(碩士論文)大功率交交變頻數(shù)字控制系統(tǒng)的研究

1、(碩士論文)大功率交交變頻數(shù)字控制系統(tǒng)的研究 摘 要 交交變頻器廣泛地應(yīng)用于大容量、低速運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)領(lǐng)域，例如：軋鋼機(jī)、礦井 提升機(jī)及水泥球磨機(jī)等。研發(fā)大功率交交變頻數(shù)字控制系統(tǒng)，對(duì)于提高我國(guó)在電氣 傳動(dòng)行業(yè)的自主創(chuàng)新水平有十分重要的意義。 首先，本文研究了交交變頻器的結(jié)構(gòu)組成及其輸出特性，指出，在電流連續(xù)狀 態(tài)下，常用線性波截交法控制變頻器的輸出電壓，并配合使用三相三線制接線方式 消除該方法引起的三次諧波。本文建立了交交變頻器輸出電壓數(shù)學(xué)模型，分析了輸 出電壓諧波含量，為本文的科學(xué)研究奠定了理論基礎(chǔ)。 其次，本文研究了電流斷續(xù)狀態(tài)下交交變頻器的工作狀態(tài)，指出，在電流斷續(xù) 狀態(tài)下交交變頻器輸出電

2、壓與觸發(fā)延遲角、輸出電流之間呈現(xiàn)復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，無(wú) 法通過(guò)控制觸發(fā)延遲角來(lái)達(dá)到精確控制輸出電壓的目的。針對(duì)該問題，本文提出了 一種工程實(shí)用的電流斷續(xù)補(bǔ)償方法，實(shí)驗(yàn)證明該方法簡(jiǎn)單而且有效。 本文還指出，在三相三線制交交變頻器中，至少需要不同相的四只晶閘管正常 導(dǎo)通才能構(gòu)成閉合回路；在電流嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)狀態(tài)下，在輸出電壓周期內(nèi)的某段時(shí)間， 某兩相電路所有晶閘管因?yàn)殡娏鲾嗬m(xù)而阻斷，另一相電路中導(dǎo)通的晶閘管由于缺乏 續(xù)流回路而不能正常導(dǎo)通，導(dǎo)致輸出電流畸變、呈“馬鞍波”狀。針對(duì)該問題，本 文提出了一種斷續(xù)狀態(tài)下的補(bǔ)償控制方法，有效地消除了“馬鞍波現(xiàn)象。 然而交交變頻器本身是電壓源性質(zhì)的變頻器，大多數(shù)高性能調(diào)

3、速系統(tǒng)卻要求快 速、準(zhǔn)確地控制電流，使其不受負(fù)載電壓變化的影響。因此接下來(lái)，本文深入地研 究了交交變頻電流控制系統(tǒng)，分析了三相三線制交交變頻器的三相電流協(xié)同控制的 問題，提出用加入電壓前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出“電流無(wú)差控制。 最后，本文介紹了針對(duì)大功率交交變頻調(diào)速系統(tǒng)所研制的數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平 臺(tái)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制性能優(yōu)良。本文所述的理論與方法都在該系 統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。 關(guān)鍵詞：晶閘管、交交變頻器、電流斷續(xù)狀態(tài)、電流控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng) ABSTRACT are usedinthe and drivefield， Cycloconverterswidely low

4、-speedhighcapacity suchas hoistsand rollingmills，mine cementandballmillsIthas to greatsignificance and research control of for developdigital systemlarge?power cyclo?-converterraising thelevelof innovationofour inelectrical independent country drivefield structural and characteristic First，the compo

5、sition of are output cycloconverter studiedThis out thatunderthecontinuousconductionmodelinerwave paperpoints methodis usedtocontrolthe of and crossing commonly outputvoltagecycloconverter theconnectionmodeof three-wireisusedtoeliminatethirdorderharmonic three-phase causedthe by controlmethodThemath

6、ematicalmodelofthe of outputvoltage is theharmoniccontentof is cyclo。converterestablished，and outputvoltageanalyzed Thisatheoreticalfoundationforthe lay scientificresearchofthis paper stateof underthediscontinuous Second，the conduction working cyclo-converter mode isstudiedItisfoundthatthefunctional

