（电气工程专业论文）具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究.pdf

硕士学位论文 a bs t r a c t t h ep h o t o v o l t a i cp u m ps y s t e mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fs o l a re n e r g y a p p l i c a t i o n f u t h e r m o r e ，w i t 】1i t st r e m e n d o u ss o c i a la n d e c o n o m i ca d v a n t a g e s ，t h e p h o t o v o l t a i cp u m ps y s t e m h a sb e e ng e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n o w d a y s ， c o n v e r t e r su s e di nt h ep h o t o v o i t a i cp u m ps y s t e mg i v ep r i o r i t yt os p e c i a la n dl o w e r p o w e ro n e sw i t hs i n g l e 向n c t i o n ，l o w e rm a r k e ts h a r ea n dh i g hc o s t ，w h i c hm a y a f r e c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ep h o t o v o l t a i cp u m ps y s t e m i n t h i sp a p e r ，an e w 凡n c t i o n i n v e r t e ri sd e v e l o p e d ，a n di tc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h o t o v o l t a i cp u m p s y s t e mw i t ht h et e c h n 0 1 0 9 y so ft h ei n v e 九e r sb a s e do ns p a c e v e c t o rp w m ( s v p w m ) a n dv e c t o r _ c o n t r o l le di n d u c t i o nm o t o r s v p w mt e c h n i q u eh a sm a n yg o o dq u a l i t i e s ，s u c ha sl e s sp u l s ea t i n gt o r q u e ， h i g h e ru s ef a t i oo fd cb u sv o l t a g e ，l e s ss w i t c h i n gl o s s ，b e t t e rh i g h s p e e dr e g u l a t i o n p e r f o r m a n c e ， s oi t i s a p p l i c a b l e f o rt h eh i g h - p e r f o r m a n c em o t o rc o n t r o ls y s t e m s t a n i n g f r o mo p t i m i z i n gt h em o d u l a t i o np e r f o r m a n c e ， t h r e ek i n d so fo p t i m a l s w i t c h i n gp a t t e r no fs p a c e - v e c t o rm o d u l a t i o nw e r ee s t a b l i s h e d t h ev e c t o rc o n t r o l s t r a t e g yo ft h es p a c e v e c t o rp w mv o l t a g es o u r c ei n v e r t e 卜f e di n d u c t i o nm o t o rw a s s t u d i e dl a t e r ar o t o r - o r i e n t e dc o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nm a c h i n ew a sa d v a n c e d ， w h o s ea r i t h m e t i cw a ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tt oo p e r a t ee c o n o m i c a l l y a dt h e n ， a c c o r d i n gt o t h et h e o r yo fp h o t o v o l t a i cp u m ps y s