（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器直接转矩控制系统中pwm算法的研究.pdf

摘要 t i t l e ：r e s e a r c ho np w mm e t h o do ft h r e e l e v e ll n v e r t e r b yd i r e c tt o r q u ec o n t r o l m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e n a m e ：j i a nc a i s u p e r v i s o r p r o f e s s o r y a n r uz h o n g l e c t u r e r j i a n y u a nw a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：地篁 s i g n a t u r e ：孥甩 s i g n a t u r e ：f 驰 i nr e c e n ty e a r s m u l t i l e v e lv o l t a g ei n v e r t e ri sw i d e l ya t t r a c t e da t t e n t i o na n dh a sb e c o m i n g o n eo fs t u d yh o t s p o t s ，b e c a m eo ft h ea d v a n t a g e so fl e s so u t p u th a r m o n i c 1 0 w e rs w i t c h f r e q u e n c y , l o w e rd v d t ，l o w e r 讲d t a n ds oo n n em a i nc o n m mo f t h i s 也e s i si st h r e e 1 e v e l i n v e r t e ra s y n c h r o n i s mm o t o rd i r e c tt o r q h ec o n t r o l ( d t 0s y s t e mp w ma r i t h m e t i c o nt h eb a s i so fs t u d y i n gi nd e t a i ld t cp r i n c i p l eo ft h r e e 1 e v e ln e u t r a lp o i n tc l a m p e d f t , m 0i n v e r t e r , t h em a t h e m a t i cm o d e l sb o t hi n d u c t i o nm o t o ra n dat h r e e 1 e v e li n v e r t e ra r eb u i l t a i m i n ga td i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o ra n dt h et o p o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so fa t h r e e 1 e v e li n v e r t e r , an e ws y n t h e s i z i n gv e c t o r sp w mm e t h o do ft h r e e 1 e v e ld t ci sp r e s e n t e d t h r o u 曲t h i sm e t h o d ，t h ec o m p l e x i t yo fv e c t o rs e l e e t i o ni ss i m p l i f i e d ，a tt h es a l n et i m e ，t h e n e u t r a l p o i n t - v o l t a g ei sk e p tb a l a n c e da n dt h eo c c u r r e n c eo f h i 出d v d ti sr e s t m i n e d ，f l u xr i p p l e a n dt o r q u er i p p l ec a nb em i n i s h e d b e t 、v e e nt h ep w me o n t r o li nat h r e e 1 e v e li n v e r t e ra n dt h e i n d u c t i o nd t cs t r a t e g yc a nb es e p a r a t e db yt h em e t h o d ，s oi n d e p e n d e n td i f f e r e n tc o n t r o lt a r g e t , a n di to p e n su pt h es p a c et oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eb yt h em 肌a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n sh a v ev e