專利名稱：一種用于傳動(dòng)系統(tǒng)的多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置及控制策略的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種并聯(lián)變頻裝置及控制策略，具體涉及一種用于傳動(dòng)系統(tǒng)的多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置及相關(guān)的控制策略。
背景技術(shù)：
大容量推進(jìn)逆變器是電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，而大容量推進(jìn)逆變器的研制技術(shù)國內(nèi)還不成熟，尚沒有能力自行研制大容量的船用推進(jìn)逆變器。擴(kuò)大逆變器容量的技術(shù)途徑主要有多相化技術(shù)、多電平技術(shù)和逆變器并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)。其中多相化技術(shù)要解決多相推進(jìn)電機(jī)的控制策略問題，系統(tǒng)較為復(fù)雜；多電平技術(shù)隨著電平數(shù)量的增加，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，常用的擴(kuò)容方式是采用三電平和多相化相結(jié)合；逆變器并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)立足于成熟的三相推進(jìn)系統(tǒng)控制技術(shù)，并聯(lián)多個(gè)逆變器以擴(kuò)大系統(tǒng)容量，即采用多個(gè)逆變模塊并聯(lián)推進(jìn)三相電機(jī)。通過多模塊并聯(lián)分擔(dān)負(fù)載功率，可以使各模塊主開關(guān)器件的電流應(yīng)力大大減小，從根本上提高可靠性，降低成本，其難點(diǎn)在于多個(gè)逆變器的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制。逆變器并聯(lián)技術(shù)的研究最早用于UPS電源領(lǐng)域，目的是為了提高電源系統(tǒng)的容量，以及增加系統(tǒng)的冗余性。多模塊并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大容量電源被公認(rèn)為當(dāng)今電源變換技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，并聯(lián)逆變器構(gòu)成的電源系統(tǒng)可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以作為獨(dú)立電源運(yùn)行，其負(fù)載類型既可以是電阻、電感或者電容等線性負(fù)載，也可以是整流等非線性負(fù)載。近十幾年來，逆變器并聯(lián)技術(shù)逐漸擴(kuò)展應(yīng)用到其它領(lǐng)域，如太陽能電池、有源電力濾波器等供電設(shè)備及交流調(diào)速、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。并聯(lián)逆變器用于任何領(lǐng)域都要求輸出電壓同步和均分負(fù)載，然而并聯(lián)逆變器用于電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)有著不同于CVCF電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在(1)組成結(jié)構(gòu)不同。當(dāng)并聯(lián)逆變器用于恒壓恒頻的電源系統(tǒng)時(shí)，不管供電系統(tǒng)是工頻還是400Hz中頻電源，電壓的輸出頻率是恒定的，所以逆變器的輸出端加入LC濾波器用以濾除開關(guān)頻率及其倍數(shù)高次諧波。而并聯(lián)逆變器用于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速是可調(diào)的，因而逆變器輸出電壓的頻率是變化的，而且考慮到濾波電容可能會(huì)與電機(jī)電感發(fā)生諧振，因此輸出端沒有LC濾波器。各逆變器輸出端通過電抗器并聯(lián)在一起以抑制環(huán)流，其輸出電壓和電流的諧波抑制是通過算法或者逆變器的調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)的。(2)控制對(duì)象及目標(biāo)不同。當(dāng)并聯(lián)逆變器用于電源系統(tǒng)時(shí)，控制系統(tǒng)是以逆變器本身為控制對(duì)象，所以不管對(duì)逆變器的輸出電壓、電流進(jìn)行直接控制，還是對(duì)逆變器的輸出有功功率和輸出無功功率進(jìn)行間接控制，都是期望在任何負(fù)載條件下都能保證跟蹤電網(wǎng)電壓，而且并聯(lián)的電源模塊實(shí)現(xiàn)有功、無功負(fù)載功率甚至諧波負(fù)載功率的均分。而并聯(lián)逆變器用于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，控制系統(tǒng)是以負(fù)載電機(jī)為控制對(duì)象，在電機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性能的前提下，完成并聯(lián)逆變器的協(xié)調(diào)控制，這需要將并聯(lián)逆變器的均流及同步控制與電機(jī)的控制策略結(jié)合起來。