單元串聯(lián)式高壓變頻器間接磁場定向矢量控制系統(tǒng)的的研究ppt課件

1、單元串聯(lián)式高壓變頻器間接磁場定向單元串聯(lián)式高壓變頻器間接磁場定向矢量控制系統(tǒng)的研討矢量控制系統(tǒng)的研討 授授本文主要內容本文主要內容n緒論n單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWM調制方法n高壓變頻器矢量控制方案設計n高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討n系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果n結論1.緒論緒論n1.1課題研討意義n電動機耗電量約占整個國民經濟用電量的66% ；n運用高壓變頻器產品進展調速可實現(xiàn)大幅節(jié)能約20%-30%；n國內企業(yè)產品控制方式根本為開環(huán)恒壓頻比控制，滿足簡單的風機、泵類負載，但在要求高性能調速的領域，國外矢量控制高壓變頻器產品占據市場；n矢量控制可實現(xiàn)交流電機解耦控制，控制性能可媲美直流調速系統(tǒng)

2、；n研發(fā)矢量控制高壓變頻器具有很好的研討價值和非?，F(xiàn)實的意義，國內高壓變頻器企業(yè)也在積極開發(fā)此產品；1.緒論緒論n1.2課題來源n北京動力源科技股份n協(xié)作工程n無速度傳感器矢量控制高壓變頻器的研制 1.緒論緒論n1.3感應電機控制方案綜述1.緒論緒論n1.4中高壓大容量調速技術綜述n普通三相逆變器n降壓-通用變頻-升壓電路n交交變頻電路n嵌位型多電平逆變器n級聯(lián)型多電平拓撲最廣泛的為單元串聯(lián)型本文主要內容本文主要內容u緒論u單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWM調制方法u高壓變頻器矢量控制方案設計u高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討u系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果u結論2.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變

3、頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.1概述：n主電路構造2.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.1單元串聯(lián)高壓變頻器概述：n功率單元構造2.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.1概述 ：旁通控制n2019年，羅賓康公司提出了中心點偏移式功率單元旁路的方法 2.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n 2.2飛車啟動飛車啟動n電機旋轉啟動時，當電機旋轉啟動時，當轉速與給定頻率不匹轉速與給定頻率不匹配時系統(tǒng)會過流或過配時系統(tǒng)會過流或過壓；壓；n常用方法：掃頻。從常

4、用方法：掃頻。從最高頻率向下掃頻，最高頻率向下掃頻，當頻率與轉速匹配，當頻率與轉速匹配，電流很小，檢測到后電流很小，檢測到后快速升壓至壓頻曲線；快速升壓至壓頻曲線；n本文設計的飛車啟動本文設計的飛車啟動方法，已在實踐產品方法，已在實踐產品中運用。中運用。2.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.3基于載波程度移相基于載波程度移相SPWM調制方法調制方法對于N單元串聯(lián)逆變器，三角載波之間移相 可獲得最大的諧波消除，而且可以提高等效開關頻率。 N22.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.3基于載波程度移相基于

5、載波程度移相SPWM調制方法調制方法(續(xù)續(xù))右圖為5單元串聯(lián)的單極性調制方法仿真圖；采用單極性調制的N單元串結合果相電壓臺階數(shù)為：2N+1，右圖為11臺階輸出，THD=11.06%。目前高壓變頻器產品中均采用單極性載波移相SPWM調制。 2.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.4疊加三次諧波以提高直流電壓利用率疊加三次諧波以提高直流電壓利用率為保證正弦波被充分調制，其幅值不應超越載波幅值。此時H逆變橋輸出電壓直流電壓利用率最大為1；疊加三次諧波以后，將正弦波變?yōu)轳R鞍形，可提高正弦基波幅值、提高輸出電壓基波，從而提高直流電壓利用率。且三相三次諧波幅值

6、相位一樣相互抵消，不影響線電壓的輸出。2.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.4疊加三次諧波以提高直流電壓利用率疊加三次諧波以提高直流電壓利用率(續(xù)續(xù)1)要最大限制提高直流電壓利用率，需求在保證鞍形波最大值不超越三角載波幅值的條件下，使獲得的基波幅值最大，這是條件極值問題；運用matlab求解此極值問題，得到當正弦基波幅值1.1547倍三角波幅值、三次諧波幅值為0.1925倍三角波幅值時，可以獲得最大的直流電壓利用率。該結論已在產品中獲得運用。2.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.4疊加三次諧波以提高

