高壓同步電機(jī)全數(shù)字化矢量控制變頻器
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電力電子技術(shù)的主要任務(wù)為實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，它的主要研究目標(biāo)是節(jié)能，努力挖掘一切潛在的提高效率的途徑，來節(jié)省有限的能源，保護(hù)人類生存的環(huán)境。功率變換技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段，所以它始終是電力電子學(xué)的核心技術(shù)。經(jīng)過三十多年，特別是近十多年的發(fā)展，功率變換技術(shù)已比較成熟，近年來的發(fā)展動向主要集中在軟開關(guān)、高壓、大功率和低壓、大電流變換技術(shù)方面。
近年來交流異步電機(jī)的調(diào)速應(yīng)用得到較快的發(fā)展，與交流異步電機(jī)相比較，同步電機(jī)有著先天的優(yōu)勢，異步電動機(jī)由于勵磁的需要，必須從電源吸取滯后的無功電流，空載時功率因數(shù)很低。而同步電動機(jī)則可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。當(dāng)cosθ=1時，電樞銅損最小，還可以節(jié)約變壓變頻裝置的容量。由于同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，因此，在同樣條件下，同步電動機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動機(jī)更寬。異步電動機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動機(jī)比異步電動機(jī)對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強(qiáng)的承受能力，能作出更快的動態(tài)響應(yīng)。由于交流同步電機(jī)在可靠性與維護(hù)量、功率因數(shù)、電機(jī)尺寸與轉(zhuǎn)動慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢，對于大容量電機(jī)，世界各國已基本趨向于使用同步電機(jī)。比如工業(yè)應(yīng)用上大功率空氣壓縮機(jī)、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機(jī)和鋼廠大容量軋鋼機(jī)等均采用同步電機(jī)驅(qū)動。
交流同步電機(jī)的調(diào)速是電氣驅(qū)動領(lǐng)域的一大難題，我國從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行交流同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究，80年代初已研制成功交—交變頻同步電機(jī)的實(shí)驗樣機(jī)，但大功率交流變頻調(diào)速裝置直到90年代后期才得到發(fā)展。目前國產(chǎn)大功率變頻裝置成功應(yīng)用于同步電機(jī)的實(shí)例很少，都是國外品牌一統(tǒng)天下。目前我國大型同步電機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速雖然剛剛起步，但國外已經(jīng)廣泛使用。通過他們長期的運(yùn)行實(shí)踐表明：應(yīng)用高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益良好、其可靠性也可以得到保證。因此我國高壓同步電機(jī)變頻調(diào)速裝置將來的市場前景巨大。
國內(nèi)大功率交流同步電機(jī)傳動方面，以交-交變頻調(diào)速傳動為主。這些變流、變頻傳動裝置功率大，一般為幾百千瓦至數(shù)千千瓦。在水泥，采礦與礦山行業(yè)、船舶行業(yè)、冶金行業(yè)、化工，石油與天然氣行業(yè)、電力行業(yè)、紙漿造紙行業(yè)、供水與污水處理、煤炭、有色金屬等特別是礦山的大型礦井提升機(jī)傳動與調(diào)速等領(lǐng)域已有較多的應(yīng)用。大容量、低轉(zhuǎn)速、高過載、響應(yīng)快、四象限運(yùn)行等傳動領(lǐng)域主要用于礦井提升機(jī)和鋼鐵廠的主軋機(jī)，對變頻器的控制要求特別嚴(yán)格，這是普通異步電機(jī)及其變頻器所不能解決的，在此類系統(tǒng)中應(yīng)用的大多是大功率同步電機(jī)。我國目前在高壓大功率同步電機(jī)控制系統(tǒng)中采用的技術(shù)主要以交－交控制方式的變頻為主，還有交－直－交方式，交－交變頻器由于其控制原理方式的制約，造成其功能和應(yīng)用范圍受限。交－交變頻器的結(jié)構(gòu)方式把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路，廣泛用于大功率交流電動機(jī)調(diào)速傳動系統(tǒng)。改變切換頻率，就可改變輸出頻率；改變交流電路的導(dǎo)通角，就可以改變交流輸出電壓幅值；輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重，電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系，很難確定明確界限。例當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3～1/2。電網(wǎng)頻率為50hz時，交－交變頻電路的輸出上限頻率約為20hz。
還有一種變頻器是交-直-交型高壓變頻器，這種變頻器的驅(qū)動高壓同步電機(jī)的方式目前以v/f控制為主，這種方式在一些對調(diào)速比要求不高，動態(tài)響應(yīng)低的場合適用，它的控制方式是采用異步電機(jī)的控制策略，啟動過程：高壓同步電機(jī)先進(jìn)行異步變頻啟動，等轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，再對轉(zhuǎn)子投入勵磁電流，使系統(tǒng)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這種控制方式的缺點(diǎn)是，響應(yīng)慢，調(diào)速比小， 不能發(fā)揮同步電機(jī)的特長，不能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，高壓同步電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩低，起動電流大，容易失步，這種變頻器只能用于負(fù)載較輕，負(fù)載變化不大的場合。
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，計算機(jī)用于控制，使交流變頻控制系統(tǒng)由模擬式進(jìn)入數(shù)模混合式，進(jìn)一步發(fā)展到全數(shù)字式，實(shí)現(xiàn)控制方案和控制策略的軟件化，在控制系統(tǒng)全數(shù)字化的情況下，由于改變軟件即可改變控制模式和參數(shù)，這就大大提高了系統(tǒng)的通用性和靈活性，簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并可采用一些基于現(xiàn)代控制理論的控制算法來提高系統(tǒng)的性能。更重要的是，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、總線技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字方式是未來發(fā)展的必然趨勢。因此全數(shù)字化交-直-交大功率同步電機(jī)矢量控制器的應(yīng)用是未來應(yīng)用的方向，這方面在我國的應(yīng)用和研究還是空白，變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展主要體現(xiàn)在由早期的靜態(tài)控制方式向高動態(tài)性能的四象限運(yùn)行的矢量控制發(fā)展，采用這種控制方式可以有效地解決高壓同步電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)、調(diào)速比寬等要求，系統(tǒng)可以恒轉(zhuǎn)矩輸出。