t e ma n dt h et r a c k i n gt h e o r i e s ， a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc v t ( c o n s t a n tv o l t a g et a c k i n g ) a n dt m p p t ( t r u e m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g )u s e d i nm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n go f p h o t o v o l t a i cc e l l sw e r ea n a l y z e d t h e s em e t h o d sw e r er e a l i z e d i nv e c t o r - c o n t r o l l e d i n d u c t i o nm o t o r a tl a s t c o m b i n e dw i t ht h et r a i t so fv e c t o r - c o n t r o l l e di n d u c t i o nm o t o r a n dp h o t o v 0 1 t a i cp u m ps y s t e m ，t h ec o n t r 0 1d i a g r a mo fs y s t e mw a sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o nw i t hb o t hl o a da n du n l o a dp r o v e dt h es c h e m ep r o p o s e di nt h i s p a p e rc o u l dm o d u i a t et h ec v tv o l t a g eq u i c k l ya n dm a k e i tw o r ks t a b l y i ts h o w e dt h e s c h e m ew a so ft h eg o o dc h a r a c t e r sb o t hi n1 0 a da b i l i t ya n dd y n a m i co p e r a t i o n k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cp u m p ； s v p w m ；i n d u c t i o nm o t o r ；m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g ；v b c t o rc o n t r o l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 储签稚，畸 日期猢年f 删日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口o ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名倦， 刷币签名彰 日期潲年f 月卅日 日期加譬年r 月刀日 硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 随着世界经济的高速发展，社会对能源的消耗越来越大。为解决能源紧张问 题，我们一方面需要节能，另一方面还必须开发利用新能源。 在新能源开发利用方面，主要集中在太阳能和风能的开发利用，特别是在太 阳能开发利用方面，各国政府纷纷采取措施，将大量的研发资金转向光伏产品的 开发和商品化，大力开发相应的太阳能产品，刺激太阳能工业的发展，积极鼓本 国人民利用这种能源。在太阳能光伏应用领域中，光伏水泵经过几十年的发展， 己经成为一个重要分支，光伏水泵系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电 能，通过光伏水泵控制器驱动电机和水泵负载，完成抽水功能。根据国际业内人 士估计，全世界太阳能电池产量中约有7 被用于光伏水泵系统【i 】。由此可见，光 伏水泵系统有着巨大的市场前景。到目前为止，光伏水泵系统中用到的变换器仍 以专用、小功率为主。这些专用、小功率变换器功能单一、市场占有率低、成本 较高，这影响了光伏水泵系统的发展。 在节能方面，我国电动机总装机容量约5 8 亿千瓦，占全国总耗电量的6 0 7 0 。其中，交流电动机占9 0 左右，这些电机中的大部分缺乏经济可靠的调速手段， 每天都在浪费着大量的能源，“十一五”规划把电机调速节电作为节能的一个重要 方面【2 1 。在诸多的电机调速装置中，以交流变频调速装置为最佳，它体积小、重量 轻、精度高、效率高、转矩大、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、适 应性强、功率因数大、操作简单。其中，变频器因功能丰富、通用性强、节能效 果显著和调速性能好被广泛应用于空调、电梯、冶金、机械等行业，占据了中、 小功率变频调速绝大部分市场。 变频器虽然市场很大，成本较低，但不能直接应用于光伏水泵系统。