矿井提升机变频调速系统的研究.pdf

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1、黑龙江科技学院硕士学位论文矿井提升机变频调速系统的研究姓名：包西平申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：杨庆江20070601黑龙江科技学院硕士学位论文摘要针对各煤矿提升机调速系统的现状，研究了基于D S P 控制的矿井提升机变频调速系统。该系统是以D S P(数字信号处理器)T M S 3 2 0 F 2 8 1 2为核心的双P W M 变频调速系统，解决了传统的提升机调速系统存在的精度低、调试复杂以及维修困难等问题，达到推动生产技术进步，提高矿井交流提升机控制系统自动化水平的目的。本文所提出的双P W M 变频调速系统，基于交直交结构采用P W M可控整流，具有实现网侧电流接

2、近正弦波。网侧功率因数近似为l，较快的动态响应，电能双向传输等诸多优点，真正实现了节能调速和“绿色环保”的高度结合。推导了三相P W M 整流器的数学模型，并给出了基于模型的控制方法；接着对如何选择主电路的参数，如交流侧电感、直流输出电压、直流侧滤波电容，也进行了细致的研究；接着又讨论了异步电机的矢量控制理论，提出了采用间接转子磁场定向的矢量控制方式；最后分析了$X,P W M 的原理、控制算法及D S P 实现。设计了双P W M 变频调速系统的硬件电路，主要包括主电路、控制电路、外围电路等。主电路采用电压型交直交电路结构：控制电路由电压、电流、转速检测电路，D S P 与上位机通讯电路，故

3、障保护电路等组成；应用T M$3 2 0 F 2 8 1 2 为控制核心，充分发挥运行速度快、运算能力强、编程灵活的特点，用软件实现了整流器的电压、电流双闭环控制：逆变器的转速、电流双闭环控制；D S P 与P C 机通讯程序设计、故障中断处理程序设计等功能。该D S P 控制的变频调速系统与传统的模拟型提升机调速系统相比，具有控制灵活、功率因数高、回馈节能、谐波污染小、维护方便、成本低等特点。仿真表明本文研究的变频调速系统是成功的。该系统具有优良的动态特性和抗干扰特性，基于产生异步电机圆形磁场的S V P W M 控制，减少了电机的转矩脉动和铁损，利用D S P 芯片T M S 3 2 0

4、F 2 8 1 2 的强大运算能力和快速实时处理能力，可使变频器中复杂的控制算法更加容易编程实现，完全可以实现异步电动机高性能控制，该变频调速系统的研制为今后开发更高性能的提升机变频调速系统奠定了良好的基础。关键词：双P W M 变频调速：矢量控制；P W M 整流器：逆变器：数字信号处理器(D S P)；电压空间矢量(S V P W M)；矿井提升机黑龙江科技学院硕士学位论文A b s t r a c tA c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no fc o a lm i n ee l e v a t o rs p e e

5、dr e g u l a t i o ns y s t e m，v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mh a ss t u d i e db a s e do nD S P T h i ss y s t e mb a s e do nD S P(d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r)o fT M S 3 2 0 F 2 8 1 2i sD u a l P W Mv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr

6、e g u l a t i o ns y s t e m，t r i e st os o l v em a n yp r o b l e m sw h i c he x i s ti nt h et r a d i t i o n a lc o a lm i n ee l e v a t o rs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m，s u c ha sl o wp r e c i s i o n，c o m p l e xd e b u g g i n g，s e r v i c ed i f f i c u l t ya n dS Oo n，p r

7、o m o t i n gt h ep r o d u c t i o no ft e c h n i c a lp r o g r e s sa n de n h a n c i n gt h ea u t o m a t e dl e v e lg o a lo fm i n eA Ce l e v a t o rc o n t r o ls y s t e m D u a l-P W Mv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mw h i c hb ep u tf o r w a r di

8、 nt h i sp a p e ri sb a s e do nA C-D C A Cc o n f i g u r a t i o n T h es y s t e ma d o p t sP W Mc o n t r o l l a b l er e c t i f i e r,i th a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha si t sa c s i d ec u r r e n tl i k es i n e w a v ea p p r o x i m a t e l y，a c s i d ep o w e rf a c t o