7、直流電壓利用率疊加三次諧波以提高直流電壓利用率(續(xù)續(xù)2)右圖上為未疊加三次諧波5單元串聯(lián)輸出相電壓的諧波分析圖，以下圖為疊加了三次諧波的相電壓諧波分析；由圖可見，基波幅值由5提高到5.775，直流電壓利用率提高了約15.5%。未疊加三次諧波相電壓諧波分析，基波幅值未疊加三次諧波相電壓諧波分析，基波幅值5疊加三次諧波后相電壓諧波分析，基波幅值疊加三次諧波后相電壓諧波分析，基波幅值5.7752.2.單元串聯(lián)高壓變頻器及其單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWMPWM調制方法調制方法n2.4疊加三次諧波以提高直流電壓利用率疊加三次諧波以提高直流電壓利用率(續(xù)續(xù)3)右圖上為未疊加三次諧波5單元串聯(lián)輸出線電壓的諧波

8、分析圖，以下圖為疊加了三次諧波的線電壓諧波分析圖；與相電壓提升幅度一樣，基波幅值由8.662提高到10，直流電壓利用率提高了約15.5%。未疊加三次諧波線電壓諧波分析，基波幅值未疊加三次諧波線電壓諧波分析，基波幅值8.662疊加三次諧波后線電壓諧波分析，基波幅值疊加三次諧波后線電壓諧波分析，基波幅值10本文主要內容本文主要內容u緒論u單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWM調制方法u高壓變頻器矢量控制方案設計u高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討u系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果u結論3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.1感應電機數(shù)學模型感應電機數(shù)學模型iiiipLRLpLLLpLRLpL

9、pLLpLRLLpLLpLRuuuurqrdsqsdrrrdqrmmdqrrdqrrrmdqrmmmdqssssdqsmdqsmsdqsssrqrdsqsdiLiLiLiLiLiLiLiLrqrsqmrqrdrsdmrdrqmsqssqrdmsdssdempsq rdsd rqNi ii iTLmreLpdJTTNdt3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.1感應電機數(shù)學模型感應電機數(shù)學模型(續(xù)續(xù))sdrmripTL1mepsqrrLTNiLrrsqmseTiLsdessqsqssqssqsqessdsdssdssdiLudtdiLiRUiLudtdiLiRU3.3.

10、高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.2矢量控制分類矢量控制分類本文控制系統(tǒng)選取間接磁場定向矢量控制的方案本文控制系統(tǒng)選取間接磁場定向矢量控制的方案3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.3轉速辨識轉速辨識3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.3轉速辨識轉速辨識(續(xù)續(xù))可調模型的參數(shù)，使得兩模可調模型的參數(shù)，使得兩模型的輸出穩(wěn)態(tài)誤差型的輸出穩(wěn)態(tài)誤差e為零，從為零，從而使可調模型的輸出跟隨參而使可調模型的輸出跟隨參考模型的輸出?？寄Ｐ偷妮敵觥?.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.3轉速辨識轉速辨

11、識(續(xù)續(xù))如右圖所示，其本質上也是一種MRAS方法，電機本身作為參考模型，速度調理器為包含速度觀測值的可調模型，兩個模型共同的輸出為定子q軸電流。到達穩(wěn)態(tài)時，PI調理器輸入為0，觀測轉速等于實踐轉速。PI自順應調理器構造簡單，在堅持了MRAS方案自順應才干的根底上，降低了算法的復雜性和計算量，且具有一定的自順應才干。 3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.4磁通計算磁通計算3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.5矢量控制系統(tǒng)原理圖矢量控制系統(tǒng)原理圖3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.6電機參數(shù)自檢測電機參數(shù)自

12、檢測3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.6電機參數(shù)自檢測電機參數(shù)自檢測(續(xù)續(xù))直流測試：丈量定子電阻直流測試：丈量定子電阻由于電機定子電阻值很小，運由于電機定子電阻值很小，運用一個單元輸出小占空比的脈用一個單元輸出小占空比的脈沖，穩(wěn)態(tài)時電流值為電壓平均沖，穩(wěn)態(tài)時電流值為電壓平均值與定子電阻的比值。右圖為值與定子電阻的比值。右圖為等效電路圖。等效電路圖。堵轉測試：丈量轉子電阻堵轉測試：丈量轉子電阻 、定、定轉子漏感轉子漏感 此時不像電機實驗可以進展電機此時不像電機實驗可以進展電機堵轉，普統(tǒng)統(tǒng)過施加如下不含零堵轉，普統(tǒng)統(tǒng)過施加如下不含零序分量的三相電壓來實現(xiàn)模擬堵序分

13、量的三相電壓來實現(xiàn)模擬堵轉，此時因有轉，此時因有 ，忽略，忽略該支路，等效電路如右圖所示。該支路，等效電路如右圖所示。tUUasin2tUUsin22btUUcsin22 |rrmLjRL3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.6電機參數(shù)自檢測電機參數(shù)自檢測(續(xù)續(xù))空載測試：丈量定轉子空載測試：丈量定轉子互感互感忽略鐵損，等效電路如忽略鐵損，等效電路如右圖所示。右圖所示。 3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.6電機參數(shù)自檢測電機參數(shù)自檢測(續(xù)續(xù))右圖為電機參數(shù)自檢測右圖為電機參數(shù)自檢測的仿真。仿真過程：的仿真。仿真過程：0-0.5s0-0