随着各 种轴承技术的突破进展，使得现代化工业生产中高速电机和超高速电机被广泛运 用于诸如高速机床、涡轮分子泵、离心机、压缩机、飞轮贮能以及小型发电设备 等工业领域，此时研究一些调速性能好的变频调速系统，并最终应用到高速和超 高速电机的传动控制中就显得尤其重要。因此，研究通用变频器结构、原理、功 能以及光伏阵列最大功率点跟踪控制方法，结合感应电机转子磁场定向矢量控制 系统的特点，探讨一种具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统，不仅有利于 拓宽通用变频器的应用领域，而且有利于促进光伏水泵系统向高功率方向发展， 具有重要的理论和工程实际意义。 具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究 1 2变频调速技术的发展现状 随着交流调速技术、电力电子技术和微机控制技术的发展，日前，变频调速 技术主要将沿着三个方向发展和应用：( 1 ) 一般性能的节能调速和工艺调速；( 2 ) 高 性能交流变频调速系统；( 3 ) 特大容量、极高转速的交流变频调速。 1 2 1电力电子变换器的发展现状 自2 0 世纪5 0 年代末晶闸管的问世以来，电力电子器件至今己经经历了三个平 台：( 1 ) 晶闸管( s c r ) ，( 2 ) g t r 和g t o ，( 3 ) m o s f e t 和i g b t 。而且，电力电子器件 正在向大功率化、高频化、模块化、集成化、智能化等方向发展。目前，用于变 频传动的电力电子变换器从结构上可分为两种：即交交变频器和交直交变频器。 交交变频器是将电网的交流电直接变换成电压、频率均可控制的交流电的变频器。 其突出的优点是变换中间环节少，变换效率高，缺点是输出频率最高一般只能达 到电网频率的1 2 或l 3 ，因此调速范围受到限制，应用也局限于一些低速的大功率 传动场合；交直交变频器是把工频电源先经过整流变为直流电源，再通过逆变器 把直流变为频率、幅值均可调的交流电的变频器。和交交变频相比，它多了一个 能量贮存环节。能量转换效率有所降低，但由于调速范围广，控制性能好，因此 获得了更为广泛的应用。根据中间直流电源性质的不同，交直交变频器又可分为 电流型和电压型两种。 电流型交直交变频器采用大电感作为直流环节的储能元件，其输出的电流波 形为方波或阶梯波。电流型变频器的优点是通过直流环节电压反向，可以很方便 地把电机处于再生发电状态时的能量反馈给电网，使电机很方便地实现四象限工 作而不需要其它附加环节。但是它的缺点是电压谐波比较大，会引起电机转矩有 脉动，影响控制精度，而且由于直流环节大电感的存在，电流变化速度受到限制， 影响了系统的动态响应速度。另外，电流型变频器需要具有对称电压阻断能力的 器件，因此，当使用i g b t 或逆导型g t o 时需要串联上一个二极管。目前电流型交 直交变频器一般只用于要求频繁加减速的大容量电机传动，而且在最近几年的发 展中，电流控制的电压源变频器在工业应用中己逐渐替代了电流型交直交变频器。 电压型交直交变频器采用大电容作为直流环节的储能元件，其输出端电压波 形为方波或阶梯波。根据输出端电压和频率控制实现方式的不同，电压型变频器 又可分为电压型p a m 变频器和电压型p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 变频器。电压 型p a m 变频器的变频和变压由两个独立环节构成，逆变器只负责频率控制，整流 环节则通过控制中间直流环节的电压幅值来实现对变频器交流输出电压的控制。 这种变频器的缺点是输出电压波形一般为方波，谐波含量大，同时电压控制一般 采用晶闸管相控整流，不仅使整个控制电路变得复杂，系统的可靠性相应降低， 而且导致低压输出时整流侧的功率因数低下而影响系统总的功率因数。此外，输 2 硕士学位论文 出的电压和频率需要分别控制，特别是可控整流响应时间的存在，影响了系统的 动态响应速度。p a m 型变频器是高性能电力电子开关器件成熟以前采用的变频实 现方案。除了一些要求高压大容量的特定场合，现在己经很少使用。 而采用p w m 技术，使能够同时完成变频变压的电压型p w m 变频器具有以下突 出优点【3 】： 1 由于变频变压都由逆变器来完成，因此p w m 变频器整流环节一般采用二极 管不控全波整流，这样就克服了p a m 变频器网侧功率因数低的缺点，同时变 频器整体结构也变得更为简洁，可靠性更高。 2 由于采用了p w m 高频开关控制转矩脉动相应减少，性能得到了提高。 3 由于不存在电压反向，电压源变频器输出电压电流谐波含量大幅减少p w m 变频器不需要用反向阻断器件，非常适合使用于m o s f e t 和i g b t 这些最新的 电力电子器件。 4 采用p w m 技术的变频器具有很高的器件开关频率，因此输出电流响应速度 大大提高，为矢量控制等高性能控制方式提供了必要的条件。 由于上述显著的优点，电压型p w m 变频器已经获得了非常广泛的应用，所以 本文设计的变频器也将采用电压型p w m 交直交变频器。 目前，采用高速功率器件的电压型p w m 变频器的主导控制技术有【4 】： 1 基于正弦波与三角波脉宽调制的s p w m 控制； 2 基于消除指定次数谐波的s h e p w m 控制： 3 基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制； 4 电压空间矢量控制，或称磁链轨迹跟踪控制。 