淺析高壓同步電機全數(shù)字化矢量控制變頻器應用設計

1 引言

電力電子技術(shù)的主要任務為實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，它的主要研究目標是節(jié)能，努力挖掘一切潛在的提高效率的途徑，來節(jié)省有限的能源，保護人類生存的環(huán)境。功率變換技術(shù)正是實現(xiàn)這一目標的重要手段，所以它始終是電力電子學的核心技術(shù)。經(jīng)過三十多年，特別是近十多年的發(fā)展，功率變換技術(shù)已比較成熟，近年來的發(fā)展動向主要集中在軟開關(guān)、高壓、大功率和低壓、大電流變換技術(shù)方面。

近年來交流異步電機的調(diào)速應用得到較快的發(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。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。

交流同步電機的調(diào)速是電氣驅(qū)動領(lǐng)域的一大難題，我國從20世紀70年代開始進行交流同步電機調(diào)速技術(shù)的研究，80年代初已研制成功交—交變頻同步電機的實驗樣機，但大功率交流變頻調(diào)速裝置直到90年代后期才得到發(fā)展。目前國產(chǎn)大功率變頻裝置成功應用于同步電機的實例很少，都是國外品牌一統(tǒng)天下。目前我國大型同步電機應用變頻調(diào)速雖然剛剛起步，但國外已經(jīng)廣泛使用。通過他們長期的運行實踐表明：應用高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟效益良好、其可靠性也可以得到保證。因此我國高壓同步電機變頻調(diào)速裝置將來的市場前景巨大。

國內(nèi)大功率交流同步電機傳動方面，以交-交變頻調(diào)速傳動為主。這些變流、變頻傳動裝置功率大，一般為幾百千瓦至數(shù)千千瓦。在水泥，采礦與礦山行業(yè)、船舶行業(yè)、冶金行業(yè)、化工，石油與天然氣行業(yè)、電力行業(yè)、紙漿造紙行業(yè)、供水與污水處理、煤炭、有色金屬等特別是礦山的大型礦井提升機傳動與調(diào)速等領(lǐng)域已有較多的應用。大容量、低轉(zhuǎn)速、高過載、響應快、四象限運行等傳動領(lǐng)域主要用于礦井提升機和鋼鐵廠的主軋機，對變頻器的控制要求特別嚴格，這是普通異步電機及其變頻器所不能解決的，在此類系統(tǒng)中應用的大多是大功率同步電機。我國目前在高壓大功率同步電機控制系統(tǒng)中采用的技術(shù)主要以交－交控制方式的變頻為主，還有交－直－交方式，交－交變頻器由于其控制原理方式的制約，造成其功能和應用范圍受限。交－交變頻器的結(jié)構(gòu)方式把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路，廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)。改變切換頻率，就可改變輸出頻率；改變交流電路的導通角，就可以改變交流輸出電壓幅值；輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系，很難確定明確界限。例當采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3～1/2。電網(wǎng)頻率為50hz時，交－交變頻電路的輸出上限頻率約為20hz。

還有一種變頻器是交-直-交型高壓變頻器，這種變頻器的驅(qū)動高壓同步電機的方式目前以v/f控制為主，這種方式在一些對調(diào)速比要求不高，動態(tài)響應低的場合適用，它的控制方式是采用異步電機的控制策略，啟動過程：高壓同步電機先進行異步變頻啟動，等轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，再對轉(zhuǎn)子投入勵磁電流，使系統(tǒng)進入同步轉(zhuǎn)速運行。這種控制方式的缺點是，響應慢，調(diào)速比小， 不能發(fā)揮同步電機的特長，不能實現(xiàn)四象限運行，高壓同步電機輸出的轉(zhuǎn)矩低，起動電流大，容易失步，這種變頻器只能用于負載較輕，負載變化不大的場合。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和應用，計算機用于控制，使交流變頻控制系統(tǒng)由模擬式進入數(shù)模混合式，進一步發(fā)展到全數(shù)字式，實現(xiàn)控制方案和控制策略的軟件化，在控制系統(tǒng)全數(shù)字化的情況下，由于改變軟件即可改變控制模式和參數(shù)，這就大大提高了系統(tǒng)的通用性和靈活性，簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并可采用一些基于現(xiàn)代控制理論的控制算法來提高系統(tǒng)的性能。更重要的是，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、遠程控制技術(shù)、總線技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字方式是未來發(fā)展的必然趨勢。因此全數(shù)字化交-直-交大功率同步電機矢量控制器的應用是未來應用的方向，這方面在我國的應用和研究還是空白，變頻調(diào)整控制方法的進展主要體現(xiàn)在由早期的靜態(tài)控制方式向高動態(tài)性能的四象限運行的矢量控制發(fā)展，采用這種控制方式可以有效地解決高壓同步電機的動態(tài)響應、調(diào)速比寬等要求，系統(tǒng)可以恒轉(zhuǎn)矩輸出。