7、 relationshipamongoutputvoltage，output currentand is anditisdifficultto angle trigger-delayedextremelycomplicated accurately control the resolvethis output voltagebycontrollingtrigger-delayedangleTo problem this a controlmethod paperproposespracticalcompensation underthediscontinuous conduction show

8、that mode，and thismethodis anduseful experiments simple This also outthatinthe three-wire paper inorder points three-phasecyclo-converter form to closedcircuitatleastfour fromdifferent circuitshouldbe thyristors phases turnedonAndunderthediscontinuous conductionmodeinsometimeofthe of period of two c

9、ircuitwillbetumedoffandthe outputvoltage，allthyristors in phases thyristors theother circuitcannotbeturnedonbeacauseof currentcircuit phase lackingcontinuing Inthis currentwillbedistrortedandthewaveform situation，theoutput willbea curveTosolvethis a control saddle。shaped problem，thispaperproposescom

10、pensation methodunderthe discontinuousconductionmodewhich eliminatescurrent effectively distortion II isa sourcebutinmostof control Cyelo-convertervoltage high-performancespeed the currentneedtobecontrolled and andthe of systemsoutput accuratelyrapidly change theload shouldhavenoinfluenceon currentS

11、othis studiesthe voltage output paper currentcontrol in themethodof the system detail，analyzes cooperative controlling of current three-wire a three-phasethree-phasecyclo-converter，and proposescompound control feed-forwardcontrol torealize system、析tllvoltage algorithm nonerrorcontrol of current outp

12、ut introducesthe of control Finally,thispaper experimentalplatformdigital system whichis for motor control developedlarge-powercyclo-converter speed system showthatthe isfeaturedwith and Experiments experimentalplatform steadilymoving excellent theoriesandcontrolmethods this isvalidated capabilityAl

13、l proposedby paper withthis experimentalplatform Key conduction control words：th如stor,cyclo-convener，discontinuousmode，current control system，digitalsystem III 目 錄 第一章緒論。l 11引言。1 12交交變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀2 13變頻器電流控制系統(tǒng)3 14變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)4 15本文研究的主要內(nèi)容。6 第二章交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)及其輸出電壓分析8 21引言8 22交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)8 221晶閘管三相全橋整流電路的基本結(jié)構(gòu)8 222

14、單相變頻器的基本結(jié)構(gòu)9 223三相交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)10 23交交變頻器輸出電壓控制方法1l 231交交變頻器輸出電壓控制方法11 232交交變頻器無(wú)環(huán)流切換控制方法16 24交交變頻器輸出電壓的數(shù)學(xué)模型及其諧波分析17 241交交變頻器輸出電壓的數(shù)學(xué)模型17 242交交變頻器輸出電壓諧波分析24 25本章小結(jié)30 第三章電流斷續(xù)狀態(tài)下交交變頻器的控制方法32 31引言32 32“電流斷續(xù)”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因33 321晶閘管的開關(guān)過(guò)程33 322電流斷續(xù)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因35 33電流斷續(xù)狀態(tài)下單相交交變頻器的控制方法39 331晶閘管三相全橋變流器的輸出電壓分析39 IV 332電流斷續(xù)狀態(tài)下交

15、交變頻器輸出電壓控制方法42 34電流嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)狀態(tài)下三相三線制變頻器輸出電流“馬鞍波”的研究47 341“馬鞍波”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象47 342“馬鞍波”現(xiàn)象的產(chǎn)生原因48 343“馬鞍波”現(xiàn)象的解決方法53 35本章小結(jié)55 第四章交交變頻器電流控制系統(tǒng)的研究57 41引言57 42單相交交變頻器電流控制方法57 421交流電流環(huán)的PI控制方法。57 422交流電流環(huán)的前饋補(bǔ)償控制方法。60 43三相交交變頻器電流控制方法63 44交交變頻電流控制系統(tǒng)67 45本章小結(jié)67 第五章大功率交交變頻數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制69 51引言69 52大功率交交變頻主回路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)69 53大功率交交變頻數(shù)