(3)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同。當(dāng)并聯(lián)逆變器用于電源系統(tǒng)時(shí)，要求輸出幅值恒定的正弦波，因此并聯(lián)逆變器采用電壓電流瞬時(shí)值反饋的雙閉環(huán)控制，瞬時(shí)電壓閉環(huán)使逆變器的輸出電壓受所帶負(fù)載影響較小，而且保證其波形畸變率較小。同步鎖相技術(shù)使各并聯(lián)逆變器以電網(wǎng)電壓或公共參考電壓作為電壓基準(zhǔn)，各逆變器取電容電壓作為反饋信號(hào)以實(shí)現(xiàn)各逆變器跟蹤同一基準(zhǔn)。逆變器采用電壓反饋控制后，系統(tǒng)控制參數(shù)及電路參數(shù)影響各個(gè)逆變電源的等效輸出阻抗，各并聯(lián)逆變器的等效輸出阻抗存在差異時(shí)就會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。而并聯(lián)逆變器用于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，控制系統(tǒng)通過改變并聯(lián)逆變器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，并聯(lián)逆變器以電機(jī)控制得到的給定電壓作為參考信號(hào)，并未進(jìn)行逆變器的電壓閉環(huán)控制，因此逆變器實(shí)際等效為比例環(huán)節(jié)，而且并聯(lián)逆變器的等效輸出阻抗與控制參數(shù)無關(guān)，僅與均流電抗器電路參數(shù)有關(guān)?？傊?，逆變器并聯(lián)控制的直接目的是消除環(huán)流，而當(dāng)并聯(lián)逆變器用于不同領(lǐng)域時(shí)， 由于其控制對(duì)象不同，使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及參數(shù)設(shè)計(jì)方法都會(huì)不同，因此需要針對(duì)研究。在逆變電源的并聯(lián)研究上，國外品牌的逆變電源如三菱、東芝、梅蘭日蘭、Simens、 Powerware和Silcon等都具有并聯(lián)功能，但并聯(lián)的臺(tái)數(shù)有差別。其中三菱公司宣稱其并聯(lián)臺(tái)數(shù)不受限制，可以組成目前世界上最大容量的不間斷電源系統(tǒng)，Silcon可直接并聯(lián)9臺(tái)， Siemens可以并聯(lián)8臺(tái)，容量可達(dá)M00KVA。在2001年之前，中國的并聯(lián)逆變器市場基本上是進(jìn)口產(chǎn)品的天下。為打破進(jìn)口產(chǎn)品壟斷的局面，面向通信、電力、鐵道、國防、太陽能/風(fēng)力發(fā)電等要求高可靠不間斷供電的場合，國內(nèi)的西安交通大學(xué)、中國科學(xué)院電工研究所、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)還有一些電氣公司致力于并聯(lián)逆變器的研究，提出了多種控制方式，而新的均流控制技術(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的研究仍在不斷深入。國內(nèi)很多公司已經(jīng)推出成熟的產(chǎn)品，不僅支持模塊熱插拔，而且輸出為純正弦波，波形失真小。目前在并聯(lián)型逆變器用于大功率傳動(dòng)領(lǐng)域中，國外變頻調(diào)速設(shè)備主要供應(yīng)商ABB、 Siemens、ALST0M等的2 IOMW級(jí)船用電力推進(jìn)系統(tǒng)等都采用模塊并聯(lián)的方式擴(kuò)大變頻器容量，比如(I)ABB公司的back-to-back三電平電壓源變頻器ACS6000系列是采用直接轉(zhuǎn)矩控制的中壓變頻器，逆變器主電路采用二極管箝位的三電平結(jié)構(gòu)，單個(gè)模塊的容量只有 3MVA,模塊并聯(lián)后變頻器容量可達(dá)27MVA。(2) Siemens公司的6SE71系列690V低壓變頻器模塊并聯(lián)后容量可達(dá)到2300KW，SIMOVERT MV系列中壓變頻器的單個(gè)模塊容量為400HP，并聯(lián)后變頻器容量達(dá)到8000HP。國外很多造紙廠和煉鋼廠的MW級(jí)主傳動(dòng)裝置也都采用模塊并聯(lián)的變頻器結(jié)構(gòu)。但是，國內(nèi)尚未開展并聯(lián)型逆變器用于大功率傳動(dòng)領(lǐng)域的研究，也少見公開發(fā)表的文獻(xiàn)。因此，對(duì)多逆變模塊并聯(lián)變頻器控制技術(shù)及運(yùn)行性能進(jìn)行研究，可以為并聯(lián)傳動(dòng)系統(tǒng)提供技術(shù)保障以及早日實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)系統(tǒng)國產(chǎn)化，具有重要研究意義。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明構(gòu)建了一種帶電機(jī)負(fù)載的四逆變模塊并聯(lián)輸出調(diào)速控制系統(tǒng)，解決了帶電機(jī)負(fù)載時(shí)四個(gè)逆變器同頻率、同相位輸出難的問題，實(shí)現(xiàn)了較高靜、動(dòng)態(tài)性能的逆變器并聯(lián)變頻調(diào)速控制方法。