2 全數(shù)字化矢量控制方式技術(shù)方案的原理

2.1技術(shù)方案詳細闡述

鑒于現(xiàn)有技術(shù)缺點，和要實現(xiàn)的技術(shù)目的，我們要實現(xiàn)的高壓同步電機矢量控制變頻器的實現(xiàn)由以下技術(shù)特點和單元組成，三相高壓電輸入移相隔離變壓器，經(jīng)移相隔離降壓多路交流輸出后，輸入到帶能量回饋的功率單元igbt整流并濾波成直流再經(jīng)igbt逆變輸出到同步電機；電機的位置速度傳感器反饋的信號經(jīng)高速串行編碼傳輸方式傳送給主控板的fpga進行解碼處理后，送給dsp進行數(shù)據(jù)運算處理；電流反饋經(jīng)霍爾傳感器采樣，上傳信號板經(jīng)模擬信號處理電路濾波處理后再上傳給dsp主控板的ad采樣并運算；主控板與上位機的人機界面進行實時數(shù)據(jù)通信，并上報系統(tǒng)的各項運行參數(shù)和故障狀態(tài)；輸入輸出信號單元板與主控制器進行通迅，處理外部輸入輸出信號的控制功能；系統(tǒng)的原理如圖1所示。

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2.2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-交變頻器的原理帶來了它在高速上的應用不能實現(xiàn)和動態(tài)響應慢的缺點。

交-直-交方式使用移相的目的可以提高整流設備的脈波數(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，如圖2所示，各級功率模塊均采用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-交變頻器可以在設備許可的范圍內(nèi)，其頻率任意調(diào)節(jié)，這就解決了上述問題。

2.3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用范圍，而基于能量反饋的系統(tǒng)解決了上述問題，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信號控制其導通和關(guān)斷，輸出經(jīng)單元串聯(lián)后到電機。原理圖如圖2所示。

2.4數(shù)字矢量控制方式

矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實施仍然是對定子電流的控制。由于在定子側(cè)的各物理量（電壓、電流、電動勢、磁動勢）都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計算均不方便。因此，需借助于坐標變換，使各物理量從靜止坐標系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系，站在同步旋轉(zhuǎn)的坐標系上觀察，電動機的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標系上的各空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各分量之間的關(guān)系，實時地計算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流給定量。按這些給定量實時控制，就能達到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過坐標的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標系回到靜止坐標系，把上述的直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。在矢量變換的控制方法中，需用到靜止和旋轉(zhuǎn)的坐標系，以及矢量在各坐標系之間的變換，交流同步電機的矢量控制，需要把電機的abc三相定子靜止坐標系的電流ia、ib、ic、變換成α和β兩相靜止坐標系（clarke變換），也叫三相－二相變換，再從兩相靜止坐標系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場定向坐標系（park變換），等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流iq、id（id相當于直流電動機的勵磁電流；iq相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標逆變換（park逆變換）（clarke逆變換），實現(xiàn)對同步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交解耦控制。

如圖3所示，二極同步電機的物理模型，定子三相繞組軸線a、b、c是靜止的，三相電壓ua、ub、uc和三相電流ia、ib、ic都是平衡的，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組在勵磁電壓uf供電下流過勵磁電流if。沿勵磁磁極的軸線為d軸，與d軸正交的是q軸，d-q坐標在空間也以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，d軸與a軸之間的夾角θ為變量。

三相定子繞組靜止電氣方程：

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)響應的超調(diào)量，加快響應速度。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)，其核心是提高電流環(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iα、iβ，iα、iβ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)。

整個系統(tǒng)的控制原理框圖如圖5所示。

本方案的同步電機的勵磁電流是if是按照固定勵磁電流給定方式工作。對于同步電機的轉(zhuǎn)子勵磁電流if的給定，通過對同步電機的空載特性試驗和短路實驗，測出電機的各項參數(shù)并計算出所需運行的額定勵磁電流，此時根據(jù)額定的勵磁電流if調(diào)節(jié)定子側(cè)的去磁電流idref就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)，功率因數(shù)角δ=arctan（iq）/（id），控制idref就可以使得系統(tǒng)是運行在功率因數(shù)超前還是滯后。

