用于电机传动系统的多逆变器并联控制技术

假设并联各逆变器的均流电抗器值均为 Z1 ， 负 载阻抗为 Z L ， 电机电流等于并联逆变器各相电流之 和， 根据电路叠加定理， 当 N 个逆变器并联时， 电机 b， c｝ 。 电流的电路模型如图 2 所示， 其中 ∈｛ a，
Z1 U1准＋…＋UN准 im NZL
2
2. 1
控制系统模型
控制系统结构
在大功率 电 机 传 动 系 统 中 ， 扩大逆变器容量 ［ 1］ 的技术途 径 主 要 有 多 相 化 技 术 、 多电平技术和 多逆变器并 联 运 行 技 术 ， 其中多逆变器并联技术 立足于成熟 的 三 相 电 机 传 动 系 统 的 控 制 技 术 ， 易 于实现扩容 ； 因此在兆瓦级电机传动领域 ， 尤其是 在 690 V 低压大电流传动系统中 ， 以小功率等级的
（3）
均流 电抗器 逆变器 N
式中： K c 为均流调节器增益； i1c 为逆变器 1 中实际 环流的大小。 上述通过建立电机电流和逆变器环流的等效电 路模型， 得到电机电流和环流的控制方程 ， 为逆变器 并联技术用于传动系统中的电流控制打下基础 。
图1 Fig. 1
带三相感应电机的逆变器并联系统的结构图 Structure of parallel inverters with 3phase induction motor
* di
兹e iq*i iai ibi ici idi 3 iqi 2 ioi 兹e iaj ibj icj 兹e id%j ia ib ic 棕r iaj ibj icj 3 iq%%j 2 io%j 兹e
渍r
O- 控制
SPWM
D- 控制
Vai Vdi 2 Vbi Q- 控制 V Voi 3 ci
)
有并联逆变器间的环流。根据并联逆变器运行时电 机电流的回路模型和控制原理， 建立逆变器并联传 动系统的电机电流传递函数示意图 ， 如图 5 所示。
* im
将式（ 4 ） 中各项电压相加， 得
N
SPWM
D- 控制
Va%j Vq%j 2 Vb%j Q- 控制 V Vo%j 3 c%j
Vd%j
encoder
（ Department of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033 ，China）
Abstract： In order to solve the problem of current balancing control of parallel inverters for lowvoltage largecurrent motor drive system，the masterslave vector control system of tracking the reference current is studied. Based on the circuit models and the control principles of motor current and circulating current，the masterslave control system of tracking the reference current was developed，and the current regulator was designed from the motor stability. The performances of the control system were verified by simulations and experiments. The results show that the motor current can be shared and has good dynamic characteristics. Key words： parallel inverters； motor drive； masterslave control； current sharing
提出了跟踪参考电流方式的主从式矢量控制策略 ， 并从电机稳定 析了电机电流和环流的控制原理 ， 性能角度研究了电流调节器的设计原则 ， 最后对控制系统性能进行了仿真和实验分析。 研究结果 表明：该控制策略间接引入了均流环控制 ， 能有效减小并联逆变器之间的环流； 通过对电流调节器 参数的合理设计， 使得电机具有较好的稳定性能和动态性能 。 关键词： 并联逆变器； 电机传动； 主从控制； 均流控制
第 14 卷
第2 期
2010 年 2 月
电 机 与 控 制 学 报 ELECTRI C MACHINES AND CONTROL
Vol. 14 No. 2 Feb. 2010
用于电机传动系统的多逆变器并联控制技术
魏永清， 张晓锋， 乔鸣忠
（ 海军工程大学 电气工程系，湖北 武汉 430033 ）
摘