16、字控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)70 531 DSPVMIC數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹70 532 DSPVMIC數(shù)字控制系統(tǒng)可行性分析。76 533 DSPVMIC數(shù)字控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型81 54大功率交交變頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)83 541交交變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)83 542 DSP系統(tǒng)所完成的功能84 543 VMIC系統(tǒng)所完成的功能86 544交交變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果87 55本章小結(jié)88 第六章結(jié)論89 V 參考文獻(xiàn)91 攻讀學(xué)位期間的研究成果。95 致謝96 VI 第一章緒論 第一章緒論 11引言 廣泛采用的交流調(diào)速方案，在軋機(jī)、礦山卷?yè)P(yáng)、船舶推進(jìn)、水泥、風(fēng)洞等傳動(dòng)領(lǐng) 域中已全面取代傳統(tǒng)的大功率直流調(diào)速，取得了良好的

17、經(jīng)濟(jì)效益。ill2】【31127】f2930】【柏】【41】 發(fā)過(guò)程說(shuō)明國(guó)外交交變頻傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展概況： 1965年 交交變頻器在牽引站投入運(yùn)行； 1969年 高性能交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)用于軋機(jī)傳動(dòng)； 1972年4900kw水泥球磨機(jī)交交變頻傳動(dòng)裝置投產(chǎn)； 197b1981年1000kw交交變頻傳動(dòng)和直流傳動(dòng)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)； 1981年8100kw礦石破碎機(jī)交交變頻傳動(dòng)裝置投產(chǎn)； 1981年 置投產(chǎn)； 調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟； 10920kw單輥傳動(dòng)可逆雜拌機(jī)交交變頻 1985年Dillingen鋼廠2x 主傳動(dòng)裝置投產(chǎn)： 1987年 全數(shù)字交交變頻傳動(dòng)裝置投產(chǎn)。 在20世紀(jì)80年代，德國(guó)、日本、法國(guó)

18、、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家的主要電氣公司 也都相繼開發(fā)了交交變頻調(diào)速裝置，其中法國(guó)的2x56000kw交交變頻船舶推進(jìn)裝 置容量最大，日本Mizushima二號(hào)冷連軋機(jī)采用的交交變頻主傳動(dòng)裝置性能最高。 1987年湖南湘潭鋼鐵廠從Siemens公司引進(jìn)了采用交交變頻主傳動(dòng)裝置的軋 鋼機(jī)，拉開了我國(guó)交交變頻傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的序幕。這套軋鋼機(jī)投入運(yùn)用后，湘潭 鋼鐵廠的噸鋼能耗節(jié)約了30。此后，交交變頻技術(shù)在我國(guó)得到了大力推廣，原 第一章緒論 冶金部和機(jī)械部把交交變頻列為重點(diǎn)科研項(xiàng)目。冶金自動(dòng)化院、天津傳動(dòng)研究所 對(duì)該技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，同時(shí)，清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校參與了項(xiàng)目的研制和 理論分析，哈爾濱電機(jī)廠、東

19、方電機(jī)廠、上海電機(jī)廠等企業(yè)則研制用于交交變頻 調(diào)速系統(tǒng)的同步電機(jī)?，F(xiàn)以冶金行業(yè)的開發(fā)過(guò)程說(shuō)明我國(guó)交交變頻傳動(dòng)技術(shù)的發(fā) 展概況：121凹301 1993年 第一套國(guó)產(chǎn)的2500kw交交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研制成 功，應(yīng)用于包鋼軌梁廠850型鋼軋機(jī)； 1996年 第一套4000kw國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制交交變頻調(diào)速系統(tǒng)問世， 應(yīng)用于重鋼中板軋機(jī)主傳動(dòng)； 1999年 第一套國(guó)產(chǎn)雙機(jī)傳動(dòng)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)研制成功，應(yīng)用于 武鋼軋板廠中板軋機(jī)； 2000年 第一套熱連軋機(jī)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)在攀枝花鋼鐵公司投 入運(yùn)行。 12交交變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 在工程中一般采用兩組晶閘管全橋相控變流器反并聯(lián)組成單相交交變頻器。 三相

