隔爆一体式电机调速系统部分硬件功率设计问题及其控制技术研究

【摘要】本文以教育部创新团队项目、辽宁省教育厅创新团队项目及抚顺煤矿电机制造有限责任公司项目为背景，以1140V/75kW隔爆一体式电机为研究对象，针对煤矿作业空间狭窄及变频调速系统与电机高度集成后带来的驱动系统体积问题、无速度传感器矢量控制转速估计值易受测量参数影响问题、系统成本等问题，开展了隔爆一体式电机调速系统硬件功率设计及转速估计研究。论文的主要研究内容包括以下几个方面：为了提高系统集成度，缩减隔爆一体式电机体积及成本，基于电力电子系统建模，对变频调速系统硬件功率部分展开设计。研究一种解析法计算逆变器母线电容参数的方法，对整流输出一个周期内的波形进行详细分析，考虑了电压跌幅、纹波电流、系统稳定性的相互影响，并采用牛顿-拉夫逊法计算母线电容值。给出了输入电流、进线电抗器电压、母线电容电压、母线电容纹波电流、输出电流的仿真与计算方法。针对隔爆一体式电机设计过程中受到体积及温升的制约，准确计算整流器及逆变器损耗对于正确设计隔爆一体式电机调速系统水冷散热器及合理选择IGBT具有重要意义。基于此，提出解析法计算可控整流器、逆变器IGBT损耗的计算方案。在实现过程中，综合考虑了门极驱动电阻、直流母线电压、温度、结温对IGBT损耗的影响。给出了SVPWM调制算法下逆变器IGBT及Diode的导通损耗、开关损耗、总损耗、温差及结温的计算方法。考虑到IGBT损耗与结温相互影响的特点，利用自定义热路模型，提出以环境温度为初始条件的循环迭代算法，最后给出了IGBT结温、壳温及散热器温度曲线。定量分析了直流母线电压、门极驱动电阻、环境温度对整流器及逆变器的损耗及温升计算的影响。在此基础上，设计水冷散热器一台，对隔爆一体式电机主要发热部件进行了损耗计算，并应用温度仿真软件进行热流分析，将仿真与实验进行了对比。对调速系统电流及转速调节器参数进行基于MATLAB与Simplorer/Ansoft协同仿真平台的在线调整，通过程序优化正确的PI调节器参数，为系统实验时PI参数的整定节约时间。基于DSP2812对隔爆一体式电机调速系统进行无速度传感器矢量控制程序设计。针对煤矿电网电压波动大，转速估计过程中采集数据易受测量参数剧烈波动而导致的转速估计误差增大问题，研究采用基于模糊自适应卡尔曼滤波的感应电动机无速度传感器控制策略。通过监视理论残差与实际残差的比值，对测量噪声协方差阵进行递推在线修正，使其逐渐逼近真实噪声水平，从而使滤波器执行最优估计，提升转速估计策略抗测量参数波动的能力，提高估算精度。对隔爆一体式电机进行结构设计，制作1140V/75kW隔爆一体式电机一台。搭建实验平台，分别在空载及负载条件下，对其进行实验研究。主要包括：空载条件下开关特性实验、不同转速、负载转矩下温升实验、PI参数调节实验、速度突然上升、下降、电流突加扰动等转速估计实验等。验证采用本文所提出的方案、设计的隔爆一体式电机的正确性与可行性。
【作者】陈德志；
【导师】白保东；
【作者基本信息】沈阳工业大学，电机与电器，2014，博士
【关键词】隔爆一体式电机；电力电子建模；功率设计；模糊卡尔曼；转速估计；

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