《异步电机无速度传感器高性能控制技术》张永昌，张虎，李正熙编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《异步电机无速度传感器高性能控制技术》

【作　者】张永昌，张虎，李正熙编著

【丛书名】电力电子新技术系列图书

【页 数】 256

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2015.01

【ISBN号】978-7-111-48482-0

【价 格】59.80

【分 类】异步电机-自动控制

【参考文献】 张永昌，张虎，李正熙编著. 异步电机无速度传感器高性能控制技术. 北京：机械工业出版社, 2015.01.

图书封面：

图书目录：

《异步电机无速度传感器高性能控制技术》内容提要：

无速度传感器技术和闭环高性能控制技术在变频调速中得到了广泛研究和应用，是现代交流传动系统的研究热点。本书以工业界应用最为广泛的异步电机为对象，深入介绍了无速度传感器和高性能控制技术在异步电机变频调速系统中的理论研究和实际应用。对异步电机的各种高性能闭环控制策略和速度磁链估计方法进行了详细分析和实验验证，包括电机参数自整定、直接矢量控制、间接矢量控制、定子磁场定向控制、直接转矩控制、间接转矩控制、开环速度磁链估计和速度自适应磁链观测器等等。

《异步电机无速度传感器高性能控制技术》内容试读

交平的通日面

第1章异步电机控制概述

1.1引言

进入21世纪，中国能源领域总量需求不断增大，能源问题已经成为21世纪制约经济社会发展的重要因素。我国能源生产和消费在世界上都居于前列，2010年我国一次能源消费量为32.5亿吨标准煤，同比增长了6%。中国已成为全球第能源消费大国，伴随而来的是能源紧张，温室气体排放增加，环境污染严重。由于单位产值能耗太大，能源消费惊人，节能减排已经成为当前我国社会和经济发展的

一项极为紧迫的任务。采用变频调速技术，可以节约能源，提高效率，是我国经济由粗放型走向集约型的必由之路。国家有关部门深刻认识到变频调速对于节能的意义，在2004年由国家发改委颁布的《节能中长期规划》中，电机系统节能被列为

十大重点节能工程之一。在2007年由科技部颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，“工业电机及典型泵阀关键技术研究”又被列为“十一五”国家科技支撑项目。

电机是电能消耗的最大户，统计数据显示，中国每年电机新增容量达1.5亿千瓦，总容量超过7亿千瓦。目前中国电机年用电量超过20000亿千瓦时，约占全国用电量的60%和工业用电量的80%。在电动机中，交流电动机占90%左右，应用最多的是三相交流异步电动机。交流电动机特别是笼型异步电动机，由于结构简单、制造方便、成本低廉，而且坚固耐用、运行可靠、惯量小、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，在工业公用工程、国防军事装备、交通运输、电力、煤炭石化、塑胶、冶金、纺织化纤以及食品行业等各领域都获得了广泛的应用]。其

中，低压380V电动机数量最多，但单机容量小，只占电动机整个用量的一部分，

而1kV以上的高压电动机由于单机容量大，是电动机用电的主要部分，通常用于重要工业场合。比如，大功率的传动机械、大功率风机和水泵在工业领域占有主要地位，它们通常采用400kW~40MW,3~10kV的大功率交流电机进行拖动，采用高压大容量变频器对其进行变频调速改造后，可以直接降低电厂的厂用电和发电损耗，增大上网电量，同时还能提高电厂设备的自动化程度和运行寿命。因此，大力

发展高性能变频调速技术，推进节能减排，对于完成“十二五”期间单位GDP能

耗下降目标，保障国家能源安全和减少环境污染意义重大[2]。

交流异步电动机是一个多变量、强耦合、高阶的非线性系统，随着电力电子器件制造水平的提高、电动机控制理论的不断完善和微机控制技术与大规模集成电路

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的迅猛发展，交流调速理论不断完善并且正逐步取代传统的直流调速。目前比较实用的交流调速控制方法一般可以分为转速开环恒压频比控制、转速闭环转差频率控