r i f i e dv a l i d i t v0 ft h ep r o p o s e ds c h e m e f i n a l l yt h ee x p e r i m e n t a l s a m p l eo ft h r e e 1 e v e li n v e r t e rh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc o r e t h e c o n t r o lp r o g r a r no fp w ma r i t h m e t i ci sw r i t t e na n di sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t h a si m p r o v e dt h e m o t o rc o n t r o lp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：t h r e e - l e v e ln p ci n v e r t e r ；d t c ；s y n t h e s i z i n gv o l t a g ev e c t o r s ；p w m 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：蓥垒!? 稗4 月2 - e t论文作者签名：蕴坌? 唧年4 月 学位论文使用授权声明 本人鏊鱼3在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 黼者繇趔一名：泓年掰日 第1 章绪论 1 绪论 1 1 引言 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题“。2 0 世纪7 0 年代以 来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的广 泛关注。我国能源生产和消费已列世界前茅，但仍远远满足不了工业生产和人民生活 发展的需要由于缺电，正常的生产秩序被打乱，造成巨大的经济损失；在能源十分 紧张的情况下，浪费现象仍十分严重。例如，在工业用电中，中高压大功率电机拖动 的风机、水泵占很大比例，这些设备每天都在消耗大量的电能。如果采用中高压大容 量变频调速装置拖动交流电机，对降低单产能耗具有重大意义。在轧钢、造纸、水泥、 煤炭、铁路及船舶等工业和生活领域中也广泛使用大中容量高性能交流电机调速系统。 此时，交流调速系统的应用可改善工艺条件，实现整个系统的性能最佳，并大大提高 生产效率和产品质量。另外，解决环境污染的重要途径是发展高速公共交通工具( 如 电力机车、城市地铁和轻轨) ，其核心也是大容量交流电机调速技术。 从2 0 世纪9 0 年代以来，以高压i g b t 、i g c t 为代表的性能优异的复合器件的发展 引人注目，并在此基础上产生了很多新型的高压大容量变换拓扑结构，成为国内外学 者和工业界研究的重要课题，使得传统上在大功率应用领域中占主导地位的s c r 、g t o 及其变换器结构受到强有力的挑战。近年来，多电平逆变器( m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 在中高压大功率场合的应用得到越来越多的关注，各种电路拓扑结构及控制方法纷纷 被提出和研究。多电平逆变器在国内外已逐步进入实用阶段的多电平变换技术，在工 业发达国家，兆瓦级的高压多电平逆变器已有产品大量投入市场，并应用于电力机车 牵引、船舰电力推进、轧钢，造纸、油气田、无功补偿等高性能系统中。国内市场需 求也很旺盛。据调查，国内现行装机的约4 亿千瓦电动机中，9 0 是交流电动机，其中 7 0 应该实施调速运行。如果实际可改造率又占5 0 的话，国内应有1 2 6 亿千瓦电动机 的变频调速需求，其中4 0 为在轧钢、造纸、矿井提升、轮船推进器等传统工业和现代 交通工具驱动中大量使用的中压大容量电动机，是国民经济各行各业的主力机组。从 目前所见到的相关报道，中压大功率变频器主要应用目的为节能，应用于电力、冶金 等领域的中压大功率电机，此外城市供水系统、供气系统、石化、矿山等也有较大的 潜在市场。随着人们节电意识的增强和国家厂、网分离等改造的市场利益导向，潜在 的市场需求必定转化为现实的市场需求，从而使中压大功率变频器产品具有广阔的市 场前景“1 。 在各种电动机控制策略当中，直接转矩控制( d t c ) 方法作为一种优秀的高性能方案， 自上世纪8 0 年代后期提出以来，其简单的结构、清晰的物理概念以及良好的控制性能引 起了学者们的广泛兴趣，但是由于整个控制系统中存在着多个非线性环节，使其性能受到 诸多因素的影响，其中某个非线性环节中的参数( 例如定子磁链或者转矩的滞环环差) 发 生变化时，整个系统的控制性能就可能发生很大的变化。所以对直接转矩控制系统理解的 西安理工大学硕士学位论文 深入与系统性能的改善成为众多学者的研究热点d t c 控制多基于优化电压矢量表，在多 电平逆变器的情形下，空间矢量模型较之两电平更加复杂，优化矢量表会相应地复杂很多。 同时，多电平逆变器的输出电压不能有过高的跳变，对于应用广泛的三电平中点箝位结构 的逆变器而言，还需要控制中点电压的漂移。考虑到成本和灵活性，通过对s v p w m 控制算 法的改进来解决中点电位波动问题更具有竞争性。 