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明為一種傳動(dòng)系統(tǒng)用多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置及控制策略，其中，裝置包括整流器、逆變器、制動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置、接口等設(shè)備； 控制策略是按照多逆變模塊并聯(lián)變頻器控制系統(tǒng)的要求，電機(jī)控制采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，將逆變器同步技術(shù)和均流技術(shù)與電機(jī)的矢量控制技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，適應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速控制的需要。本發(fā)明通過將兩個(gè)整流模塊的并聯(lián)，不僅提高輸出電流，同時(shí)減小輸出諧波；四個(gè)逆變單元并聯(lián)，提高逆變器的輸出容量；控制策略采用主從模塊分級(jí)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式， 通過主控制模塊對(duì)從控制模塊進(jìn)行同步，解決了帶電機(jī)負(fù)載時(shí)四個(gè)逆變器同頻率、同相位輸出難的問題；通過監(jiān)測各逆變模塊(四個(gè)逆變模塊)的電流，動(dòng)態(tài)調(diào)整各逆變模塊的輸出，突破了并聯(lián)的四個(gè)逆變模塊輸出均流的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了較高靜、動(dòng)態(tài)性能的逆變器并聯(lián)變頻調(diào)速控制方法。為了抑制電網(wǎng)電壓的突變和電流的沖擊，本發(fā)明在網(wǎng)側(cè)進(jìn)線處加裝電抗器，也可減小整流單元的諧波電流，減小換向缺口，同時(shí)可以平衡并聯(lián)的電流。為了從根本上提高可靠性，增加冗余度，降低成本，本發(fā)明采用多個(gè)逆變模塊并聯(lián)，每個(gè)模塊分擔(dān)的電流只有電機(jī)相電流的1/4，特別是對(duì)上兆瓦級(jí)的電力推進(jìn)，并聯(lián)可以使各模塊主開關(guān)器件的電流應(yīng)力大大減小。同時(shí)，逆變模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)用于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)有快速的速度響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)四象限操作，但逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)功率因數(shù)高，可達(dá)到 0. 98，這點(diǎn)比交-交變頻器有優(yōu)勢。本發(fā)明中，為保證系統(tǒng)安全可靠，在變頻器工作之前先通過二極管三相整流橋和充電電阻對(duì)逆變器的支撐電容進(jìn)行充電，待支持電容電壓穩(wěn)定后，啟動(dòng)可控硅整流，系統(tǒng)便可正常運(yùn)行；為確保操作人員的人身安全，在變頻器停止工作后，應(yīng)立即對(duì)支撐電容進(jìn)行放電。放電之前必須先斷開主開關(guān)，切斷變頻器的輸入，按動(dòng)面板上“放電”按鈕，支撐電容通過放電電阻逐漸放電。此外，本發(fā)明中，變頻器能同時(shí)遙控和本地進(jìn)行操作控制，由變頻控制柜的遠(yuǎn)程/ 本地轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行選擇，在本地操控時(shí)，操作人員通過變頻控制柜上的操作面板進(jìn)行起/ 停、轉(zhuǎn)速設(shè)定和監(jiān)視速度、電壓、電流等參數(shù)；在遙控操控時(shí)，變頻控制柜通過網(wǎng)絡(luò)接收駕駛室和集控室送來的控制命令和控制量，變頻控制柜同時(shí)將運(yùn)行參數(shù)上傳。本發(fā)明的原理如下本發(fā)明在工作時(shí)，先由交流側(cè)經(jīng)由變壓器供電給整流單元，當(dāng)整流單元起動(dòng)時(shí)，通過充電電阻給電容充電。電容電壓上升到一定值后，充電模塊被短路， 半控整流橋開始工作。逆變器四個(gè)單元的電路結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)逆變單元的三個(gè)橋臂中點(diǎn)接輸出電抗器，而且四個(gè)電抗器之間沒有電磁耦合。出線電抗器作用是阻止各支路電流的變化，減小電流的差異，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流平衡。變頻器的輸出端與電機(jī)定子相連，進(jìn)行能量傳遞。電機(jī)調(diào)速以及并聯(lián)模塊間的正常工作均由控制系統(tǒng)完成。