直流总线式三相异步电机反馈试验系

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 6.42MB 72 页 15积分

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摘要

近年来，随着电力电子技术、半导体技术和计算机技术的飞速发展，交流调

速技术也发展到一个新的高度。要研制出一个高性能的交流调速控制系统需一套

高性能的交流传动试验系统。因此，本文提出一种直流总线式三相异步电机反馈

试验系统并对其进行了深入研究。

本文首先介绍了直流总线式三相异步电机反馈试验系统工作原理，并阐述了

采用公共直流母线实现能量回馈的原理。根据直接转矩控制系统的快速转矩响应

特性，本文采用直接转矩控制的异步电机模拟实际负载。仿真表明，采用直接转

矩控制的异步电机具有很好的静动态性能，转矩响应速度快且能很好地模拟各种

负载。

直接转矩控制的优点是受更少电机参数的影响，但是当异步电机在低速下运

行时，定子电阻随电机温度升高而变化。由于低速运行时，定子电压幅值较小，

定子电阻变化带来很大磁链估计误差，致使无法模拟实际负载。针对这一问题，

本文提出采用一低通滤波器和一高通滤波器将 u-i 定子磁链模型和 i-wm定子磁链

模型连接起来。通过选择合适的截止频率可以使电机低速时在 i-wm定子磁链模

型下运行，高速时在 u-i 定子磁链模型下运行。

本系统的直流电源由整流器提供，本文分析了 SVPWM 整流器工作原理并

结合直流总线式三相异步电机反馈试验系统进行了仿真。仿真表明，网侧整流器

提供的直流电压稳定且调节方便，网侧近似为单位功率因素，谐波含量低。

经过整个系统理论分析后，搭建整个系统实验平台。其硬件主要有变流器的

硬件电路搭建，信号调理电路和光耦隔离电路；软件主要有转速估计，AD 采集

和直接转矩控制算法等程序。本平台采用 TI 公司的 TMS320F2812 作为处理器，

通过编写串行通信程序和上位机进行通信。上位机采用 LABVIEW 编程，通过串

行通信可以进行 AD 精度的校正，矩速指令的发送，电机转速，负载转矩等数据

波形显示，并根据需要进行数据保存并绘制矩速曲线。

关键词：试验系统公共直流母线直接转矩 SVPWM 整流器

TMS320F2812

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of the power electronics technology,

semiconductor technology and computer technology, the development of AC drive

technology reach a new level. To develop a high performance AC speed control

system needs a high-performance AC drive test system. Therefore, This paper

proposes AC Asynchronous motor Feedback Test System and carried out in-depth

study.

This paper introduces the works of the AC asynchronous motor feedback test

system and describes the principle of energy feedback with the common DC bus .

According to the fast torque respons performance of direct torque control technology,

this paper uses DTC method to control the induction motor to simulate the actual load.

Simulation results show that the using of direct torque control of induction motor has

good static and dynamic performance, fast torque respons and can simulate the actual

load very well.

One of the advantages of direct torque control technology is that the system is

affected by less ac motor parameters, but when it runs at low speed, the stator

resistance varies with motor temperature, When runs at a low speed, the stator voltage

is small, the stator resistance varies can cause great flux estimation error, which

makes it impossible to simulate the actual load. To solve this problem, this paper uses

a low-pass filter and a high-pass filter to connect the u-i stator flux model and the

i-wmstator flux model. By choosing the appropriate cut-off frequency make the stator

flux i-wmmodel works when it runs at low, and make the stator flux u-i model works

when it runs at high speed.

The DC source needed by the AC asynchronous motor feedback test system is

provided by the rectifier system. the paper analyzes the working principle of the

SVPWM rectifier and simulate with the AC asynchronous motor feedback test system.

Simulation results show that DC voltage source provided by the net side rectifier is

stable and easy adjustment, the net side power factor is approximate to one and the

current harmonic content is low.

After a theoretical analysis of the entire system, builds the experimental platform

of the entire system. The hardware mainly contains the production of converter, signal

conditioning circuits and the opto isolation circuit; Software mainly contains Speed

estimation, AD acquisition ,direct torque control algorithm and SCI program. The

platform uses TI's TMS320F2812 as the processor, through the serial communication

program to communicate with the host computer. The host computer adopts

LABVIEW programming, The host computer calibrates the AD accuracy, sends

commands of speed, torque and so on, displays the waveform of motor speed, load

torque and so on, and save the data According to the needs.

