矿井提升机同步机直接转矩控制系统的研究

论文摘要

矿井提升机是煤矿生产的关键设备,其电气传动及电气控制装置一直是各国电气传动领域的一个研究热点。本论文分析了矿井提升机电力拖动方案的现状,相比之下,同步机交直交直接转矩控制方案具有功率因数高、谐波电流小、对电网污染小的显著优点,是最具优势的方案。本文从实际需要出发,着眼于传动的发展方向,紧盯国际先进水平,以矿井提升机凸极同步电动机直接转矩控为研究课题,具有重大的现实意义和广阔的应用前景,但是目前这方面的研究并不多。课题可分为整流和逆变两部分。整流侧采用可逆PWM整流器,逆变采用电励磁同步电动机直接转矩控制。本论文首先详细分析了PWM整流器的基本原理,并在一般数学模型的基础上建立了PWM整流器的dq数学模型。根据矿井提升机调速系统的具体要求,探讨了PWM整流器的控制策略,提出将基于前馈解耦的矢量控制应用于调速系统中PWM整流器的控制。利用Matlab软件对整流器矢量控制策略系统的稳态性能、动态性能以及整流工况到逆变工况的切换等各方面作了仿真研究。同时以TMS320LF2407 DSP为核心,设计了系统硬件和软件,并在实验室进行系统的实验研究,验证了前面的研究结果。接着研究了凸极同步电动机在不同坐标系下的数学模型,在此基础上建立了基于Xad标幺值系统的凸极同步电动机数学模型。研究了同步电机直接转矩控制的原理,并对其影响因素进行了讨论,并分别进行了仿真对比研究。在励磁电流恒定的研究基础上,进一步提出单位功率因数下的励磁电流控制方案,对系统空载启动、负载突变进行了仿真研究。最后结合提升机的工艺对一个提升循环进行了仿真研究。仿真结果表明,该方案性能优异,完全可以满足提升机的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 提升机对电气传动装置的要求
• 1.3 国内外矿井提升机电控系统发展、现状与研究动态
• 1.3.1 国内外提升机的发展与现状
• 1.3.2 目前应用的矿井提升机电力拖动方案
• 1.4 PWM整流器概述
• 1.4.1 PWM整流器的提出
• 1.4.2 PWM整流器的发展概况
• 1.4.3 PWM整流器的研究内容
• 1.4.4 PWM整流器的应用领域
• 1.5 电励磁同步电动机变频调速系统概述
• 1.5.1 应用电磁式同步电动机变频调速的优点
• 1.5.2 同步电机矢量控制系统
• 1.5.3 同步电动机直接转矩控制系统
• 1.6 本课题研究意义及研究内容
• 1.6.1 本课题的研究意义
• 1.6.2 本文主要研究内容
• 1.7 本文创新点
• 2 三相电压型PWM整流器（VSR）的基本原理与建模分析
• 2.1 PWM整流器基本原理概述
• 2.2 双P调速中PWM整流器电路拓扑结构的选择
• 2.2.1 PWM整流器分类
• 2.2.2 三相电压型PWM整流器拓扑结构
• 2.2.3 双P调速中PWM整流器电路拓扑结构的选择
• 2.3 三相VSR的工作原理
• 2.3.1 三相VSR的拓扑结构中各元件对系统的作用和影响
• 2.3.2 三相电压型PWM整流器换流方式的分析
• 2.4 三相VSR波形分析
• 2.4.1 桥侧相电压波形分析
• 2.4.2 交流侧线电压波形分析
• 2.4.3 网侧电感两端电压波形分析
• 2.5 三相VSR的数学模型
• 2.5.1 采用开关函数描述的三相VSR一般数学模型
• 2.5.2 三相VSR的dq模型的建立
• 2.6 本章小结
• 3 矿井提升机双P调速系统中三相VSR的仿真研究