1 2 多电平逆变器技术发展 1 。2 1 传统大功率逆变电路 a 两电平逆变器 其拓扑结构和中小容量的逆变器完全一样，控制原理也相同。它的结构简单，已 经发展得相当成熟了。但考虑到器件的耐压和电流限制，为了获得大功率，通常只能 靠器件的串并联来实现，而串并联会带来开关器件的静态均压、动态均压、均流等一 系列问题，影响了逆变器的可靠性。此外这种类型的逆变器输出是两电平，珈疵大， 对器件和电机的冲击非常大。这些缺点直接影响到这种拓扑在高压领域的应用。 b 降压一普通变频一升压电路 这种结构两侧均需要大型变压器，体积大，成本高，变频部分一般采用交直交结 构，在输出频率较低的情况下，输出变压器的体积会更大，虽然它控制较为简单，但 性能仍不理想，而且电流很大。 c 交交变频电路 交交变频器省去了中间直流环节，一次功率变换效率高，开关功率大( 可达 5 0 0 0 v 5 0 0 0 a ) ，适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和应用开 发技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但 是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为5 0 h z 时，最大输出频率不 超过2 0 h z ；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿和谐波 治理。 d 变压器耦合的多脉冲逆变电路 为了获得高压，同时减轻器件上的高压应力，并解决器件并联带来的问题，人们利用 升降变压器的特点，将逆变桥并联起来获得更大电流，通过改变变压器的匝数比或连接方 式耦合叠加出阶梯波，以减小谐波。很显然，这些变压器的引入，增加了系统成本、损耗、 占用空间，且由于瞬态过程中变压器磁通饱和引起的直流磁化和浪涌过压等问题导致控制 上的困难，使系统动态性能变差。 e 双馈交流变频调速系统 双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高，因此 近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的2 5 ，因此可以大 大降低系统的成本。但是，双馈交流交频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用 2 第1 章绪论 普通的异步电机：而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。 为克服这些缺点，人们希望采用直接的高压变换器方式，这就对变换器所用器件 提出了更高的要求，特别是需要承受很高的电压应力。通常的做法是采用多个低耐压 值的开关器件串联，这种方法在实现直接高压变换的同时又一定程度降低了成本。但 这种方法存在着静态和动态均压问题，而均压电路会导致系统复杂。损耗增加，效率 下降。因此，一种通过变换器自身拓扑结构的改进，达到既无需升降变压器，又无需 均压电路的“多电平变换器”应运而生。 1 2 2 多电平逆变器拓扑综述 所谓的多电平逆变器( m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 的桥上有四个或者更多的电力半导 体器件，它通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合来实现多电平阶梯波输出电压， 可以使波形逼近正弦波。多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，由于输出电压电 平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较 小，且无需均压电路，开关损耗小，可避免大的西础所导致的各种问题，尤其是八十 年代以来，以g t o 和i g b t 为代表的第三代电力电子器件，以及以d s p 为代表的智能控 制芯片的迅速普及，为这种新型的多电平逆变器的研究和实际运用提供了必要的物质 基础。 a 典型的多电平拓扑 多电平变换器3 1 的思想最早是由日本学者n a b a e 于1 9 8 1 年提出的，其后在中压 大功率变频调速方面得到了广泛的研究。从目前所见至d 的各种主电路拓扑结构来看， 可归结为三种基本的拓扑结构“1 ： ( 1 ) 二极管箝位( d i o d e - c l a m p ) 优点；a 电平数越多，输出电压谐波含量越少； b 开关损耗较小，效率较高； c 可控制无功功率流。 缺点：a 需要大量箝位二极管； b 存在电容电压不平衡问题。 ( 2 ) 飞跨电容1 ( f l y i n g c a p a c i t o r ) 优点：a 电平数越多，输出电压谐波含量越少； b 开关损耗较小，效率较高； c 可控制无功功率流，可用于高压直流输电。 缺点：a 需要大量的筘位电容； b 用于有功功率传输时，控制复杂，开关频率高，开关损耗大； c 存在电容电压不平衡问题。 西安理工大擘硕士学位论文 ( 3 ) 具有独立直流电源的级联逆变器 1 ( c a s c a d e d - i n v e r t e r sw i t hs e p a r a t ed c s o u r c e s ) 。 