9、ri sc l o s et o1，q u i c k e rd y n a m i cr e s p o n s e b i d i r e c t i o n a lp o w e rt r a n s m i t，a l lt h e s er e a l i z ee n e r g y c o n s e r v a t i o ns p e e dr e g u l a t i o nw i t hh i g hc o m b i n a t i o no f”g r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n”r e a l

10、 l y T h et h r e e p h a s eP W Mr e c t i f i e rm a t h e m a t i c a lm o d e li sd e r i v e d，a n dt h ec o n t r o lm e t h o db a s e do nm a t h e m a t i c a lm o d e li Ss t a t e d；t h e nh o wt oc h o o s em a i n c i r c u i t Sp a r a m e t e r s，i n c l u d i n gA Cs i d ei n d u c t

11、 a n c e，D Cs i d eo u t p u tv o l t a g e，D Cs i d ec a p a c i t y，i sa l s os t u d i e d；t h e nv e c t o rc o n t r o lt h e o r yo ft h ei n d u c t i o nm o t o ri Sd i s c u s s e d a n dv e c t o rc o n t r o lm e t h o do r i e n t e dw i t i tr o t a t o rm a g n e t i cf i e l di n d i

12、r e c t l yi sp r o p o s e d；a tl a s t，t h ep r i n c i p l eo fS V P W M，t h ec o n t r o la l g o r i t h m，a n dt h er e a l i z a t i o nw i t hD S Pi sd e t a i l e d D u a l P W Mv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m Sh a r d w a r ec i r c u i t，i n c l u d

13、 i n gm a i nc i r c u i t，c o n t r o lc i r c u i ta n dp e r i p h e r a lc i r c u i ta n dS Oo ni sd e s i g n e db yt h ep a p e r T h ev o l t a g eA C D C A Cc i r c u i ts t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h em a i nc i r c l e T h ec o n t r o lc i r c u i ti sc o m p o s e db yt h ec i

14、r c u i to fv o l t a g e，c u r r e n t，t h er o t a t i o n a ls p e e dm e a s u r e m e n t，c o m m u n i c a t i o no fD S Pa n dP Ca n df a u l t sp r o t e c t i o ne t c T M S 3 2 0 F 2 9I2i sa d o p t e da st h ec o n t r o lc o r ew i t ht h ea d v a n t a g eo fh i g hs p e e d，s t r o n g

15、a r i t h m e t i ca b i l i t y，f l e x i b l ep r o g r a m m i n g A n dt h er e c t i f i e rw i t ht h ev o l t a g ea n dc u r r e n td u a lc l o s e d l o o p，t h ei n v e r t e rw i t ht h er o t a t i n gs p e e da n dc u r r e n td u a l黑龙江科技学院硕士学位论文c l o s e d l o o p，p r o g r a md e s

16、i g no ft h ec o m m u n i c a t i o nw i t hP C，d e a l i n gw i t hf a u l t si n t e r r u p ta n dS Oo na r er e a l i z e db ys o f t w a r e C o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a la n a l o gs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m，t h ev 缸i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l

17、 a t i o ns y s t e mb a s e do nD S Ph a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sf l e x i b l ec o n t r o l，h i g hp o w e r-f a c t o r,p o w e rs a v i n gw i t hf e e d-b a c k，n oh a r m o n i cw a v e sp o l l u t i o n，e a s ym a i n t a i n i n g，l o wc o s ta n dS Oo n T h es i m u l a t i o

18、 ni n d i c a t e st h a tt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e mr e s e a r c h e db vt h i sa r t i c l ei SS U C C E S S f u l I th a sf i n ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea n t i-j a mc h a r a c t e r i s t i c T h eS V P W Mc o

19、 n t r o lb a s e do nt h ea s y n c h r o n o u sm a c h i n ec i r c u l a rm a g n e t i cf i e l dr e d u c e dt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yt o r q u ep u l s a t i o na n dt h ei r o nl o s s U s i n gt h ef a s to p e r a t i o na b i l i t ya n df a s tr e a l t i m ep r o c e s s

