矿井提升机三电平逆变器变频调速系统的研究

论文摘要

随着电力电子器件、微电子技术以及现代控制理论的迅猛发展,交流传动调速技术取得了突破性的进展。作为传动领域的一个重要应用-矿井提升机交流调速的控制尤为引人注目。高性能的矿井提升机交流调速不仅可以节能,还可以显著改善大功率同步电机的运行性能。同时,由于多电平逆变电路具有显著的优势（比如输出谐波少、开关频率低等）,必将成为矿井提升机变频调速主电路的首选方案。因此,本文以矿井提升机三电平变频调速系统为工业背景,针对二极管箝位型三电平逆变器变频调速系统进行了研究。本文首先对矿井提升电气拖动方案、用于矿井提升逆变电路的拓扑结构、控制方法以及大功率器件等方面进行综述,然后论述了矿井提升行程控制的特点及工艺要求,分析了速度给定方式,并对比转速闭环调速系统,阐述了复合控制理论的实际意义。在此基础上,着重研究了三电平逆变器SVPWM调制方法:围绕着电压空间矢量图展开,分析了七段矢量法参考电压矢量的产生、所落扇区、小三角形区域的判断等关键环节;同时,还详细讨论了三电平逆变器中点电位偏移产生机理,并给出了一种数学解决方法。由于二极管箝位型三电平逆变器的中点电位偏移与输出电流存在关联,本文还建立了三电平逆变器与同步电机在αβ静止坐标系下的统一数学模型。在前人提出的固定合成矢量的基础上,结合两电平DTC控制方法,对于三电平DTC控制策略进行了初步探索,设计了系统总体框图,并建立了相应的系统仿真模型,验证了理论成果的正确性。最后,结合ACS6000提升机驱动系统,对系统的关键环节:逆变器、励磁整流装置以及主控及光纤通信进行了研究。并利用调试软件Drive Windows,参与了现场调试。与现场调试的波形相比较,进一步验证了本文所做的三电平逆变器仿真方案的正确性。同时调试结果表明:该驱动系统工作可靠,满足生产工艺运行的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 矿井提升机电气拖动方案概述
• 1.1.1 交流绕线式异步电机转子回路串电阻调速系统
• 1.1.2 晶闸管供电的直流电动机可逆调速（V-M）系统
• 1.1.3 晶闸管交-交变频同步电动机矢量控制系统
• 1.1.4 双PWM交-直-交变频调速系统
• 1.2 电力电子器件发展概述
• 1.3 多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的发展
• 1.3.1 多电平逆变器拓扑结构分类
• 1.3.2 多电平逆变器的控制策略
• 1.4 多电平逆变器同步电机直接转矩控制策略的发展
• 1.5 论文的主要内容
• 2 矿井提升机的运行特点及其控制
• 2.1 矿井提升机周期性运行特点及工艺要求
• 2.2 S形速度给定曲线
• 2.3 复合控制理论
• 3 三电平DTC控制策略的分析
• 3.1 三电平逆变器主电路工作原理
• 3.2 三电平逆变SVPWM调制原理
• 3.2.1 空间电压矢量图
• 3.2.2 区域判断及矢量合成
• 3.2.3 矢量触发
• 3.3 中点电位平衡问题的研究
• 3.3.1 中短矢量对中点电位的影响
• 3.3.2 优化中点电位平衡的PWM控制策略
• 3.4 三电平-同步电机数学模型
• 3.5 三电平DTC控制策略
• 3.5.1 基于固定合成矢量的三电平DTC
• 3.5.2 励磁电流及功率因数控制
• 3.6 三电平DTC变频调速系统
• 3.6.1 系统结构
• 3.6.2 转矩观测器模型
• 3.6.3 定子磁链观测器模型
• 3.6.4 励磁电流的调节
• 3.7 三电平DTC调速系统的仿真
• 3.7.1 三电平DTC仿真模型的建立
• 3.7.2 仿真结果与分析
• 4 矿井提升机三电平逆变器调速系统的应用
• 4.1 三电平逆变器（INU）
• 4.2 励磁整流装置（EXU）
• 4.3 主控及光纤通讯部分
• 4.4 现场调试的速度与转矩控制
• 5 现场调试与分析
• 5.1.现场调试软件介绍
• 5.2 现场调试的同步电动机主要数据
• 5.3 调试结果分析
• 5.3.1 逆变器输出的三相电压、电流波形
• 5.3.2 起动调试
• 5.3.3 行程调试
• 5.4 现场安装及主要控制柜界面图
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果