优点：a 电平数多，输出电压谐波含量少； b 开关损耗较小，效率较高； c 无需箝位二极管和电容，易于封装； d 基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化； e 不存在电容电压平衡问题。 缺点：需多个独立电源。 b 新型的多电平拓扑 近几年，在原有的多电平拓扑结构的基础上，有发展出一些新型多电平电压型逆 变器9 1 1 ”i l l l 。 ( 1 ) 桥并联型 随着功率的进一步增大，系统电流也往往超过了单个器件的耐流水平。在这种情 况下，通常是通过器件并联来解决问题，而器件的并联就要涉及到驱动信号同步，动 静态均流等一系列问题。因此为了避免直接并联，就出现了桥并联形式的拓扑结构。 这种结构的优点是不但提高了装置的电流等级，可以避免器件的直接并联，同时 还可以增加输出的电平数，降低输出对负载的冲击。对于此类系统中存在的零序电流 分量( 环流) ，还有待深入的研究。 ( 2 ) 混合型 研究表明，在普通的二极管箝位n p c 拓扑中，桥臂内侧的器件存在关断过电压问 题。为了解决这个问题，韩国学者y o u n g s e o kk i m 等将二极管箝位和电容箝位结合起 来，提出一种新型拓扑结构。 这类混合型拓扑集合了多种拓扑的优点，为多电平技术的发展提供了新的思路。 此外还有带辅助变流器型、通用筘位型和层叠式多单元变流器等新型拓扑，拓宽 了多电平技术的研究视野。 基于三电平逆变电路已经进入实用阶段，对其进行研究和分析是很有实际意义的。 一般认为多电平逆变电路是建立在三电平逆变器的基础上的，按照类似拓扑结构拓展 而成的。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近于正弦波，谐波成 分越少，但这种理论上可以达到任意多个电平的多电平逆变器，由于受到硬件条件和 控制复杂性的约束，通常在追求性能指标的前提下并不追求过高的电平，而以三电平 最为实际。 4 第1 章绪论 1 3p 唧控制技术发展 多电平逆变器的p 喇控制技术是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术，它与多电 平逆变器拓扑结构的提出是共生的，因为它不仅决定了多电平逆变的实现与否，而且对多 电平逆交器的电压输出波形质量、电路中有源和无源器件的应力、系统损耗的减少以及效 率的提高都有直接的影响 到目前为止，人们已经提出了大量的多电平变换器p w m 控制方法“”，主要的有： 正弦波p 删调制技术，该法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的p l p , 法。采样控 制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效 果基本相同s p w m 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波 等效的嗍波形即s p v f l d 波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面 积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值，则可 调节逆变电路输出电压的频率和幅值。 低次谐波消去调制技术，该法是以消去p w m 波形中某些主要的低次谐波为目的的方 法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u ( m t ) = 彳。s i n ( c o t ) ，首先确定基波 分量4 的值，再令两个不同的彳。= 0 ，就可以建立三个方程，联立求解得4 ，4 及以， 这样就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是， 剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点。该方法只 适用于同步调制方式中。 空间电压矢量( s v p 嗍) 调制技术，该法也称作磁通正弦p w m 法。它以三相波形整体 生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关 模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成 p 咖波形此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作二个整体，以内切多边形逼近 圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场( 正弦磁通) 。 三电平直接转矩控制中s v p 硼m 算法归纳起来主要分为两种“：单一矢量和合成矢量 的方法。基于单一矢量的三电平直接转矩控制算法，采用每个开关周期只发一个矢量的方 案，在这段时间内就不会产生任何电平切换。局部开关频率为零。正是这个原因，直接转 矩控制才可以以很低的平均开关频率获得快的动态控制效果优点：单一矢量三电平d t c 算法能够有效地降低开关频率；较好地解决了中点电压的漂移，以及抑制输出电压有过高 的瞬时跳变问题。缺点：由于两个控制目标的相对独立性，有时就会出现相异甚至相反的 控制要求，只能采取折中的方案因而导致两方面的控制性能都有所下降，如存在转矩输 出高频脉动较大，将导致转子转速中存在着较大波动的问题。