雙DSP板是控制單元的核心，它根據(jù)總控單元的信息(轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向指令)和電機(jī)電壓、電流及速度的反饋，實(shí)時(shí)計(jì)算并發(fā)出PWM脈沖，輸出給脈沖輸出板，控制逆變器的IGBT工作，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。該板由TMS320F2407定點(diǎn)DSP和TMS320VC33浮點(diǎn)DSP為核心，TMS320F2407完成測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，與總控單元交換控制信息，輸出PWM脈沖； TMS320VC33控制A/D板采樣電機(jī)電壓、電流，實(shí)時(shí)快速計(jì)算PWM脈沖，其控制周期僅20us， 能很好地保證控制精度和響應(yīng)快速性。脈沖輸出板是控制單元的最后環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)PWM電平信號(hào)到信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出給功率開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)板，當(dāng)逆變器發(fā)生過壓、過流、過熱等故障時(shí)，該控制板能及時(shí)封鎖PWM 脈沖，保護(hù)功率元件，其脈沖信號(hào)通過光纖輸出。并聯(lián)變頻器的輸出頻率為0 50Hz，電壓公共基準(zhǔn)信號(hào)是通過對(duì)電機(jī)負(fù)載實(shí)時(shí)計(jì)算得到的，這點(diǎn)與恒壓恒頻的逆變器并聯(lián)是不同的。將逆變器同步技術(shù)與均流技術(shù)同矢量控制技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，使其適應(yīng)變頻調(diào)速控制的需要。按照多逆變模塊并聯(lián)變頻器控制系統(tǒng)的要求，電機(jī)控制采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略。以轉(zhuǎn)子磁場矢量的方向作為坐標(biāo)軸的參考方向，采用坐標(biāo)變換手段，將定子電流分解成相互垂直的勵(lì)磁電流分量id和轉(zhuǎn)矩電流分量i,，并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈的完全解耦。4個(gè)逆變單元輸出電流分別與給定電流比較，作為均流控制環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)矢量控制的輸出電壓，消除了由于開關(guān)管差異等原因引起的環(huán)流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的均衡控制。有益效果本發(fā)明的一種用于傳動(dòng)系統(tǒng)的多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置及控制策略， 與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明將多逆變模塊并聯(lián)與電機(jī)調(diào)速相結(jié)合，并將均流控制理論融進(jìn)電機(jī)的控制理論中，構(gòu)建了基于矢量控制的逆變器并聯(lián)調(diào)速系統(tǒng)；2、本發(fā)明提出了主從模塊分級(jí)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，通過主控制模塊對(duì)從控制模塊進(jìn)行同步，解決了帶電機(jī)負(fù)載時(shí)四個(gè)逆變器同頻率、同相位輸出難的問題；3、本發(fā)明解決了船用推進(jìn)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各逆變塊穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)均流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了較高靜、動(dòng)態(tài)性能的逆變器并聯(lián)變頻調(diào)速控制方法；4、本發(fā)明提出了多逆變模塊并聯(lián)變頻器信號(hào)接口技術(shù)及電路實(shí)現(xiàn)形式；5、本發(fā)明將逆變器同步技術(shù)與均流技術(shù)同矢量控制技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，適應(yīng)了變頻調(diào)速控制的需要；6、本發(fā)明中多逆變模塊并聯(lián)之后，使得整個(gè)變頻裝置擁有較高的功率因數(shù)，達(dá) 0. 98 ；額定負(fù)載時(shí)的效率高達(dá)98%。


圖1為變頻器裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為變頻器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖3為操控面板主流程圖4為外部中斷0基本流程圖5為串口中斷流程圖6為總控單元與逆變控制器的接口；
圖7為并聯(lián)逆變模塊同步控制流程圖8為并聯(lián)模塊均流控制框圖9為逆變器并聯(lián)的感應(yīng)電機(jī)矢量控制框圖
