感应电动机低成本变频调速系统研究

摘要

近年来，低成本、低谐波、低功率、高功率因数的单相-三相感应电动机变频调速技术在民用领域应用广泛，本文针对以上需求进行相应的研究工作。由于低功率变频调速器低成本化的主要途径在于使用较少的功率器件，因此研究切入点放在变频调速器主电路拓扑结构的简化及其优化控制。 在变频调速器的逆变桥部分，文中分析表明：理想的选择是采用四开关三相逆变桥。本文利用磁链轨迹控制技术对四开关三相逆变桥进行了详尽的分析，总结了8个可能的电压控制矢量，证明其中4个矢量V0°，V90°，V180°，V270°可作为对逆变桥进行感应电动机磁链轨迹控制的基本矢量。而另外4个矢量，一般情况下只能在逆变桥的低频工作区有利用价值。 文中发现四开关三相逆变桥没有零电压控制矢量，因此控制电机磁链轨迹时，时间调整遇到困难。为解决这一问题，明确提出了磁链轨迹回扫延时的概念，并提出了简化的在线控制算法。 研究表明四个基本电压控制矢量的幅值不相等，假定矢量V0°，V180°的幅值为E时，矢量V90°和V270°的幅值却为√3E，因此必须遵循控制时间与控制矢量幅值比例等效兑换的原则。 分析表明由于基本电压控制矢量V0°，V180°与V90°，V270°的控制轴线相互垂直，控制这两组矢量可产生相似于两相电机的相互垂直的磁场。因此，四开关三相逆变桥相似于具有垂直磁场控制的两相电机驱动器。 在变频调速器的整流与功率因数校正部分，文中探讨了低成本变频器的功率因数校正和谐波治理问题。考虑到限定使用廉价可靠的标准六开关IPM模块，文中重点研究了A型和B型两种低成本变频器主电路方案。A型主电路采用倍压半桥PWM整流与四开关三相逆变桥，性能价格比高。但应用在我国，由于单相电压的有效值为220伏，是欧美电压的两倍，因此造成直流母线电压过高。为此本文提出了B型主电路方案，使直流母线电压降为A型电路的一半。文中详尽研究了A型、B型电路实现PFC(PowerFactorCorrection)功能的基本工作原理与造成直流母线电压不平衡、不稳定的原因，并进行了相应的稳态分析和参数计算。 针对直流母线电压分配不均衡问题，文中参考相关文献研究了不均衡放电校正法，发现其存在的不足之处，相应提出了新的不均衡充电解决方案。-Ⅰ-事实证明不均衡充电法优于不均衡放电法，把两种方法结合使用效果更佳，再配合闭环控制，即可实现母线电压的稳定与快速均衡分配。 本文研究了低成本变频调速器的闭环控制技术。所构成的闭环控制系统以直流母线为界总体分为两部分，其一是三闭环直流母线电压稳定与均衡分配控制系统，其二是简化的感应电动机矢量变换闭环控制系统。 由于开环的感应电动机磁链轨迹控制与闭环的矢量变换控制技术都以气隙磁链作为控制的纽带，因此低成本变频调速系统的闭环控制采用感应电动机矢量变换是合理的。但原有的矢量变换控制技术采用检测电信号()控制电信号的技术线路，控制过程以气隙磁链为中介，涉及繁杂的信号变换运算。为此本文提出了简化的方案，即：检测电信号()控制磁信号，利用磁链轨迹跟踪技术直接控制气隙磁链，可以大为简化矢量变换流程。 本文实际构成了感应电动机低成本变频调速实验系统。介绍了其硬件软件设计与实验结果，验证了理论分析的合理性与正确性，为进一步开发具有工程实用价值的低成本单相-三相变频调速系统提供了实际经验。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题的背景与研究意义

1.2交流变频调速技术发展综述

1.3低成本变频调速系统的发展现状

1.3.1低成本变频调速器主电路拓扑研究

1.3.2三相逆变桥最小拓扑结构的研究

1.3.3基于四开关逆变桥的主电路拓扑

1.4存在的主要问题及其解决方法

1.5本文主要研究内容

第2章四开关三相逆变桥的磁链轨迹控制

2.1引言

2.2基于经典电机理论分析四开关逆变桥

2.3感应电动机磁链轨迹控制

2.4四开关逆变桥基本电压控制矢量的研究

2.5四开关逆变桥磁链轨迹改进控制

2.6磁链轨迹改进控制编程算法

2.7四开关逆变桥开环运行实验

2.8本章小结

第3章低成本变频器的功率因数校正与谐波治理

3.1引言

3.2具有PFC环节的低成本变频器拓扑结构

3.3 A型变频器的PFC功能研究

3.4 A型变频器的PFC电路稳态分析和参数计算

3.4.1倍压整流与PFC环节的等效电路

3.4.2 PFC等效电路的稳态分析与参数计算

3.5 B型变频器的PFC电路及其改进

3.6 B型变频器PFC环节的分析与计算

3.7本章小结

第4章直流母线电压的稳定与均衡分配

4.1引言

4.2直流母线电容分压不均衡的原因

4.3不均衡放电法

4.4不均衡充电法

4.5两种校正方法的结合

4.6直流母线电压的闭环控制

4.7本章小结

第5章低成本变频调速闭环控制系统

5.1引言

5.2感应电动机矢量变换控制

5.3低成本变频器应用矢量变换控制

5.3.1四开关逆变桥与两相电机控制系统

5.3.2磁链轨迹与矢量变换控制的内在联系

5.4基于磁链轨迹控制的简化矢量变换流程

5.5闭环控制系统的构成与软件设计

5.6闭环控制系统的硬件设计

5.7闭环控制系统实验研究

5.8本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历