【文章內(nèi)容簡介】 平逆變器一相橋臂結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)負載電流 i由 A端流向負載時，此時電流由 P端流出，經(jīng)過 Sa Sa2到 A端， 再流向負載，此時反并聯(lián) 二極管 Da Da2 不導(dǎo)通，電流流通路徑如圖 22（ I）所示。當(dāng)負載電流 i 由負載流向 A端時，此時電流由 A端流入，經(jīng)過反并聯(lián)二極管 Da Da2到 P 端。此時 Da Da2導(dǎo)通， Sa Sa2由于承受反壓而處于截止狀態(tài)，電流流通路徑如圖 22（ II）所示。 I II 圖 22 三電平逆變器＋ Ud/2狀態(tài)輸出 (2) 逆變器輸出電壓為 0 當(dāng)開關(guān)器件 Sa Sa3 導(dǎo)通， Sa Sa4 關(guān)斷時， A 相輸出端接到中性點 O端，此時 A相的輸出相電壓為 UA=0， 同樣可以分成兩種情況：當(dāng)負載電流 i由 A端流向負載時，此時電流由 O端流出， 經(jīng)過 Da+、 Sa2到 A端， 再流向負載，此時 Da+、 Sa2處于導(dǎo)通狀態(tài)， Da Sa Da3不導(dǎo)通， 電流流通路徑如圖 23（ I）所示。當(dāng)負載電流 i由負載流向 A端時，此時電流由 A端流入，經(jīng)過 Sa Da流到 O 端。此時 Sa Da導(dǎo)通，其余管子均不導(dǎo)通，電流流通路徑如圖 23（ II）所示。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 I II 圖 23 三電平逆變器 0狀態(tài)輸出 (3) 逆變器輸出電壓為 Ud/2 當(dāng)開關(guān)器件 Sa Sa4導(dǎo)通， Sa Sa2關(guān)斷時， A相輸出端接到負母線輸出 N端， 此時 A相的輸出相電壓為 UA=Ud/2，同樣也可以分成兩種情況： 當(dāng)負載電流 i由 A端流向負載時，此時電流由 N端流出，經(jīng)過二極管 Da Da4 流到 A 端，再流向負載，此時 Sa Sa4 由于承受反壓處于截止狀態(tài)，電流流通路徑如圖 24（ I）所示。 當(dāng)負載電流 i 由負載流向 A 端時，此時電流由 A 端流入，經(jīng)過 Sa Sa4 流到 N端。此時 Sa Sa4 導(dǎo)通，其余管子均不導(dǎo)通，電流流通路徑如圖 24（ II）所示。 I II 圖 24 三電平逆變器 Ud/2 狀態(tài)輸出 三電平逆變器各種電平的輸出狀態(tài)和功率開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系如表 21所示，從表中 容易看出 Sa1和 Sa3的狀態(tài)是互補的， Sa2和 Sa4也是互補的。為了減少 功率開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)通常規(guī)定，輸出電壓不允許＋ Ud/2 和 Ud/2 之間直接變化，只能是從＋ Ud/2到 0、 0 到 Ud/2，或者相反的變化。 樊文輝：三電頻高壓變頻器優(yōu)化控制設(shè)計 8 表 21電平的輸出狀態(tài)和功率開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系表 三電平高壓變頻器的控制策略 目前三電平變頻器對電動機的控制方式主要有： U/f恒定控制；轉(zhuǎn)差頻率控制； 矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制 【 10】 。 (1) U/f 恒定控制： U/f恒定控制是在控制電動機電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比為一恒定值，從而使電動機的磁通基本保持恒定。根據(jù)電機學(xué)理論電動機的感應(yīng)電動勢為： 1111 NfKwE ?? （ 23） 式中 E1 為電動機的感應(yīng)電動勢， Kw1 為電動機繞組系數(shù)， f1 為電源頻率， N1為電動機繞組匝數(shù)，Φ為每極磁通。電動機端電壓 U1 和感應(yīng)電動勢 E1 的關(guān)系式為： 1111 )1( IjxrEU ??? （ 24） 式中為 r1定子電阻，為 x1定子漏電抗， I1為定子電流。在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動機的端電壓和電動機的感應(yīng)電動勢近似相等。由式（ 23）可以看出，當(dāng)電動機電源頻率發(fā)生變化時，若電動機電壓不跟著變化，那么電動機的磁通將會出現(xiàn)飽和或欠勵磁。因此，在改變電動機頻率的同時，對應(yīng)地改變電動機的感應(yīng)電動勢可以維持電動機的磁通恒定。由于電動機的感應(yīng)電動勢的檢測比較困難，同時考慮到電動機正常運行時，電動機的電壓和感應(yīng)電動勢近似接近，故可通過控制 U/f一定來維持磁通的恒定。從上面的分析也容易知道 U/f恒定控制存在的主要問題就是其低速性能較差。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制：需要檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸 出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差頻 率之和作為變頻器的給定輸出頻率。