圖10整個(gè)系統(tǒng)的基本控制流程如圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種用于傳動(dòng)系統(tǒng)的多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置及控制策略，其中多逆變模塊變頻裝置放置在變頻柜23中，包括整流器1、逆變器2、制動(dòng)裝置3、 保護(hù)裝置、接口設(shè)計(jì)等設(shè)備，變壓器副邊4、直流熔斷器組5、進(jìn)線電抗器6、整流裝置1、充電模塊7、充電電阻8、逆變裝置2等依次連接。電網(wǎng)電壓通過一臺(tái)3/6相變壓器接至整流器1，變壓器副邊4輸出與整流器1之間安裝有電抗器6，可抑制電網(wǎng)電壓的突變和電流的沖擊，減小了整流單元1的諧波電流，也減小了換向缺口，同時(shí)可以平衡并聯(lián)的電流。整流器1 采用兩個(gè)三相半控整流單元并聯(lián)，整流單元所用器件為二極管9，整流單元的容量相同；控制電源22保證控制系統(tǒng)的正常工作。逆變器2共有四個(gè)單元，每個(gè)逆變器單元功率相同，輸出三相交流電，四個(gè)逆變器單元輸出通過平衡電抗器10連接。逆變單元所用元器件為IGBT器件11。制動(dòng)單元3并在直流母線12上，用于電機(jī)調(diào)速時(shí)是可選裝置。直流母線間安裝有電壓傳感器14和電流傳感器15。變頻器的操作和參數(shù)設(shè)置采用西門子的OPIS操作面板13，OPIS安裝在變頻器的正面面板上，提供系統(tǒng)的工作狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定值、實(shí)際值、故障分析等信息，操作面板13的指令到達(dá)控制箱16后，其內(nèi)部的上位機(jī)17、AD板18、OUT板19，DSP板20等發(fā)出的控制指令到達(dá)驅(qū)動(dòng)單元21，最終引開關(guān)器件的開關(guān)動(dòng)作，輸出想要的電壓波形。圖3為操控面板的主流程圖，操控面板上電后首先進(jìn)行變量、常量的定義和定時(shí)器、串口的初始化，隨后打開中斷進(jìn)入主循環(huán)，并等待相應(yīng)外部中斷和定時(shí)器、串口中斷。外部中斷0主要用于和逆變控制器(DSP)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；外部中斷1負(fù)責(zé)在遙控狀態(tài)下與 PR0FIBUS控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收ftOfibus總線發(fā)來的指令，并反饋狀態(tài)信息；定時(shí)器中斷負(fù)載現(xiàn)地控制狀態(tài)下接收操控面板的鍵盤輸入；串口中斷主要和總控單元通訊，讀取各逆變模塊電壓、電流等數(shù)據(jù)，校驗(yàn)并將最后的數(shù)據(jù)保存到指定的區(qū)域。外部中斷0基本流程圖和串口中斷流程圖如圖4和圖5所示?？偪貑卧湍孀兡K控制器是變頻器的核心控制部件，它們通過總控單元電路板上的雙口 RAM交換數(shù)據(jù)。其中總控單元主要完成整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理功能，它依據(jù)采集到電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)向四個(gè)逆變模塊控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向等指令，協(xié)調(diào)四個(gè)逆變模塊控制器工作，總控單元與逆變控制器的接口如圖6所示。逆變器并聯(lián)技術(shù)面臨的問題可以歸結(jié)為同步和均流兩方面的內(nèi)容。同步保證了各個(gè)逆變器之間同頻率、同相位的輸出電壓，在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，同步基準(zhǔn)信號(hào)要及時(shí)跟隨轉(zhuǎn)速且同步各逆變模塊的輸出電壓。在同步控制方案中，每個(gè)控制器通過CAN總線發(fā)送和接收同步基準(zhǔn)信號(hào)，各控制器發(fā)送的同步信號(hào)中包含有自己的模塊號(hào)信息，這樣就可以按模塊號(hào)來定義各控制器發(fā)送同步信號(hào)的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)模塊檢測到有比自己優(yōu)先級(jí)高的同步信號(hào)時(shí)只接收不發(fā)送同步信號(hào)，如果在一段時(shí)間內(nèi)沒有接收到比自己優(yōu)先級(jí)高的同步信號(hào)，則該模塊發(fā)送同步信號(hào)，各模塊的同步控制流程如圖7所示均流控制方案如圖8所示，每個(gè)模塊的輸出電流與負(fù)載電流的平均值進(jìn)行比較后得到的差值作為該模塊參考電流的偏移量，各模塊的參考電流是根據(jù)主模塊矢量控制計(jì)算出來的，參考電流加上偏移量經(jīng)PI調(diào)節(jié)控制逆變器的工作，使得各模塊的輸出電流與負(fù)載電流的平均值相等，即使在電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，也能快速調(diào)節(jié)各模塊的輸出電流跟隨負(fù)載電流的平均值，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)均分負(fù)載電流的目的。