（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研究.pdf

s u b j e c t ：s t u d yo nd 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 rf e db y t h r e e 1 e v e lv o l t a g es o u r c ei n v e r t e r s p e c i a l t y ：p o w e r e l e c t r o n i c s & p o w e rt r a n s m i s s i o n n a m e：m ax i a o l i ( s i g n a t u r e ) 纽趔f ： l n s t r u c t o r ：t 0 n 西u n ( s i g n a t u r e ) 血舢兰竺 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , t h em u l t i l e v e li n v e r t e rh a sa l r e a d yb e c o m et h em o d u l a t i o nd o m a i nm t h e l l i 幽v 0 l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n f i e l d i th a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，s u c ha sl e s sd i s t o r t 酣 0 1 】铆l t ，l o w e rs w i t c h i n g 丘e q u e n c y , e t c ，a n di t h a sr e a l i t ye n e r g yc o n s e r v a t i o ns i 刚n c a n c em 印p l i c a t i o no ft h eh i g h v o l t a g ea n dh i g h p o w e r d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) h a s 船a c t e d p o p u l a ri n t e r e s tb e c a u s eo fi t sh i g hp e r f o r m a n c e s i nt h i s t h e s i s ，ad i r e c tt o r q u ec o m r o lo t m i i u c t i o nm o t o rb a s e do nat h r e el e v e l i n v e r t e ri st ob ep r o p o s e d t h e o r e t i c a la n a l y s i s ， s i i n u l a t i o r l sa n de x p e r i m e n t sa r em a d et op r o v e t h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m b yt h e a n a l y s i so fat h r e el e v e li n v e r t e ra n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h em a t h e m a t i cm o d e l s o fb o m 砌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 ta n d t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o la l g o r i t h m sa r e 肌a l v z e d a tl a s tg i v et h es i m p l ep r o j e c tt oc h o o s et h ev o l t a g ev e c t o rb e t w e e nl o w 锄dh i 鲈 s p e e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ti n f l u e n c ef o rl o w a n dh i g hs p e e da tt h es a m ev o l t a g ev e c t o l s o m es i m u l a t i o n sk w e b e e nm a d eb yt h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ep a c k a g e a n d as e l f - m a d es e th a st e s t e dt h ep l a t f o r m ，a n dt a k et h ed i o d et h r e el e v e li n v e r t o r so fc l a m p i n g t y p e 勰t h ef o u n d a t i o nf r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t y m o d u l a t i o n ，i n c l u d i n g ：m a i np o w e r e l e c t r i cc i r c u i t ，c u s h i o nc i r c u i t ，e l e c t r o o p t i c a li s o l a t i o nd r i v i n gc i r c u i t ，e l e c t r i cc u r r e n t ，v o l t a g e s 锄p l i n gc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n ds oo n ，a n dt h r o u g ht h ef a m i l i a ro f d s pa l g o r i t ， a c o m r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dw i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h ec o r e t h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t st o t h ep r i n c i p l ep r o t o t y p e ，t h ei n v e r t o rc o m o lp o l i c y , t h e 能q u e n c vc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o na n ds oo n ，a n dt h e e x p e r i m e n tp r o f i l eh a sb e e n g i v e n ，s i m u l t a n e o u s l yt h ef e a s i b i l i t yo f t h es y s t e mh a sa l s ob e e np r o v e n k e y w o r d s ：t h r e e 1 e v e ln p c i n v e r t e rd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) f i x e ds 蛐e s i z i n g v e c t o r s s p e e ds e n s o r l e s s d s p t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技丈擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名马确日期：2 石笋瑚y 堋 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 指导教师签名： 专毋 z 印8 年，月乩日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景目的与意义 交流变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术之大成的一项 高科技术。