根據(jù)異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型可以知道，異步電動機穩(wěn)態(tài)運行時所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為： 2212221 21211 )()()(3 xxsrsr rswWUPT C ???? （ 25） 式中 ,Te為電磁轉(zhuǎn)矩 ,p為電動機極對數(shù) ,U1為電動機機端電壓 ,ω 1為定子電壓角頻率 ,s為轉(zhuǎn)差率 ,r r2分別為定子和轉(zhuǎn)子電阻 ,x x2 分別為定子和轉(zhuǎn)子的漏電抗。 當(dāng)轉(zhuǎn)差率 s很小時 ,可以忽略式（ 25）中的 Sr1及 s2（ x1+ x2），則異步電動機穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩可用如下近似公式計算： 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 21211e )w(3 rswUPT ? （ 26） 由式（ 26）可以看出，當(dāng)頻率一定時，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率，機械特性為直線，式中 sω 1為轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的頻率，稱為轉(zhuǎn)差頻率，用ω s表示。顯然，在定子頻率不同時，相同的轉(zhuǎn)差率對應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率不同；同樣，在定子頻率不同時，相同的轉(zhuǎn)差頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率不同。 (3) 矢量控制：其基于電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，分別控制電動機的轉(zhuǎn)矩電流和勵 磁電流，具有直流電動機相類似的控制性能 [28][29]。矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，將異步電動機在靜止三相坐標系上的定子交流電流通過坐標變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流，并分別加以控制，從而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，以達到直流電機的控制效果。異步電動機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學(xué)模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程 [30]。分別如下： （ 27） （ 28） )( rqsdrdsqme iiiiPLT ?? （ 29） 當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時，應(yīng)有ψ rd =ψ r,ψ rq =0 即得： rsqrme iLLpT ?? （ 210） rmrsd L pTi ??? 1 （ 211） sdrmr iPTL?? 1? （ 212） sqrms iTLr?? ? （ 213） 式中： u為電壓；ψ為磁鏈； i為電流 。R為電阻； L為電感； p為極對數(shù)；ω 1 樊文輝：三電頻高壓變頻器優(yōu)化控制設(shè)計 10 為同步轉(zhuǎn)速； ω s為轉(zhuǎn)差角速度； Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)； P為微分因子。 s表示定子； r表示轉(zhuǎn)子； d 表示 d軸； q表示 q軸； m表示同軸定、轉(zhuǎn)子間的互感。 由此可見，電動機的轉(zhuǎn)矩和定子電流的轉(zhuǎn)矩分量成比例，只需控制定子電流分量 即可控制電動機的轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的速度和電流響應(yīng)速度相等。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制：直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想是在準確觀測定子磁鏈的空間位置 和大小并保持其幅值基本恒定以及準確計算負載轉(zhuǎn)矩的條件下，通過控制電動機的瞬時輸入電壓來控制電機定子磁鏈的瞬時旋轉(zhuǎn)速度，來改變它對轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)差率，達到直接控制電機輸出的目的 [31]。和傳統(tǒng)的磁場定向矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制是通過查表的方法選擇一個最優(yōu)矢量，把轉(zhuǎn)矩作為被控量，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。異 步電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可用式表示： ???? s in23 rsrs me LLpLT ? （ 214） 式中：σ為漏感系數(shù)；θ為轉(zhuǎn)矩角，即ψ s 和ψ r 的夾角；其他同前所述。由式（ 214）可知，轉(zhuǎn)矩角θ可以直接影響電磁轉(zhuǎn)矩 Te。由于轉(zhuǎn)子時間常數(shù)很大，在很短的采樣周期內(nèi)，定子電壓矢量的變化對轉(zhuǎn)子磁鏈的影響可以忽略不計，那么直接轉(zhuǎn)矩控制主要的控制變量是定子磁鏈矢量。為了實現(xiàn)無速度傳感器控制，采用基于定子電壓和電流的改進型磁鏈觀測模型，對定子磁鏈進行估算。