20、 i n ga b i l i t yo fh i g hp e r f o r m a n c ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o n t r o lo fs p e c i a l p u r p o s eD S Pc h i pT M S 3 2 0 F 2 812m a k e st h ep r o g r a mc o m et r u ee a s i l y T h eg o o df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tf o rh i g h

21、p e r f o r m a n c ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nl a i d K e yw o r d s：D u a l P W MV a r i a b l eF r e q u e n c yS p e e dR e g u l a t i o n；v e c t o rc o n t r o l；P W Mr e c t i f i e r；i n v e r t e r；D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s o r(D S P)；V o l tS p a c eV e c

22、t o r(S V P W M)；c o a lm i n ee l e v a t o r 1 1 1黑龙江科技学院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名日期：血2：占：丛黑龙江科技学院学位论文使用授权声明黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件

23、和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登1论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权黑龙江科技学院研究生处办理。虢畔一名扭期：黑龙江科技学院硕士学位论文第一章绪论1 1 现代交流调速技术的发展与现状长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速

24、系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，2 0 世纪8 0 年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位 1,1 3 l。近几年来，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。目前，日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外，几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。因此，采用高效率经济型的交流调速系统来取代原有的直流电动机调速系统，是电机调速技术发展的新动向。1

25、1 1 电力电子器件的发展电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速技术的发展。迄今为止，电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件、自关断器件、功率集成电路P I C、智能模块I P M 四个阶段。变频器随着器件的发展而发展。器件朝着耐压高、电流大、调制频率高及集成度高方向发展。2 0 世纪5 0 年代出现晶闸管S C R，6 0 年代出现门级可关断晶闸管G T O，7 0 年代出现巨型晶体管G T R(也称B J T)和功率场效应晶体管M O S F E T，8 0 年代相继出现绝缘栅双极型晶体管I G B T 和绝缘栅双极型门控晶闸管I G C T，9 0 年代出现

26、智能功率模块I P M。G T O 是高电压大电黑龙江科技学院硕士学位论文流全控型功率器件，容量大，但关断能耗大；G T R 是电流驱动器件，通态压降低，容量没有G T O 大，但功耗大，调制频率不高，噪声大，现趋于淘汰中。M O S F E T 是电压型驱动器件，开关频率高，驱动功率小，安全工作区广，但耐压不高；而I G B T 集G T R 和M O S F E T 的优点于一体，是目前变频调速系统和通用变频器中使用最广泛的主流功率器件之一。I P M 是先进的混合集成功率器件，由高速低耗的I G B T 和优化的门极驱动及保护电路构成，采用了有电流传感器功能的I G B T，能连续监控功

27、率器件电流，从而实现高效的过电流保护。由于I P M 集成了过热保护电路和锁定保护电路，系统可靠性得到进一步提高。1 I 2 控制策略与控制理论的发展早期变频调速系统是开环恒压频比的控制方式，其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差，因此这种控制方式比较适合应用在风机、水泵调速的场合。为了提高系统的动静态性能，转差频率控制系统在v，F 控制中引入速度闭环，使逆变器输出的实际角频率随着电机转子角速度同步上升或下降。与开环V，F 控制相比，加速、减速更为平滑，

28、且系统容易稳定。但转差频率控制是从异步电机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发分析的，因而会影响系统的实际动态性能。2 0 世纪7 0 年代，西德F B l a s e h k e 等人提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和C C u s t m a n 与A A C l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”1 2 l，奠定了矢量控制理论的基础。矢量控制理论的基本出发点是，考虑到异步电动机是一个多变量、强藕合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电

29、流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型可等效为一台直流电动机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的2黑龙江科技学院硕士学位论文研究。在致力于发展异步电机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放弃其他控制思想的研究。1 9 8 5 年德国鲁尔大学D e p e n b r o e k 教授首先提出直接转矩控制理论【3 1。直接转矩控制与矢量控制不同，直接转矩控

30、制(D T C)抛开了解藕的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩1 4 J，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散的两点式调节器产生脉宽调制(P w M)信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。从转矩的角度看，只关心转矩的大小，磁通本身的小范围误差并不影响转矩的控制性能。因此，这种方法对参数变化不敏感。D T C省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号

