电力电子系统集成——运动控制模块与系统集成

摘要

电力电子系统集成是一个以电力电子技术为基础的新学科增长点，代表着本世纪电力电子技术发展的方向，具有促进电力、能源、工业生产自动化产生革命性变革的良好前景。而运动控制系统是电力电子技术在电气传动领域的具体应用，它和其它的电力电子应用系统相比，既有很多共同之处，又有独特的地方。在这样一个趋势和机遇下，本文对电力电子系统级集成的分布式控制体系、通讯模型、软件集成设计技术进行了研究，并将系统集成的概念扩展到运动控制领域，对基于运动控制模块和系统集成概念的变频器并联运行和多相电机运动控制系统进行了研究，得出了一些有意义的研究成果。 按照电力电子系统集成的要求，分析了其分布式分层控制体系，提出了基于OSI模型的通信模型，分析了通信模型和分布式控制体系之间的映射关系。通过对照通信模型，控制体系的各层之间保持相对独立、概念清晰，有利于系统扩展或升级。归纳总结了分布式控制体系的基本结构形式，比较分析了它们的特点、存在的问题和使用目的。 结合分布式电力电子系统对软件体系的要求，研究指出数据流体系和面向对象数据流体系适合作为分布式电力电子软件的软件体系。总结归纳了数据流体系的DSP算法的编程规范。阐述了面向对象数据流体系的理论、及其在分布式运动控制系统软件设计中的应用，提出了面向对象数据流体系的增量设计方法，以三相感应电机的压频比控制为例来论述增量设计方法的应用和优点。遵循共同的设计规范，采用面向对象数据流体系的软件设计方法来编写控制软件，对于电力电子系统的软件集成设计具有指导意义。 提出了基于系统集成概念的变频器并联运行方案，初步探讨了变频器并联运行的相关问题。对三相不控整流标准模块的并联运行进行了研究，提出了均流方案对环流进行抑制。对三相逆变标准模块的并联运行进行研究，分析了环流问题，提出了“同调制”的概念，指出只有当各模块的输出电流达到了同频率、同相位、同幅值、同调制的要求，逆变模块并联以后才没有环流；分别讨论了无功环流和有功环流的抑制方法，提出了自动主从同步方案，更好地处理并联逆变模块的同步运行。基于系统集成概念，通过多个小功率变频器分布式并联运行来构建中大功率变频器，很具有现实意义。 在电力电子系统集成概念的指导下，通过运动控制模块的系统集成来构建六相异步电机的分布式变频调速系统。分别讨论了六相异步电机分布式SPWM变频调速和分布式SVPWM变频调速的实现，并进行了仿真验证。扩展开来，采用同样的思路也可以实现其它多相（3的倍数相）电机的分布式SPWM和SVPWM控制。 通过对基于系统集成概念的变频器并联运行和多相电机运动控制系统的研究说明，在某些场合运动控制系统集成十分有用。在电力电子系统集成的背景下，对电机运动控制系统的系统集成理论和方法开展研究，具有重要的学术价值和实用意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 电力电子技术的发展现状