按照多逆變模塊并聯(lián)變頻器控制系統(tǒng)的要求，電機(jī)控制采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略。矢量控制調(diào)速范圍大轉(zhuǎn)速精度高，可用在高動(dòng)態(tài)性能的場合?；舅枷胧且赞D(zhuǎn)子磁場矢量的方向作為坐標(biāo)軸的參考方向，采用坐標(biāo)變換手段，將定子電流分解成相互垂直的勵(lì)磁電流分量id和轉(zhuǎn)矩電流分量i,，并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈的完全解耦。矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)子磁場精確定向，使轉(zhuǎn)子磁鏈與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d軸重合。在轉(zhuǎn)子參數(shù)準(zhǔn)確的情況下，轉(zhuǎn)子磁場定向是準(zhǔn)確的。根據(jù)電機(jī)矢量方程式，可以得到定子電流表示的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈模型。
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θ = ja)sdt = J(fijr + m2)dt是定子的角頻率，是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角頻率，ω2是轉(zhuǎn)差頻率。其中，份2= LJsd/τΓφΓ ,τΓ = Lr/Rr矢量控制框圖如圖9所示?？刂葡到y(tǒng)由速度環(huán)、和兩個(gè)電流環(huán)組成。由速度環(huán)和電機(jī)定子電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，得到逆變器的電壓公共基準(zhǔn)信號(hào)。如果直接將這個(gè)電壓公共基準(zhǔn)信號(hào)作為給定送給逆變器，會(huì)導(dǎo)致由于開關(guān)管開關(guān)時(shí)間、輸出阻抗不同等原因造成環(huán)流。所以，通過每個(gè)逆變器的輸出電流同計(jì)算得到的給定電流相比較，減小/增加輸出電壓瞬時(shí)值的方式來減小/增加自身的輸出電流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的均衡控制。在控制回路中加入均流環(huán)節(jié)后，導(dǎo)致四個(gè)逆變器的控制信號(hào)脈沖寬度可能不同， 也正因?yàn)檫@樣，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)環(huán)流得到明顯減小。整個(gè)系統(tǒng)的基本控制流程如圖10所示。從系統(tǒng)流程圖可見，控制方案選擇轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換， 實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦。4個(gè)逆變單元輸出電流分別與給定電流比較，作為均流控制環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)矢量控制的輸出電壓，消除了由于開關(guān)管差異等原因引起的環(huán)流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的均衡控制。
權(quán)利要求
1.一種用于傳動(dòng)系統(tǒng)的多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置及控制策略，其特征在于樣機(jī)裝置包括整流器、逆變器、制動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置、接口等設(shè)備；控制策略是將逆變器同步技術(shù)和均流技術(shù)與電機(jī)的矢量控制技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，解決了樣機(jī)裝置中帶電機(jī)負(fù)載時(shí)四個(gè)逆變器同頻率、同相位輸出難的問題，實(shí)現(xiàn)了較高靜、動(dòng)態(tài)性能的逆變器并聯(lián)變頻調(diào)速控制方法，適應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速控制的需要。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于傳動(dòng)系統(tǒng)的多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置，其特征在于逆變模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)用于大功率傳動(dòng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)有快速的速度響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)四象限操作，而且此種逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)?shù)目刂破涔β室驍?shù)更高，達(dá)到0. 98。