同时，由于在矢量选择过程 中需要兼顾不同的控制目标，而在不同情况下需要设计不同的折中方案，使得矢量选择算 法变得复杂，并且在很多细节的设计当中缺乏有效的衡量标准，难于找到较优的方案。 本文介绍的虚拟合成矢量方法是一种特殊的合成矢量方法，与单一矢量法相比，该矢 量可以有效地将三电平逆变器的p l y 控制和异步电动机的d t c 控制加以分离，相对独立 西安理工大学硕士学位论文 1 地实现不同的控制目标，从而避免了互相矛盾的问题，为提高控制性能拓展了空间可以 说，虚拟合成矢量起着连接三电平拓扑和传统d t c 控制算法间的桥梁作用三电平电路 封装起来，从控制接口的角度来看和两电平电路完全相同所以两电平直接转矩控制的核 心算法几乎可以原封不动地移植到三电平电路上。这种方法对实现减小转矩脉动以及控制 中点电位平衡及抑制输出电压跳变等综合性能指标具有满意的效果。 1 4 交流调速的发展 近1 0 年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动 技术面l 晦着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制 技术已成为发展趋势电机交流调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改 善环境、推动技术进步的一种主要手段。伴随着一系列新型的传动调速技术的出现，交流 传动开始了新的篇章。 1 4 1 交流传动的发展简述 首先是变压变频调速系统( w 1 i ，f ) ，后来出现了矢量控制和直接转矩控制调速系统。 由于w 、f 系统只是维持电动机内的磁链恒定，并没有解决磁链和电流强耦合的问题，其 调速范围窄，调速性能也不佳矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，通过 两次旋转坐标变换，实现异步电动机的转速和磁链控制的完全解耦。但实际上由于转子磁 链很难准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且计算也比较复杂。 1 9 8 5 年，德国的m d e p e n b r o c k “3 1 和日本的i t a k a h a s h i 先后提出直接转矩控制理 论。直接转矩控制在定予坐标系下，避开旋转坐标变换，直接控制转子磁链，采用转矩和 磁链的b a n d b a n d 控制，不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态 响应快，对参数鲁棒性好，因而得到广泛的深入研究和应用 1 4 2 矢量控制和直接转矩控制( d t c ) 的简略对比 首先从控制原理上：矢量控制是在转子磁通坐标系中，通过分别控制q 轴和d 轴定予 电流分量，实现转速和磁链的解耦控制。其实质是通过坐标交换重建的电动机数学模型等 效为直流电动机，从而象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制直接转矩控制是在 定予坐标系下通过检测电动机定子电压和电流，采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁 链，并根据与给定值比较所得差值，实现转矩和磁链的直接控制 其次从控制性能上：矢量控制的调速范围较宽( 1 ：2 0 2 0 0 ) ，调速精度较高，低速特 性连续，响应速度较快，但受参数变化影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。直接转矩 控制的调速范围较窄( 1 ：1 5 1 0 0 ) ，调速精度也较高，响应速度快，低速特性有脉动现象， 但其不仅计算简便，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理 概念明确，动静态性能均佳，有广阔的应用前景。 直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基 6 第l 章绪论 本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子 磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。 d t c 为什么具有比矢量控制快的转矩响应呢? 众所周知，d t c 控制系统由电机的电压 和电流计算出定子磁链和转矩，采用b 锄d _ b 鲫d 控制来实现变频器的p w m 控制，i y r c 控制 系统没有电流控制环路，因此，i ) t c 控制系统的着眼点是电压，而不是电流而矢量控制 的原理是基于交流电机的电流控制，把交流电流按磁场坐标轴分解为转矩分量和磁场分 量，分别加以控制，故矢量控制的着眼点是电流控制。对于交流电机来讲，要想获得快速 的转矩响应，在磁链不变的条件下，就要求电流的快速变化，而电流的变化是由电压的快 速变化引起的。矢量控制系统的输出电压是由电流调节器的输出产生的，这就存在电流调 节的时间滞后。当然，现代的矢量控制系统输出电压可以是由电机模型计算的前馈电压控 制和电流调节共同产生，前馈电压控制可以获得较快的动态响应，但这个电压输出是由模 型精确计算的，没有任何过冲现象，且电流是始终受控的。