31、处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法1 5,6 1。交流变频调速系统已经逐步向全数字化控制系统发展1 7】，数字化控制系统的主要任务是设计一个数字调节器。数字式P I D 控制是最早也是最普遍采用的控制方法，近年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制，如模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点，因而许多学者将智能控制方法引入电机控制系统中进行研究，并在交流调速系统和伺服系统中取得了比较满意的效果。另外近年来已有

32、一些学者探讨将神经网络或专家系统引入异步电动机的直接转矩控制系统，相信不久的将来会获得实质性结果。1 1 3 微处理器的新进展微处理器引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度及可靠性，节约了大量的人力和时间，操作和维护都更加方便。开始采用微处理器控制交流调速时，一般选用单片机来控制。单片机具有丰富的硬件和软件资源，但单片机的处理能力有限，特别是采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，浮点运算黑龙江科技学院硕士学位论文多，实时性和精度要求高，单片机往往不再能满足要求。为了提高运算速度，在2 0

33、世纪8 0 年代初期出现了数字处理器(D S P)，D S P 提高了时钟频率，支持浮点运算，集成了硬件乘法器，它既增强了微处理器的数据处理能力，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中得到广泛应用。D S P 采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并且各自拥有自己的数据总线和地址总线。采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高。内部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。D S P 在提高速度的同时，片内集成了越来越多的外围接口，从而大大提高了其功能。D S P 的出现使研制高性能变频调速装置成为现实。如T M S

34、 3 2 0 F 2 x x 系列D S P 是T I 公司专门针对电动机、逆变器等控制而设计的，它有两个事件管理器模块E V A 和E V B 为三相P W M 整流器和逆变器功率元件提供了1 2 路专用的P W M 波2”1 1 4 交流变频调速中的双P W M 技术发展在变频调速系统中，整流器和逆变器均采用P W M 技术，称为双P W M变频调速系统。对P W M 整流器的研究开始于2 0 世纪8 0 年代。经过几十年的研究与发展，P W M 整流器技术已日趋成熟。P W M 整流器主电路己从早期的相控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路：其拓扑结构己从单相、三相电路发展到多相组合及多

35、电平控制；主电路类型既有电压型整流器(v S R)，也有电流型整流器(C S R)，并且两者在工业上均成功地投入了应用。其中，两电平的拓扑结构适用于中小功率整流器或开关电源，多电平的多用于大功率场合。虽然，电流型P W M 整流器的网侧电流控制策略率先提出，但长期以来，电压型P W M 整流器以其简单的结构、较低的损耗、方便的控制等一系列优点，一直成为P W M 整流器技术研究的重点。由于P W M 整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而使P W M 整流器及其控制技术获得了进一步的发展和拓宽。2 0 世纪9 0 年代，国外开始了基于P W M 整流器的交流传动应用系统研究，即双P W M 变频

36、调速系统的研究，并且已有双P W M 变频调速系统产品问世。特别是近几年，A B B、G E、罗克韦尔、富士电机等公司相继都有产品问世，其中G E 公司的I N N O V A T I O N 系列中压变频器在四象限运行方面比较领先且在工程上运用的项目较多，双P W M 结构的四4黑龙江科技学院硕士学位论文象限变频器推出较早，在可逆系统中应用较多。国内对双P W M 变频调速系统的研究起步较晚，目前其研究还处于实验室阶段，还没有可靠产品生产的报道。同时，国外的此类装置价格昂贵，有的对电网的要求比较高，应用起来不方便。1 2 矿井交流提升机拖动系统的概况矿井提升机是矿山的重要设备之一，是往返于井

37、下与地面的运输工具。担负着对有用矿物、矸石、机电设备、建筑材料和人员的升降任务，它处于矿井的咽喉位置，是矿山生产至关重要的大型设备，对矿山生产及安全起着非常重要的作用，有着重要的国民经济意义。由于提升机的生产工艺要求比较高，所以它的电气传动及控制装置一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用己成为必然的发展方向。1 2 1 国外矿井提升机拖动系统的发展从上世纪7 0 年代