20、交交變頻器由三套輸出電壓互差1200的單相交交變頻器組成。三組單相交交 變頻電路輸出端星型聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星型聯(lián)結(jié)，一般情況下電動(dòng)機(jī) 中性點(diǎn)不和變頻器中性點(diǎn)聯(lián)結(jié)在一起，電動(dòng)機(jī)只引出三根線即可。因?yàn)槿M單相 交交變頻電路的輸出端聯(lián)結(jié)在一起，其電源進(jìn)線就必須隔離，因此三組單相交交 變頻器分別用三個(gè)變壓器供電?！?】【2】134】【27】【柏】 交交變頻器依據(jù)電流換向的工作方式可分為無(wú)環(huán)流方式和有環(huán)流方式。 1 無(wú)環(huán)流交交變頻器 依據(jù)無(wú)環(huán)流工作方式的不同，可分為邏輯無(wú)環(huán)流和錯(cuò)位無(wú)環(huán)流。在大功率交 交變頻調(diào)速系統(tǒng)中常采用邏輯無(wú)環(huán)流。反并聯(lián)變頻器的一組變流器工作時(shí)，另一 組封鎖。電流過(guò)零時(shí)，將

21、產(chǎn)生“切換死時(shí)”，切換死時(shí)的長(zhǎng)短對(duì)輸出波形影響很大。 過(guò)大的切換死時(shí)將增加輸出電流諧波，增大電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小變頻器出力。為 減小死時(shí)的影響，應(yīng)在確保無(wú)環(huán)流的前提下盡量縮短切換死時(shí)的時(shí)間。 2 第一章緒論 2 有環(huán)流交交變頻器 交交變頻電路也可采用有環(huán)流的控制方式。這種方式和直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中 的有環(huán)流方式類似，在正反兩組變流電路之間設(shè)置環(huán)流電抗器，運(yùn)行時(shí)兩組變流 電路都施加觸發(fā)脈沖。有環(huán)流方式可以有效地避免出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象并可消除切 換死時(shí)，從而使變頻電路輸出特性得以改善。 相對(duì)于無(wú)環(huán)流控制方式，有環(huán)流控制方式可以提高變頻器的輸出性能，在控 制上也比無(wú)環(huán)流方式簡(jiǎn)單。但是在兩組變流電路之間要設(shè)

22、置環(huán)流電抗器，變壓器 二次側(cè)一般也需要雙繞組，使得設(shè)備成本增加。另外，在運(yùn)行時(shí)有環(huán)流方式的輸 入功率比無(wú)環(huán)流方式略有增加，使效率有所降低。因此目前所運(yùn)用較多的還是無(wú) 環(huán)流方式，本文的研究工作也是針對(duì)無(wú)環(huán)流交交變頻器展開的。 交交變頻器是電壓源性質(zhì)的變頻器，在電流連續(xù)時(shí)輸出電壓跟隨給定電壓變 化，受負(fù)載電流變化影響較小?？梢酝ㄟ^(guò)控制晶閘管的觸發(fā)延遲角來(lái)控制交交變 頻器的輸出電壓?？偨Y(jié)其控制方法主要有以下幾種：移相原理控制法；鎖相法； 調(diào)制函數(shù)法；正弦波截交法；線性波截交法。在微處理器技術(shù)高速發(fā)展的今天， 后兩種方法被認(rèn)為是相對(duì)最佳的方法，得到了廣泛的運(yùn)用。 然而，由于交交變頻器采用的是導(dǎo)通時(shí)刻可

23、控、關(guān)斷時(shí)刻不可控的半控器件 晶閘管，在電流較小時(shí)，將出現(xiàn)輸出電流斷續(xù)的情況。此時(shí)，輸出電壓受負(fù) 載電流的影響很大，與觸發(fā)延遲角之間成非常復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。若要精確地控制 輸出電壓，勢(shì)必需要解一系列的超越方程，在工程中這是不容易實(shí)現(xiàn)的。為解決 該問題，工程中常采用直線補(bǔ)償方法擬合控制所需的函數(shù)曲線。然而從理論推導(dǎo) 來(lái)看，該方法所采用的補(bǔ)償曲線不夠精確；從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，采用該方法所控制 的變頻器輸出電壓質(zhì)量不夠理想。而且在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，電流嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)時(shí)，三相 電路輸出電流嚴(yán)重畸變，出現(xiàn)“馬鞍波”現(xiàn)象。因此，進(jìn)一步研究電流斷續(xù)狀態(tài)下交 交變頻器的控制方法，有非常重要的意義。 13變頻器電流控制系統(tǒng) 高