以上四类p w m 变换器中。前两类是以输出电压接近正弦波为控制目标，第三 类以输出正弦波电流为控制目标，第四类则以被控电机的旋转磁场接近圆形为控 制目标，其中，电流滞环法的优点是控制简单、电流响应快、鲁棒性强；而其缺 点是开关频率不固定，电流纹波大，低调整比时造成开关频率高，对功率器件不 利，而且三相滞环需要相互独立控制，这在三相交流电机控制中显然增加了控制 复杂度【3 】。此外，在直流电压不够高、反电动势太大( 高速调速中) 或电流太小时， 电流控制效果不理想。 三相s p w m 控制方案由于其原理简单，通用性强，控制和调节性能好，在目 前国内外的电机控制中是应用最广的一种；但它仍然存在直流电压利用率低、谐 波含量大，转矩脉动较大等缺点。 消除指定次数谐波的s h e p w m 控制是通过脉冲平均法把逆变器输出的方波电 压转换成等效的正弦波以消除某些特定谐波，这样就可以实现某些特定的优化目 标，如谐波最小，效率最优等；但是其中求解最优开关角的方程为非线性的，且 为超越函数，因此必须采用计算机编写最优的搜索程序，另外，要提高直流电压 3 具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究 的利用率，还必须采取相应的优化措施，这又增加了系统的开发复杂度【5 】。 电压空间矢量控制，已超越了常规s p w m 的思路，从电动机角度出发，直接 以电动机磁链圆形轨迹控制为目的，不仅在控制上与s p w m 的效果相同，而且更 直观，物理意义更明晰。s v p w m 算法将逆变器三相视为一个整体来进行控制，而 且是直接控制功率器件的开关状态，算法简单，适合数字化方案，更重要的是无 论从直流电压利用率，还是从电动机谐波损耗上看，s v p w m 法都优于s p w m 法， 而且通过对零矢量分配关系和作用时间的不同安排，可以得到不同的调制方法， 它们在谐波与开关频率等方面会产生很大的差别。因此，在优化调制波上有很大 的选择余地，这一点对提高开关频率以及改善电机运行特性上会有很大的好处， 而当前国内外在这个方面的研究还很有限，缺乏完整性和系统性。所以，本文将 对s v p w m 的优化调制波理论及其实际运用进行深入的探讨。 自从上世纪7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了 交流调速系统在静、动态性能上无法与直流传动相比拟的问题。由于矢量控制对 转速和转矩有良好的控制特性，速度调节精度好，因而成为交流调速领域中的高 性能技术而得以应用。传统的矢量控制技术多采用s p w m 的电压源逆变器，而如 果能将其中的逆变器部分采用电压空间矢量控制技术，通过对电压源逆变器的输 出状态即电压矢量的控制，可以得到逼近圆形的磁量轨迹，这样就可以大大减小 电机的转矩脉动和谐波电流。近年来，国内外学者对此表现了浓厚的兴趣。 当今世界高速和超高速电机已被广泛运用于诸如高速磨头、涡轮分子泵、离 心机、压缩机、飞轮贮能以及小型发电设备等工业领域。传统的方式是以高频发 电机组为高频电动机提供高频率电源。随着电力电子技术和微电子技术的发展， 高频逆变器无论是在高频化方面，还是在性能上都有了长足的进步。然而，目前 国内市场上输出在5 0 0 h z 以上的高性能、高频变频器基本上都是进口的。因此，在 国内研制性能好、成本低的高频变频器一定大有可为。 1 2 2 数字控制技术的发展现状 当今微电子技术的惊人发展，以微处理器为核心的数字控制已成为现代电气 传动控制的主要形式。相对于传统的模拟控制系统而言，数字控制系统的优点有： 1 精心设计的微机控制系统能显著地降低控制器硬件成本； 2 改善系统可靠性，经验表明，正确设计的微机控制系统的可靠性大大优于 电机控制系统中的其他原器件； 3 数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响： 4 可以设计统一的硬件电路，以适合不同的电机控制系统。软件设计具有很 大的灵活性，可以有不同的版本，还可以加快产品的更新换代； 5 可以完成复杂的功能，指令、反馈、校正、运算、判断、监控、报警、数 4 硕士学位论文 据处理、故障自诊断、状态估计、触发控制、p w m 脉冲产生、坐标变换等。 对于单台生产设备的电气传动，一般只要构成微处理器电力电子变换器电机 系统就可以了。如果控制和管理的任务比较复杂，可采用多微机系统，这时，在 各台微机之间必须建立数据通信通道。目前，电气传动控制中常用的微处理器有 单片机( s c p ) 、数字信号处理器( d s p ) ，精简指令集计算机( r i s c ) 和包含微处理器 的高级专用集成电路( a s i c ) 等，其中又以电机控制专用型d s p 最受交流调速学术 界和工程界的喜爱。 d s p 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时 快速地实现各种数字信号处理算法。与一般的c i s c 微处理器相比，d s p 器件具有 较高的集成度，专用的d s p 具有更快的c p u ，更大容量的存储器，内置波特率发生 器，和f i f o 缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供p w m 输出。