• 3.1 矿井提升机双P变频调速系统对PWM整流器的要求
• 3.2 提升机负载下三相VSR控制策略选择
• 3.2.1 三相VSR瞬态电流控制策略
• 3.2.2 提升机负载下三相VSR控制策略选择
• 3.3 基于前馈解耦的矢量控制策略
• 3.4 三相VSR的空间矢量脉宽调制SVPWM
• 3.4.1 采用空间矢量脉宽调制SVPWM调制的优点
• 3.4.2 基于新算法的SVPWM调制技术
• 3.5 三相VSR的控制系统设计
• 3.5.1 电流内环控制器的设计
• 3.5.2 电压外环的设计
• 3.5.3 主电路参数选择
• 3.5.4 直流电压的选择
• 3.6 三相VSR矢量控制系统的仿真研究
• 3.6.1 整流器整流工况及抗扰仿真
• 3.6.2 整流器能量双向流动的仿真结果
• 3.7 本章小结
• 4 基于DSP的三相VSR硬件设计和软件实现
• 4.1 系统的硬件设计
• 4.1.1 系统硬件组成
• 4.1.2 系统主电路硬件设计
• 4.1.3 系统控制电路设计
• 4.1.4 系统检测电路设计
• 4.2 控制系统的软件设计
• 4.2.1 系统的主程序设计
• 4.2.2 外部中断1服务子程
• 4.2.3 软件锁相子程序
• 4.2.4 定时器T3下溢中断服务子程序
• 4.2.5 电压、电流环调节器及矢量解耦运算子程序
• 4.2.6 SVPWM子程序
• 4.3 实验研究
• 4.3.1 系统开环实验
• 4.3.2 系统闭环实验
• 4.4 本章小结
• 5 电磁式交流同步电动机的数学模型
• 5.1 同步电动机的基本结构和工作原理
• 5.1.1 同步电动机的基本结构
• 5.1.2 同步电动机的工作原理
• 5.2 凸极同步电动机的基本数学模型
• 5.3 坐标变换
• 5.3.1 基本的坐标变换
• 5.3.2 坐标变换的功率不变约束
• 5.4 同步电动机dq轴系的数学模型
• 5.5 同步电动机的标么值系统
• 5.5.1 定子侧各物理量基值的选择
• 5.5.2 转子侧各物理量基值的选择
• 5.6 dq轴系同步电动机标幺值数学模型
• 5.7 同步电机的仿真模型
• 5.8 本章小结
• 6 凸极同步电动机直接转矩控制系统
• 6.1 电磁式同步电机直接转矩控制的基本原理
• 6.1.1 同步电机直接转矩控制的基本原理
• 6.1.2 凸极同步电动机直接转矩控制的电压空间矢量
• 6.1.3 直接转矩控制的圆形磁链轨迹的跟踪控制原理
• 6.1.4 电压空间矢量和电机转矩的关系
• 6.2 凸极同步电动机直接转矩控制系统
• 6.2.1 DTC调速系统磁链的控制
• 6.2.2 磁链模型
• 6.2.3 扇区的判断
• 6.2.4 DTC调速系统转矩的控制
• 6.2.5 电压空间矢量的选择
• 6.2.6 凸极同步电动机直接转矩控制的励磁电流控制
• 6.3 系统性能仿真
• 6.3.1 同步电机参数
• 6.3.2 三点式和两点式的开关表的对比仿真
• 6.3.3 不同的采样时间的系统对比仿真
• 6.3.4 不同励磁电流的对比仿真
• 6.4 同步电机直接转矩控制系统励磁电流控制
• 6.5 单位功率因数控制下系统的仿真
• 6.5.1 系统空载启动仿真
• 6.5.2 系统抗扰仿真
• 6.6 它励同步电动机直接转矩控制在矿井提升机中的应用研究
• 6.6.1 提升机电力拖动系统的特点
• 6.6.2 矿井提升机凸极同步电动机直接转矩控制系统的仿真
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果