制、矢量控制和直接转矩控制(DTC)等几种方式[3]。对于风机水泵等一般性能

的节能调速，采用简单的恒压频比控制即可满足要求。实际中还存在大量的对转速精度和转矩响应都有一定要求的工艺性调速，如电力机车牵引、电动汽车、轧钢系统、船舶推进等场合。过去由于电力电子器件的制造水平和电机控制理论发展程度的限制，通常采用直流调速以实现高性能的闭环控制，但直流电动机存在电刷和换向器，需要经常维护，而且换向能力限制了直流电动机的容量和速度。矢量控制是交流异步电动机高性能调速场合应用最广泛的控制方法，又称为磁场定向控制。磁场定向控制可分为定子磁场定向、转子磁场定向和气隙磁场定向三种。其中，基于转子磁场定向的矢量控制应用最多，可以实现交流异步电动机的解耦控制，即磁链和转矩的独立控制，采用这种方法可以使异步电动机的变频调速动态性能与直流电动机相媲美。转子磁场定向矢量控制又分为直接转子磁场定向矢量控制和间接转子磁场定向矢量控制，在异步电动机直接矢量控制系统中，转子磁链观测是实现磁场准确定向的关键环节，直接影响到控制系统的性能[4]。通常是通过检测电流、电压和转速等可以直接检测的量，通过磁链电压模型和磁链电流模型，或者采用状态观测器的方法来观测电动机的转子磁链，计算得到转子磁链的幅值和相位。磁链观测的准确与否取决于电压、电流信号和速度信号的检测精度以及电动机参数的准确程度，如果检测信号精度低，受干扰波动大，或者运行环境改变引起电动机参数变化，都将会影响到磁链观测的准确性。

要实现异步电动机的高性能调速控制，除了磁链观测外，还需要准确的转速信息，速度闭环是实现高性能调速的必要条件。一般都是通过安装速度编码器来获得转速信息，这种有速度传感器的矢量控制系统，响应快，精度高，性能好，可实现低速和零速平稳运行。但是速度编码器的引人增加了系统的成本，受检测干扰和硬件故障因素影响而降低了系统的可靠性。另外，还存在安装问题，受高温、粉尘潮湿、空间等因素影响，有些场合不允许或不适宜安装速度编码器。因此，研究无

速度传感器矢量控制技术具有实际意义，随着电力电子技术的发展，借助DSP通

过电动机电流和电压信号来估算转速是可能的[4]，但是转速估计一般很复杂，另外转速估计十分依赖电动机自身参数。尽管目前许多国外品牌的变频器已经实现了无速度传感器矢量控制系统并投入了实际应用，但是由于信号的噪声干扰和电动机参数的不准确和变化，造成低速估计不准，在低速性能上还存在许多问题。因此，如何提高低速场合磁链观测、转速估算精度和稳定性，一直是个研究热点5]，除了不断改进观测技术和估算方法外，电动机静止和运行时电动机参数的准确获取是准确观测转子磁链和速度进而实现高性能交流调速的前提。

因此，研究高性能无速度传感器矢量控制技术可以进一步增加自主高性能变频技术的积累，促进国内变频器产业快速发展。我国工业对变频器的需求量相当大，

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但是市场上销售和企业使用的大都是国外品牌。我国变频调速技术起步较晚，目前国内品牌的变频器产品大都是采用标量控制，主要是应用在对控制性能不高的低端场合，采用真正矢量控制的国内品牌变频器相对较少，且其性能与国外品牌相比也还存在一定差距。国外品牌的变频器在我国的市场占有率达到80%以上，因此需要提高国产变频器的产品性能和质量，促进国内变频器企业快速发展，提高国内市场份额。开发高性能无速度传感器交流调速技术并尽快将其产品化具有重要意义。

对于治金轧钢、矿井提升、机车牵引和船舶推进等国民经济重要场合，这些应用领域不仅需要高稳态转速精度、快速的转矩响应和较强的过载能力，而且通常需要较大的功率输出。随着新型电力电子器件的发展，如集成门极换流晶闸管

(IGCT)和高压绝缘栅双极型晶体管(HV-IGBT),以及多电平拓扑的成熟，如三

电平中点钳位结构，多电平高性能大功率变频调速在上述场合已经得到广泛应用，其中基于中点钳位的三电平高性能变频调速系统最为突出。由于三电平高压大容量变频器具有十分广阔的应用前景、巨大的市场需求，并且技术门槛高、开发难度大，目前已经成为电力电子研究和应用的热点[6]。三电平结构具有所需器件少结构简单、体积小、质量轻和能量可双向流动等优点[]，非常适合用于高性能调

速系统。目前国内研究三电平变频器的厂家并不多，与H桥串联结构相比，不够

成熟，大部分局限于恒f比水平[8]。而西方发达国家在三电平高压变频器上已经有了多年的积累，技术比较成熟，从开环到高性能闭环控制都有系列的产品并且

不断推陈出新。典型代表是西门子公司的三电平矢量控制系统和ABB公司的三电

平直接转矩控制系统，并且占据了国内大部分市场。出于技术保密等因素，很多关键技术都对外保密，无从查询。因此，研究基于三电平逆变器结构的高性能闭环控制算法，对于打破国外公司的垄断，提高国内自主研发水平，具有重要意义。

1.2电力电子技术的发展

1.2.1电力电子器件及其发展日里是中扇器交卧

电力电子器件是电力电子技术发展的物质基础。从20世纪末到21世纪初，电力电子器件有了很大的发展，特别是一些高耐压、大电流的全控型器件问世，为高压大容量变频器形成工业产品创造了良好的条件。电力电子器件按照触发信号来分可以分为电压控制型器件和电流控制型器件。电压控制型器件主要包括金属氧化物