2.5硬件主控實現(xiàn)部分

系統(tǒng)的軟硬件控制如圖6所示，由dsp數(shù)字信號處理器作為主控cpu，可編程邏輯器件實現(xiàn)部分算法的計算和波形發(fā)生及各種信號的處理，ad采樣處理電流電壓反饋信號并傳到dsp，單元與主控板cpu的通信采用光纖串行高速通信方式，單元的狀態(tài)信息經(jīng)可編程邏輯器件進行串行編碼后通過光纖發(fā)送到主控制器的接收板，主控制器接收板進行串行到并行解碼后傳輸?shù)街骺豤pu；主控cpu根據(jù)單元的狀態(tài)信息，調(diào)整系統(tǒng)的控制狀態(tài)；速度與位置傳感器的信號經(jīng)傳感器板、可編程邏輯器件進行串行編碼后，經(jīng)高速串行傳輸?shù)街骺仄靼宓目删幊踢壿嬈骷?，可編程邏輯器件對傳感器反饋的速度位置信號進行運算處理，測速方式采用變m/t測速，可以實現(xiàn)高精度的測速要求，可編程邏輯器件計算出速度和位置的有效值，并對傳感器檢測有無故障狀態(tài)，上報主控cpu，同時主控cpu可以根據(jù)測速的要求動態(tài)調(diào)整測速方式和時間；本系統(tǒng)中的電流檢測元件選擇了根據(jù)磁場補償原理制成的霍爾效應電流互感器，以滿足實時監(jiān)測電流的要求，電機的三相電流和電壓信號經(jīng)信號處理電路處理后，變成模擬電壓信號輸入到主控板的ad轉(zhuǎn)換芯片，該ad芯片可以在瞬時情況下對三相的電壓電流信號進行采樣保持并轉(zhuǎn)換，這樣能保證真實的再現(xiàn)電機瞬態(tài)三相電壓電流的波形，ad轉(zhuǎn)換芯片采樣完成后上傳三相的數(shù)據(jù)；主控制cpu與上位系統(tǒng)采用的是rs-232通訊模式，實時地接收上位機給定的各項參數(shù)設定值，并上報整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)和各項數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的外部i/o輸入輸出經(jīng)隔離傳輸?shù)街骺豤pu的i/o口，主控cpu根據(jù)控制要求作出相應的執(zhí)行控制；at25128是串行eeprom與主控cpu通信采用spi方式，eeprom主要起著保存上位系統(tǒng)各項設定參數(shù)值和存儲系統(tǒng)的一些運行狀態(tài)信息；主控cpu采用的是dsp它是ti公司c2000系列的tms320lf2407a，dsp是一種高速的微處理器，其最大特點是運算速度快，比目前16/32位微處理器和單片機的運算速度至少快一個數(shù)量級，dsp這種高運算處理能力能夠滿足電流環(huán)實時控制的高要求，可以同時對電機的轉(zhuǎn)子位置和速度進行辨識以實現(xiàn)無速度傳感器矢量控制要求，并且可以采用先進的現(xiàn)代控制策略，獲得更高的控制性能，更完善的功能；整個硬件的原理框圖如圖6所示。

2.6可編程邏輯器件的實現(xiàn)原理

單元模塊與主控制器的通訊采用光纖串行高速通訊模式，其通訊速率為4mhz，這樣可以滿足實時控制要求，每個模塊與主控制板通訊采用雙工模式，可編程邏輯器件發(fā)出的pwm波形信號經(jīng)編碼后并串轉(zhuǎn)換，通過光纖驅(qū)動發(fā)送到單元模塊，同時可編程邏輯器件接收單元的串行編碼進行串并轉(zhuǎn)換，把單元的狀態(tài)信息和故障信號以中斷方式上傳給主控dsp，具體如圖7所示。

傳感器信號的測速，對串行輸入的編碼進行解碼輸出電機轉(zhuǎn)子的位置信號數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)速脈沖信號進行測速，測速方式采用變m/t測速，根據(jù)測速的m值與t值進行數(shù)據(jù)運算得出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。由于采用了可編程邏輯器件硬件邏輯測速方式，使得測速范圍很寬和精度很高，能夠滿足系統(tǒng)精度要求。

pwm信號生成，根據(jù)dsp運算輸出的的數(shù)據(jù)可編程邏輯器件用高速時鐘生成數(shù)據(jù)，并進行單元串聯(lián)的pwm波形移相，輸出到光纖發(fā)送模塊。

由于系統(tǒng)采用全數(shù)字化控制方式，所有的控制策略全由軟件編程來實現(xiàn)，因而，軟件的設計決定著整個系統(tǒng)的性能?？刂撇呗圆捎棉D(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)速環(huán)采用pi調(diào)節(jié)、電流環(huán)采用pi調(diào)節(jié)，算法由dsp數(shù)字信號處理器軟件編程實現(xiàn)。速度環(huán)的輸入是速度反饋和速度給定的差值，輸出作為電流環(huán)的給定。電流環(huán)的輸出來控制pwm波形生成器，所生成的pwm波形控制逆變器中功率開關(guān)器件的通斷，以實現(xiàn)對電機的調(diào)速。整個軟件處理系統(tǒng)采用前后臺處理模式，程序的中斷服務采用嵌套處理的形式，以保證整個系統(tǒng)實時信號的處理，中斷源有4種，包括系統(tǒng)保護中斷，片內(nèi)電流環(huán)定時處理中斷，速度環(huán)定時處理中斷，外部通訊中斷。

