器件，在无故障时处于闲置状态，降低了系统的硬件利用率。 另一种是将逆变器主电路重构后在容错状态下运行。即在故障发生后首先将 发生故障的开关器件从系统中切除，然后利用剩余的开关器件实现减容下的不间 断运行。这种方案下部分性能指标会有所下降，但由于其可以显著节约硬件成本， 并且可以作为前一种方案在进一步故障下的备用措施，故研究容错状态下的运行 具有实际意义。 需要指出的是，两种思路并不是互斥的关系。在完备的容错策略中，应该两 种方法并用，采取容错状态运行策略可以作为硬件容错方法的有效补充，以进一 步增强系统的持续运行能力。 异步电机的容错运行已有国内外学者进行了深入研究。文献【2 】【3 【4 】【5 】针对 异步电机驱动系统讨论了逆变器故障后的系统重构。常见的容错重构方案有两 种，一种是在切除故障相开关器件的同时也将故障相的电机绕组一并切除，实现 两相四开关方式运行3 1 ；另外一种是在切除故障相开关器件时将电机的相应相绕 组改接到直流母线上两串联电容的中点，使该相通过两电容进行供电，以实现三 相四开关运行【4 】。文献【5 】对两者进行了比较，表明三相四开关逆变器供电方案对 元器件的容量要求低而且运行性能要优于两相四开关方案。为此，本文选择三相 四开关逆变器供电方案作为永磁同步电机直接转矩控制系统的容错运行方案。 1 4 4 三相四开关逆变器供电 电压源型逆变器是交流电机驱动系统最常用的变频供电电源，图1 3 ( a ) 是其 示意图。由图可以看出，逆变器的3 个桥臂对应三相输出，3 个桥臂一共有6 个 开关器件，故称之为三相六开关逆变器。这6 个开关器件的状态组合决定了三相 8 第一章绪论 的输出电压。可以看出，6 个开关器件一共有2 3 = 8 种开关状态组合，即一共可 以输出8 个电压空间矢量。 ( a ) 三相六开关逆变器 ( b ) 三相四开关逆变器似相故障) 图1 3 电压源型逆变器拓扑结构图 图1 3 ( b ) 表示，当逆变器某相的开关器件出现故障后，可将该相桥臂从主电 路中切除，然后将故障相对应的电机相绕组改接到直流母线两串联电容的中点以 实现容错运行。在这种运行状态下，电机的三相绕组仍然都接入主电路，其中与 逆变器故障相对应的电机相绕组是由两直流母线电容来供电的，其余两相由逆变 器的两个桥臂上的4 个完好开关器件供电。这种逆变器因而被称为三相四开关逆 交器，本文主要研究由这种容错型逆变器供电的p m s md t c 系统的运行性能。 1 5 本文主要研究内容及技术难点 1 5 1 研究内容 本文研究三相四开关逆变器供电的p m s md t c 系统运行控制及性能优化， 主要目标是在基本保持d t c 快速动态响应的同时，抑制三相四开关逆变器供电 条件下的p m s md t c 系统的转矩脉动，实现静、动特性的优化。众所周知，当 前两种最主要的电机控制策略中，直接转矩控制的优点是动态响应快，主要不足 是转矩脉动大。相比于正常三相六开关逆变器，三相四开关逆变器所能提供的电 压矢量只有4 个，可用矢量更少，且全为有效矢量没有零矢量。两个不利因素叠 加的结果必然导致控制性能恶化，这将造成严重的问题1 1 7 】。 研究目标是在三相四开关容错逆交器供电的条件下，进行p m s md t c 的实 验研究，优化控制策略，使d t c 固有的快速动态响应特性得到保持，同时大幅 抑制转矩脉动。 9 浙江大学硕士学位论文 1 5 2 技术难点 三相四开关逆变器供电的p m s md t c 系统的运行性能优化的主要技术难点 涉及以下几方面： ( 1 ) 转矩的动静态特性矛盾的解决。相比三相六开关逆变器供电的直接转矩 控制系统，由于三相四开关逆变器所能提供的电压矢量的特殊性和直接转矩控制 固有的转矩脉动大的特点，两个因素的叠加使得性能更加恶化。如何采用有效的 控制策略，在保持直接转矩控制良好动态特性的同时使剧烈的转矩脉动得到有效 抑制，是一个技术难点。 ( 2 ) 直流母线电压中点偏移。在三相四开关容错方案中，当检测到逆变器故 障后，故障相将被切除，相应的电机相绕组将改接到直流母线两串联电容的中点， 形成一个准三电平的容错逆变器供电电路拓朴。由于直流母线电压的中点电压是 通过两个串联电容分压而得到，串联着的两个电容充、放电情况是相反的，运行 过程中若一段时间内其中一个电容持续充电或放电，则两电容的电压将会出现不 平衡，此时直流母线的电压中点会发生大幅偏移。事实上运行过程中总是伴随着 短暂的充电或放电过程，电压中点的偏移总是存在的。此时逆变器发出的电压矢 量会变形，若在控制中没有考虑中点电位的偏移或不对中点电压的偏移程度进行 控制，则会影响控制效果甚至导致运行失败。