摘 要：本文介紹如何實現(xiàn)高壓同步電機全數(shù)字化矢量控制變頻器，這種變頻器有四象限運行，啟動轉(zhuǎn)矩大，恒轉(zhuǎn)矩輸出，調(diào)速范圍寬，諧波小等特點。其構(gòu)成為矢量控制器、移相變壓器、帶能量回饋的功率單元、傳感器反饋用編碼器；敘述了矢量控制方式，坐標變換，速度及電流控制等，通過負載試驗運行結(jié)果證明了這種變頻器的特點。
一、技術(shù)背景
近年來交流異步電機的調(diào)速應(yīng)用得到較快的發(fā)展，與交流異步電機相比較，同步電機有著先天的優(yōu)勢，異步電動機由于勵磁的需要，必須從電源吸取滯后的無功電流，空載時功率因數(shù)很低。而同步電動機則可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。當COSθ=1時，電樞銅損最小，還可以節(jié)約變壓變頻裝置的容量。
由于同步電動機轉(zhuǎn)子有獨立勵磁，在極低的電源頻率下也能運行，因此，在同樣條件下，同步電動機的調(diào)速范圍比異步電動機更寬。異步電動機要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動機比異步電動機對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強的承受能力，能作出更快的動態(tài)響應(yīng)。由于交流同步電機在可靠性與維護量、功率因數(shù)、電機尺寸與轉(zhuǎn)動慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢，對于大容量電機，世界各國已基本趨向于使用同步電機。比如工業(yè)應(yīng)用上大功率空氣壓縮機、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機和鋼廠大容量軋鋼機等均采用同步電機驅(qū)動。
1、交直交單元串聯(lián)多電平方式
現(xiàn)在國內(nèi)的同步電機變頻器，大部分采用的是交交變頻，和交直交變頻器相比，缺點：驅(qū)動晶閘管復(fù)雜；輸出頻率范圍低，只能達到電網(wǎng)頻率得1/3運行；功率因數(shù)低，諧波污染嚴重。在一些控制場合交交變頻器的原理制約了它高速上的應(yīng)用不能實現(xiàn)和動態(tài)響應(yīng)慢的缺點。
交直交方式使用移相的目的可以提高整流設(shè)備的脈波數(shù)，減小網(wǎng)側(cè)高次諧波，整流變壓器采用二次側(cè)延邊三角形移相，交直交方式頻率調(diào)速范圍寬，功率變換電路采用多電平變換器（見圖2），各級功率模塊采用H全橋IGBT驅(qū)動方式，由于輸出電平數(shù)較多，輸出波形階梯增多，就可以使調(diào)制波接近正弦，降低電壓跳變，這樣諧波就少。另一個優(yōu)點是輸出電壓的dv/dt較小，對負載電機的沖擊小。如一些軋鋼機，提升機，卷揚機。如果采用交交變頻，必須加減速機構(gòu)。而交直交可以在許可的范圍內(nèi)頻率任意調(diào)解。這就解決了上述問題。
2、基于能量回饋的功率單元
普通高壓變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構(gòu)張力系統(tǒng)及機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了普通高壓變頻器的應(yīng)用范圍,基于能量反饋的系統(tǒng)解決上述問題,并且實現(xiàn)了真正的節(jié)能目標而不是浪費掉能量。
帶能量回饋的功率單元，輸入為移相隔離變壓器副邊降壓繞組的三相，IGBT的控制信號為經(jīng)光纖傳輸過來的PWM信號控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出經(jīng)單元串聯(lián)后到電機。原理如圖2。
圖2能量回饋單元原理圖
三相定子繞組靜止電氣方程：
?
三相定子坐標系到兩相靜止坐標系的變換方程（Clarke變換）
?靜止坐標系到轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標系的變換方程（Park變換）
?Park逆變換
Clarke逆變換
α和β兩相靜止坐標系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場定向坐標系d、q如圖4
圖4坐標變換圖
同步電機采用改進的空間矢量磁場定向控制策略，控制系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)簡單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，能有效地限制動態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；系統(tǒng)全數(shù)字式的關(guān)鍵是電流環(huán)數(shù)字化，就是把數(shù)模混合式變頻系統(tǒng)中的模擬電流環(huán)，采用數(shù)字方式加以實現(xiàn)，其核心提高電流環(huán)的處理速度，達到或接近模擬電流環(huán)的響應(yīng)速度。根據(jù)目前的微處理器DSP、A/D器件的水平，可以滿足硬件的需要；另一方面在于控制策略及控制軟件的優(yōu)化。良好的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計是使研制的系統(tǒng)達到實用化的保證，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，必須充分利用硬件資源，提高集成度降低硬件成本，達到產(chǎn)品化的目標。
矢量控制系統(tǒng)的解耦,速度給定ω與速度反饋相減得出速度誤差，速度誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出轉(zhuǎn)矩電流給定iq，id勵磁電流給定是根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)需要進行調(diào)整其值根據(jù)不同的電機和負載得出的經(jīng)驗值，電機三相電流反饋ia、ic、ib經(jīng)傳感器采樣，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)子位置電氣角度θ進行Clarke變換，變換后輸出ialpha、ibeta,ialpha、ibeta經(jīng)Park變換輸出id、iq，id、iq值與給定值iqref、idref求誤差,進行PI調(diào)節(jié)后輸出Vq、Vd,電壓矢量和轉(zhuǎn)子位置電氣角度θ經(jīng)過Park逆變換Clarke逆變換輸出電機定子三相電壓Va、Vb、Vc值，三相電壓Va、Vb、Vc值作為PWM（脈寬調(diào)制）的比較值比較輸出PWM波形到逆變器然后驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。
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