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于傳動(dòng)系統(tǒng)的多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置，其特征在于電網(wǎng)電壓通過一臺(tái)3/6相變壓器接至整流器，網(wǎng)側(cè)進(jìn)線與整流器之間安裝有電抗器。整流變壓器的一次側(cè)接成△接法，二次側(cè)的兩個(gè)繞組分別接成Y接法和△接法，其線電壓相同， 容量相等，但相位則相差30°角。整流器采用兩個(gè)三相半控整流單元并聯(lián)，整流單元的容量相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的整流裝置，其特征在于當(dāng)整流單元起動(dòng)時(shí)，通過充電電阻給電容充電。當(dāng)電容電壓上升到一定值后，充電模塊被短路，半控整流橋開始工作。整流器中的晶閘管采用MFC90模塊。網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電抗器可抑制電網(wǎng)電壓的突變和電流的沖擊，減小了整流單元的諧波電流，也減小了換向缺口，同時(shí)可以平衡并聯(lián)的電流。使用2%的網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電抗器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變裝置，其特征在于樣機(jī)裝置中逆變器共有四個(gè)單元，每個(gè)逆變器單元功率相同，輸出三相交流電，四個(gè)逆變器單元輸出通過平衡電抗器連接。逆變器四個(gè)單元的電路結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)逆變單元的三個(gè)橋臂中點(diǎn)接輸出電抗器，而且四個(gè)電抗器之間沒有電磁耦合。出線電抗器作用是阻止各支路電流的變化，減小電流的差異，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流平衡。通過逆變模塊并聯(lián)，每個(gè)模塊分擔(dān)的電流只有電機(jī)相電流的1/4，特別是對(duì)上兆瓦級(jí)的電力推進(jìn)，并聯(lián)可以使各模塊主開關(guān)器件的電流應(yīng)力大大減小，從根本上提高可靠性，降低成本。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接口裝置，其特征在于變頻器與監(jiān)控裝置接口包括帶開放式現(xiàn)場總線ftOfibus的通訊板和本身具有接口模塊的可編程控制器。操控面板與總控單元接口的特征在于，變頻器的操作和參數(shù)設(shè)置采用西門子的OPIS 操作面板，OPIS安裝在變頻器的正面面板上，提供系統(tǒng)的工作狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定值、實(shí)際值、故障分析等信息。在OPIS操作面板的背后，有一個(gè)9針的串口插頭。操作面板和帶控制軟件的PC都可以通過串口與變頻器控制箱的上位機(jī)板進(jìn)行通信?？偪貑卧c逆變控制器接口的特征在于總控單元和逆變模塊控制器是變頻器的核心控制部件，它們通過總控單元電路板上的雙口 RAM交換數(shù)據(jù)。其中總控單元主要完成整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理功能，它依據(jù)采集到電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)向四個(gè)逆變模塊控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向等指令，協(xié)調(diào)四個(gè)逆變模塊控制器工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保護(hù)裝置，其特征在于變頻器設(shè)有制動(dòng)斬波單元。當(dāng)檢測到直流母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，制動(dòng)斬波單元就開始工作，支撐電容放電使母線電壓下降，若母線電壓繼續(xù)上升，則斷開主開關(guān)；為了避免出現(xiàn)短路故障，逆變器主開關(guān)器件的PWM信號(hào)經(jīng)脈沖分配、死區(qū)限制、上下橋臂互鎖、最小脈寬限制、邏輯保護(hù)、光電轉(zhuǎn)換等電路處理后，并經(jīng)光纖隔離送到門極驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)IGBT工作；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過載、缺相等一般性故障時(shí)， 控制單元根據(jù)檢測到的信號(hào)進(jìn)行判斷和處理，一般情況先封鎖主開關(guān)器件IGBT的觸發(fā)脈沖，然后根據(jù)情況決定是否斷開IGBT。