交流变频驱动系统关键技术及应用研究

论文摘要

交流变频技术是近年来发展迅速的新技术,也是国家重点组织实施的资源节能综合利用技术之一。在世界能源紧缺的今天,变频调速技术的研究、推广应用有着重大现实意义和巨大社会、经济效益。研究各种高性能变频控制策略与技术,将变频技术提高到一个新水平成为国内外传动领域研究的热点。如何在保持系统成本前提下最大限度地提高系统的性能和可靠性成为未来电机控制的主要目标。本文以提高数字化交流变频驱动系统的性能和可靠性为目标,对诸如低速性能改善、调制策略、过电压问题等若干关键技术进行了较深入的理论分析与研究。提高交流异步电机低速性能一直是一个难点问题,特别是在系统没有速度编码器下如何研究改善电机低速甚至零速的带载能力和稳速精度具有很大的挑战性。本文在分析开环增强型低速性能改善方法的基础上,比较了各种补偿技术在实现中的优势和缺点,对基于非线性气隙功率补偿方法进行了深入研究,结合矢量控制和标量控制的特点,给出最小限度的利用电机参数改善低速性能的补偿方法。通过分析系统特征方程的极点轨迹揭示定子电阻压降补偿以及低通滤波器对系统稳定性的影响。逆变器的非线性特性对交流异步电机低速性能有重要影响。本文详细分析了逆变器输出的非线性特性及影响因素,重点对零电流夹断现象及其机理进行深入的研究,针对电流过零区间的非线性畸变提出了利用定子电流解耦以及电流矢量角度区间线性化的补偿方法。理论分析了在电压利用率、谐波畸变、开关损耗等性能指标下的各种调制技术,特别对SVPWM方法和DPWM1方法进行了比较研究,得出在不同调制深度下分段采用不同调制策略的优化调制方法,为工程化实现提供理论依据。从降低噪声和减少电磁干扰角度出发对各种随机PWM技术进行了分析和比较,在此基础上提出了一种零矢量-变延时的双随机PWM调制策略,该方法在简化数字化程序实现的同时,在调制比较低时有着独特的谐波频谱特性。电机端过电压对系统的安全可靠运行产生很大的危害。本文对电机端过电压机理进行了研究,建立了电缆的高频数学模型、交流异步电机的高频-低频通用模型以及驱动系统的仿真平台。通过系统仿真平台分析并验证了两倍以内以及两倍以上过电压的现象,分析了过电压的影响因素,提出相应的软件、硬件抑制过电压的方法。构建了TMS320LF2406A控制的变频调速试验平台和SaberDesigner框架的软件仿真通用平台,仿真和试验验证了本文的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 论文中出现的英文缩写的全称和中文含义
• 1 绪论
• 1.1 国内外发展状况
• 1.1.1 变频技术的发展
• 1.1.2 交流电机控制理论与技术的发展现状
• 1.1.3 电力和电子器件的发展
• 1.2 数字化交流变频驱动系统关键技术
• 1.2.1 交流异步电机低速性能改善技术研究
• 1.2.2 逆变器非线性特性及其补偿技术
• 1.2.3 优化 PWM 技术及实现
• 1.2.4 随机 PWM 技术研究及实现
• 1.2.5 电机端过电压的危害以及对策
• 1.3 本文的研究内容
• 2 交流异步电机变频调速低速性能改善策略研究
• 2.1 交流异步电机增强型控制的基本原理
• 2.1.1 几个基本概念描述
• 2.1.2 增强型开环控制的原理
• 2.2 几种增强型控制方法比较
• 2.2.1 基于转子磁通补偿的方法
• 2.2.2 基于无速度传感的标量控制方法
• 2.2.3 基于气隙功率的非线性补偿方法
• 2.3 基于气隙功率的非线性补偿方法实现
• 2.3.1 定子电阻压降的补偿
• 2.3.2 转差频率的计算
• 2.3.3 气隙功率的计算
• 2.4 定子电阻补偿以及低通滤波器对系统的影响
• 2.4.1 控制系统的闭环极点特征多项式的获取
• 2.4.2 定子补偿电阻对系统性能的影响
• 2.4.3 滤波器参数对系统的影响
• 2.5 系统仿真及试验结果
• 2.5.1 系统仿真结果
• 2.5.2 系统的物理实验
• 2.6 本章小结
• 3 逆变器非线性特性分析及补偿技术研究
• 3.1 逆变器输出电压的开关特性方程
