异步电机变频调速节能控制运行研究

论文摘要

异步电机是强耦合、高度非线性的机电能量转换装置,研究异步电机的非线性现象及其处理方法是实现异步电机的高效节能运行的基础,在此之上功率匹配原理为异步电机的高效节能运行提供了简单有效的控制方法。本文的研究对目前能源紧张、能源利用率不高以及提倡节约的我国具有经济意义和社会意义。本文以考虑变化着铁心损耗的异步电机模型出发,以电机的高效率运行为主线,研究了异步电机的考虑非线性数学模型、功率匹配原理、高效率电机传动系统、脉宽调制技术以及功率匹配最大效率运行实验等方面内容。异步电机数学模型是仿真和分析的基础。文中通过曲线拟合构建磁链电流函数及其导数、dq轴相同对待的方法处理了磁路饱和问题,通过增加铁耗等效电阻支路等方法考虑到了变化着的铁心损耗,并分别建立了考虑磁场饱和及铁心损耗的异步电机的数学模型,为电机的高效节能运行提供了更准确的模型基础。电机中存在着有功和无功两大功率系统,它们的大小必须与电机的定额、负载情况相适应。有功、无功功率的合理匹配可以使得电机的性能最优。这就是电机有功无功合理匹配原理。在变频、考虑随频率变化着的铁耗的异步电机较准确模型的基础上,得出异步电机的功率匹配最大效率运行的原理,并探讨了最大效率运行下的最佳功率匹配比的求取方法以及功率匹配最大效率控制的适用范围。异步电机节能控制一直是电工界的关注焦点。文中分析比较了基于电机模型和基于搜索方法的两大类几种常用的效率优化的方法。并在此基础上提出了异步电机的功率匹配最大效率的标量控制,分析表明功率匹配最大效率控制有着简单直接的特点,是全局优化的最大效率控制。在系统的PWM实现方面,分析了几种常用的PWM技术。分析表明SVPWM适合于功率匹配最大效率的矢量控制。在30脉冲PWM基础上提出的12216形式适合于功率匹配最大效率控制的幅频分开调节的标量控制系统。设计了以DSP数字信号处理器和IPM智能功率集成模块为核心的变频器,并且进行了恒速恒负载转矩变频实验和恒负载转矩变频调速两组实验,验证了异步电机最大效率控制的特点。最后在借鉴矢量控制的基础上,确定了功率匹配最大效率控制的带有磁链观测器、转矩控制器的矢量控制方案。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 交流电机的非线性问题
• 1.1.1 方程式的非线性
• 1.1.2 参数的非线性
• 1.2 电力电子和交流调速技术发展
• 1.3 异步电机的节能控制及最大效率控制概况
• 1.4 本文的主要内容
• 1.4.1 学位课题来源、目标和成果
• 1.4.2 本学位论文主要贡献
• 第二章 异步电机的数学模型
• 2.1 异步电机线性abcs 模型
• 2.2 异步电机的其它线性数学模型
• 2.2.1 异步电机的任意速dq 数学模型
• 2.2.2 空间矢量数学模型
• 2.3 异步电机考虑磁路饱和数学模型
• 2.3.1 考虑饱和时的异步电机动态方程
• 2.3.2 磁路饱和时的处理和非线性磁链方程
• 2.3.3 考虑饱和时的异步电机Simulink 模型
• 2.3.4 仿真及分析
• 2.4 考虑铁耗等效电阻的异步电机的数学模型
• 2.5 等值电路和数学模型的统一
• 2.6 小结
• 第三章 电机有功无功合理匹配原理
• 3.1 电机中的功率合理匹配原理
• 3.2 功率合理匹配理论在变频调速节能控制运行中的运用
• 3.2.1 等值电路
• 3.2.2 电机的效率
• 3.2.3 功率匹配原理的适用范围
• 3.2.4 与“铜耗等于铁耗,电机效率最大”的区别
• 3.2.5 结论
• 3.3 本章结论
• 第四章 功率变换器件的脉宽调制技术
• 4.1 脉宽调制的共同问题
• 4.1.1 调制系数
• 4.1.2 电流谐波
• 4.1.3 开关频率和开关损耗
• 4.1.4 动态性能
• 4.2 几种常见的脉宽调制方法
• 4.2.1 正弦波调制
• 4.2.2 三次谐波注入PWM（THIPWM）
• 4.2.3 SVPWM（电压空间矢量调制）
• 4.2.3.1 正常调制模式
• 4.2.3.2 两种过调制模式
• 4.3 谐波消除式PWM（SHEPWM）
• 4.4 12216 形式谐波消除PWM
• 4.5 本章小结
• 第五章 效率优化和功率匹配控制的标量控制
• 5.1 不同效率优化控制策略的比较
• 5.1.1 基于模型的效率优化
• 5.1.1.1 功率因数法
• 5.1.1.2 损耗模型法
• 5.1.1.3 其它方法
• 5.1.2 基于搜索方法的效率优化
• 5.1.2.1 逆变器直流母线输入功率最小法
• 5.1.2.2 最小定子电流法
• 5.2 效率最大运行与直流侧电压的关系
• 5.3 功率匹配控制的标量控制形式
• 5.4 最大效率运行的控制方案
• 5.4.1 功率匹配系统的功能单元
• 5.4.2 系统的Matlab / Simulink 实现
• 5.4.3 系统的仿真参数
• 5.5 给定转速下的最优效率及在最优效率下的功率因数
• 5.6 功率匹配最优效率控制的标量形式与T,φ的关系
• 5.7 本章小结
• 第六章 变频调速系统和幅频分调的最大效率实验
• 6.1 研制实验用变频器概述
• 6.2 DSP全数字平台硬件总体设计
• 6.2.1 系统设计
• 6.2.2 关于逆变器电路的几个关键问题讨论
• 6.2.2.1 整流器件的选择
• 6.2.2.2 逆变器件的选择
• 6.2.2.3 死区时间的设计
• 6.2.2.4 驱动电路
• 6.3 软件设计
• 6.4 逆变器的测试运行
• 6.5 最大效率实验
• 6.5.1 实验电路及实验数据的处理
• 6.5.2 转速确定负载转矩变化时的实验
• 6.5.3 转矩相同转速变化时的实验
• 6.6 本章小结
• 第七章 功率匹配最大效率控制下的矢量控制
• 7.1 异步电机传统的矢量控制
• 7.1.1 转子磁场定向的基本原理
• 7.2 异步电机功率匹配下的矢量控制原理
• 7.2.1 功率匹配下的矢量控制的基本原理
• 7.2.2 功率匹配控制的适用范围
• 7.3 异步电机功率匹配下的矢量控制系统
• 7.3.1 功率匹配下的矢量控制的基本原理
• 7.3.2 功率匹配下的矢量控制的磁链观测器的讨论
• 7.3.2.1 直接磁通观测器
• 7.3.2.2 基于电压或电流的磁通观测器
• 7.4 带转矩控制和磁链观测器的功率匹配控制
• 7.4.1 转矩观测器
• 7.4.2 带有转矩控制器、磁链观测器的功率匹配控制系统
• 7.5 效率的比较
• 7.6 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的论文