三相交流变频驱动系统的容错控制研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第2页故系统效率不会因调速而降低。而变转差率调速属于不改变同步转速的调速方案，存在着调速范围愈宽，系统效率愈低的问题。在改变同步转速的两种调速方案中，变极对数调速为有级调速，调速范围窄，且不连续，所以，目前在交流调速方案中，变频调速方案是各种交流调速系统中最理想的一种调速方式。为解决能源短缺和环境污染这两大世纪难题，针对高压大功率机电设备的大容量变频调速技术近年来成为国内外研究和使用的科技热点。大容量变频调速技术不仅可以为占工业用电大多数的高压大容量电动机实现变频拖动，节省大量电能，而且以其为核心技术发展起来的高速公

2、共交通工具(电力机车，城市地铁和轻轨)及电动汽车也是解决环境污染的重要途径。另外，以采用高压多电平大容量电力电子装置构成的无功补偿和电力有源滤波器及其相关技术，可以有效地补偿电网中的无功，并可治理谐波，对电力系统的发展也具有重要意义。特别是近年来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推广应用，电压380V以下的低压变频器已大量使用。但是在工业应用领域，大功率的传动机械，大功率风机、水泵占主要地位的驱动电动机都是400"--"40000kW，3～10kV的大功率高压交流电动机。随着电力电子器件沿着大容量、高频、易驱动、低损耗、智能模块化的

3、方向前进以及现代控制理论的发展，高压大功率交流变频调速技术发展迅速，出现了多种类型的调速方式。按照不同的分类标准可以分为以下几类：依据所使用的电力电子器件可以分为GTO、IGBT、IGCT、SGCT型等。依据控制策略，一类是基于交流电动机稳态数学模型的标量控制；另一类是基于交流电动机动态数学模型的矢量控制。而高性能矢量控制方法可分为：一种是基于解耦控制的无速度传感器矢量控制技术；另一种是基于Bang—Bang控制的直接转矩控制技术。依据功率变换方式可以分为直接变换(交一交)和间接变换式(交一直一交)两类。直接变换最典型的是：矩阵变换式。根据所用储

4、能元件性质的不同，交一直一交变换器还可分为电流型和电压型两种；从高压的构成角度，又可以分成直接高压型和间接高压型，具体分类如图I-1所示f¨。而交一直一交电压源高压变频器按照拓扑结构，分为高一低一高式、器件串联两电平式、三电平式、功率单元串联多电平式等。西南交通大学硕士研究生学位论文第3页功率变流变换交直厂变换．{L一交流变传统交．交变换矩阵式交．交变换型图卜1功率变换装置类型不意图交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决

5、与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：①．高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展②．高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加(器件串联和单元串联)两个方向发展③．更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中④．现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场⑤．无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟⑥．全面实现数字化和自动化：参数自设定技术、过程自优化技术、故障自诊断技术⑦

6、．应用32位MCU,DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度，多功能⑧．相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。1．2容错控制的意义与研究现状随着现代控制理论和微机信号处理技术的不断进展，新型功率半导体器件不断出现，三相变频驱动系统因其良好的节能效果，优良的运动性能，广泛应用于工业、商业、航空等领域。由于系统的物理模型具有非线性、多变量、强耦合的自身特点，不但对系统进行精确控制成为困难，而且也是故障型型流压电电、llL广j型压一局高接压型低压《西南交通大学硕士研究生学位论文第4页极易发生的环节。如何提高系统特别是功率变换装置的

7、可靠性，避免因故障发生带来严重的经济损失，甚至造成灾难事故，具有重要的现实意义。正是在这样一种背景下，容错控制技术的研究被推到了前沿位置，并得到了飞速的发展。容错控制为提高复杂系统的可靠性和安全性开辟了一条新的途径。容错控锘1](FaultTolerantControl，FTC)的基本思想是：当系统中一个或者多个关键部件发生故障或差错时，系统能自动检测与诊断，并能采取相应的措施，使系统在故障的情况下仍能维持规定的性能，或不丧失基本性能。因此，构成一个容错控制问题有三个基本要素。其一是考虑的故障类型，即容错控制的对象：其二是对控制系统的性能要求，即

8、控制的目标；其三是容错控制的方案，即采用何种控制方法(包括系统的结构和参数)来实现容错控制[2】o’作为一门交叉学科，容错控制与鲁棒控制