14、.5s時加占空比為時加占空比為5%5%的直流；的直流；0.5-0.8s0.5-0.8s不加電壓，讓電不加電壓，讓電機線圈中的電流指數(shù)衰機線圈中的電流指數(shù)衰減；減；0.8-1.2s0.8-1.2s按照上文堵轉實按照上文堵轉實驗所述方法加電壓，驗所述方法加電壓，A A相相30%30%額定電壓，額定電壓，B B、C C相相15%15%額定電壓；額定電壓；1.2-1.4s1.2-1.4s不加電壓；不加電壓；1.4-2.1s1.4-2.1s加正序電壓進展加正序電壓進展空載實驗。空載實驗。 3.3.高壓變頻器矢量控制方案設計高壓變頻器矢量控制方案設計n3.6電機參數(shù)自檢測電機參數(shù)自檢測(續(xù)續(xù))運用上述方法

15、仿真得到的電機參數(shù)與實踐參數(shù)比較如下表所示,由表可見計算所得電機參數(shù)與所用電機模型實踐參數(shù)誤差很小，證明設計方法的可行性。 本文主要內容本文主要內容u緒論u單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWM調制方法u高壓變頻器矢量控制方案設計u高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討u系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果u結論4.4.高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討n4.1仿真總體框架仿真總體框架4.4.高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討n4.1仿真總體框架仿真總體框架4.4.高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討n4.2加減載仿真波形加減載仿真波形n仿真過程如

16、下：仿真過程如下：n0s：給定轉速：給定轉速800轉轉/分階躍，空載啟分階躍，空載啟動動n0.5s：突加：突加60%負負載載n1s：卸除負載：卸除負載n右圖上依次為三相右圖上依次為三相電流，轉速，轉矩仿電流，轉速，轉矩仿真波形。右圖下為實真波形。右圖下為實踐轉速與估計轉速。踐轉速與估計轉速。n由圖可見：由圖可見：n系統(tǒng)動態(tài)性能良好，系統(tǒng)動態(tài)性能良好，0.1s空載加速到空載加速到800轉轉/分；加減載轉速分；加減載轉速突變后可迅速回到給突變后可迅速回到給定值；電流波形良好；定值；電流波形良好；估計轉速較好的跟蹤估計轉速較好的跟蹤實踐轉速，無穩(wěn)態(tài)誤實踐轉速，無穩(wěn)態(tài)誤差。差。4.4.高壓變頻器矢量控

17、制系統(tǒng)仿真研討高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討n4.3加減速仿真波形加減速仿真波形n仿真過程速度給定仿真過程速度給定如下：如下：n0s：800轉轉/分階躍分階躍給定；給定；n0.5s：反向：反向800轉轉/分。分。 n右圖上依次為三相右圖上依次為三相電流，轉速，轉矩仿電流，轉速，轉矩仿真波形。右圖下為實真波形。右圖下為實踐轉速與估計轉速。踐轉速與估計轉速。n由圖可見：由圖可見：n動態(tài)性能較好；動態(tài)性能較好；n電流波形良好；電流波形良好；n轉速估計在速度給轉速估計在速度給定從正向定從正向800轉轉/分分躍變到反向躍變到反向800轉轉/分時，估計轉速有個分時，估計轉速有個尖刺，但可以很快回尖刺，但可

18、以很快回到實踐轉速附近。到實踐轉速附近。4.4.高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討n4.4磁通觀測的仿真磁通觀測的仿真觀測磁通與實踐磁通觀測磁通與實踐磁通、軸分量比較軸分量比較4.4.高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討n4.4磁通觀測的仿真磁通觀測的仿真(續(xù)續(xù)1)右圖為轉子磁通軌跡圖，由圖可見電機獲得良好的圓形磁通，到達穩(wěn)態(tài)值速度也較快。啟動過程中磁通能快速的上升到給定值得益于磁通閉環(huán)的大比例環(huán)節(jié)。 轉子磁通軌跡圖轉子磁通軌跡圖4.4.高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討n4.4磁通觀測的仿真磁通觀測的仿真(續(xù)續(xù)2)磁

19、通開環(huán)控制磁通開環(huán)控制磁通閉環(huán)控制磁通閉環(huán)控制本文主要內容本文主要內容u緒論u單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWM調制方法u高壓變頻器矢量控制方案設計u高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討u系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果u結論5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果n5.1實驗系統(tǒng)組成實驗系統(tǒng)組成5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果n5.2硬件設計硬件設計1.主控制器電路設計如右圖所示，中心為TMS320F2812+FPGA;完成矢量控制算法，產生和發(fā)送15單元控制信號，通訊、缺點處置等功能。5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果n5.2硬件設計硬件設計(續(xù)續(xù)