• 3.2 逆变器输出的非线性特性分析
• 3.3 死区效应的影响
• 3.3.1 死区电压对基波电压的影响
• 3.3.2 死区电压对谐波电压的影响
• 3.3.3 死区电压对电机电流的影响
• 3.3.4 死区电压对输出力矩的影响
• 3.4 非线性电压补偿方法
• 3.4.1 零电流夹断现象机理分析
• 3.4.2 零电流夹断区间的影响因素
• 3.4.3 非线性电压补偿方法
• 3.5 仿真和物理实验分析
• 3.5.1 仿真实验及结果分析
• 3.5.2 物理实验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 4 优化调制技术研究及其实现
• 4.1 脉宽调制技术中几个主要指标
• 4.2 连续调制策略
• 4.3 不连续调制 PWM 方法
• 4.3.1 不连续最大值 PWM 方法（DPWMMAX）
• 4.3.2 不连续最小值 PWM 方法（DPWMMIN）
• 4.3.3 DPWM0 方法
• 4.3.4 DPWM2 方法
• 4.3.5 DPWM1 方法
• 4.3.6 DPWM3 方法
• 4.3.7 通用不连续 PWM 方法（GDPWM）
• 4.4 波形质量分析
• 4.5 过调制下各种调制策略的增益特性
• 4.5.1 SPWM 的增益特性
• 4.5.2 SVPWM 的增益特性
• 4.5.3 DPWM1 的增益特性
• 4.5.4 电压增益因子的比较
• 4.6 各种调制方法下的开关损耗
• 4.7 优化的不连续 PWM 方法的实现
• 4.8 仿真试验分析
• 4.8.1 低调制比下的电流谐波分析
• 4.8.2 高调制比下的电流谐波分析
• 4.8.3 过调制下的电流以及相电压分析
• 4.9 本章小结
• 5 随机 PWM 技术研究及其实现
• 5.1 随机调制的理论基础
• 5.1.1 随机开关函数
• 5.1.2 随机 PWM 调制的功率谱密度分析
• 5.1.3 随机 PWM 的特点
• 5.1.4 随机数的产生方法
• 5.2 随机 PWM 的基本实现方法
• 5.2.1 随机脉冲位置的 PWM 实现
• 5.2.2 采样频率开关频率同步随机 PWM 的实现方法
• 5.2.3 随机开关频率的 PWM 实现
• 5.3 随机 PWM 方法的改进
• 5.3.1 零矢量-变延时的双随机 PWM（DRPWM）的实现原理
• 5.3.2 变延时时间和开关周期的确定原则
• 5.3.3 零矢量随机时间的确定原则
• 5.3.4 改进的双随机 PWM 方法的特点
• 5.4 仿真试验及分析
• 5.4.1 低调制比下的仿真分析
• 5.4.2 高调制比下的仿真分析
• 5.4.3 采样频率随机的仿真分析
• 5.4.4 直流母线电流的谐波频谱分析
• 5.5 物理试验及分析
• 5.6 本章小结
• 6 变频调速电机端子过电压机理及抑制技术研究
• 6.1 波传播原理
• 6.1.1 均匀无损传输导线上的波过程
• 6.1.2 波的折射和反射
• 6.1.3 PWM 脉冲波在电缆上的传输反射过程分析
• 6.2 反射波振荡频率对电缆高频模型的影响
• 6.3 高频下交流电机的等效模型分析
• 6.3.1 普通的交流异步电机模型
• 6.3.2 简化的交流异步电机高频模型
• 6.3.3 交流异步电机的通用低频-高频模型
• 6.4 两倍以上过电压的产生机理及其抑制技术
• 6.4.1 两倍以上过电压的产生机理
• 6.4.2 两倍以上过电压脉冲的抑制方法
• 6.5 滤波器电路拓扑结构及设计方法研究
• 6.5.1 滤波器的电路拓扑分类
• 6.5.2 一阶 RC 滤波网络参数设计
• 6.5.3 二阶 RLC 滤波器网络参数设计
• 6.6 仿真研究
• 6.6.1 仿真平台的建立
• 6.6.2 过电压的影响因素分析
• 6.6.3 滤波器参数仿真研究
• 6.7 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录2 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系