半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和电子注入增强

型栅极晶体管(EGT),其特点是输人阻抗高、驱动电路简单、所需驱动功率小

开关频率高，电流控制型器件包括晶闸管(SCR)、门极可关断晶闸管(GTO)、集

成门极换流晶闸管(IGCT)和功率晶体管(BJT),其特点是具有电导调制效应，

通态压降低，但工作频率低，驱动电路较复杂，驱动功率较大。目前在实际中使用

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的高压器件主要有SCR、GTO、IGCT、IGBT和IEGT等。此外，大功率的快速恢复

二极管作为不可控开关器件也发挥了不可或缺的重要作用。

SCR是半控型器件，它所能承受的电压和电流仍然是目前电力电子器件中最

高的，但由于开关频率低，只能采用相控方式，对电网的谐波污染严重，随着大功

率的IGCT和IGBT的出现，SCR正逐步退出历史舞台。

GTO是改进的SCR,不仅可以控制开通，也可以控制关断。其最高容量是

10kV/6kA。GTO被普遍应用在大功率机车牵引等场合，但其吸收电路复杂和驱动

电路功率较大，限制了其应用。由SCR和GTO派生出来的IGCT由于其优异的性

能，正在逐步取代GT0,受到人们的更多关注。

IGCT是将门极驱动电路和门极换流晶闸管集成于一个整体形成的器件，它不

仅与GTO有相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相当的开关性能，兼

有IGBT和GTO所长，是一种理想的兆瓦级开关器件。IGCT具有如下特点[2]：①

缓冲层设计技术使IGCT的芯片厚度比同样耐压等级的GT0芯片厚度减少了40%；

②透明阳极技术可以快速释放器件的存储电荷，大大缩短了关断时间；③逆导技术

较好地解决了GCT和二极管阳极间的隔离问题；④硬驱动技术大大减少了门极电

路上的杂散电感。基于以上新技术，IGCT具有可靠的门极驱动、优异的关断特性

和更小的通态及关断损耗，采用IGCT的大容量变频器结构更简单，效率更高。

IGBT是功率晶体管和MOSFET的复合器件，既有GTR的导通压降低、通流密

度大的优点，又有MOSFET的开关频率高、开关损耗低和控制方便等优点，因此

成为中小功率等级的主导器件。IGBT发展很快，为了适应更高功率的应用场合，

其功率等级一再提高，目前已有6.5kV的IGBT研制成功[]。

电子注入增强型栅极晶体管(EGT)是在IGBT基础上发展起来的一种新型复

合器件，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。目前4.5kV/6000A的EGT已经研制成功[1o]。

随着电力电子器件的发展，碳化硅(SC)器件正越来越引起人们的注意。碳

化硅材料和其他半导体材料相比，具有如下优点：高禁带宽度、高饱和电子漂移速度和击穿强度、低介电常数和高的热导率。上述这些特性决定了碳化硅器件在高温、高频和高功率等场合是理想的电力电子器件。但由于碳化硅材料的制约，在

SC材料和功率器件的机理、理论和制造工艺等方面还存在大量问题需要解决，碳

化硅器件的普遍应用还需假以时日。

总之，电力电子器件的飞速发展，为高性能变频器的开发提供了坚实的物质基础，可以预见以后会有性能更好的电力电子器件出现。

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1.2.2电动机控制用功率变换器

两电平三相变换器是最为成熟的功率变换器，在中小功率等级的电动机控制中得到了广泛应用。各大半导体厂商几乎都有电压和功率等级不同的三相两电平变换器产品，极大地方便了两电平变频器的生产和制作。为了进一步减少体积，降低成本和提高可靠性能，很多公司将控制和功率器件集成在同一块芯片上，形成了功率

集成电路(PIC)。像专用功率器件模块和变频调速装置逆变回路部分用到的智能

功率模块(PM),把功率器件、驱动、控制、保护电路都集成在一起，给应用带

来了很大便利。

虽然传统的两电平变换器结构日趋成熟，已得到广泛应用，但受制于器件的耐压和容量限制，用于大功率场合存在一些问题。为了获得高压大功率，两电平拓扑不得不采用器件串联或者并联技术，从而带来动静态均压和均流等问题。另外，还有过高的dv/d:和共模电压，降低了系统的可靠性。20世纪80年代以后发展起来的多电平变换器，与传统两电平变换器相比，可以降低器件的承压，易于实现高压大容量，而且输出电压有更多的电平数，谐波含量小，因此在高压领域得到了迅速的发展。

