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同步电机变频驱动算法研究

高金波  
【摘要】: 在高压、大容量传动领域,绕组励磁同步电机有其自身固有的优势,功率密度和控制精度更高,电机尺寸、转动惯量和变频器容量更小,弱磁比更大。进入20世纪90年代,世界各国对于大容量交流电机调速已经基本趋向于同步电机。在工农业生产的许多领域得到广泛应用,并达到了精确控制,节能降耗的目标。 本课题来源于山东新风光电子科技发展有限公司的高压同步电机变频驱动项目。本文以交流同步电机的调速方法为中心,探讨了传统的LCI(Load Commutated Inverter)控制和先进的矢量控制。LCI控制通过一个6脉波的电流型逆变器带动同步电机,依靠转子位置传感器检测出转子位置来控制逆变器相应晶闸管的触发,随着转子的旋转,可周期地按一定次序触发晶闸管。而晶闸管的关断由同步电机的反电动势完成,不需要专门的强迫换流电路,运行可靠、经济,缺点是转矩脉动较大。我们通过计算机仿真也可以看出,特别是为了保证可靠换流,采用较大的超前换流角时,转矩脉动确实是比较大。通过分析LCI方法产生转矩的原理,保证负载换流的优势前提下,提出了多重化逆变器的方法,使同步电机定子侧磁动势脉动频率增加一倍,达到12脉波,脉动频率的升高显著减少了转矩脉动,我们通过仿真实验也证明了这一点。 矢量控制算法,我们选择了气隙磁链定向控制,主要原因是永磁同步电机中采用的转子磁链定向,随着负载的增加,定子电流增大,由于电枢反应的影响,会造成同步电机定子电压大幅升高,同时使同步电机的功率因数变低,这对高性能、大容量的同步电机调速来说,是不经济的。针对气隙磁链定向控制动态时控制不解耦,不能维持气隙磁链恒定的缺点,采用了定子电流励磁分量补偿的方法,动态时通过定子电流励磁分量来补偿气隙磁链的减少。针对同步电机突加负载后功角震荡,甚至造成失步的缺点,提出了直接δ角控制方法,以δ角为控制对象,使其能按照设定的变化规律改变,从而彻底的解决了失步和震荡的问题。计算机仿真的结果也证明了这种方法的有效性。 本论文还讨论了矢量控制中用到的电流调制,磁链观测的电流、电压模型及其电压模型的改进。我们用一个模糊控制器替代传统PI调节的转速调节器,通过仿真结果可以看到,效果比较明显。 基于以上算法,我们构建了一个实验平台,首先在低压环境下验证控制方法的有效性和可靠性,再通过采用特殊的高压拓扑逐步实现同步电机的高压变频驱动。采用DSPTMS320LF2407为处理器,实现各个变量的采集,运算,和触发脉冲的产生。同时具备通讯接口,方便地与上位机相连,可实时改变系统的设定值,对系统程序进行修定、完善。


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