24、性能變頻調(diào)速系統(tǒng)大多要求快速準(zhǔn)確地控制電流，使其不受負(fù)載變化的影 響。因此，對(duì)于交交變頻器這類電壓源型變頻器，需用電流控制方法將其改造成 第一章緒論 具有電流源性質(zhì)的變頻器。另外對(duì)于無(wú)環(huán)流交交變頻器而言，采用電流控制還有 另外一些好處：11251 1 使得無(wú)環(huán)流切換控制及電流斷續(xù)補(bǔ)償控制更加方便、準(zhǔn)確，電流過(guò)零時(shí)切換 死時(shí)小、過(guò)零平滑。 2 控制誤差僅造成較小的電流誤差，避免電壓控制易帶來(lái)較大的不對(duì)稱電流或 直流分量的缺點(diǎn)。 按照控制中所選坐標(biāo)系的不同，可以將變頻器電流控制方法分為兩類。 1 靜止坐標(biāo)系電流控制方法。該方法以靜止坐標(biāo)系三相電流的給定值作為輸入 量，變頻器三相輸出電流作為反饋量，

25、選取合適的控制函數(shù)作為交流電流調(diào)節(jié)器， 組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于在靜止坐標(biāo)系中，三相電流信號(hào)均為交流信號(hào)，因此該 方法也稱為交流電流控制方法。在所述的靜止坐標(biāo)系電流控制系統(tǒng)中，由于輸入 量和反饋量均是交流實(shí)時(shí)信號(hào)，因此對(duì)調(diào)速過(guò)程或者動(dòng)態(tài)干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性 較好。但是為了滿足無(wú)差控制的要求，交流電流調(diào)節(jié)器的選擇往往比較復(fù)雜，在 工程中也難以實(shí)現(xiàn)。 2 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流控制方法。該方法的基本思想是：將靜止坐標(biāo)系中的三相電 流信號(hào)轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行討論。由于在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，三相交流電流信號(hào)被 轉(zhuǎn)化為兩相直流電流信號(hào)，因此該法也被稱為直流電流控制方法。該方法以旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系中的直流電流給定值作為輸入量，

26、變頻器輸出電流轉(zhuǎn)化到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的 直流信號(hào)作為反饋量，選取合適的控制函數(shù)作為直流電流調(diào)節(jié)器，組成閉環(huán)系統(tǒng)。 在所述的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流控制系統(tǒng)中，由于輸入量和反饋量均是直流信號(hào)，電流 調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，電流調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)性能好。但是由于三相信號(hào)轉(zhuǎn) 化為直流信號(hào)需要計(jì)算時(shí)間，因此電流調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)性較差，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能不好。 在交交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，如何根據(jù)交交變頻器的特性選取合適的電流控制方 法，使得輸出電流能夠既快速又準(zhǔn)確地跟隨給定電流變化，是完成電機(jī)調(diào)速任務(wù) 的關(guān)鍵所在。對(duì)該問題進(jìn)行必要地討論，有非常重要的意義。 14變頻器數(shù)字控制系統(tǒng) 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)字控制理論的成熟

27、和發(fā)展，數(shù) 4 第一章緒論 字控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)日益明顯。近年來(lái)，數(shù)字控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域獲得了廣泛 的應(yīng)用，采用以微機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制替代模擬控制已成為現(xiàn)代變頻調(diào)速控制的 重要發(fā)展趨勢(shì)。相對(duì)模擬控制，數(shù)字控制系統(tǒng)一般具有以下優(yōu)勢(shì)：【10l【1l2】【n”】 1 系統(tǒng)緊湊，通用性強(qiáng)，可一機(jī)多用，性價(jià)比高。與模擬控制系統(tǒng)不同，數(shù)字 控制系統(tǒng)的控制方案并不是全部體現(xiàn)在硬件電路上，而是主要集中在控制程序上， 即軟件上。用于控制的微處理器，往往具有豐富的片內(nèi)外設(shè)可供使用。因此，系 統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)一般比較緊湊。而且，在硬件配置確定之后，系統(tǒng)始終具有較強(qiáng)的 通用性，仍可選擇多種控制方案。另外，微控制器內(nèi)部資源

