高压同步电机全数字化矢量控制变频器 同步电机, 异步电机, 变频器

1 引言
　　电力电子技术的主要任务为实现电能的转换，它的主要研究目标是节能，努力挖掘一切潜在的提高效率的途径，来节省有限的能源，保护人类生存的环境。功率变换技术正是实现这一目标的重要手段，所以它始终是电力电子学的核心技术。经过三十多年，特别是近十多年的发展，功率变换技术已比较成熟，近年来的发展动向主要集中在软开关、高压、大功率和低压、大电流变换技术方面。
　　近年来交流异步电机的调速应用得到较快的发展，与交流异步电机相比较，同步电机有着先天的优势，异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。而同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。当cosθ=1时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。由于交流同步电机在可靠性与维护量、功率因数、电机尺寸与转动惯量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的优势，对于大容量电机，世界各国已基本趋向于使用同步电机。比如工业应用上大功率空气压缩机、水泵、煤炭与有色金属行业中的大功率提升机和钢厂大容量轧钢机等均采用同步电机驱动。
　　交流同步电机的调速是电气驱动领域的一大难题，我国从20世纪70年代开始进行交流同步电机调速技术的研究，80年代初已研制成功交—交变频同步电机的实验样机，但大功率交流变频调速装置直到90年代后期才得到发展。目前国产大功率变频装置成功应用于同步电机的实例很少，都是国外品牌一统天下。目前我国大型同步电机应用变频调速虽然刚刚起步，但国外已经广泛使用。通过他们长期的运行实践表明：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。因此我国高压同步电机变频调速装置将来的市场前景巨大。
　　国内大功率交流同步电机传动方面，以交-交变频调速传动为主。这些变流、变频传动装置功率大，一般为几百千瓦至数千千瓦。在水泥，采矿与矿山行业、船舶行业、冶金行业、化工，石油与天然气行业、电力行业、纸浆造纸行业、供水与污水处理、煤炭、有色金属等特别是矿山的大型矿井提升机传动与调速等领域已有较多的应用。大容量、低转速、高过载、响应快、四象限运行等传动领域主要用于矿井提升机和钢铁厂的主轧机，对变频器的控制要求特别严格，这是普通异步电机及其变频器所不能解决的，在此类系统中应用的大多是大功率同步电机。我国目前在高压大功率同步电机控制系统中采用的技术主要以交－交控制方式的变频为主，还有交－直－交方式，交－交变频器由于其控制原理方式的制约，造成其功能和应用范围受限。交－交变频器的结构方式把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。改变切换频率，就可改变输出频率；改变交流电路的导通角，就可以改变交流输出电压幅值；输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。输出波形畸变和输出上限频率的关系，很难确定明确界限。例当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/3～1/2。电网频率为50hz时，交－交变频电路的输出上限频率约为20hz。
　　还有一种变频器是交-直-交型高压变频器，这种变频器的驱动高压同步电机的方式目前以v/f控制为主，这种方式在一些对调速比要求不高，动态响应低的场合适用，它的控制方式是采用异步电机的控制策略，启动过程：高压同步电机先进行异步变频启动，等转速接近同步转速时，再对转子投入励磁电流，使系统进入同步转速运行。这种控制方式的缺点是，响应慢，调速比小， 不能发挥同步电机的特长，不能实现四象限运行，高压同步电机输出的转矩低，起动电流大，容易失步，这种变频器只能用于负载较轻，负载变化不大的场合。
　　随着微电子技术的发展和应用，计算机用于控制，使交流变频控制系统由模拟式进入数模混合式，进一步发展到全数字式，实现控制方案和控制策略的软件化，在控制系统全数字化的情况下，由于改变软件即可改变控制模式和参数，这就大大提高了系统的通用性和灵活性，简化了系统的硬件结构，并可采用一些基于现代控制理论的控制算法来提高系统的性能。更重要的是，随着现代通信技术、远程控制技术、总线技术和自动化技术的发展，全数字方式是未来发展的必然趋势。因此全数字化交-直-交大功率同步电机矢量控制器的应用是未来应用的方向，这方面在我国的应用和研究还是空白，变频调整控制方法的进展主要体现在由早期的静态控制方式向高动态性能的四象限运行的矢量控制发展，采用这种控制方式可以有效地解决高压同步电机的动态响应、调速比宽等要求，系统可以恒转矩输出。
2 全数字化矢量控制方式技术方案的原理
　　2.1技术方案详细阐述
　　鉴于现有技术缺点，和要实现的技术目的，我们要实现的高压同步电机矢量控制变频器的实现由以下技术特点和单元组成，三相高压电输入移相隔离变压器，经移相隔离降压多路交流输出后，输入到带能量回馈的功率单元igbt整流并滤波成直流再经igbt逆变输出到同步电机；电机的位置速度传感器反馈的信号经高速串行编码传输方式传送给主控板的fpga进行解码处理后，送给dsp进行数据运算处理；电流反馈经霍尔传感器采样，上传信号板经模拟信号处理电路滤波处理后再上传给dsp主控板的ad采样并运算；主控板与上位机的人机界面进行实时数据通信，并上报系统的各项运行参数和故障状态；输入输出信号单元板与主控制器进行通迅，处理外部输入输出信号的控制功能；系统的原理如图1所示。