而l y r c 由于没有电流控制环路， 砰一砰控制产生的输出电压，没有任何电流限制，电压可以出现过冲现象，故电机可以获 得较大的d v l d t ，较大的加速电流，因而产生较快的电流响应及转矩响应就不言而喻了。 1 5 本课题的主要目的及内容 本课题的目的是在以d s p 为核心的二极管中点箝位型三电平逆变器的硬件平台上，实 现异步电机直接转矩控制包含的主要内容有： 1 ) 研究三电平直接转矩控制中p w m 算法基本原理和方法，主要针对矢量选择、中 点电压平衡和转矩脉动等问题，提出一种可行的控制方案，并其进行仿真分析。 2 ) 对1 1 公司的电机专用数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 进行研究，掌握其结构、 原理和基于d s p 的交频调速器的设计方法 3 ) 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，设计控制及驱动平台，对所研究的p w m 算法编写 程序，实验验证并分析结论。 7 第2 幸三电平逆变器异步电机谢速系统的基奉原理 2 三电平逆变器异步电机调速系统的基本原理 2 1 三电平逆变器的基本原理和数学模型 1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 最早提出了一种三电平电路，后来由日本学者a n a b a e 加 以发展1 ，在2 0 世纪8 0 年代提出了在两个电力电子开关器件串联的基础上，中性点加 一对筘位二极管的三电平逆变方案( n p c ：n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ，中性点箝位型逆变 器) 。三电平n p c 电路的基本拓扑如下图2 - 1 所示。 图2 一i三电平n p c 逆变器的基本拓扑 f i g 2 it h ef u n d a m e n t a lt o p o l o g yo f t h r e e l e v e ln p ci n v v r t e r 2 1 1 基本原理 如图2 - 1 所示每相都需要4 个主开关器件、4 个续流二极管、两个筘位二极管。运 行前，负载侧开路。直流母线上的电容c i 和c 2 先通过充电电阻，其电压均为直流母线电 压的一半，即2 。运行过程中，始终保证每相桥臂的i 、3 管互锁，2 、4 管互锁，因 此每相的输出有三种电平。以a 相桥臂为例，当其稳态时，具体工作情况叙述如下“1 ； 开关管晶和咒：同时导通时，e ，和既同时关断，若电流从逆变器流向负载，即从p 点 经由瓯和瓯：到达a 相的输出端，忽略开关管的正向导通压降，a 相的输出端电位等同 于p 点电位，即y 矗2 ；若电流从负载流向逆变电路，这时电流从a 相的输出端分别经 过续流二极管d 2 、d l 流进p 点，这时a 相的输出端的电位仍等同于p 点电位。 开关管s 。和s 0 同时导通时，咒，和s - 同时关断，同以上分析类似：若电流从逆变 器流向负载，即从中性点o 点经由箝位二极管见和开关管咒：到达a 相输出端，该端电 位等同于o 点电位；若电流从负载流向逆变电路，这时电流从a 相输出端经过s 。，和箝位 8 西安理工大学硕士学位论文 二极管仇流进o 点，这时a 相输出端的电位仍等同于0 点电位。 _ 开关管，和s d 同时导通对，和e ：同时关断，分析如下：若电流从逆变器流向 负载，即从负电位n 点分别经过续流二极管d 4 、d 3 到达输出端a ，输出端a 的电位等 同于n 点电位，即一y 茹2 ；若电流从负载流向逆变器，这时电流从a 分别经过主开关 管& ，和既流进n 点，忽略开关器件的正向导通压降，这时输出端a 的电位仍等同于n 点电位，即一2 表2 - 1 三电平n p c 逆变器开关状态和输出电平对应的关系 莹输出状态6 输出电平 。 ；l+。一= j 、= ：5 o i ，：j ，。s 矗。：j 。 ? 既7 一，is 。￥，：“ ：，“r ， ：5 一 “t， 。一、 “ 。一， po no no 岳。岳 啄 ooo f f0 no f f n 一啄 。霞o f f o no n 根据上面分析的工作原理，主开关管s 。和e 不能同时导通，且和e ，、咒：和配。 的工作状态恰好相反，即工作在互补状态，平均每个主开关管所承受的正阻断电压为 c 2 ，这也是三电平逆变器的基本控制规律之一“。 2 1 2 空间电压矢量 三电平逆变器的p a r k 方程为： 越。= 、罢0 。+ a 1 1 b n + c 9 2 材。) 1 1r，_ 三 = 1 f 詈k z f 卵一。d ) + 口( “一“j l d ) + 口2 ( “c d - - u 。d ) j ( 其中口= e 。3 )( 2 1 ) = 、吾0 曲+ 倒。+ a 2 “。) 其中，。、甜抽、, 。分别是电机a 、b 、c 三相定予负载绕组的相电压，- 0 0 、“的、“ 分别是a 、b 、c 三相对直流侧中点0 的电压。 引入开关函数配，既，& 来代替式( 2 1 ) 中的“。，圪，则有： 瞩矗驴胁瓴母等慨鸶) ( 2 2 ) 其中开关函数s ( i _ a 、b 、c ) 为三值函数( 1 、0 、一1 ) ，分别代表每相的三种电位 状态p 、0 、n 。 通过式( 2 。1 ) 变换，三相桥臂能输出2 7 种状态，每种状态都对应1 个空间矢量。