【摘要】：在傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造場(chǎng)合,高壓大功率交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)已逐步取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)而占到主導(dǎo)地位。在軋鋼、造紙、水泥、煤炭、鐵路及船舶等領(lǐng)域中,廣泛應(yīng)用大中容量的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用,不但可以節(jié)能,也可以使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)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(shí)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(dòng)汽車(chē)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(diǎn),因此適用于高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合,在中、高壓大容量變頻調(diào)速器大量應(yīng)用的促使下,多電平逆變器已成為當(dāng)前電力電子技術(shù)中倍受關(guān)注的重要研究熱點(diǎn)。級(jí)聯(lián)型多電平逆變器(Cascaded Multilevel Inverter-CMLI)采用由獨(dú)立直流電源供電的H橋基本功率單元進(jìn)行疊加,不存在直流電容均壓?jiǎn)栴},具有所需的元器件少、輸出電壓諧波含量少、易實(shí)現(xiàn)模塊化和易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),因此是多電平逆變器中應(yīng)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(jī)和逆變器視為整體,著眼于使交流電機(jī)的磁鏈軌跡為圓形,具有噪聲低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、高直流電壓利用率、便于微機(jī)實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn),因此具有廣闊的發(fā)展前景。本文圍繞級(jí)聯(lián)型多電平逆變器,對(duì)其SVPWM調(diào)制算法、過(guò)調(diào)制算法及由其構(gòu)成的雙Y移30°永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)等若干關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)深入研究,其主要內(nèi)容包括:1、N級(jí)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器通用SVPWM算法和簡(jiǎn)化SVPWM算法研究提出了一種適合于任意電平數(shù)的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器通用SVPWM算法,對(duì)參考矢量所在的扇區(qū)進(jìn)行了判斷,確定了參考矢量頂點(diǎn)所在的三角形,對(duì)三角形的類(lèi)型進(jìn)行了辨識(shí),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(gè)參數(shù)推導(dǎo)了合成參考矢量三個(gè)矢量的作用時(shí)間。驗(yàn)證了該算法的正確性和通用性。為任意電平數(shù)的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的SVPWM算法提供了一個(gè)通用的調(diào)制方法。針對(duì)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(shí)降低了輸出電壓波形的總諧波畸變率(THD)。針對(duì)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器SVPWM算法的復(fù)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(jiǎn)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(shí)間,再將其進(jìn)行逆映射,轉(zhuǎn)化為多電平逆變器的參考矢量合成,進(jìn)而確定開(kāi)關(guān)狀態(tài)序列。避免了判斷多電平逆變器參考矢量頂點(diǎn)所在的三角形,簡(jiǎn)化了算法,并且算法的復(fù)雜程度不會(huì)隨著電平數(shù)的增加而增加。2、級(jí)聯(lián)型多電平逆變器過(guò)調(diào)制算法的實(shí)現(xiàn)針對(duì)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器過(guò)調(diào)制的實(shí)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(guò)調(diào)制方法。根據(jù)調(diào)制度系數(shù)的不同把過(guò)調(diào)制區(qū)劃分成兩個(gè)區(qū),由于在過(guò)調(diào)制Ⅰ區(qū)內(nèi)僅需對(duì)參考矢量的幅值進(jìn)行修正,所以采用疊加原理對(duì)參考矢量進(jìn)行修正,在過(guò)調(diào)制Ⅱ區(qū)內(nèi)不僅要對(duì)幅值進(jìn)行修正,還要修正其相角,為簡(jiǎn)化算法的復(fù)雜程度,對(duì)疊加原理進(jìn)行改進(jìn),重新定義疊加系數(shù),根據(jù)參考矢量相角的大小對(duì)參考矢量進(jìn)行修正,利用公式推導(dǎo)出合成修正參考矢量的基本矢量的作用時(shí)間。避免了復(fù)雜的傅里葉級(jí)數(shù)變換,使算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn),同時(shí)提高了直流電壓的利用率。針對(duì)過(guò)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(huì)隨之下降的問(wèn)題,提出采用逆增益對(duì)調(diào)制增益進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?有效的補(bǔ)償了過(guò)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的SVPWM算法及矢量控制系統(tǒng)研究為了滿(mǎn)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(jī)相結(jié)合,提出了級(jí)聯(lián)型多電平逆變器驅(qū)動(dòng)雙Y移30°永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的SVPWM算法。構(gòu)建了五級(jí)11電平級(jí)聯(lián)型多電平逆變器驅(qū)動(dòng)雙移30°永磁同步電機(jī)(PMSM)的六相調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)多電平逆變器空間矢量的分布進(jìn)行了詳細(xì)分析,將兩電平多相電機(jī)的相鄰最大四矢量SVPWM方法擴(kuò)展到多電平多相電機(jī),研究了基于雙級(jí)聯(lián)型逆變器的四矢量SVPWM算法;對(duì)采用該方法的諧波損耗進(jìn)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(jī)矢量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10kV甚至更高電壓等級(jí)的多相電機(jī)驅(qū)動(dòng),并且諧波含量低,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能好。4、級(jí)聯(lián)型多電平逆變器裝置的研制最后本文對(duì)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器裝置進(jìn)行了研制,主要包括逆變器主電路硬件設(shè)計(jì)及基于DSP的控制電路部分軟、硬件設(shè)計(jì)。并在該裝置上進(jìn)行了兩種調(diào)制度系數(shù)下的實(shí)驗(yàn),給出了主要的實(shí)驗(yàn)波形,驗(yàn)證了所提方法的可行性,其對(duì)促進(jìn)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器在高壓變頻領(lǐng)域的應(yīng)用具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM464
【圖文】：

該橋臂上功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。在橫軸以下，當(dāng)正弦波幅大于負(fù)三角載波幅值時(shí)，與該三角載波對(duì)應(yīng)的功率單元右橋臂上功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，橋臂關(guān)斷，反之，當(dāng)正弦波幅值小于負(fù)三角載波幅值時(shí)，該橋臂上功率開(kāi)關(guān)關(guān)，下橋臂導(dǎo)通。對(duì)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(duì)應(yīng)三角載波的分布與上一種方式相同，即和同一功率單元對(duì)應(yīng)的兩橋臂的三角波置應(yīng)對(duì)稱(chēng)。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(diǎn)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(duì)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器進(jìn)行了仿真研究，載波頻率1KHz，調(diào)制度系數(shù)為0.9，每個(gè)H橋直流電壓取900V，每相采用五個(gè)H橋級(jí)聯(lián)。圖2.9為級(jí)聯(lián)型多電平逆變器每相五個(gè)H橋級(jí)聯(lián)，采用錯(cuò)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(jiàn)電壓波形接近正弦波，基波幅值為4499V，較錯(cuò)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(gè)H橋直流電壓取900V，每相采用五個(gè)H橋級(jí)聯(lián)。圖2.9為級(jí)聯(lián)型多電平逆變器每相五個(gè)H橋級(jí)聯(lián)，采用錯(cuò)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(jiàn)電壓波形接近正弦波，基波幅值為4499V，較錯(cuò)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(cuò)位移相法的13.19%低，且電壓低次諧波含量很小

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