在靜止坐標系下，定子磁鏈可以表達為： dtiRujiRuj sqSsqsdssdsqsds )()( ?????? ????? （ 215） 其幅值和角度為： 22s sd sq? ? ??? （ 216） sdsqs ??? arctan? （ 217） 根據(jù)上述 s θ值就可以判斷出轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，從而確定電壓矢量的選擇方法[32]。 本章小結(jié) 本章主要介紹了本實驗所采用的三電平高壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)，并對組成該結(jié)構(gòu)的各個部分的功能做了比較簡單明了的解釋，另外，也簡單的介紹了變頻調(diào)速的基本原理和三電平逆變器工作的基本原理，最后介紹了三電平高壓變頻器對于異步電動機的控制策略。 第 3 章 三電平高壓變頻器實驗平臺的搭建 三電平高壓變頻實驗平臺是進行高壓變頻故障實驗的重要前提，這一章將介紹搭建實驗平臺的相關(guān)內(nèi)容。其中涉及到 DCLink環(huán)節(jié)的設(shè)計，輸出濾波器的設(shè)江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 計，功率模塊驅(qū)動電路的設(shè)計和 DSP的應(yīng)用等。 三電平高壓變頻器實驗平臺的拓撲結(jié)構(gòu) 三電平高壓變頻器實驗平臺的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 31所示。其主要由三相自耦變壓器、三相不控整流模塊、直流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和輸出濾波器組成。三相自耦變壓器是用于實現(xiàn)改變輸入側(cè)的電壓幅值；三相不控整流模塊是用于使由三相自耦變壓器輸出的交流電整流成為 6脈波的直流電壓；直流環(huán)節(jié)是三電平高壓變頻器中的重要環(huán)節(jié)，是無功能量流通的通道；逆變環(huán)節(jié)是變頻器的核心，其主要是通過控制器給予的脈沖信號，利用 PWM原理開斷和導(dǎo)通功率開關(guān)輸出需要的輸出頻率的波形，其中開關(guān)功率器件的驅(qū)動部分是重要組成部分；輸出濾波電路其主要任務(wù)是濾除逆變器輸出的波形的諧波，輸出正弦波。 自耦變壓器 三相不控整流 直流環(huán)節(jié) DCLink 三電平逆變器 濾波器 負載 中間直流環(huán)節(jié)（ DCLink 環(huán)節(jié)） 直流環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計 直流環(huán)節(jié)（ DCLink 環(huán)節(jié)）由直流分壓濾波電容（ Cd）、限流電抗器（ Lc）、限流 電阻（ Rc）、限流二極管（ Dc）及箝位電容（ Cc）五部分組成，如圖 32 所示。其功能主要方面如下：限制功率器件開關(guān)過程中相應(yīng)的電流上升率 di/ dt 以樊文輝：三電頻高壓變頻器優(yōu)化控制設(shè)計 12 及限制橋臂直通時的電流上升率。保持功率器件開關(guān)過程中正、負母線對中心點電位，限制逆變側(cè)器件的關(guān)斷過電壓。降低器件開關(guān)過程中的開關(guān)損耗。但要實現(xiàn)以上功能，需要合理地選擇限流電抗、箝位電容以及限流電阻的參數(shù) [33]。 圖 32 直流環(huán)節(jié)（ DCLink環(huán)節(jié)）結(jié)構(gòu)圖 文獻 [34]提出了 DCLink 環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇方法。根據(jù)該方法，結(jié)合所用的功率模塊 6MBP25RA120 的特性，實驗平臺的直流環(huán)節(jié)的參數(shù)可選擇為：限流電抗器（ Lc）為 30μ H，限流電阻（ Rc）為 、箝位電容（ Cc）為 6μ F。 直流環(huán)節(jié)的拓撲改進 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于前面的 DCLink 環(huán)節(jié)中快恢復(fù)二極管存在反向恢復(fù)特性，當(dāng)逆變環(huán)節(jié)的三相橋臂之間發(fā)生相間換流時，有可能引發(fā)小直通現(xiàn)象，從而造成開關(guān)器件損壞。具體分析如下，分析電路如圖 33所示。 圖 33 直流環(huán)節(jié)沒有分相的情況 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 如果此時 A、 B 兩相輸出電壓都處于正半波，則 A、 B 相均只有 Sa Sa Sa3三個開關(guān)操作。設(shè) A 相在 t0時刻由 Sa1向 Sa2切換，則 Sa1 關(guān)斷， iDC中的 A 相電流部分將通過 DCLink 環(huán)節(jié)衰減，負載電流經(jīng)由 Sa Da+及輸出濾波電抗形成回路。如果 B相在 t1 時刻發(fā)生 Sb2向 Sb1的切換，則 Sb1將與 Db+換流，換流結(jié)束后， B相負載電流經(jīng)由 Sb Sb2及 DCLink 的限流電感形成回路。如果 iDC 中的 A相電流部分在 t1 時刻前已經(jīng)衰減至 0，則 B相箝位二極管 Db+的電流下降速度取決與 DCLink環(huán)節(jié)限流電感及直流電壓，調(diào)節(jié)限流電感即可限制相應(yīng)的反向恢復(fù) di/ dt。但是，如果 iDC 中的 A 相電流大部