38、开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。如A E G 公司采用C P 8 0 微机、A B B 公司采用M A S T E R 2 0 0 和S I E M E N S 公司采用S S 1 5 0 等微机实现的变频控制，都获得了相当成功。它们把控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在公共的微机控制总线上。组成静止交流器的传动控制，计算机实现速度及多个变量的调

39、节。德国A E G 公司的L o g i d y nD、西门子公司的S i e m a d y nD 以及A B B 公司的T y r a k 系统都已应用于提升机上。全数字化系统具有硬件结构单一，参数稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点p J。黑龙江科技学院硕士学位论文1 2 2 国内矿井提升机拖动系统的发展目前我国提升机约7 0 采用串电阻调速的交流拖动方式。有单绳和多绳两种系列，大都采用改变转差率s 的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性交差：另外传统的交流拖动方式，还存在给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠

40、性差，维护工作量大等缺点。由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩，因而难以准确地控制提升机地转速。目前多采取动力制动或低频拖动加制动地方式来完成减速、爬行和停车。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调试困难、维护量大的问题。针对传统的交流调速系统存在的问题，自八十年代以来，主要针对制约提升安全的环节，陆续增设了经常影响提升安全的深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使提升安全状况有所改善。但和国外相比，我们还存在很大的差距，设备陈旧、技术落后，计算

41、机、可编程控制器、数字控制等新技术和新装备的应用仍处于起始阶段。1 3 双P W M 变频调速系统结构及工作原理在交直交电压型的双P W M 变频调速系统中，整流器和逆变器均采用P 删技术，无须增加任何附加电路就能实现变频器再生能量向电网的回馈，实现能量双向流动，实现调速电机四象限运行。此调速结构非常适合提升机电动机的控制，使提升机起动、加速、等速、制动减速、爬行等环节均能自动进行。另外在提升机下放罐笼或箕斗电动机反转，能方便的实现四象限运行，实现能量回馈电网，实现电控系统的节能降耗。主电路拓扑结构如图1 1 所示。6黑龙江科技学院硕士学位论文llll交流电同侧IP W M 整UI直流侧I 聃

42、礓I 逆变器I 交漉电动机饲IIII图1 1 双P W M 变频调速系统主电路拓扑结构F i g 1 1M a i nc o n f i g u r a t i o no f d u a l-P W Mv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m根据能量的流向，双P W M 交流调速系统运行状态可以分为两种【1 0 l。1 能量由三相交流电网流向电动机负载当电动机处于拖动运行状态时，能量由交流电网经系统中的整流器流向逆变器。此时，整流器工作在整流状态下，使用P W M 方式控制交流网侧的电流与电

43、网相电压同相位，实现单位功率因数整流；逆变器工作在逆变状态下，逆变桥开关管在P W M 控制下，输出频率与幅值可调的正弦电压信号，实现交流电机的变频调速。2 电动机再生能量馈入三相交流电网在变频调速过程中，当电动机处于减速运行时，由于负载惯性作用进入发电状态。此时，逆变器工作在整流状态下，交流电动机的再生能量经由逆变器中开关元件和续流二极管向中间直流环节的储能电容充电，使电容器两端电压升高：整流器工作在有源逆变状态下，其开关元件在P W M 控制下，将能量馈入交流电网中，完成能量的双向流动。同时，由于P W M 整流器闭环控制作用，加上使用自关断器件和开关频率的大幅度提高，使馈入电网的电流为与

44、电网相电压相位相反的正弦波，系统的功率因数约等于1，回收了再生能量，提高了系统功率因数，消除了变频装置对电网的谐波污染。7黑龙江科技学院硕士学位论文1 4 课题提出及研究意义随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，诸多新型异步电动机控制技术不断被提出，给电机控制带来了很多发展的机遇。同时也出现了一些高性能、低能耗、低成本的异步电动机调速系统。这为提升机电控系统的改造带来了巨大的施展空间。针对我国目前主要使用进口变频调速系统或使用自主研发的由分立元件构成的模拟方式控制系统这一现状，特别我国的中小功率提升机电控系统仍然采用古老、陈旧的T K D A 交流拖动系统，急需进行现代化改造。因