d s p 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的 程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多 级流水线，使d s p 器件具有高速的数据运算能力1 6 l 。一般情况下，d s p 器件比1 6 位 单片机单指令执行时间要快8 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。d s p 器件还提 供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅立叶变换和滤波器的运算速度。 在众多的d s p 芯片中，最成功的应为美国德洲仪器公司的t m s 3 2 0 系列产品。 t i 公司自从l9 8 2 年推出第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 后，推出了t m s 3 2 0 c 1 1 x 到 t m s 3 2 0 c 8 x 多代d s p 芯片。t i 公司在几年前还提出了“d s p 解决方案”( d s p s ) 的理 念，并将公司的战略重心转向了d s p 。t i 的系列d s p 产品是世界上最有影响的d s p 芯片，t i 公司的d s p 市场份额占5 0 左右。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a 系列的d s p 芯片是t i 公司最近推出的c 2 0 0 0 系列d s p 中的一 个子系列，是t i 公司针对数字电机控制而设计的。它将高性能的d s p 内核和丰富的 微控制器外设功能集于单片i c 中。从而成为传统的多微处理器单元( m c u ) 和昂贵 的多片设计的理想替代产品。l f 2 4 0 6 a 执行速度可达4 0 m i p s ，几乎所有的指令都 可在2 5 n s 的单周期内完成，这使得l f 2 4 0 6 a 可实现更强大的控制功能，其具体内部 结构和功能将在系统结构设计一章中介绍。 总之，正是有了高性能的d s p ，才有可能突破传统微处理器计算速度慢、外围 电路设计复杂等缺点，将空间矢量p w m 技术融合于先进的电机矢量控制算法中 去，并为将来高速、超高速电机全数字化、高性能控制的实现，提供有利的保障。 1 3 本文研究的主要内容 以具有光伏水泵控制功能的高性能变频系统的关键技术研究为目标，采用t j 公司为电机控制而专门设计的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a 作为数字控制芯片，从电力电子变 换器入手，探讨了电压空间矢量p w m 逆变器的工作原理及其优化开关模式；综合 5 具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究 变频系统和光伏水泵系统的应用特点，确定了合理的控制结构。最后对具有光伏 水泵控制功能的s v p w m 电压源型感应电机转子磁场定向矢量控制系统进行了系 统建模、仿真。具体研究工作如下： 1 针对通用变频器的特点，从s v p w m 调制中减少开关次数入手，探讨 s v p w m 的优化调制方法，以减少开关损耗为目的，提出一种开关损耗小、适 用于高频化逆变器的优化开关模式。对传统s v p w m 算法实现复杂的缺点，改 进了s v p w m 的数字化算法。 2 在对感应电机矢量控制系统进行分析的基础上，探讨了几种常用的电压源 供电型感应电机转子磁场定向矢量控制方案的优缺点，提出了一种简易的 s v p w m 电压源供电型感应电机转子磁场定向矢量控制方案。 3 根据光伏水泵系统的应用特点，探讨了c v t 和t m p p t 这两种最大功率点跟 踪方法的原理和特点，并结合基于s v p w m 技术的感应电机矢量控制原理，探 讨了光伏水泵控制功能在感应电机转子磁场定向矢量控制系统中的实现方法。 4 针对具有光伏水泵控制功能的s v p w m 电压源型感应电机转子磁场定向矢 量控制系统的控制特点，以d s p 2 4 0 6 a 做为主控芯片，探讨了上述系统主电路 和控制电路的设计思路。 5 对具有光伏水泵控制功能的s v p w m 电压源型感应电机转子磁场定向矢量 控制方案进行了系统建模、仿真，仿真试验表明该方案有效可行。最后总结了 全文内容，并指出需要进一步研究的工作方向。 6 硕士学位论文 第2 章通用变频器理论及优化s v p w m 开关模式 变频器由电力电子器件、电子器件和微处理器等组成，接在电源和电机之间， 使异步电机实现无级调速。在变频器的应用中，通用变频器使用范围最为广泛， 已经占据了o 5 5 0 0 k w 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场【7 ，引。本章将就通 用变频器的结构和s v p w m 脉宽调制技术进行讨论。 2 1 通用变壕器结构 就通用变频器而言，目前国内外品牌约有1 2 0 多种，外观不同，结构各异，但 其基本的电路结构是相似的。