　　2.2交-直-交单元串联多电平方式
　　现在国内的同步电机变频器，大部分采用的是交-交变频，和交-直-交变频器相比，缺点：驱动晶闸管复杂；输出频率范围低，只能达到电网频率得1/3运行；功率因数低，谐波污染严重。在一些控制场合，交-交变频器的原理带来了它在高速上的应用不能实现和动态响应慢的缺点。
　　交-直-交方式使用移相的目的可以提高整流设备的脉波数，减小网侧高次谐波，整流变压器采用二次侧延边三角形移相，交-直-交方式频率调速范围宽，功率变换电路采用多电平变换器，如图2所示，各级功率模块均采用h全桥igbt驱动方式，由于输出电平数较多，输出波形阶梯增多，就可以使调制波接近正弦，降低电压跳变，这样谐波就少。另一个优点是输出电压的dv/dt较小，对负载电机的冲击小。如一些轧钢机，提升机，卷扬机。如果采用交-交变频，必须加减速机构。而交-直-交变频器可以在设备许可的范围内，其频率任意调节，这就解决了上述问题。
　　2.3基于能量回馈的功率单元
　　普通高压变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以gtr、igbt为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了普通高压变频器的应用范围，而基于能量反馈的系统解决了上述问题，并且实现了真正的节能目标而不是浪费掉能量。
　　带能量回馈的功率单元，输入为移相隔离变压器副边降压绕组的三相，igbt的控制信号为经光纤传输过来的pwm信号控制其导通和关断，输出经单元串联后到电机。原理图如图2所示。



　　2.4数字矢量控制方式
　　矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量（电压、电流、电动势、磁动势）都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流给定量。按这些给定量实时控制，就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中，需用到静止和旋转的坐标系，以及矢量在各坐标系之间的变换，交流同步电机的矢量控制，需要把电机的abc三相定子静止坐标系的电流ia、ib、ic、变换成α和β两相静止坐标系（clarke变换），也叫三相－二相变换，再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系（park变换），等效成同步旋转坐标系下的直流电流iq、id（id相当于直流电动机的励磁电流；iq相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标逆变换（park逆变换）（clarke逆变换），实现对同步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交解耦控制。



　　如图3所示，二极同步电机的物理模型，定子三相绕组轴线a、b、c是静止的，三相电压ua、ub、uc和三相电流ia、ib、ic都是平衡的，转子以同步转速ω1旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压uf供电下流过励磁电流if。沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在空间也以同步转速ω1旋转，d轴与a轴之间的夹角θ为变量。