2 全數(shù)字化矢量控制方式技術(shù)方案的原理
2.1技術(shù)方案詳細(xì)闡述
鑒于現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，和要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目的，我們要實(shí)現(xiàn)的高壓同步電機(jī)矢量控制變頻器的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)特點(diǎn)和單元組成，三相高壓電輸入移相隔離變壓器，經(jīng)移相隔離降壓多路交流輸出后，輸入到帶能量回饋的功率單元igbt整流并濾波成直流再經(jīng)igbt逆變輸出到同步電機(jī)；電機(jī)的位置速度傳感器反饋的信號經(jīng)高速串行編碼傳輸方式傳送給主控板的fpga進(jìn)行解碼處理后，送給dsp進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理；電流反饋經(jīng)霍爾傳感器采樣，上傳信號板經(jīng)模擬信號處理電路濾波處理后再上傳給dsp主控板的ad采樣并運(yùn)算；主控板與上位機(jī)的人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)通信，并上報系統(tǒng)的各項運(yùn)行參數(shù)和故障狀態(tài)；輸入輸出信號單元板與主控制器進(jìn)行通迅，處理外部輸入輸出信號的控制功能；系統(tǒng)的原理如圖1所示。
2.2交-直-交單元串聯(lián)多電平方式
現(xiàn)在國內(nèi)的同步電機(jī)變頻器，大部分采用的是交-交變頻，和交-直-交變頻器相比，缺點(diǎn)：驅(qū)動晶閘管復(fù)雜；輸出頻率范圍低，只能達(dá)到電網(wǎng)頻率得1/3運(yùn)行；功率因數(shù)低，諧波污染嚴(yán)重。在一些控制場合，交-交變頻器的原理帶來了它在高速上的應(yīng)用不能實(shí)現(xiàn)和動態(tài)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)。
交-直-交方式使用移相的目的可以提高整流設(shè)備的脈波數(shù)，減小網(wǎng)側(cè)高次諧波，整流變壓器采用二次側(cè)延邊三角形移相，交-直-交方式頻率調(diào)速范圍寬，功率變換電路采用多電平變換器，如圖2所示，各級功率模塊均采用h全橋igbt驅(qū)動方式，由于輸出電平數(shù)較多，輸出波形階梯增多，就可以使調(diào)制波接近正弦，降低電壓跳變，這樣諧波就少。另一個優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓的dv/dt較小，對負(fù)載電機(jī)的沖擊小。如一些軋鋼機(jī)，提升機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)。如果采用交-交變頻，必須加減速機(jī)構(gòu)。而交-直-交變頻器可以在設(shè)備許可的范圍內(nèi)，其頻率任意調(diào)節(jié)，這就解決了上述問題。
2.3基于能量回饋的功率單元
普通高壓變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動或者帶位能性負(fù)載重物下放時，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以gtr、igbt為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了普通高壓變頻器的應(yīng)用范圍，而基于能量反饋的系統(tǒng)解決了上述問題，并且實(shí)現(xiàn)了真正的節(jié)能目標(biāo)而不是浪費(fèi)掉能量。
帶能量回饋的功率單元，輸入為移相隔離變壓器副邊降壓繞組的三相，igbt的控制信號為經(jīng)光纖傳輸過來的pwm信號控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出經(jīng)單元串聯(lián)后到電機(jī)。原理圖如圖2所示。
2.4數(shù)字矢量控制方式
矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施仍然是對定子電流的控制。由于在定子側(cè)的各物理量（電壓、電流、電動勢、磁動勢）都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計算均不方便。因此，需借助于坐標(biāo)變換，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，站在同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系上觀察，電動機(jī)的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各分量之間的關(guān)系，實(shí)時地計算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流給定量。按這些給定量實(shí)時控制，就能達(dá)到直流電動機(jī)的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過坐標(biāo)的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把上述的直流給定量變換成實(shí)際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值。在矢量變換的控制方法中，需用到靜止和旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，以及矢量在各坐標(biāo)系之間的變換，交流同步電機(jī)的矢量控制，需要把電機(jī)的abc三相定子靜止坐標(biāo)系的電流ia、ib、ic、變換成α和β兩相靜止坐標(biāo)系（clarke變換），也叫三相－二相變換，再從兩相靜止坐標(biāo)系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場定向坐標(biāo)系（park變換），等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流iq、id（id相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；iq相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)逆變換（park逆變換）（clarke逆變換），實(shí)現(xiàn)對同步電動機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交解耦控制。
如圖3所示，二極同步電機(jī)的物理模型，定子三相繞組軸線a、b、c是靜止的，三相電壓ua、ub、uc和三相電流ia、ib、ic都是平衡的，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組在勵磁電壓uf供電下流過勵磁電流if。沿勵磁磁極的軸線為d軸，與d軸正交的是q軸，d-q坐標(biāo)在空間也以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，d軸與a軸之間的夾角θ為變量。
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