硬件电路一般包括两部分：功率主电路和控制电路。 如图2 1 所示。 r s t 主电路 中间直流环 节 l e d 指示 键盘电路 罔 l 位卜 i 机i 控制电路 i o 通 信 接 口 保护电路i p 删 数据存储电路 d 采 样 电 流电压 交流电流 温度 挖【端子给定 拟反馈 图2 1 通用变频装置硬件结构图 2 1 1 主电路 变频器主电路按拓扑结构可分为两种：交交变频( 直接变频) 和交直- 交变频 ( 间接变频) 。交直交拓扑结构是通用变频器中采用的主要形式，如图2 2 所示。 从图2 2 可以看出，通用变频装置主电路主要包括三部分整流电路、平波电路 和逆变电路【9 】。其中，整流电路由不可控二极管组成，平波电路由电感和电容组成， 逆变电路由全控型功率器件绝缘栅双极晶体管i g b t 或智能功率模块( i p m ) 组成。另 外，为保证系统正常运行，还需要软起动电路和制动电路。图2 2 中，电阻r l 和继 7 具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究 电器k m 构成软起动电路，用于限制通电瞬间的冲击电流；大功率电阻r 2 和绝缘栅 双极晶体管i g b t 构成制动电路，用于消耗快速制动时产生的再生能量。 工 频 电 源 牟q 上 夕 k m 上 r 2 j t 一电 图2 2 通用变频装置主电路结构图 交 流 输 出 2 1 2 控制电路 控制电路为主电路提供控制信号，由c p u 及其外围电路、电压电流检测电路、 速度检测电路、驱动电路和保护电路组成。控制电路框图如图2 3 所示1 9 ，1 0 j 。对于 不同的逆变功率器件，驱动和保护电路是有区别的。如果功率器件采用i g b t ，则 要采用专门的驱动集成芯片，保护电路也较复杂。如果功率器件采用i p m 模块，因 其内置了驱动电路，所以门极触发信号只需简单隔离，无需专门驱动芯片，而且 i p m 模块内部集成了过流、过热和驱动欠压等保护功能，保护电路也较简单。 图2 3 通用变频装置控制电路框图 2 2 通用变频器控制方式 现代通用变频器有多种控制方法，主要的控制方法有：普通电压频率( v f ) 控制，风机水泵电压频率( f a n v f ) 控制，磁场定向矢量控制( f o c ) 和直接转 矩矢量控制( d t c ) 等。这几种控制方法各有特点，应该根据不同的被控对象来 选择相应的控制方法。 其中普通v f 控制方法和风机水泵f a n v f 控制方法输出的电压幅值与频率成 固定的函数关系。由于控制只是按一定的函数关系给定电压幅值和频率，电机的 力矩是不可直接控制的，所以采用v f 控制方法的变频器起动力矩和低速力矩特性 8 硕士学位论文 都较差。普通v f 控制方法的电压幅值和频率成线性关系，主要用于普通恒转矩负 载感应电机和同步电机的控制】。风机水泵v f 控制方法的电压幅值和频率成平 方关系，这是因为风机水泵的负载力矩随转速增加而增加，采用特殊的风机水泵 v f 控制方法有利于节能。 磁场定向矢量控制和直接转矩矢量控制技术都是以感应电机动态模型和空间 矢量变换技术为基础的先进控制技术，具有很好的力矩特性和速度响应特性。 2 3 通用变频器脉宽调制方式 p w m 控制是对脉冲宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调 制，等效获得所需要的波形( 含形状和幅值) 。根据不同的控制目标，采取不同的 p w m 调制方法。目前，变频器中用到的p w m 调制方法包括： 1 正弦脉宽调制s p w m ，其控制目标是使变频器输出的电压波形尽量接近正 弦波，减少谐波。 2 消除指定次数谐波的p w m ，通过脉冲平均法消除某些特定次谐波，如5 、 7 、l l 等低次谐波，构成近似正弦的p w m 波形。 3 电流滞环控制p w m ，通过对电流实现闭环控制，使变频器输出的电流波形 尽量接近正弦波，以便取得比电压开环控制更好的性能。 4 电压空间矢量s v p w m ，从电动机角度出发，以电动机磁链圆形轨迹为控 制目标。由于s v p w m 调制方法比s p w m 调制方法的直流电压利用率更高，且 算法简单，适合数字化，因此本文将采用一种改进的s v p w m 脉宽调制方法。 2 4 电压空间矢量p w m 调制技术及其优化开关模式 2 4 1s v p w m 调制的基本原理 三相电压型变频器可由图2 4 所示的6 个开关元件来等效表示。逆变桥桥臂的上 图2 2 三相电压源逆变器模型 下开关元件在任一时刻不能同时导通。不考虑死区时，上下桥臂的开关呈互逆状 态。输出的三相电压分别为u ，y ，形，以图2 4 中所示的负电压为参考点，可得： u = & y = 瓯= 疋( 2 1 ) 9 具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究 根据c l a r k e 变换把三相电压变换到。筇轴系，得： y c 的= y c 既疋，= 老 = 亨 1 一三 2 o 笪 2 1 2 压 2 ( 2 2 ) 大写的y 表示是矢量，记元件开通为l ，关断为o ，则，瓯，墨共有8 种取法，可得 图2 5 所示的电压空间矢量【12 1 。括号中的值为既，瓯，墨对应的取法。