除此之外，变形的电压矢量会影响 磁链观测的准确性。磁链观测是控制中的关键环节，一旦观测误差积累到一定程 度也可能造成控制失败。 ( 3 ) 通用空间矢量调制算法在三相四开关下因极端复杂而不实用。空间矢量 调制( s v p w m ) 的基本思想是利用两个相邻的电压矢量去合成所需矢量，由于合 成矢量的幅值和相角可以得到精细控制从而更精确地调节定子磁链幅值和转矩， 故空间矢量调制已成为高性能控制中应用最广泛的技术。在传统空间矢量调制 中，一般要先判断目标电压矢量所在扇区以确定选用哪两个相邻基本矢量去合成 该矢量，然后计算出两基本矢量作用的时间。这在三相六开关逆交器供电时没有 问题，因为三相六开关逆变器发出的6 个有效矢量幅值恒为2 3 甜d 。( 空间矢量变 换采用恒幅值变换) ，两相邻矢量间的夹角均为6 0 度，都不变化；但在三相四开 关运行中，由于直流母线上两串联电容分压存在不平衡，产生的电压矢量会发生 畸变，其幅值和两相邻矢量间的夹角都会随着直流母线电容电压不平衡程度的不 1 0 第一章绪论 同而变化，这就会涉及复杂的三角函数运算，给计算带来巨大困难。即使采用查 表法求三角函数，其计算过程也极其复杂，需占用大量计算资源。若不考虑直流 母线电容电压不平衡，则会严重影响控制效果甚至导致控制失败，因此必须寻找 有效的算法予以解决。 1 6 可采用的解决方案 对于传统d t c 中转矩、磁链幅值脉动大的问题，可先从分析其脉动原因入 手来探索解决途径。传统d t c 采用两个滞环调节器对转矩和磁链幅值直接进行 控制，因而响应快速，对系统参数摄动和外干扰鲁棒性强，但由此带来磁链幅值 和转矩的较大脉动、逆变器开关频率不恒定、低频低速控制性能差以及因转矩脉 动引起的高频噪声等问题。传统d t c 中的两值滞环调节器只考虑了磁链幅值误 差和转矩误差的符号而不考虑其大小，而且在每个p w m 周期只施加一个电压矢 量，这样会造成很小的误差和很大的误差都会采用同一电压空间矢量作用在整个 周期上去调节，导致一个数字控制周期中所选用的有效电压矢量无法与期望的电 压矢量一致，不能有效控制系统的转矩脉动。这是造成传统d t c 中磁链幅值和 转矩脉动较大的主要原因。在三相四开关d t c 系统中兼因可用矢量少，且无零 矢量，性能将更加恶化。因而改善性能的思路是，不仅对转矩和磁链幅值的变化 趋势进行控制，还对其变化幅度进行控制。对于转矩脉动大的问题，可以采用空 间矢量调制( s v p w m ) 技术，还可采用滑模变结构控制( s l i d i n gm o d ec o m r 0 1 ) 【1 8 】进行抑制。滑模变结构控制中也含有s v p w m 环节，故s v p w m 技术是实现 三相四开关逆变器供电条件下p m s md t c 系统性能优化的关键。 对于直流母线电容电压不平街的问题，应在硬件上设置钳位电路，并结合软 件控制来稳定中点电位。其原理是对直流母线电容电压进行采样，当检测到偏移 超过一定程度之时就对电压不足的电容进行充电，使电位中点往平衡位置移动。 对于原空间矢量调制算法不适用于直流母线电容电压不平衡时三相四开关 逆变器输出的空间矢量的问题，可通过开发适用于不平衡情况、仅消耗有限d s p 主频资源的电压空间矢量新调制算法来解决。 1 6 1 空间矢量调制 传统d t c 的一个p w m 周期内只施加一个基本电压矢量( 含零矢量) ，而 l l 浙江大学硕士学位论文 空间矢量调制( s v p w m ) 则是利用矢量合成的思想，根据转矩误差和磁链幅值 误差的大小( 而不仅仅是两个误差的符号) 计算出目标电压空间矢量，尔后利用 两个基本有效矢量辅之以零矢量的作用去合成该目标矢量，从而有可能实现对转 矩和磁链的精细控制，实现较好的动、静态性能。 在常规六开关逆变器供电的传统d t c 系统中，已有文献研究了采用空间矢 量调制方法来合成所需目标电压矢量，进而实现平滑的转矩调节【引。这种控制策 略中的目标电压空间矢量是通过预测下一p w m 周期中定子磁链矢量的位置从 而推算出来的。由于引入了预测思想，辅之以空间电压矢量调制技术，磁链幅值 和转矩的脉动显著减小了。受此启发，可在三相四开关逆变器供电的新条件下采 用此控制策略来实现大幅抑制磁链幅值和转矩脉动的目标。由于四开关系统中只 有四个电压空间矢量可供选择，且无零矢量可用于调制过程中的时间补偿，因此 四开关逆变器供电条件下s v p w m 的实现方法上有别于传统六开关逆变器供电 系统，需重新设计。 1 6 2 滑模变结构控制 滑模变结构控制( s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t i 眦tc o