軟件系統(tǒng)上電進行初始化，關(guān)中斷清各種標志位，配置dsp的各個外設模塊和i/o口，讀取eeprom中的參數(shù)信息，計算電機的位置信號和電角度，延時檢測高壓上電否？進入系統(tǒng)主循環(huán)。

系統(tǒng)保護中斷，檢測單元模塊的故障狀態(tài)和系統(tǒng)的保護中斷，在出現(xiàn)過流、過壓、plc等故障時，系統(tǒng)關(guān)斷igbt的輸出并停機上報系統(tǒng)的故障信息。

系統(tǒng)主流程，系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)的ram空間和各項外設模塊進行參數(shù)設定，對ram清零，接著對外部i/o和plc進行復位初始化，從eeprom中讀取初始電機的轉(zhuǎn)子定位信息，檢測高壓是否就緒，如就緒開放各種中斷進入主循環(huán)，否則一直檢測高壓就緒狀態(tài)信息，直到高壓就緒，主流程如圖8所示。

速度環(huán)與電流環(huán)中斷處理，實時監(jiān)測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信息，速度給定由人機界面設置輸入，檢測電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和加減速時間的各項參數(shù)值計算出當前的速度給定，根據(jù)給定速度指令與速度反饋計算誤差并進行pid調(diào)節(jié)，然后輸出iqref，根據(jù)設定的轉(zhuǎn)矩電流最大最小值限制iqref值，輸出iqref到電流環(huán)做為轉(zhuǎn)矩電流指令的給定，霍爾傳感器檢測ia，ic兩相電流反饋值，計算出三相電流反饋值，根據(jù)位置速度傳感器反的轉(zhuǎn)子位置計算當前轉(zhuǎn)子的位置電角度θ，由ia、ib、ic進行clarke輸出iα和iβ，由iα、iβ進行park變換輸出iq、id，根據(jù)速度環(huán)輸出得轉(zhuǎn)矩給定和去磁電流給定與反饋值求誤差并進行pi調(diào)節(jié)輸出vq、vd，由vq、vd進行park逆變換輸出vα、vβ，由vα、vβ進行clarke逆變換輸出va、vb、vc，輸出三相va、vb、vcpwm的占空比值到fpga；驅(qū)動波形通過fpga的pwm波形發(fā)生模塊輸出到光纖驅(qū)動器，經(jīng)光纖傳輸?shù)礁鱾€功率單元模塊控制igbt的開關(guān)。部分流程，如圖9所示。

3 實驗驗證

上述的技術(shù)方案經(jīng)過產(chǎn)品化后驗證整個設計方案是可行的并在不同的設備上進行了技術(shù)測試和考核。

例一：試驗設備6000v、630kw、6極的同步電機，在該設備上得到了測試驗證，整個系統(tǒng)的運行頻率低速可以達到0.01hz運行，高速可以達額定轉(zhuǎn)速的1.5倍頻率運行，低速轉(zhuǎn)矩特性平穩(wěn)，可以運行在0hz恒轉(zhuǎn)矩，整個系統(tǒng)的功率因數(shù)可調(diào)，如圖10，圖11所示。

例二：試驗設備6000v、630kw、36極的球磨機同步電機，圖11是在球磨機同步電機負載上做實驗的記錄波形，在球磨機負載實驗過程，系統(tǒng)在重載情況下啟動，變頻器的輸出波形很平穩(wěn)，系統(tǒng)的啟動過程均勻加速，而且無沖擊電流。從圖12中可以看出電流超前于電壓，系統(tǒng)運行在功率因數(shù)超前狀態(tài)。而原來的球磨機同步電機起動過程是用水電阻啟動，沖擊電流大超過額定負載電流的3倍，對電網(wǎng)的危害較大，改成同步電機矢量控制變頻器后有效的解決了啟動運行問題。圖13、圖14示出了現(xiàn)場情景。

4 結(jié)束語

本文詳細的敘述了如何實現(xiàn)高壓同步電機矢量控制變頻器，對矢量控制原理做了詳細的闡述，如坐標變換、電流環(huán)控制、速度環(huán)控制、pwm系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)等等。這種變頻器的各項特點在實際負載上通過了試驗驗證。