要： 为了解决用于低压大电流电机传动系统的逆变器并联控制问题 ， 对跟踪参考电流方式的 主从式矢量控制系统进行了研究 。在建立电机电流和并联逆变器环流等效电路模型的基础上， 分
Ui ∑ i =1
= Ki （ i
* m
－ im ） 。
（5）
+ -
（ ）/子is K i 子is+1
KPWM
1/ （ Z1+NZL）
im
其中 i m 是各逆变器电流之和， 即实际的电机电流。 根据图 2 中电机电流的控制原理， 对比式 （ 1 ） 和式 （ 5 ） 可以看出， 并联系统中各逆变器的电流调节器 增益 K i 等于电机电流调节器增益 K m ， 即各逆变器 的电流调节完成对电机电流的控制功能 。 将式（ 4 ） 中任意逆变器的输出电压与并联逆变 器的平均输出电压相减， 得
工作原理
在基于跟踪参考电流的主从式控制系统中， 主 * 模块计算出的给定电流信号 i m 经 N 等分后， 作为从 模块的给定电流信号。定义各逆变器电流调节器的 增益均为 K i ， 则调节器输出的电压和电流关系为 i － i1 ， N * i UN = Ki m － iN 。 N U1 = K i
将跟踪参考电流的主从式控制结构应用到电机 可得基于跟踪参考电流的主从式矢 的矢量控制中， 量控制系统， 其能够在旋转坐标系下实现对电机转 ［ 6 － 7］ 、 。 参考电 速 电流和模块之间环流的有效控制 流经 Park 坐标变换后转换成直流量， 能很好地提高 调节器的控制性能， 做到无静差控制。 控制系统结 构如图 4 所示。 图 4 中， 主控制模块完成矢量控制中的转速调 节和磁链控制， 得到电机给定的转矩电流和励磁电 流；除以模块数 N 后， 得到各个逆变模块的给定电 流， 并将给定电流和磁链角发送给从模块 。 从控制模 块 从 主 控 制 模 块 获 得 转 矩 分 量 、 励 磁分量的参 考 电 流 和 磁 链 角 ， 逆变器输出的三相 电流根据主模块发送的磁链角经旋转变换后得到 dq0 坐标系下的电流 ， 与主模块发送的参考电流相 比较并进行 PI 控制 ， 得到电机旋转坐标下的给定 电压值 ， 并 转 换 为 三 相 静 止 坐 标 系 上 的 相 电 压。 采用 SPWM 调 制 方 式 ， 产生触发脉冲控制逆变器 。 的输出电压
。
（2）
以逆变器 1 为例， 其环流电路模型如图 3 所示。
Z1 i1c
1
电机电流和逆变器环流的等效电路 及控制原理
U1准- U1准+…+UN准 N
本文研究对象为多个三相桥式变流器并联带三 如图 1 所示。 相电机负载的推进系统，
逆变器 1 均流 电抗器
图3 Fig. 3
逆变器环流电路模型 Circuit of cross current
图2 Fig. 2
电机电流的电路模型 Circuit of motor current
由图 2 看出 ， 并联逆变器电压共同作用在电机 控制并联逆变器的输出电 负载上产生 负 载 电 流 ， 压， 即可控 制 电 机 电 流 ； 因 此 ， 可得电机电流的控 制方程
* * U1 + … + U* N = Km （ im － im ） ， * m
N
Kf （ / Ts+1）
图5 Fig. 5
电机电流的传递函数示意图
Sketch of transfer function of motor current
图 5 中， 当逆变器的开关频率足够高时， 忽略开 关频率附近及以上各次谐波， 逆变器可视为一比例环 节 K PWM ， 只对调制波进行放大； i m 为实际的电机定子 电流， 电流调节器选用 PI 型， 其参数为 K i （ τ i s + 1 ） / τ i s； K f / （ Ts + 1） 为电流环的反馈环节模型； Z1 = R1 + L1 s 为均流电抗器 1 的阻抗，Z L = R L + L L s 为电机等 效阻抗。因此， 电机电流的开环传递函数 G m 为 K（ τ i s + 1 ） G m （ s） = ， （7） （ L1 + NL L ） s s （ Ts + 1 ） （ R1 + NR L ） + 1
（1）
式中： K m 为电机电流调节器增益； i 是给定电机电 流； i m 是实际电机电流。 当 N 个逆变器并联运行时， 将各逆变器的环流 定义为各逆变器的输出电流与并联逆变器输出平均 电流之差， 即
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机
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第 14 卷
主控制模块 渍* r 励磁 电流 计算 i* d 从控制模块 i 棕* + 棕r PI T* e 转矩 电流 计算 1/N i* q
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电机 模型