矢量控制交流变频调速系统设计(3)

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≤200kW 时,380～500V的低压电源可以直接进入主电路的整流环节；当电动机的功率>200kW 时,为减少输电线路上的损耗,我国设计规范规定:宜采用高压供电,此时应在高压电源与低压变频器之间装设降压变压器[5]。

图1.1 低压变频器主电路结构

中压变频器是指输出电压≤6kV的变频器。其主电路一般为电压源型的交-直-交结构, 形式上多采用中心点钳位型三电平逆变电路（从图1.2电路结构看是电流源型变频器，用的是两电平逆变器,只是上下桥臂各有3个器件串联）以避免整流及逆变器件串联引起的动态均压问题,主电路如图1.2所示。其整流电路一般是12脉冲,整流变压器初级接成三角形,次级需要两个绕组,一个接成三角形,另一个接成星型。由于两个次级绕组线电压相同, 则它们各相之间相位差为30°,这样5次、7次谐波会在初级抵消, 17次、19次谐波也会互相抵消。当经过两个整流桥的串联叠加后,可得到12个波头的整流输出波形,比图1.1中的6个波头更平滑。如果要求更高, 整流电路还可以采用24脉冲, 此时整流变压器次级需4个绕组, 整流桥需4个串联。三电平逆变的变频器,输出波形中会不可避免地产生较大的谐波分量,因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的笼型电机。经LC滤波后,总谐波畸变率THD<1%,已符合规定要求。这类变频器的特点是:系统结构简单、可靠性高、效率高(>98%)；采用直接矢量控制,电机转矩可快速变化而不影响磁通,其运行效果接近于直流传动装置。另外,由于是直接变频,电网电压与电机电压相同,容易实现旁路控制。使用中考虑到电流的谐波成分较大,需要专门设计输出滤波器,才能够供电机使用。如果输入端用可控器件实现PWM 整流,会使电网侧的谐波增大,需加进线电抗器滤波[6]。

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图1.2 中压变频器主电路结构

高压变频器是指输出电压为6～10kV 的变频器。其主电路一般采用单元串联多重化技术,即每相由几个低压PWM 变频功率单元串联来实现直接高压输出,如图1.3所示。图中左边的隔离变压器次级绕组的个数与三相功率单元个数相等, 每个绕组给各自的功率单元供电。中间一套3个绕组采用三角形接法,上下各有两套分别超前(12°、24°)与滞后(12°、24°)的4个绕组。由5对依次相移12°的三角载波对基波电压进行调制,A、B、C各相基波调制所得的5个信号,分别控制该相的5个功率单元,每相经叠加后可得到具有11级阶梯电平的相电压、21级阶梯电平的线电压,相当于30脉冲变频。每个功率单元都是由低压IGBT构成的三相输入、单相输出的低压PWM电压型逆变器组成。这类变频器的特点是:输出谐波很小(有完美无谐波的美称),消除了谐波引起的转矩脉动,电机的发热与噪声大大减少。同时，无须采用均压电路、吸收电路与输入、输出滤波器；输入功率因数>0.95,总效率(包括隔离变压器)>96%。其中，功率单元电路如图1.4所示，每个功率单元输出电压为1、0、－1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为±5、±4、±3、±2、±1和0[7]。

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图1.3 高压变频器主电路结构

图1.4 功率单元电路

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1.3 变频调速系统的控制方法

随着交流电机控制等各种技术的发展，矢量控制和直接转矩控制等高性能调速系统相继出现，其中矢量控制以其优良的性能成为目前实际应用最为广泛的调速方法[8]。

根据生产的要求，变频器的型式和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。目前，交-直-交变频器常用的三种控制方法是转速开环控制、转速闭环矢量控制及直接转矩控制方法。 （1）开环控制

通用变频器常用转速开环、恒压频比加定子电压低频补偿的控制方式，其基本结构原理框图如图1.5所示，主要由斜坡函数模块、恒压频比模块、PWM信号生成模块组成。这种控制方案结构简单，可靠性高。可以消除动态过程中转矩电流的波动,从而提高了通用变频器的动态性能。但是，由于是转速开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度，因此，采用这种控制方法只适用于一般调速要求不高的场合[9]。

图1.5 开环控制系统结构原理框图

（2）矢量控制

1971年德国的F.Blaschke提出了矢量控制理论，这是一种新的控制理论和控制技术，它解决了交流电机的瞬时转矩控制问题。矢量控制技术根据磁动势等效原则，通过坐标变换将交流异步电机模型等效为直流电动机模型，实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，对交流电机的磁链和电流进行分别控制，从而达到控制瞬时电磁转矩的目的。因而获得了与直流调速系统相同的静、动态性能。矢量控制系统基本结构原理框图如图1.6所示。首先，在按转子磁链定向的MT坐标系中计算出定子电流励磁分量和转矩

*****分量给定值ism和ist，经过反旋转变换2r/2s得到is*α和is*β，再经过2/3变换得到iA，iB和iC。

然后，通过电流闭环的跟随控制，输出异步电动机所需的三相定子电流。转子磁场定向控制有两种实现方法：转子磁链直接反馈型（称之为直接矢量控制）和磁链前馈型（称之为间接矢量控制，也称作转差频率矢量控制）。目前，实用中较多采用后者，由于其没有实现直接磁链的闭环控制，无需检测出转子磁链，因而容易实现。但是，其控制器

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的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，取得了良好的效果[10]。

φΨr*ω*控制器φ电流跟随控制i*smi*st反旋转变换2r/2si*sαi*sβ2/3变换i*Ai*Bi*CiAiBiCisα3/2变换isβ旋转变换2s/2rismistΨr等效直流电动机模型ω

图1.6 矢量控制系统基本结构原理框图

（3）直接转矩控制

直接转矩控制技术,是利用空间矢量、定子磁场定向的方法,在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型,计算与控制异步电动机的磁链和转矩,采用离散的两点式调节器(Band-Band控制),把转矩检测值与转矩给定值作比较,使转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大小由频率调节器来控制,并产生PWM脉宽调制信号,直接对逆变器的开关状态进行控制,以获得高动态性能的转矩输出，其控制原理如图1.7所示。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩的实际状况,它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化,即不需要模仿直流电动机的控制。由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器,因此它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。直接转矩控制在克服了矢量控制弊端的同时，这种粗况式控制方式也暴露出固有的缺陷。一方面控制器采用Bang-Bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动；另一方面调速范围受限，低速时，转矩脉动会增加，而且定子磁链观测值会不准。另外，电机参数的时变对直接转矩控制也有影响[11]。

图1.7 直接转矩控制系统原理结构图

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