如 图2 2 所示，一般将幅值为2 3 的矢量定义为大矢量；幅值为2 2 ，d c 的矢量定义 为中矢量；幅值为1 6 p k 的矢量为小矢量。由图中可以看到小矢量都有两种不同的开关 9 第2 章三电平逆变器异步电机调速系统的基本原理 状态。根据开关是接到p 还是n ，把这种小矢量分为两种不同的状态：开关连接p 和地的 开关状态为p 状态，该矢量亦称为正小矢量，如矢量p 0 0 ；开关连接地和n 的状态为n 状 态，该矢量亦称为负小矢量，如矢量o n n 。 图2 - 2 三电平逆变器电压矢量 f i g 2 - 2 v o l t a g ev e c t o r so f at h r e e - l e v e ln p ci n v e r t e r 2 1 3 三电平逆变器数学模型 三r 三 懈 1 、- ， 、一 j 瓦 、_ 、- _ ， f 下1 n 应电机 图2 3 三电平电路的开关模型 f i g 2 3s w i t c h i n gm o d e lo f t h r e e - l e v e lc i r c u i t 如图2 - 3 所示，设直流母线p 、0 、n 三点对直流侧中点m 的电压分别为u p m 、己( 即 中点电压偏移量) 、u 肼，显然，它们与直流侧母线电压。p k 之间的关系如下： r1 2 “2 专( 2 3 ) 【u o = u h u 阳= u 0 一u 觇 逆变器输出电压与三相开关函数和直流侧各电压之间的关系如下： 1 0 甜。= 墅学+ 盟半+ 墅p = 鲁+ ( 1 蚋 “h = 丛学+ 盟掣+ 墅学= 鲁+ ( 1 一呐( 2 4 ) “。= 型学+ 鱼半+ 墅学【，。= 鲁+ ( 1 - s , 2 ) 西安理工大学硕士学位论文 定义中点电流岛流出直流侧为正，图2 - 3 中标注了直流侧两个电容上的电流正方向， 由基尔霍夫电流定律可得：如。= 屯+ 如。由于上下桥臂电容c i = c 。当电容值足够大时， 整流输出的电压纹波很小，可以认为直流母线电压，刖= ( ，m + 为常数，因此，在任 何时刻f c l 就应该等于一毛：。电压【，。和变化相反，所以有如下关系： z c l = q 了d u m = 吨= 警= 三岛 ( 2 5 ) 由于= 一以及= 1 2 为常数，所以 c d u 办o , 一丢如 ( 2 6 ) 设逆变器输出三相电流分别为、，则中点电流有如下表达式： 岛= ( 1 2 ) i o + ( 1 - s b 2 ) + ( 1 2 ) ( z 7 ) 2 2 异步电动机的数学模型 异步电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统“”，为了简化其分析，通常作如下 假定1 “： 1 电机定转子三相绕组完全对称； 2 定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁势在空间成正弦分布； 3 忽略磁饱和、涡流及铁芯损耗。 2 2 1 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程： 。( r ) ：r 。+ 坐掣 a t 。( r ) ：磁盘+ 塑些 ( 2 8 ) g t 。o ) ：置。k + 亟磐 r- 讲 类似的可以得到转子电压的表达式： ”。：跗。+ 坐磐 ”黜o ) ：丑。i o a , + ! 皇雩垂堕 ( 2 9 ) ”。p ) ：胄。+ 业磐 上面的式中、甜岛、”、。、甜脚、。分别代表定子和转子三相电压的瞬时值； 驴名、y 、m 、肋、分别代表定子和转子三相的全磁通；、分别代表 定子和转子电阻。 将磁链和电压方程代入可以得到完整的电机方程式如式( 2 1 0 ) ： 第2 幸三电平逆变器异步电机调速系统的基本原理 = 瞄 l k l l 鼬 l 脚 z 船 ( 2 1 0 ) 阱斜笺c o s o c o 。拦s ( o - 2 ，r 柏3 ) “c o s 拦( o + 2 r 对t 3 ) 圈亿 1 2 批船 “邸 u r a u r p r 3 七p l s 0 pl。01 i s 。 o b + 鹏 。 儿i i 如 皿。m l r r + 础rc o l r il 一m kp l 一m kr r + p l r jl 如 式中，m 为转子转速； ( 2 1 2 ) 脚印船咖彬细 西安理工大学硕士学位论文 p 为微分算子，p ：_ - d ； a r t 如，凡分别为定子电阻，转子电阻； k ，k ，厶分别为定子等效自感，转子等效自感，定转子等效互感； ”。，矽酗分别为定子电压口轴分量，定子电压轴分量； ”。，甜耶分别为转子电压口轴分量，定子电压轴分量； ，分别为定子电流口轴分量，定子电压轴分量； ，分别为转子电流口轴分量，定子电压轴分量： 异步电机的电磁转矩方程如下： = 脚( 一w s d ) ( 2 1 3 ) 异步电机的运动方程如下： 警= 等( 疋删 ( 2 1 4 ) 式中，竹，为极对数，j 为转动惯量。 在二极管n p c 三电平逆变器电路中，由于中点电位浮动，逆变器并不是一个独立的电 压源，而是一个和电机负载密切相关的受控电压源。因此要建立逆变器与电机之间的联系。 由于异步电动机三相电压满足h 。+ + = 0 ，因此，异步电动机负载中点n 点到 直流电源中点m 的电压为： l ”胂= = ( 研+ 甜h + “埘) ( 2 1 5 ) 则异步电动机的三相电压为： “。= 甜。一却。