異步電機高性能變頻器若干關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)具有重要的實用價值和廣闊的市場空間,而研究和推廣高性能的變頻器是提高生產(chǎn)生活水平、促進節(jié)能減排,減少電網(wǎng)污染的有效途徑,所以這也是人類社會實現(xiàn)科技進步和可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。本文在調(diào)研異步電機相關(guān)控制技術(shù)和變頻器硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,主要對變頻器傳動單元中有利于降低系統(tǒng)成本、提高可靠性和適用性的無速度傳感器矢量控制技術(shù)以及供電單元中有利于改善網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量、提高能源利用效率的有源前端實現(xiàn)結(jié)構(gòu)進行了較深入的研究,并提出了

2、一些新的解決方案。
　　 首先,本文在分析了幾種適用于無速度傳感器矢量控制的磁鏈觀測結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對轉(zhuǎn)速自適應型全階磁鏈觀測器進行了較深入的研究。通過線性化小信號模型的方法說明了傳統(tǒng)設(shè)計方案在低速再生制動工作狀態(tài)下所存在的不穩(wěn)定問題,進而提出了一種能夠解決這一問題的全階觀測器反饋增益矩陣改進設(shè)計方法。然后,在設(shè)計并實現(xiàn)了異步電機無速度傳感器矢量控制硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對改進方案進行了實驗,實驗結(jié)果證明所提出的改進方案確實可以拓展無速

3、度傳感器控制在低速范圍內(nèi)的穩(wěn)定工作范圍。
　　 其次,本文從實際應用的角度出發(fā)分析了常見非理想因素對全階磁鏈觀測器的影響并研究了相應的解決方案。針對電機參數(shù)誤差對于全階觀測器中磁鏈觀測和轉(zhuǎn)速估算準確性的影響,本文在綜合考慮磁鏈和轉(zhuǎn)速之間耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上進行了詳細的理論分析,并且結(jié)合系統(tǒng)仿真結(jié)果總結(jié)了觀測誤差隨不同參數(shù)變化的規(guī)律。然后分別對電機參數(shù)的全靜止狀態(tài)自整定方法和在線辨識方法進行了不同程度的分析和實驗。針對傳動單元中逆變器

4、硬件系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的非理想因素,則分別研究了數(shù)字化、采樣、死區(qū)效應等三個方面。在數(shù)字化問題上分析了常用離散化方法應用于全階磁鏈觀測器時的優(yōu)缺點,進而提出并實驗驗證了一種正向差分與雙線性變換相結(jié)合的離散化方案。所提出的方案能夠同時實現(xiàn)較高的精度和較少的運算量,一定程度上解決了高開關(guān)頻率應用場合中離散化全階觀測器的實用問題。在采樣問題上主要分析了定子電流采樣不同頻率范圍誤差對全階觀測器轉(zhuǎn)速估算和磁鏈觀測的影響,并說明了合理設(shè)計定子電流采樣環(huán)

5、節(jié)的重點問題。在死區(qū)效應的問題上詳細分析了電壓源逆變器死區(qū)效應的產(chǎn)生機理以及對觀測器定子電壓重構(gòu)的影響,并在此基礎(chǔ)上提出了一種考慮電流過零階段的電流狀態(tài)判斷電路和方法,以及相應的死區(qū)補償方案。理論分析和實驗結(jié)果證明該方案可判斷出逆變器輸出電流的瞬時極性以及兩種不同的過零狀態(tài),并可根據(jù)判斷結(jié)果選擇最適合的死區(qū)補償量來提高死區(qū)補償?shù)臏蚀_性,從而有效地減小定子電壓重構(gòu)誤差對磁鏈觀測的影響。
　　 最后,本文對變頻器中基于LCL型濾波器

6、的有源前端供電單元的設(shè)計及其網(wǎng)側(cè)電流優(yōu)化控制技術(shù)的研究與實驗。在分析了系統(tǒng)硬件參數(shù)和控制方案設(shè)計原則的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了完整的以有源前端結(jié)構(gòu)作為供電單元的變頻器硬件樣機,并對系統(tǒng)的驅(qū)動和回饋制動能力進行了實驗。同時也分析了在電網(wǎng)電壓畸變的條件下系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流諧波的抑制能力,并說明了LCL濾波器諧振問題給傳統(tǒng)控制方案帶來的局限性,進而對改進控制方案進行了研究和實驗。一方面從穩(wěn)定性條件、補償函數(shù)設(shè)計、以及諧波抑制特性等方面對兩種結(jié)構(gòu)的復合重復控制

7、方案進行了詳細的分析,并結(jié)合實驗總結(jié)了兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)缺點和適用性:另一方面在反饋電容電壓的有源衰減方案的基礎(chǔ)上,提出了應用降階觀測器觀測電容電壓代替直接使用傳感器對電容電壓進行采樣的方法來實現(xiàn)有源衰減的方案,而且也通過實驗結(jié)果證明了該方案能夠在不增加系統(tǒng)硬件成本和復雜度的同時實現(xiàn)有源衰減并提高控制性能。另外,也根據(jù)實驗結(jié)果對比了重復控制和有源衰減應用于本系統(tǒng)時各自的優(yōu)缺點。
　　 總之,本文以改善性能和提高實用價值為主要目