Keywords: Test system, Common DC bus, direct torque control,

SVPWM rectifier, TMS320F2812

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

§1.1 交流异步电机传动系统的特点和优点 .......................... 1

§1.2 交流传动测试系统国内外研究现状 ............................ 1

§1.3 现有的异步电机负载试验系统 ................................ 2

§1.3.1 耗能型异步电机负载试验系统 ...........................2

§1.3.1.1 阻力型异步电机负载试验系统 ..................... 2

1.3.1.2 直流发电机型异步电机负载试验系统 ................. 2

§1.3.2 能量反馈型异步电机负载试验系统 ...................... 3

§1.3.2.1 直流发电机并网型异步电机负载试验系统 ...........3

§1.3.2.2 交流异步电机并网型负载试验系统 ................. 3

§1.3.2.3 公共直流母线型异步电机负载试验系统 ............. 4

§1.4 本文主要研究内容 ..........................................4

第二章直流总线式三相异步电机反馈试验系统原理及控制 ............... 6

§2.1 直流总线式三相异步电机反馈试验系统工作原理 ................ 6

§2.2 两电机联合控制策略 ........................................ 7

§2.3 两电机联合控制运行状态分析 ................................ 9

§2.4 公共直流母线技术 .......................................... 9

§2.5 直流总线式三相异步电机反馈试验系统节能原理 ................9

§2.6 本章小结 .................................................10

第三章异步电机直接转矩控制原理及反馈试验系统仿真研究 ............ 11

§3.1 异步电机数学模型 ......................................... 11

§3.2 试验系统逆变器数学模型 ................................... 16

§3.3 电压空间矢量对定子磁链和电磁转矩的影响 ................... 18

§3.4 异步电机直接转矩控制系统框图 ............................. 19

§3.5 磁链和转矩滞环比较器 ..................................... 20

§3.6 定子磁链计算单元 ......................................... 21

§3.6.1 定子磁链 u-i 模型 .................................... 22

§3.6.2 定子磁链 i-ωm模型 ................................... 22

§3.6.3 定子磁链滤波器模型 ................................. 22

§3.6.3.1 u-i 低通滤波器模型 ............................. 22

§3.6.3.2 改进型 u-i 低通滤波器模型 ...................... 23

§3.6.3.3 u-i&i-ωm滤波器模型 ........................... 24

§3.7 磁链所在扇区判断 .........................................25

§3.8 异步电机转速估计 .........................................25

§3.9 异步电机反馈试验系统仿真 .................................26

§3.10 本章小结 ................................................32

第四章网侧 SVPWM 整流器控制 .................................... 33

§4.1 PWM 整流器的原理 ......................................... 33

§4.2 SVPWM 整流器主电路的数学建模及其控制系统 ................. 34

§4.3 SVPWM 整流器的整个系统仿真 ............................... 37

§4.4 本章总结 ................................................. 39

第五章直流总线式三相异步电机反馈试验系统的软件设计 ............... 40

§5.1 DSP 控制系统软件结构 ..................................... 40

§5.1.1 反馈试验系统主程序 ................................. 41

§5.1.2 下溢中断服务子程序流程图 ........................... 41

§5.2 反馈试验系统控制算法数字实现 .............................42

§5.2.1 直流电压、交流电流 AD 采集 ......................... 42

§5.2.2 异步电机相电压计算及 clarck 变换程序 ................. 44

§5.2.3 数字 PI 调节器和滞环比较器 .......................... 45

§5.2.4 定子磁链扇区确定 ................................... 46

§5.2.5 串行通信 ........................................... 47

§5.3 上位机软件的设计 ......................................... 48

§5.3.1 PCI 数据采集 ........................................48

§5.3.2 串行通信 LabVIEW 程序 .............................. 48

§5.4 本章小结 .................................................51

第六章直流总线式三相异步电机反馈试验系统的硬件设计 ............... 52

§6.1 试验电机型号 .............................................52

§6.2 调压器和不控整流桥 .......................................53

§6.3 公共直流母线电容的选取 ...................................53

§6.4 IGBT 的选择 .............................................. 53

§6.5 传感器及信号调理电路 .....................................54