空间矢量的幅 值为： 当y ( 七) 为零矢量矿( 0 0 0 ) 与y ( 1 1 1 ) 时，i 矿l = o 当矿( 七) 为其余的6 种有效矢量时，州= 万玑 ( o l o ) ( 1 l o ) a y ( o o o ) 妙v 图2 5 电压空间矢量 ( 1 0 0 ) 一口 电压空间矢量的空间位置如图2 5 所示，两相邻有效矢量的夹角为6 0 。以式 ( 2 3 ) 所示的三相余弦波电压驱动图2 。6 所示的三相绕组对称电动机。 图2 6 三相对称余弦波电压驱动三相对称电动机 1 0 rj & 配足 。l 硕士学位论文 m ， f 矿l = 2 【_ 肜j c o s c p f c o s ( 俨扣 c o s ( 褂扫 ( 2 3 ) 式中，为相电压有效值。在此三相对称电压作用下，如果忽略定子绕组的电阻 不计，则电动机各相磁链值可由对上式进行积分得： s i n 国f s i n ( 咖扣 s i n ( 印，+ 詈万) ( 2 4 ) 将式( 2 4 ) 所示三相轴系的磁链进行坐标变换，即由图2 6 所不削二楣剁系c 一y 一 变换到图中所示的d 筇轴系，其变换式如下： 虬压 l j2 、j 1 l 2 n 历 u 一一 2 l 2 历 2 ( 2 5 ) 将式( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) 进行变换，得到0 筇轴系的磁链矢量： 阱瞄幻 仁6 ， = 彩( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，为线电压，目= 国f 为电角度。 由上面两式可知，当电压频率比v f 为恒值时，磁链半径r = 为常数。这 样随着秒的变化，就形成了一个以兄为半径的顺时针旋转的圆形磁链轨迹，如图 2 6 所示。在s v p w m 中，就是以此理想磁链圆为基准圆的【13 1 。 2 4 1 1 有效矢量的空间分配表 我们知道磁链和电压有如下的关系成立： = i 矿( 七) 功 ( 2 8 ) 解积分得： = 矿( 尼) f + ( 2 9 ) 由上式可知，磁链将以为起点，沿着矿( k ) 的方向而旋转。这样通过在不同的磁 链空间，分配不同的电压空间矢量矿( k ) ，就可以尽可能地合成图2 5 所示的磁链 孚 = 1j 。l 具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究 圆。可得出六种有效矢量对应的空间分配，见表2 1 ( 在磁链空间，每6 0 。范围内磁 链由两种相邻有效电压矢量线性合成) 。 表2 1 有效矢量的空间分配表 相角 0 0 6 0 06 0 0 1 2 0 0 1 2 0 0 1 8 0 01 8 0 0 2 4 0 02 4 0 0 3 0 0 03 0 0 0 3 6 0 0 矿( 1 0 0 )矿( 1 1 0 )矿( 0 1 0 )矿( 0 1 1 )矿( 0 0 1 )矿( 1 0 1 ) 矢量 矿( 1 l o )矿( 0 1 0 )矿( 0 1 1 )矿( 0 0 1 )矿( 1 0 1 )矿( 1 0 0 ) 2 4 1 2 空间矢量作用时间的推导 在图2 7 中，玑和玑代表相邻的两个基本电压空间矢量。，是输出的参考 相电压矢量，其幅值代表相电压的幅值，其旋转角速度就是输出正弦电压的频率。 ，可由以和玑：的线性时间组合来完成，它等于f l 乃附倍的以和f ：乃删倍的 以的矢量和。其中和乞分别是玑和虬作用的时间，耳删是吒，的作用时间。 按照这种方式，在下一个乃附期间，依然用玑和u ：的线性时间组合，但作 用时间和f ，与上次的不同，它们必须保证所合成的新的电压空间矢量u 。与原 来的电压空间矢量玑，的幅值相等。 如此下去，在每一个乃姗，期间，都改变相邻基本矢量的作用时间，并保证所 合成的电压空间矢量的幅值相等，因此，当0 骱，取足够小时，电压空间矢量的轨 迹是一个近似圆形的正多边形。 图2 7 电压空间矢量的线性组合 如上所述，线性时间组合的电压空间矢量吒，是乃删倍的以和乞乃删倍的 以。印的矢量和，即： ，= # 玑+ 丢。 ( 2 1 0 ) l p w m lp w m 由图2 7 ，根据三角形的正弦定理有： 解上式得： 1 2 孥告杂 硕士学位论文 卜麓s i 郧o o _ 。仁 卜急轴硼 一 式中，耳聊可事先选定；电机矢量解耦控制环节输出决定：口由国和疗耳删的 乘积确定。因此，当已知两相邻的基本电压空间矢量以和u 后，可以根据上式 确定f l 和f 2 。 2 4 1 3 电压空间矢量算法中时间参数的算法改进 式( 2 1 2 ) 已经给出s v p w m 中基本电压矢量时间参数的求解方法，这种解法在 参考电压矢量万的幅值和相位已知的条件下，可以大大精简控制算法，然而，在 电机调速控制算法中，如矢量控制中，电压的给定量通常是由电流内环易，岛的双 闭环p i 调节得出，或是文献【1 2 】中所述对如，名进行定子电压解耦得【，n 再经 过p a r k 反变换得来的，即最终的电压给定量为静止坐标系下的 ，r ，而此时 再采用以上关于时间的求解算法则需先把电压给定量转换为参考电压的矢量表达 式，即西，这必然会加大指令开销，不利于快速实时控制，所以有必要对式( 2 1 2 ) 的求解方法进行改进。 当、虬和虬投影到平面直角坐标系d 筇中时，式( 2 1 2 ) 可以改写成： 阡耳蹦匠艺兀艺 亿 、 当已知逆阵 笼笼： - l 和在平面直角坐标系唧的投影 琵： 后，就可 以确定和，。 