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步控制策略，其特征在于在同步控制方案中，每個(gè)控制器通過CAN總線發(fā)送和接收同步基準(zhǔn)信號(hào)，各控制器發(fā)送的同步信號(hào)中包含有自己的模塊號(hào)信息，這樣就可以按模塊號(hào)來定義各控制器發(fā)送同步信號(hào)的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)模塊檢測到有比自己優(yōu)先級(jí)高的同步信號(hào)時(shí)只接收不發(fā)送同步信號(hào)，如果在一段時(shí)間內(nèi)沒有接收到比自己優(yōu)先級(jí)高的同步信號(hào)，則該模塊發(fā)送同步信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均流控制策略，其特征在于每個(gè)模塊的輸出電流與負(fù)載電流的平均值進(jìn)行比較后得到的差值作為該模塊參考電流的偏移量，各模塊的參考電流是根據(jù)主模塊矢量控制計(jì)算出來的，參考電流加上偏移量經(jīng)PI調(diào)節(jié)控制逆變器的工作，使得各模塊的輸出電流與負(fù)載電流的平均值相等，即使在電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，也能快速調(diào)節(jié)各模塊的輸出電流跟隨負(fù)載電流的平均值，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)均分負(fù)載電流的目的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步均流與矢量控制相結(jié)合的策略，其特征在于按照多逆變模塊并聯(lián)變頻器控制系統(tǒng)的要求，電機(jī)控制采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略。控制系統(tǒng)由速度環(huán)、和兩個(gè)電流環(huán)組成。由速度環(huán)和電機(jī)定子電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，得到逆變器的電壓公共基準(zhǔn)信號(hào)。如果直接將這個(gè)電壓公共基準(zhǔn)信號(hào)作為給定送給逆變器，會(huì)導(dǎo)致由于開關(guān)管開關(guān)時(shí)間、輸出阻抗不同等原因造成環(huán)流。所以，通過每個(gè)逆變器的輸出電流同計(jì)算得到的給定電流相比較，減小/增加輸出電壓瞬時(shí)值的方式來減小/ 增加自身的輸出電流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的均衡控制。在控制回路中加入均流環(huán)節(jié)后，導(dǎo)致四個(gè)逆變器的控制信號(hào)脈沖寬度可能不同，也正因?yàn)檫@樣，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)環(huán)流得到明顯減小?？刂品桨高x擇轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦。4個(gè)逆變單元輸出電流分別與給定電流比較，作為均流控制環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)矢量控制的輸出電壓，消除了由于開關(guān)管差異等原因引起的環(huán)流，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的均衡控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于傳動(dòng)系統(tǒng)的多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置及控制策略，其中裝置包括整流器、逆變器、制動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置、接口等設(shè)備，其特征在于逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較高的功率因數(shù)；通過多個(gè)整流模塊的并聯(lián)，以及多個(gè)逆變單元的并聯(lián)，提高了逆變器的輸出容量，減小了輸入、輸出諧波；控制箱通過控制變頻器工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；熔斷器組和控制電源則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障保護(hù)及為各部分提供電源；控制策略采用主從模塊分級(jí)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，通過主控制模塊對(duì)從控制模塊進(jìn)行同步，解決了帶電機(jī)負(fù)載時(shí)多個(gè)逆變器同頻率、同相位輸出難的問題；通過監(jiān)測各逆變模塊(多個(gè)逆變模塊)的電流，動(dòng)態(tài)調(diào)整各逆變模塊的輸出，突破了并聯(lián)的多個(gè)逆變模塊輸出均流的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了較高靜、動(dòng)態(tài)性能的逆變器并聯(lián)變頻調(diào)速控制方法；實(shí)現(xiàn)了用于傳動(dòng)系統(tǒng)多逆變模塊并聯(lián)變頻裝置的大功率化。
文檔編號(hào)H02M7/493GK102355195SQ20111032397
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者喬鳴忠, 張曉鋒, 魏永清 申請(qǐng)人:喬鳴忠, 張曉鋒, 魏永清