28、豐富，還可以進(jìn)行分 時(shí)處理，故可達(dá)到較高的性價(jià)比。 2 控制規(guī)則靈活，且可在線修改控制算法或參數(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)中，若想改變 控制規(guī)律，一般只需改變控制程序，硬件結(jié)構(gòu)可保持不變。因此，可以方便地嘗 試各種可能的控制規(guī)律，甚至可以在控制程序中根據(jù)對(duì)象的不同工況在線、實(shí)時(shí) 地變更控制算法或參數(shù)，實(shí)現(xiàn)所謂的變結(jié)構(gòu)、自整定控制。 3 可以實(shí)現(xiàn)許多先進(jìn)、復(fù)雜的控制算法，可望從根本上提高控制系統(tǒng)的性能指 標(biāo)。電力變換器往往受電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載變化的雙重影響，且高頻工作下的開關(guān)器 件和儲(chǔ)能元件均會(huì)偏離其理想特性。然而，控制對(duì)象的精確模型很難獲取，經(jīng)典 控制理論遇到了一定的困難。而現(xiàn)代控制理論或智能控制理論涉及到的

29、許多復(fù)雜 運(yùn)算，是模擬系統(tǒng)無(wú)法或難以完成的，但具備運(yùn)算、記憶和判斷能力的微處理器 則擅長(zhǎng)于實(shí)現(xiàn)這類算法。 4 抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得較高的穩(wěn)定性和控制精度。數(shù)字控制使用“1”、“0” 表示的邏輯“高”、“低”電平，區(qū)分明顯，不易受外界干擾和元件參數(shù)老化、漂移的 影響。另外，數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制精度不像模擬調(diào)節(jié)器那樣取決于元器件的精度， 而取決于機(jī)器字長(zhǎng)和運(yùn)算誤差。一般來(lái)說(shuō)，模擬元器件的精度很難達(dá)到01，而 數(shù)字調(diào)節(jié)器的運(yùn)算精度則很容易達(dá)到這個(gè)數(shù)量級(jí)。 5 便于控制、管理與通信的結(jié)合，可提高分布式系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性。 隨著分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信和集中監(jiān)控功能也越來(lái)越 受到

30、重視。 現(xiàn)在用于實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化控制的主要手段有： 第一章緒論 式硬件控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在FPGA已經(jīng)發(fā)展成除了可用于邏輯控制，還具有數(shù)據(jù)處理、 故障自診斷、PID運(yùn)算、聯(lián)網(wǎng)等能力的多功能控制器。 2 由微處理器和單片機(jī)組成的軟件控制系統(tǒng)。如單片機(jī)和DSP，它們具有極好 的運(yùn)算、信息存儲(chǔ)、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理能力，以及豐富的片內(nèi)外設(shè)，因此很容 易實(shí)現(xiàn)電力電子變換器系統(tǒng)中的許多控制要求，在電力電子變換器中得到了日益 廣泛的應(yīng)用。 3 由多個(gè)微處理器和多個(gè)可編程邏輯器件共同組成的混合控制系統(tǒng)。大功率變 頻調(diào)速控制系統(tǒng)大多非常復(fù)雜，要處理的任務(wù)很多，僅僅靠一個(gè)控制器無(wú)法完成， 需采用多控制器系統(tǒng)。而且

31、硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)，使用混合控 制系統(tǒng)能夠更好的發(fā)揮各控制器的優(yōu)勢(shì)，使得控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。 最優(yōu)化地設(shè)計(jì)軟件、硬件控制系統(tǒng)以滿足實(shí)時(shí)控制的要求，是數(shù)字控制的基 本問題和核心所在。具體地說(shuō)，如何設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成、如何安排采樣 周期和各處理器的控制周期、如何優(yōu)化各處理器的軟件流程、如何實(shí)現(xiàn)各處理器 的數(shù)據(jù)交換等一系列問題都是在研制變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)前期所不得不考慮的問 題。因此，對(duì)變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和可行性進(jìn)行必要的研究是十分有意義的。 15本文研究的主要內(nèi)容 本課題依托于冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院金白天正智能控制股份 的“交 交變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)”和“國(guó)家863高速磁

32、浮交通技術(shù)重大專項(xiàng)試驗(yàn)線”的子課題 “75MVA大功率IGCT三電平變流器系統(tǒng)的研制”兩個(gè)項(xiàng)目，重點(diǎn)研究了以下幾個(gè) 方面的問題：交交變頻器輸出電壓控制方法；交交變頻器無(wú)環(huán)流切換控制方法； 電流斷續(xù)狀態(tài)下交交變頻器的補(bǔ)償控制方法；電流嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)狀態(tài)下三相三線制交 交變頻器輸出電流出現(xiàn)“馬鞍波”現(xiàn)象的原因及其消除方法；交交變頻器電流控制系 統(tǒng)；交交變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)等。本文主要內(nèi)容安排如下： 1 在第一章中，詳細(xì)地?cái)⑹隽私唤蛔冾l器及其電流控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的 問題，扼要地分析了現(xiàn)階段變頻器數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，并簡(jiǎn)要論述了 選題的目的和意義。 6 第一章緒論 2 在第二章中，深入地研究了交交

