發(fā)布時間：2020-07-28 07:59

【摘要】：在傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造場合,高壓大功率交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)已逐步取代直流電動機調(diào)速技術(shù)而占到主導地位。在軋鋼、造紙、水泥、煤炭、鐵路及船舶等領域中,廣泛應用大中容量的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)。交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的應用,不但可以節(jié)能,也可以使整個系統(tǒng)的性能達到最佳,改善工藝條件,提高生產(chǎn)效率,也大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。同時在解決環(huán)境污染方面,中、高壓大容量變頻調(diào)速系統(tǒng)也是一種最好、最直接的方法之一,如高速電氣化鐵路、城市地鐵和輕軌及電動汽車等,可以大大減少尾氣排放的污染。多電平逆變器具有輸出電壓電平數(shù)高、輸出波形與正弦波接近、諧波含量少和電壓變化率小等特點,因此適用于高壓大功率應用場合,在中、高壓大容量變頻調(diào)速器大量應用的促使下,多電平逆變器已成為當前電力電子技術(shù)中倍受關注的重要研究熱點。級聯(lián)型多電平逆變器(Cascaded Multilevel Inverter-CMLI)采用由獨立直流電源供電的H橋基本功率單元進行疊加,不存在直流電容均壓問題,具有所需的元器件少、輸出電壓諧波含量少、易實現(xiàn)模塊化和易擴展等優(yōu)點,因此是多電平逆變器中應用最為廣泛的結(jié)構(gòu)之一。在調(diào)制算法方面,由J.Holtz提出的空間矢量PWM控制法(SVPWM)把交流電機和逆變器視為整體,著眼于使交流電機的磁鏈軌跡為圓形,具有噪聲低、轉(zhuǎn)矩脈動小、高直流電壓利用率、便于微機實時控制等優(yōu)點,因此具有廣闊的發(fā)展前景。本文圍繞級聯(lián)型多電平逆變器,對其SVPWM調(diào)制算法、過調(diào)制算法及由其構(gòu)成的雙Y移30°永磁同步電機控制系統(tǒng)等若干關鍵問題展開深入研究,其主要內(nèi)容包括:1、N級級聯(lián)型多電平逆變器通用SVPWM算法和簡化SVPWM算法研究提出了一種適合于任意電平數(shù)的級聯(lián)型多電平逆變器通用SVPWM算法,對參考矢量所在的扇區(qū)進行了判斷,確定了參考矢量頂點所在的三角形,對三角形的類型進行了辨識,利用參考矢量所在正六邊形的層數(shù)和在扇區(qū)垂直方向的層數(shù)這兩個參數(shù)推導了合成參考矢量三個矢量的作用時間。驗證了該算法的正確性和通用性。為任意電平數(shù)的級聯(lián)型多電平逆變器的SVPWM算法提供了一個通用的調(diào)制方法。針對輸出電壓中出現(xiàn)電壓跳變的現(xiàn)象,提出采用死區(qū)技術(shù)避免了同一扇區(qū)內(nèi)H參數(shù)的變化,使輸出電壓波形中不再出現(xiàn)電壓的跳變,同時降低了輸出電壓波形的總諧波畸變率(THD)。針對級聯(lián)型多電平逆變器SVPWM算法的復雜程度隨著電平數(shù)的增加而顯著增加的現(xiàn)象,提出了基于映射原理的簡化SVPWM算法,將參考矢量所在的正六邊形映射到中心小正六邊形,按照兩電平逆變器的SVPWM算法選擇合成參考矢量的基本矢量及其作用時間,再將其進行逆映射,轉(zhuǎn)化為多電平逆變器的參考矢量合成,進而確定開關狀態(tài)序列。避免了判斷多電平逆變器參考矢量頂點所在的三角形,簡化了算法,并且算法的復雜程度不會隨著電平數(shù)的增加而增加。2、級聯(lián)型多電平逆變器過調(diào)制算法的實現(xiàn)針對級聯(lián)型多電平逆變器過調(diào)制的實現(xiàn),提出了疊加原理與基于映射原理的SVPWM算法相結(jié)合的過調(diào)制方法。根據(jù)調(diào)制度系數(shù)的不同把過調(diào)制區(qū)劃分成兩個區(qū),由于在過調(diào)制Ⅰ區(qū)內(nèi)僅需對參考矢量的幅值進行修正,所以采用疊加原理對參考矢量進行修正,在過調(diào)制Ⅱ區(qū)內(nèi)不僅要對幅值進行修正,還要修正其相角,為簡化算法的復雜程度,對疊加原理進行改進,重新定義疊加系數(shù),根據(jù)參考矢量相角的大小對參考矢量進行修正,利用公式推導出合成修正參考矢量的基本矢量的作用時間。避免了復雜的傅里葉級數(shù)變換,使算法簡單、容易實現(xiàn),同時提高了直流電壓的利用率。針對過調(diào)制區(qū)內(nèi)調(diào)制度系數(shù)增加到一定值后調(diào)制增益會隨之下降的問題,提出采用逆增益對調(diào)制增益進行補償?shù)姆椒?有效的補償了過調(diào)制區(qū)域內(nèi)調(diào)制增益的下降。3、多電平雙Y移30°永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的SVPWM算法及矢量控制系統(tǒng)研究為了滿足高壓大容量調(diào)速系統(tǒng)的要求,將多電平逆變器與多相電機相結(jié)合,提出了級聯(lián)型多電平逆變器驅(qū)動雙Y移30°永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的SVPWM算法。構(gòu)建了五級11電平級聯(lián)型多電平逆變器驅(qū)動雙移30°永磁同步電機(PMSM)的六相調(diào)速系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),對多電平逆變器空間矢量的分布進行了詳細分析,將兩電平多相電機的相鄰最大四矢量SVPWM方法擴展到多電平多相電機,研究了基于雙級聯(lián)型逆變器的四矢量SVPWM算法;對采用該方法的諧波損耗進行了深入的分析,構(gòu)建了基于雙多電平逆變器的雙移30°永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)10kV甚至更高電壓等級的多相電機驅(qū)動,并且諧波含量低,轉(zhuǎn)矩脈動小,調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能好。4、級聯(lián)型多電平逆變器裝置的研制最后本文對級聯(lián)型多電平逆變器裝置進行了研制,主要包括逆變器主電路硬件設計及基于DSP的控制電路部分軟、硬件設計。并在該裝置上進行了兩種調(diào)制度系數(shù)下的實驗,給出了主要的實驗波形,驗證了所提方法的可行性,其對促進級聯(lián)型多電平逆變器在高壓變頻領域的應用具有很好的工業(yè)應用前景。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM464
【圖文】：