45、此，研制双P W M 矢量控制变频调速系统，是当前矿井提升机调速系统改造的迫切需要。本课题运用电压空间矢量调制技术，开发了以T I 公司的T M$3 2 0 F 2 8 1 2 为核心的，具有良好人机界面的矿井提升机双P w M 变频调速系统，并且通过本课题的研究解决变频调速系统中的几个问题。1 5 课题研究的主要内容以D S PT M S 3 2 0 F 2 8 1 2 为控制核心，分别对变频调速系统中的整流和逆变模块进行P W M 控制，实现全数字化控制。主要工作如下：1 推导电压型P W M 可逆整流器的数学模型，并以此模型为依据，探讨比较了多种控制方法，优选出实用而且便于数字实现的控制

46、方法。另外对如何选择主电路参数进行了研究。2 对矢量控制基本原理及方法进行研究，建立基于D S P 的矢量控制系统，并讨论了电压空间矢量法的实现。3 设计了基于D S PT M S 3 2 0 F 2 8 1 2 的双P W M 矢量控制变频调速系统的主电路、控制电路、同步电路、故障保护电路及其它外围电路。4 用程序实现了系统的底层控制软件，包括整流侧和逆变侧。5 对系统的有关部分进行了M A T L A B 仿真实验。8黑龙江科技学院硕士学位论文第二章电压型P W M 整流器P W M 整流器可以使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出可逆P W M 整

47、流器和不可逆P W M 整流器两类不同拓扑结构的P W M 整流器。文中设计的矿井提升机交一直一交变频调速系统中的整流器为可逆P W M 整流器，简称为P W M整流器。按直流储能形式又可将P W M 整流器分为电压型和电流型。长期以来，电压型P W M 整流器以其简单的结构、较低的损耗、方便的控制和较快的响应速度等一系列优点，一直成为P W M 整流器研究的重点，在工程实际中也应用很广。2 1 电压型P W M 整流器理论分析2 1 1 三相P W M 整流器(V S R)工作原理图2-l(a)中的三相电压型P W M 整流器(V S R)主电路由交流回路、功率开关管桥路及直流回路组成。在稳

48、态工作时，三相V S R 输出直流电压不变，开关器件在P W M 控制下开通或关断，三相V S R 交流侧输出电压是和三相P W M 逆变器输出电压类似的P W M 电压波。同样，由于输入电感的滤波作用，忽略三相V S R 交流网侧输出电压的谐波，三相V S R可以看作可控的正弦三相电压源。它输出的基波电压矢量y 与电网电压矢量E 共同作用于输入电感工和交流网侧等效电阻R 上，产生输入电流矢量J r，如图2 1(b)所示。因此，适当调节整流器交流端电压的幅值和相位，可以获得所需幅值和相位的输入电流，实现单位功率因数整流或逆变1 1 1 。2 1 2 三相P W M 整流器(V S R)数学模型

49、建立可逆P W M 整流器的数学模型是深入研究P W M 整流器特性和9黑龙江科技学院硕士学位论文实现其整流控制和能量回馈控制的重要步骤。通用的数学模型有三种：一是三相静止坐标系A B C 下的基于开关函数描述的一般数学模型；二是基于二相静止坐标系t 卢下的数学模型；三是基于坐标变换的同步旋转由坐标系下的由模型【1 2,1 3,1 4,15,1 7】。1 三相静止坐标系A B C 下的数学模型主电路拓扑如图2 1 所示，建立模型前做如下假设：(1)交流电电源为三相平稳的纯正弦波电动势；(2)功率开关管为理想器件，没有过渡过程，通断由开关函数描述；(3)电阻尼、和反电势串联等效直流侧负载。O(口

50、)图2 1 三相电压型P W M 整流器工作原理(a)主电路(b)基波等效电路(6)F i g 2-1P r i n c i p l eo f t h r e e-p h a s ev o l t a g es o u r c eP W Mr e c t i f i e r(a)m a i nc i r c u i t(b)e q u i v a l e n tf u n d a m e n t a lc i r c u i t开关函数表达式定义为：轳怯篇 翼翌磲羹蓄m 咖，亿，。I o，脚下桥臂导通，上桥臂关断。一一一7由上图可知，当V。导通，V。关断时，S I=1，且v“=；当V。关断，V