1.1.1 电力电子技术的发展

1.1.2 电气传动(运动控制)技术的发展

1.1.3 电力电子技术和运动控制技术面临的挑战

1.2 电力电子系统集成的概念和意义

1.2.1 系统集成的概念

1.2.2 电力电子系统集成概念的提出

1.2.3 电力电子系统集成的意义

1.3 电力电子系统集成涉及的研究领域

1.3.1 电力电子技术

1.3.2 封装技术

1.3.3 分布式控制枝术

1.3.4 通信技术

1.3.5 软件技术

1.3.6 本节小结

1.4 电力电子系统集成研究现状

1.5 本文选题的意义和主要研究内容

1.5.1 本文选题的意义

1.5.2 本文主要研究内容

第2章 电力电子系统集成分布式控制体系

2.1 电力电子分布式控制体系

2.1.1 电力电子集中式控制体系

2.1.2 电力电子分布式控制体系

2.1.3 电力电子分布式控制体系的特点

2.2 电力电子系统的控制权限的划分和通信接口的选择

2.2.1 三相电压源型逆变器控制体系的分析

2.2.2 三相升压整流器控制体系的分析

2.2.3 不同接口的通信要求

2.2.4 控制权限的划分

2.3 分布式控制体系通信模型

2.3.1 ISO/OSI参考模型的结构

2.3.2 基于OSI参考模型的现场总线系统

2.3.3 分布式控制体系的通信模型

2.3.4 分布式控制体系和通信模型的对应

2.3.5 通信模型的特点

2.4 电力电子通信协议

2.4.1 电力电子网络解决方案—PESNet

2.4.2 电力电子通信协议的改进

2.5 分布式控制体系的基本结构形式

2.5.1 常规集成

2.5.2 级联集成

2.5.3 并联集成

2.5.4 串联集成

2.5.5 比较分析

2.6 本章小结

第3章 电力电子控制软件的系统集成设计技术的研究

3.1 电力电子控制软件系统集成设计的必要性

3.1.1 “主程序-子程序”软件体系

3.1.2 几种候选的软件体系

3.1.3 分布式电力电子系统对软件体系的要求

3.1.4 软件体系的比较

3.2 基于ECO的数据流体系的软件设计方法综述

3.2.1 基本控制对象ECO

3.2.2 数据通道

3.2.3 数据流流程图

3.2.4 数据流体系实时操作系统

3.2.5 ECO库

3.2.6 本节小结

3.3 基于数据流体系的DSP控制软件的设计规范

3.3.1 DSP在电力电子系统集成中的应用

3.3.2 通用编程规范

3.3.3 模块级规范

3.3.4 算法性能规范

3.3.5 本节小结

3.4 面向对象数据流体系在运动控制软件设计中的应用

3.4.1 运动控制(电力电子)软件的模块性

3.4.2 典型运动控制软件的ECO模块

3.4.3 运动控制软件的通用ECO模块库

3.4.4 采用面向对象技术的ECO的具体实现

3.4.5 基于ECO的面向对象数据流体系的增量设计方法

3.4.6 实验验证

3.4.7 本节小结

3.5 本章小结

第4章 基于系统集成概念的变频器并联运行的研究

4.1 三相整流标准模块和三相逆变标准模块的构建

4.1.1 三相不控整流标准模块

4.1.2 滤波电容的参数设计

4.1.3 三相逆变标准模块

4.1.4 交流滤波电感和滤波电容的参数设计

4.2 系统集成概念下的变频器并联运行初步研究

4.2.1 系统结构

4.2.2 环流和同步问题

4.2.3 其它问题

4.3 三相不控整流标准模块并联的研究

4.3.1 变频器并联运行的整流解决方案

4.3.2 整流模块并联的均流方案

4.3.3 本节小结

4.4 三相逆变标准模块并联环流的研究

4.4.1 逆变模块并联环流问题的解析分析

4.4.2 逆变模块功率器件参数对并联的影响

4.4.3 均流电感对环流的抑制作用

4.4.4 逆变模块控制器参数对并联的影响

4.5 分布式运动控制系统逆变模块并联的同调制要求

4.5.1 同调制概念的提出

4.5.2 实验验证

4.5.3 变频阶段的同调制要求

4.5.4 本节小结

4.6 逆变标准模块并联运行技术

4.6.1 逆变模块并联无功环流的抑制

4.6.2 固定主从同步方案对有功环流的抑制

4.6.3 自动主从同步方案对有功环流的抑制

4.6.4 同调制问题的解决方案

4.7 本章小结

第5章 基于系统集成概念的六相异步电机控制

5.1 六相异步电机仿真模型的建立

5.1.1 多相电机的特点

5.1.2 六相异步电机数学模型简述

5.1.3 六相异步电机的仿真模型

5.2 基于系统集成概念的变频调速系统的构想

5.2.1 系统结构

5.2.2 恒相位差同步

5.2.3 本节小结

5.3 六相异步电机分布式SPWM变频调速控制

5.3.1 分布式SPWM变频调速的实现

5.3.2 任意移相的问题

5.3.3 本节小结

5.4 六相异步电机分布式SVPWM变频调速控制

5.4.1 理论分析

5.4.2 仿真结果

5.4.3 本节小结

5.5 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 论文的工作总结

6.2 今后的工作展望

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