10KV单元串联式高压变频器及其矢量控制策略的研究

摘要

随着高压电动机对调速性能、节能增效要求的增加，高压变频器得到了日益增长的需求，对其结构原理和变频调速算法的研究是当前电气传动领域的热点问题。本文对10KV单元串联式高压变频器进行了全面的研究与设计：分析了其电路原理和控制方式；给出了模拟量控制电路的实现和10KV整机评价试验结果；并对高压变频器的无速度传感器矢量控制策略进行了设计。 本文首先分析了10KV高压变频器的主电路拓扑结构和功率单元电路的设计原理，基于功率单元的串联式结构和多电平移相式PWM技术，使变频器的输出电压具有多级阶梯电平和高开关频率的特性，输出波形良好。接着，分析了控制电路的构成和功能。重点是模拟量控制电路的设计和实现，运用Multisim对电路进行了仿真，运用ProtelDXP对电路进行设计并且完成PCB制板，最终成功运用于10KW高压变频器。 对10KV单元串联式高压变频器的整机评价试验进行了详细介绍，通过在各种工况下的测试，给出了功率单元和整机的各项试验数据和波形，评价结果证实10KV高压变频器的整机特性和功率单元内各器件满足设计要求。 最后对无速度传感器矢量控制策略在10KV高压变频器上的应用进行了研究。基于转子磁链定向矢量控制理论，设计了磁链闭环无速度传感器矢量控制系统，并运用MATLAB/Simulink对系统进行了仿真研究。电流调节器、磁链调节器和速度调节器以期望的响应为基准的设计方式，使实际值能很好的跟随指令值。扰动观测器解决了动态降速的问题，使系统动态抗扰性能提升。对比分析了两种改进电压模型磁链观测器，仿真结果表明励磁电流补偿模型相比磁链参考值补偿模型具有更好的动态性能，观测磁链值更加准确。在转速估算方面，动态转速估计器结合速度滤波和超前校正补偿的设计，使系统在高速和低速状态下都能取得良好的转速转矩特性。此外，对模型参考自适应(MRAS)方法进行了一些仿真研究。两种转速估算方法的仿真结果证明了其可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1高压变频器概述

1.2无速度传感器矢量控制系统综述

1.2.1研究的历史及现状

1.2.2磁通观测和转速估计方法分类

1.2.3研究的前沿问题

1.3本文研究的主要内容

第2章10KV单元串联式高压变频器的研究与系统实现

2.1 10KV单元串联式高压变频器主电路的构成

2.2单元主电路设计

2.3控制电路的构成

2.4本章小结

第3章10KV单元串联式高压变频器模拟量控制电路的设计与实现

3.1单元串联式高压变频器模拟量控制电路原理设计及仿真

3.1.1变频器系统检测量电路

3.1.2外部控制模拟量电路

3.1.3模拟量输出电路

3.1.4保护信号电路

3.2单元串联式高压变频器模拟量控制电路的功能实现

3.2.1模拟输入功能实现

3.2.2模拟输出功能实现

3.3本章小结

第4章10KV单元串联式高压变频器的实验评价

4.1单元评价试验

4.2 380V输入/380V输出低压满载评价试验

4.3 1OKV输入/10KV输出空载试验

4.4控制电路干扰注入试验

4.5本章小结

第5章转子磁链定向矢量控制系统原理

5.1坐标变换

5.2异步电动机的动态数学模型及其等效变换

5.2.1异步电动机的多变量非线性数学模型

5.2.2异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型

5.2.3异步电动机在两相旋转坐标系上的数学模型

5.3转子磁链定向的矢量控制系统原理

5.3.1矢量控制基本思路

5.3.2转子磁链定向条件下的电机模型

5.4本章小结

第6章高压变频器上按转子磁链定向无速度传感器矢量控制系统的设计

6.1系统整体设计思路

6.2无速度传感器磁链闭环矢量控制系统

6.3系统调节器的设计

6.3.1电流调节器的设计

6.3.2磁链调节器的设计

6.3.3速度调节器的设计

6.4扰动观测器的设计

6.5磁链观测器的设计与仿真分析

6.5.1两种改进电压模型磁链观测器的设计与分析

6.5.2两种改进电压模型的仿真结果分析

6.6转速估计器的设计与仿真分析

6.6.1动态转速估计器的设计与仿真分析

6.6.2模型参考自适应(MRAS)估计器的仿真研究

6.7对于高压变频器矢量控制策略的研究小结

第7章结论与展望

7.1研究成果总结

7.2研究工作展望

参考文献

附录 电机参数表

攻读硕士学位期间发表和录用的论文

致谢