§6.6 TMS320LF2812DSP 开发板 ................................... 56

§6.7 驱动电路和电平转换电路 ...................................56

§6.8 IGBT 缓冲电路 ............................................ 57

§6.9 转速转矩测试仪 JN338 ......................................58

§6.9.1 转速测量 ............................................58

§6.9.2 转矩测量 ........................................... 58

§6.10 数据采集卡 .............................................. 59

§6.11 光耦隔离电路 ............................................ 59

§6.12 本章小结 ................................................ 60

第七章实验结果与分析 ........................................... 61

第八章总结与展望 ................................................ 64

§8.1 本论文研究工作总结 .......................................64

§8.2 展望 .....................................................64

参考文献 .......................................................... 65

在读期间公开发表的论文 ............................................ 67

致谢 ............................................................ 68

第一章绪论

§1.1 交流异步电机传动系统的特点和优点

交流异步电机传动系统是一门综合技术，但其本质特点是采用了交流异步电

机，其一系列优点也就因此表现出来了。三相交流异步电机是随着现代电力电子

技术，半导体技术和计算机技术的迅速发展而发展起来的，其除广泛应用于工业

以外，还成功应用于铁道干线和高速动车上。交流异步电机的主要优点有：

1、构造简单

异步电动机是所有电机中结构最简单的，除轴承外，没有其他机械接触部分，

因此其转速可以达到很高。

2、功率大

这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，对于相同的空间，可以装更大

功率的异步电机。

3、可靠性高，维修方便

交流异步电机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防

潮、防尘、防雪性能好；绝缘性能好，耐热性能好,因此故障率低，可靠性高。

§1.2 交流传动测试系统国内外研究现状

正是由于交流异步电机以上的优点，其在各个领域的应用越加广泛，因此建

立一套良好的控制系统尤为重要。很多情况下，无法让异步电机带上真正的负载，

需根据实际情况模拟出实际负载，因此建立一套异步电机负载试验系统尤为重要。

我国目前只有很少的几家单位在这方面做过一定的工作。其主要是采用直流电机

模拟实际负载，它在实际使用过程中还存在这一些不尽如人意的地方。由于直流

电机换向火花，需经常维护，价格等因素，所以采用鼠笼式异步电机，它具有结

构简单、牢固可靠、成本较低，维修方便、高速性能好，且随着变频器技术的发

展与成熟，极大的提高了异步电机的调速性能，因此目前越来越多的研究人员在

研究用鼠笼式异步电机模拟实际负载。对于异步电机反馈试验系统，国内对小功

率异步电机反馈试验系统[1, 2, 3]研究报导较多，而对大功率异步电机反馈试验系统

研究报导较少，但随着电力牵引技术的发展，大功率异步电机反馈试验系统取得

了一定的进展。对于电力牵引来说，起动、调速及制动是列车运行的基本规律，

也就是机车电传动系统必须达到的基本要求，尤其是机车的速度调节更是这三种

运行工况的共同基础，因为机车牵引列车时，司机要根据不同的运行条件来调节

机车的速度。为了充分发挥机车的功率，实现多拉快跑，就要求机车不仅能在不

同的线路和载荷条件下改变牵引力，而且还要求在相同的牵引力条件下得到不同

的速度，对此北京交通大学对其做了一定的研究[4]，他们采用三相异步电机与电力

直流总线式三相异步电机反馈试验系统研究

机车采用的牵引电机同轴相连，使异步电机模拟实际情况。但国外在这方面作了

不少工作，早在 20 世纪 90 年代初，美国 Clemson 大学[6]的 E.R.Collins 和 Y.Huang

就对这种系统做过仿真研究。英国的 Z．HakanAkpolaz 等人则对这种试验系统做

了小功率的试验。巴西圣埃斯皮里图联邦大学 Gilbert C.D.Sousa 等人[7]也采用了

异步电机模拟实际负载，采用的控制方法为转差频率矢量控制方法，电机发出的

电通过双 PWM 变频器与电网相连。克莱姆森大学 E. R. Collins, Jr. Member and

Y. Huang 等人采用磁链闭环转差频率矢量控制技术控制陪试电机，陪试电机发出

的电同样经双 PWM 变流器与电网相连，但其被试电机是永磁同步电机。

§1.3 现有的异步电机负载试验系统

§1.3.1 耗能型异步电机负载试验系统

§1.3.1.1 阻力型异步电机负载试验系统

阻力型异步电机负载试验系统是在异步电机轴上接一个阻力设备，如图 1.1 所

示。其优点是结构简单，负载转矩调节方便,加载在异步电机上的负载转矩可以通

过调节阻力设备的摩擦系数粗略得到。其缺点是阻力设备只能模拟实际的稳态负

载，无法模拟动态负载；异步电机的动能在转动过程中以热能的形式消耗掉了，

因此造成了能量浪费，当模拟大功率负载时，其不但造成能量很大程度的浪费，

而且还需给阻力设备加散热装置。

图1.1 耗能型异步电机负载试验系统

1.3.1.2 直流发电机型异步电机负载试验系统

直流发电机型异步电机负载试验系统是与异步电机同轴相连一直流发电机，

直流发电机的电枢电压端子与一可调电阻相连，励磁端子与一可调的直流电压源

相连，如图 1.2 所示。

图1.2 直流发电机型异步电机负载试验系统

其原理是:通过调节可调电阻的大小改变直流发电机电枢电流的大小，根据直

流电机的电磁转矩公式 Te=CTΨia可知改变电枢电流的大小就可以改变电磁转矩的

大小。异步电机控制采用转速闭环，因此转速波动不是很大，直流发电机的电磁

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摘要：

摘要近年来，随着电力电子技术、半导体技术和计算机技术的飞速发展，交流调速技术也发展到一个新的高度。要研制出一个高性能的交流调速控制系统需一套高性能的交流传动试验系统。因此，本文提出一种直流总线式三相异步电机反馈试验系统并对其进行了深入研究。本文首先介绍了直流总线式三相异步电机反馈试验系统工作原理，并阐述了采用公共直流母线实现能量回馈的原理。根据直接转矩控制系统的快速转矩响应特性，本文采用直接转矩控制的异步电机模拟实际负载。仿真表明，采用直接转矩控制的异步电机具有很好的静动态性能，转矩响应速度快且能很好地模拟各种负载。直接转矩控制的优点是受更少电机参数的影响，但是当异步电机在低速下运行时，定子电...

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