33、變頻器的結(jié)構(gòu)組成及輸出電壓控制方法，建立 了交交變頻器輸出電壓數(shù)學(xué)模型，并對(duì)輸出電壓諧波含量進(jìn)行了詳細(xì)地分析。 3 在第三章中，分析了交交變頻器在電流斷續(xù)狀態(tài)下的工作狀態(tài)，提出了電流斷 續(xù)折線補(bǔ)償方法；研究了三相三線制交交變頻器，在電流嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)狀態(tài)下輸 出電流出現(xiàn)“馬鞍波”現(xiàn)象的原因，并提出了電流畸變消除辦法。 4 在第四章中，分別討論了單線交交變頻器和三相交交變頻器電流控制中存在的 問題，提出了對(duì)應(yīng)的解決方法，最后給出了交交變頻器電流控制系統(tǒng)控制框 圖。 5 在第五章中，介紹了本文針對(duì)大功率交交變頻調(diào)速系統(tǒng)所研制的數(shù)字控制平 臺(tái)，對(duì)該系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了深入地分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)

34、 定、可靠性高、控制品質(zhì)優(yōu)良。 6 第六章中給出全文研究所得出的結(jié)論。 7 第二章交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)及其輸出電壓分析 第二章交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)及其輸出電壓分析 21引言 交交變頻器是電壓源性質(zhì)的變頻器，在電流連續(xù)狀態(tài)下，輸出電壓主要由觸發(fā)延 遲角決定，受負(fù)載電流影響較小。因此，如何控制輸出電壓是交交變頻器控制系統(tǒng)的 核心問題，快速準(zhǔn)確地控制輸出電壓是完成復(fù)雜的變頻調(diào)速任務(wù)的基本要求。如何使 得交交變頻器輸出電壓跟隨給定電壓變化、如何提高輸出電壓質(zhì)量是本章將要研究的 核心問題。 22交交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 221晶閘管三相全橋整流電路的基本結(jié)構(gòu) VTl V下3 5 _f 。 廠 f Z ZX

35、Z A B C _f p- f Z Z Z 1 W4 啪 V睨 圖21晶閘管三相全橋整流電路 如圖21為晶閘管所組成的三相全橋整流電路，A、B、C為三相電壓進(jìn)線，一 般接到接到進(jìn)線變壓器的二次側(cè)，輸出側(cè)可以接各種類型的負(fù)載。習(xí)慣上希望三相全 C相。從圖中可以看出，三相全橋電路在任意時(shí)刻必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，才能形成 導(dǎo)電回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰組的，另一個(gè)晶閘管是共陽(yáng)組的。 對(duì)三相全橋整流電路的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，不難得出整流電壓的脈動(dòng)頻率為6f 8 第二章交交變頻器的基本結(jié)構(gòu)及其輸出電壓分析 其中Z表示輸入電壓頻率，如果輸入工頻電壓，則整流電壓脈動(dòng)頻率為300Hz ， 因此也稱該電路為晶閘管6脈波整流器。可以推出在電流連續(xù)狀態(tài)下 本章后續(xù)所有 推導(dǎo)都建立在這一假設(shè)下 ，該整流器輸出電壓平均值為 234U2eosot 2一1 其中，表示輸出電壓平均值，表示輸入相電壓 即進(jìn)線變壓器二次側(cè)相電 壓 的有效值，口表示觸發(fā)延遲角。 222單相變頻器的基本結(jié)構(gòu) 圖22單相交交變頻器原理圖 正組 反組 飛o、 ， 弋 7X 厶XZQ Z A o。：夕UA B 7f1 B e 厶U C _ “o _ 飛 ：、r、_- 乇 ZZ 1 r 弋 7弋7弋2 o。：歹Pj 圖236脈波單相交交變頻器 圖22是單相交交變頻電路的基本原理圖，變頻電路由正組變流器和反組變流