电机变频/工频运行柔性切换控制系统

摘要

近年来，随着中国经济的快速发展，中高压电机已经广泛地应用于电力、冶金、煤炭等重要行业。为了实现电机的软起动/软停止并降低能源消耗，电机供电电源需要在变频器和电网之间实现切换。然而，大功率电动机供电电源变频/工频切换操作会产生严重的电压、电流冲击，给供电系统和拖动系统带来严重影响。因此，对电机变频/工频切换方法进行研究具有重要的价值与意义。 本文以中高压异步电机电源变频/工频切换系统为研究对象，以消除过电压与电流冲击为控制目标，开展了柔性切换控制研究。具体内容如下： 分析了级联H桥变频器的拓扑结构与工作原理，推导了其在d-q坐标系下的数学模型；详细地分析了适用于多电平变流器的载波相移调制策略的机理与脉冲信号分配方法；建立了异步电机的数学模型，推导了恒电压频率比变频软启动控制策略。 阐述了直接切换、异步切换、同步切换三种变频/工频切换控制方法的工作原理，分析了切换过程中过电压与电流冲击的产生机理进，总结出实现电机电源变频/工频无冲击切换的条件。对三种变频/工频切换控制方法进行了仿真验证，结果表明，直接切换与异步切换时，变频器与工频电网的电流和电压冲击、电机定子电流冲击均非常严重；同步切换时变频器与工频电网的电流和电压仍会发生突变，进而导致严重的过电压，对变频器、电网、电机造成损坏。 为了实现变频/工频无冲击切换，采用了一种基于直接功率控制算法的变频/工频柔性切换控制方案。柔性切换方案采用直接功率控制算法对变频器所输出的功率进行控制，变频器与电网输出电流随着功率参考值的变化而缓慢变化，可以消除过电压冲击，实现工频电网与变频器之间的无冲击切换。结合从变频到工频的切换过程，阐述了该控制方案的操作步骤，分析了各阶段的控制目标与等效电路。在瞬时功率理论基础上建立了功率前馈解耦直接功率控制策略的数学模型，并分析了相位渐进调整方法。 最后，针对本文所采用的基于直接功率控制算法的变频/工频柔性切换控制算法，在Matlab/Simulink 仿真平台上，分别搭建了级联 H桥变频器模型、三相电网模型以及异步电机模型，模拟电机软启动后从变频电源切换到工频电源的过程，仿真结果验证了所采用柔性切换的有效性。在RT-Lab平台上，以DSP+FPGA为控制器进行了半实物实验，进一步验证了柔性切换控制的有效性。

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