該橋臂上功率開關關斷，下橋臂導通。在橫軸以下，當正弦波幅大于負三角載波幅值時，與該三角載波對應的功率單元右橋臂上功率開關導通，橋臂關斷，反之，當正弦波幅值小于負三角載波幅值時，該橋臂上功率開關關，下橋臂導通。對于 B 相和 C 相 2N 路三角載波是相同的，不同的只是正弦調(diào)波的相位。②載波反相層疊 PWM 控制載波反相層疊 PWM 控制不同于載波同相層疊 PWM 控制的只是橫軸以上的 N三角載波與橫軸以下的 N 路三角載波相位反相，其它均相似。和功率模塊對應三角載波的分布與上一種方式相同，即和同一功率單元對應的兩橋臂的三角波置應對稱。如圖 1.9（b）所示。③載波依次反相層疊 PWM 控制載波依次反相層疊 PWM 控制的特點是正弦波與上述兩種方法相同,不同的是角載波的相位由上而下依次反相，其原理圖如圖 1.9（c）所示，由此可以看出，以上三種方法的不同之處僅在三角波的分布情況不同。

根據(jù)上述算法利用Matlab對級聯(lián)型多電平逆變器進行了仿真研究，載波頻率1KHz，調(diào)制度系數(shù)為0.9，每個H橋直流電壓取900V，每相采用五個H橋級聯(lián)。圖2.9為級聯(lián)型多電平逆變器每相五個H橋級聯(lián)，采用錯位移相SPWM輸出的A相50Hz十一電平相電壓波形與諧波分析，其基波幅值為3917V，圖2.10是采用本文方法輸出的扇區(qū)判斷波形，相電壓波形及其諧波分析，從圖中可見電壓波形接近正弦波，基波幅值為4499V，較錯位移相法高出582V，直流電壓利用率提高了14.86%

調(diào)制度系數(shù)為0.9，每個H橋直流電壓取900V，每相采用五個H橋級聯(lián)。圖2.9為級聯(lián)型多電平逆變器每相五個H橋級聯(lián)，采用錯位移相SPWM輸出的A相50Hz十一電平相電壓波形與諧波分析，其基波幅值為3917V，圖2.10是采用本文方法輸出的扇區(qū)判斷波形，相電壓波形及其諧波分析，從圖中可見電壓波形接近正弦波，基波幅值為4499V，較錯位移相法高出582V，直流電壓利用率提高了14.86%，電壓總諧波畸變率THD=12.59%，較錯位移相法的13.19%低，且電壓低次諧波含量很小

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