在图2 5 中，当逆变器单独输出零矢量y ( 0 0 0 ) 和y ( 1 1 1 ) 时，电动机的定子磁链 矢量是不动的。根据这个特点，在乃删期间插入零矢量作用的时间r o ，使： 乃聊= + ，2 + f o ( 2 1 4 ) 通过这样的方法，可以调整角频率国，从而达到变频的目的。 2 4 2s v p w m 的优化开关模式 s v p w m 的时间参数算法确定了每个p w m 周期中基本电压空间矢量的作用时 间。由公式( 2 1 2 ) 可知，只要各非零电压矢量的开关时间满足f i 和f ：的关系，即可 实现电压空间矢量p w m 技术，而其对对应的电压矢量先后触发顺序并无具体限 制，这就为减少开关动作次数的优化控制提供了可能。 1 3 具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究 图2 8 电压空间矢量开关模式图 图2 8 列出了所有可能的电压空间矢量开关状态变化图，每个箭头表示一次开 关动作。例如，从开关状态s o 变到s l ，至少需要1 次开关动作，而从s 1 到s 4 则需 要3 次的开关动作【1 4 ，1 5 】。采用适当的开关模式可以减少每个p w m 周期内的开关动 作，降低开关损耗。由图2 8 可得优化模式的规律：优化的空间矢量开关模式在任 意两相邻空间矢量转换中只需要一次开关动作。 利用以上的优化模式的规律，本文总结出了几种具有代表意义的优化开关模 式，如图2 9 和2 10 所示。图中分别给出了扇区1 中对称形式和不对称形式的 s v p w m 优化开关模式。各自图中的模式一在一个p w m 周期中同时用到了y ( o o o ) 和y ( 1 1 1 ) 两个零电压矢量，该模式属于连续式s v p w m 调制；而模式二只用到一个 零电压矢量，即y ( o o o ) 或y ( 1 11 ) ，该模式属于非连续s v p w m 调制。 图2 9 是以对称的三角波作为载波的s v p w m 开关模式，载波周期即为p w m 周 期耳帆，。该图的模式1 在一个p w m 周期中，三相逆变器有1 2 次开关动作。在加入 死区后，由于各桥臂的输出脉冲中都加入了同样的死区，因此对逆变器的输出不 会有很大影响。对于模式二，则只有8 次开关动作，开关损耗只有前者的6 7 ，但 在有死区的控制系统中，由于会有一个功率管处于常开状态，各桥臂不可能加入 同样的死区，因此该调制模式将受死区时间的影响。 图2 1 0 表示的是以锯齿波为载波的s v p w m 开关模式，载波周期也为乃晰。在 模式一中，一个p w m 周期中三相逆变器共有6 次开关动作；模式二中，一个p w m 周期中总共只有4 次开关动作，同样开关损耗只有模式一的6 7 。 1 4 硕士学位论文 模式1 t 0 4t 1 2t 2 2t o 2t 2 2t 1 2t o 4 ： 模式21 ：聊 焉孺f ；i 互嘉 习习 7 附 ( b ) l 墨! i 翌l兰!l 璺至l 璺! l t 1 2t 2 2 t 0 2t 0 2 t 2 2t 1 2 ； 乃聊 图2 9 对称的优化开关模式 模式1 ： t ot it 2 t 7丁7 t 2t lt 0 ： 模式2 删。删 ，、| 兰qi 兰! | 墅蔓兰i兰! i 兰q ( a ) f 丽可1 f t 1 r 百1 一 。尹嬲f 1p 附 匿瑶 磊三j 乒嬖 图2 1 0 不对称的优化开关模式 从以上分析可以看出图2 1o 所示s v p w m 开关模式与图2 9 中的对应模式，在 相同的p w m 周期中，开关次数都减小了一半。但是图2 1 0 所示的调制模式受死区 时间影响较大，这在输出电压、电流中会造成很大的谐波含量，所以，在s v p w m 逆变电源控制方案中，图2 9 所示的两种优化开关模式无疑具有比较好的输出电 压。以下将以准优化开关模式代表图2 9 中的模式一( 连续式s v p w m 调制) ，以 最小开关模式代表图2 9 中的模式二( 非连续式s v p w m 调制) 。 除以上两类对称的优化开关模式外，还有一些具有p w m 对称性，开关损耗小、 性能处于前两者之间的开关模式，比如硬件调制法( 可以采用t i 公司t m s 3 2 0 c 2 4 x 及以上系列d s p 的s v p w m 硬件模块实现) 【1 6 】。这种s v p w m 调制法与最小开关模式 法的共同点是，在每个p w m 周期中逆变器总共只有8 次开关动作。不同的是，在 六个扇区的交替过程中，采用硬件调制法时每个功率管会多出2 次开关动作，三种 优化开关模式在六个扇区中p w m 波形如图2 1 1 所示【 j 。 1 5 具有光伏水泵控制功能的新型变频调速系统研究 u v w u v w u v w 1 厢l 苤z 厨i 苎3 厨i 墨4 厕乜生5 崩区 6 厕i 益 _ |lj l n几 j l _ |l _ j 1 一 j l ，一 j l _ jl_ j lj l 几 r _ j i 一 nn _ jl _ jl_ jljl _ j l 一 _ ji ( b ) ( c ) 图2 11( a ) 准优化开关模式p w m 波形图( b ) 硬件调制法p w m 波形图 ( c ) 最小开关模式p w m 波形图 可以