20、)2.功率單元控制與驅動電路設計如右圖所示，控制中心為CPLD;驅動芯片采用HCPL-316J，經擴容有14A的驅動才干；盲區(qū)、死區(qū)經過阻容硬件設置；5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果IGBT驅動電路驅動電路5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果3.模擬量采集電路模擬量采集電路C49104C50104C40104C47102RP24200K/ceR22610KR22830KC4210483245761N52AD6281X10CON1C38104R70W-12R7427/0.5WR7327/0.5WW+12W+12W-12W-GNDW-GNDW-GNDV1

21、61N4148V171N4148LEMINLEMOUTOUTVIN15GND116-V12+V11VOUT7+V29-V210GND28N35ISO124+12-12W-12W+12W-GNDR22R21321411N32ATL074C10C11C55C56R23AGNDAGNDAGND+12-12567N32BTL074OUT5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果n5.3系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計n主程序流程圖主程序流程圖5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果AD采采樣樣中中斷斷流流程程圖圖5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果移相變壓器移

22、相變壓器控制板控制板單元驅動板單元驅動板5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果未疊加三次諧波相電壓未疊加三次諧波相電壓疊加三次諧波相電壓疊加三次諧波相電壓未疊加三次諧波線電壓未疊加三次諧波線電壓疊加三次諧波線電壓疊加三次諧波線電壓右圖為疊加三次諧波的實驗波形由圖可見：疊加三次諧波未給線電壓帶來諧波影響；線電壓幅值由660V提升到了760V，提升幅度約15%，同第二章仿真結論一致。5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果由于系統(tǒng)沒有安裝D/A模塊，中間變量無法直接輸出察看，調試過程借助CCS的圖形工具。右圖為矢量控制程序坐標變換模塊的調試波形?？梢娮鴺俗儞Q模塊可

23、正常任務。矢量控制程序各模塊調試矢量控制程序各模塊調試5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果右圖為ccs帶硬件調試，運用其圖形工具察看磁通計算模塊輸出波形?？梢姶磐ㄓ嬎隳K可正常任務。sdrmripTL1磁通計算模塊調試波形矢量控制程序各模塊調試矢量控制程序各模塊調試5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果由于整個高壓變頻器由于整個高壓變頻器系統(tǒng)較為復雜，為保系統(tǒng)較為復雜，為保證系統(tǒng)的可靠輸出，證系統(tǒng)的可靠輸出，對單個功率單元進展對單個功率單元進展了電感負載實驗，波了電感負載實驗，波形如以下圖所示。形如以下圖所示。功率單元輸出電壓及電流波形功率單元輸出電壓及電

24、流波形功率單元調試功率單元調試5.5.系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果以下圖為五級系統(tǒng)輸出電壓及電流波形圖。左圖為給定轉速環(huán)的輸出，經電流調理器，電壓補償，2r/3S反變換，載波移相SPWM調制后輸出的電壓波形。右圖為帶載電壓電流波形。矢量控制程序輸出電壓及電流波形矢量控制程序輸出電壓及電流波形輸出電壓電流調試輸出電壓電流調試本文主要內容本文主要內容u緒論u單元串聯(lián)高壓變頻器及其PWM調制方法u高壓變頻器矢量控制方案設計u高壓變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真研討u系統(tǒng)軟硬件設計和實驗結果u結論6.結論結論本文結論：本文結論：處理高壓變頻器運用中的兩個較關鍵的問題：飛車啟處理高壓變頻器運用

25、中的兩個較關鍵的問題：飛車啟動和三次諧波疊加，已在實踐高壓變頻器產品中動和三次諧波疊加，已在實踐高壓變頻器產品中運用。運用。研討電機參數(shù)自檢測的離線自設定和在線辨識的方法，研討電機參數(shù)自檢測的離線自設定和在線辨識的方法，對電機參數(shù)自檢測的相關問題進展了仿真驗證，對電機參數(shù)自檢測的相關問題進展了仿真驗證，設計了電機參數(shù)離線自檢測的實施方案，經過仿設計了電機參數(shù)離線自檢測的實施方案，經過仿真驗證了方法的可行性。真驗證了方法的可行性。對各種無速度傳感器矢量控制的速度辨識和磁通觀測對各種無速度傳感器矢量控制的速度辨識和磁通觀測方法做了總結和分析，選擇間接磁場定向的矢量方法做了總結和分析，選擇間接磁場定向的矢量控制方法：采用控制方法：采用PIPI自順應法辨識轉速，間接計算自順應法辨識轉速，間接計算法獲取磁通。設計了高壓變頻器矢量控制整體方法獲取磁通。設計了高壓變頻器矢量控制整