= 詈甜。一；c j a m + i t , + = )“一2 甜一一却一。j 甜一一；( 将式( 2 4 ) 代入上式，可得到异步电机的相电压与逆变器的开关函数和直流电压、中 点电压之间的关系。 。 蚴q 、， ) + + l 一3 l 一3 一 2 3 2 3 i i i i 一 一 = = 第2 章三电平逆变器异步电机调速系统的基本原理 “ ”钿 等( 2 e 吨吨 等( 2 岛一一瓯 等峨吨- s 口 + 孕( 啦s 2 _ 2 s2 ) + 孕( 咒2 + 墨2 2 咒2 ) ( 2 1 7 ) + 孕瓴2 + & 2 _ 2 趵 利用上式计算逆变器输出的定子三相相e g w , u 。、甜。，再经过s 2 变换就可以得 到定子电压的口、分量。 2 3 三电平直接转矩控制的基本原理 在传统的磁场定向矢量控制中，是通过复杂的旋转变换，将电流解耦成励磁分量和转 矩分量，并通过控制电流、磁链来间接控制转矩；而直接转矩控制的思路和矢量控制完全 不同，它是通过查表的方法，选择一个最优矢量，把转矩作为被控量，从而实现对转矩的 直接控制。这种直接控制通常是通过转矩和磁链的b a n d - b a n d 控制器来实现的。控制所需 的信息包括定子磁链的幅值和位置、给定的转矩和磁链。而所选择的最优矢量则要把磁链 和转矩的误差限制在特定误差带中。因此在控制的过程中，该算法并不强调得到理想的正 弦波，也不要求磁链的圆形轨迹，而是从控制转矩的角度出发，强调转矩的直接控制效果， 例如通常它只是关心所选矢量的作用是增加还是减少转矩，而不理会增加或减少的具体数 值。从控制的角度来看，它强调的是转矩的直接控制效果。因而采用离散的电压状态和六 边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念，而矢量控制则需要计算出一个精确的电压矢 量，然后通过矢量合成的方式发出。从原理上来说，直接转矩控制的结构非常简单直接， 由于包含转矩环，整个系统有着极高的动态转矩响应，是一种高性能的交流调速方法1 1 7 1 。 2 3 1 磁链控制 j 磁通是电机控制中的关键，磁通控制的好坏，对电机的运行性能有很大影响。因为， 如果磁通值太大，磁路就会饱和，使得电流急剧上升，定转子电感及其互感降低，漏感增 加，电机的运行条件恶化，使系统的动态性能变坏；如果磁通值太小，将会导致电机输出 转矩允许值减小，使得电机的效率降低。所以，为了保证电机的合理运行，在基速以内时， 通常将磁通维持在额定运行水平上。 在传统的两电平直接转矩控制系统中，采用两点式调节直接控制电机的电磁转矩和定 子磁链，确定合适的开关状态，控制变频装置的输出。三电平电压矢量选择的基本原理， 与传统的两电平电压矢量的选择是相似的，即电压矢量的选择仍然要满足定子磁链和电磁 转矩的要求。 定子磁链与定子电压之间的关系为： 矿s ( o = i ( “s o ) 一( f ) r s ) d r ( 2 1 8 ) 若忽略定子电阻的影响，则 1 4 西安理工大学硕士学位论文 ( f ) * k ( f ) 毋 ( 2 1 9 ) 也就是说，定子磁链的运动方向基本是沿u 。( f ) 进行的，其变化的快慢由电压幅值决 定。通过分析“7 1 可以得到如下结论： 当所施加的电压矢量与当前磁通矢量之间的夹角的绝对值小于9 0 。时，该矢量作用 的结果使得磁通幅值增加；当所施加的电压矢量与当前磁通矢量之间的夹角的绝对值 大于9 0 。时，该矢量作用的结果使得磁通幅值减少；当所施加的电压矢量与当前磁通矢 量之间的夹角的绝对值等于9 0 。时( 包括零矢量) ，该矢量作用的结果使得磁通幅值基 本保持不变。 在直接转矩控制系统中，采用圆形磁链控制方案，就是估计出磁链的幅值，将其 与参考值进行滞环比较，确定下一周期应增加还是减少磁链，再根据磁链所在扇区判 断出当前应发的矢量。 2 图2 4 定子磁链圆形轨迹图 f i g 2 - 4t h ec i r c u l a rc o n t r a i lo f s t a t o rf l u xl i n k a g e 上图中，占，是滞环比较时的容差限。i f 是定予磁链的给定值，是定子磁链实 际值，它在容差限内变化。 2 3 2 电磁转矩控制 对于异步电机来说，从转矩到转速是一个积分环节，积分的时间常数由电机的机 械惯性决定，并且当系统确定后就不能更改。因此，只有转矩可以影响转速，转矩控 制性能的好坏直接影响到调速系统的动静态性能。 电磁转矩方程( 2 1 3 ) 中，用转子磁链代替定子电流，可得到如下形式： 乏= - 缈a o ) ( 2 。2 0 ) k 式中，l = ( 岛岛一l 2 ) ，k 。 电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链的叉积决定的。由于在系统运行中，定 子磁链的幅值应保持不变：而转子磁链的幅值由负载决定，要改变电磁转矩的大小，可 以通过改变定转子磁通间的夹角来实现。而转子磁通的旋转速度不会突变，因而通过 1 5 第2 章三电平逆变器异步电机调速系统的基本原理 改变定子磁通的旋转速度来达到改变转矩的目的 一般地，当施加超前于定子磁链的电压矢量时，定子磁通的旋转速度大于转子磁 通的速度，则定转子磁通间的夹角增大，相应地电磁转矩增加；当施加零矢量或者滞 后于定子磁链的电压矢量时，相当于使定子磁通停滞不前或者反转，而转子磁通继续 旋转，则定转子磁通问的夹角减小，相应地电