三电平逆变器主电路及其方案最早由德国学者Hotz于1977年提出，其中每相桥臂带一对开关管，以辅助中点钳位。后来，1980年日本学者A.Nabae在当年的

IAS年会上对此进一步改进[]，将这些辅助开关变成一对二极管，分别与上下桥

臂串联的主管中点相连，以辅助中点钳位，从而构成二极管中点钳位型(Neutral

Point Clamped,NPC)三电平变换器。与前者相比，该电路更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此更为实用。1983年，Bhagwat和Stefanovic

进一步将这种电路结构由三电平推广到多电平，从而奠定了NPC结构的多电平模

式[2]，为高压大容量变换器提供了新思路。多电平变换器作为一种新型的高压大容量功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平变换器需要输出变压器和动态均压电路的诸多缺点，具有以下主要优点：①更适合高压大容量场合；②电平数越高，输出的电压谐波含量越低；③器件开关频率低，开关损耗小，效率得到提高；④器件应力小，无须动态均压。因此，自20世纪80年代以来被广泛应用于高压交流调速和大功率静止无功补偿等场合13,14]，目前已经成为电力电子的一个重要研究领域5]。

多电平逆变器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，现在一般认为目前实际应用中比较有代表性的多电平变换器有三种主要拓扑结构：二极管中点钳位型、飞跨电容型和输出串联型。

1.二极管中点钳位型拓扑

图1-1a给出了中点钳位型多电平逆变器的拓扑结构图。这种结构的特点是采

用多个二极管对相应开关元件进行钳位，输出相应M电平的相电压。二极管钳位

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型拓扑具有多电平逆变器共同的优点，但存在自身不足：①所需钳位二极管的数量随着电平数的增多而急剧增多，提高了成本，实际应用中通常不超过五个电平；②电平数增多时直流侧电容电压平衡难以控制，尤其在高功率因数负载和高调制比运

行时，三电平有很多方法可以实现中点平衡16,1]，包括软件和硬件的方法，而三电平以上仅靠软件的方法通常比较困难18,19]，从而加重了直流母线侧电压的负担；③电平数超过三时，钳位二极管承受电压不均衡。针对这些问题，学者们做了很多工作19,0]，有的着力于解决电容电压的不平衡，有的着力于解决电平数多时

二极管的均压问题，均取得了一定的效果。总体来讲，NPC结构在实际中以三电

平最为实用。

2.飞跨电容型拓扑

飞跨电容型(Flying Capacitors)多电平逆变器的拓扑结构图如图l.lb所示，又称悬浮电容钳位型多电平逆变器，由T.A.Meynard和H.Foch在1992年PESC年会上提出[2]。最初目的是减少二极管钳位多电平变流器在较多电平情况下过多的钳位二极管。也就是采用悬浮电容器来代替钳位二极管工作，直流侧的电容不变。工作原理与二极管钳位型变流器相似，但在电压合成方面，开关状态的选择比二极管钳位型具有更大的灵活性。当然，这种拓扑结构也存在许多问题：①引人大量直流电容，不但带来了体积、成本等多方面问题，而且必须设计复杂的电容预充电电路；②控制方法相对复杂，同样存在电容电压不平衡问题。

3.输出串联型拓扑

输出串联型主要是具有独立直流电压源的级联型逆变器(Cascaded Inverters)。

通过叠加低压逆变器的输出获得高压输出，包括H桥串联型多电平电路和三相逆

变桥串联型多电平电路15,2)。图1.1c所示为级联型多电平逆变器拓扑图。这种方式的主要优点是：①输人侧功率因数高；②各个单元相对独立，容易采用冗余方式实现高可靠性；③控制非常简单，易于扩展输出；④电平数越高，相对于其他结构较简单。但是，由于每个单元均需要一个独立电源，系统结构复杂。通常采用三相交流通过不控整流得到直流电源，由于采用曲折变压器，增大了体积和成本，在实际应用中受到较大限制。另外，其制动困难，动态性能较差，限制了其应用范围，主要用于风机水泵等对动态性能要求不高的场合。目前国内高压大容量变频器的结构大都是基于这种拓扑。有学者[22]提出了不对称多电平方式，采用1：2的直流电源，可以用较少的串联桥数输出较多的电平，而且还可以根据不同的电压等级选取不同的功率开关器件，进一步优化系统的性能和价格，但这种不对称多电平方式难

以保持各单元H桥的功率平衡。

除上述典型多电平拓扑外，有学者提出了具有自平衡能力的多电平变流器拓扑[23]，可以在理论上把二极管钳位型和电容悬浮型统一起来，但这种采用了较多开关和电容的拓扑用于大功率变频器存在许多问题。另外，还有学者提出了混合型

多电平变换器结构，即NPC/H桥结构，与同样的NPC结构相比，相电压有五个电

···试读结束···