它以其优异的调速性能、显著的节电效果和在国民经济各领域的广泛适用性 而被国内外公认是世界上应用最广、效率最高、最为理想的电气传动方案，是电气传动 的发展方向。它为提高产品质量和产量，节约能源、降低消耗，提高企业经济效益提供 了重要的新手段【l j 。三十年代，就有人提出交流调速理论；七十年代，席卷工业发达国 家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频调速器，使 变频调速技术有了大发展并得到推广应用；八十年代，变频调速已产品化，性能也不断 提高，发挥了交流调速的优越性，广泛的应用在各工业部门，并且部分取代了直流调速； 进入九十年代，由于新型电力电子器件如i g b t ( 绝缘栅双级晶体管) 、i g c t ( 集成门 电路换流晶体管) 等的发展和性能的提高，计算机技术的发展( 如：由1 6 位机发展到 3 2 位机以及运算速度的提高，数字信号处理器d s p 的发展等) 和新控制理论的应用( 如 磁场定向矢量控制、直接转矩控制) 等原因，极大的提高了变频调速的技术性能，促进 了变频调速技术的发展，变频调速器在调速范围、调速精度、动态响应、输出性能、功 率因数、运行效率、使用的方便性等方面都是其他交流调速方式不可比拟的，其优异的 性能深受各行业的普遍欢迎，取得了很好的经济效益。 据统计，我国电动机装机总容量约4 亿多k w ，其用电量占当年全国发电量的6 0 7 0 ，而风机、水泵的装机总容量1 6 亿k w ，年耗电量3 2 0 0 k w h ，约占当年全国电力 消耗总量的1 3 。而应用变频器节率一般在2 0 0 a r - 6 0 ，投资回收期l 3 年，经济效益 相当可观。所以大力推广应用变频调速技术不仅是当前推进企业节能降耗、提高产品质 量的重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求【2 】。 近年来，多电平电压型逆变器已经成为高压变频调速领域的新宠，广泛应用于高压 大功率风机和水泵的变频调速，具有现实的节能意义。采用多电平逆变技术的变频装置 省去输出变压器，直接输出高电压，使系统结构更简洁、效率增加。受到越来越多的关 注，各种电路拓扑结构及控制方法纷纷被提出和研刭引。 多电平逆变器的重要应用领域之一是实现对高压大功率电动机的变频调速。对于这 类高性能的应用，需要高性能的闭环控制，如磁场定向矢量控制、直接转矩控制等。其 中磁场定向控制技术的基础是空间矢量调制和载波调制技术，由于这两种调制技术在多 电平拓扑上的应用已相当成熟，因此从p w m 控制角度来说，矢量控制技术实现并不困 难。目前，基于空间电压矢量调制( s v m ) 的矢量控制技术得到了广泛的应用，对该技 西安科技大学硕士学位论文 术的研究也取得了很大进步，比较成熟。而在直接转矩控制技术中，随电平数增多，矢 量数目剧增，实现其基础优化矢量表复杂程度也加剧，同时，还需考虑与具体拓扑相关 的问题，如二极管筘位式三电平的中点平衡问题。由于将优化矢量表从两电平推广到多 电平存在困难，各种结构间的移植性也比较差，因而将直接转矩控制技术应用在多电平 逆变器上的研究还有很多工作要做。 1 1 1 交流调速系统发展及现状 2 0 世纪6 0 年代中期，德国的as c h o n u n g 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他 们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用 化开辟了新的道路。从此，交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展。 ( 1 ) 电力电子器件的蓬勃发展【4 j 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速技术的 发展。迄今为止，电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件( 第一代) 一自关断器 件( 第二代) 一功率集成电路p i c ( 第三代) 一智能模块i p m ( 第四代) 四个阶段。 一代电力电子器件带来一代变频调速装置，性价比一代高过一代。在人类社会进入 信息化时代后，电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是2 1 世纪最重要 的两大技术。 ( 2 ) 脉宽调制( p w m ) 技术【5 】 脉宽调制( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，变频调速系统采用 p w m 技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变 器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除变频调速时电机的转矩脉动，提高了 电机的工作效率，扩大调速系统的调速范围。近年来，新型全数字化专用p w m 生成芯 片h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 、m a 8 1 8 等达到实用化，并已实际应用。 ( 3 ) 矢量变换控制技术及直接转矩控制技术 1 9 7 5 年，德国学者fb l a s c h k e 提出了矢量变换控制原理，成功地解决了交流电动机 电磁转矩的有效控制，在定向于转子磁通的基础上，采用参数重构和状态重构的现代控 制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕，从而实现了 将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，在理论上取得了重大突破，从 而使得交流调速的动态和静态性能完全可能同直流传动系统相媲美。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的md e p e n b r o c k 教授通过对瞬时空间理论的研究，提出了 直接转矩控制理论【6 j ，其原理是让电动机的磁链矢量沿六边形运动。随后日本学者i t a k a h a s h i 提出了磁链轨迹的圆形方案。多年的实际应用表明，与矢量控制法相比直接 转矩控制可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此，交流电动机直接转矩控制也 是一种很有前途的控制技术。目前，采用i g b t 、i g c t 的直接转矩控制方式的变频调速 2 1 绪论 装置已广泛应用于工业生产及交通运输部门中。 ( 4 ) 微型计算机控制技术 随着微机控制技术，特别是以单片微机及数字信号处理器d s p 为控制核心的微机 控制技术的迅速发展，现代交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字控制。数 字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量控制中 的复杂坐标变换运算、解藕控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，采用微 机控制器后便都解决了。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能， 特别是故障诊断技术得到了完全的实现。微机控制技术的应用提高了交流调速系统的可 靠性、操作性、设置的多样性、灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。以微处理 器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。用于交流调速系统的微 处理器的发展经历了单片机( m c s ) 一数字信号处理器( d s p ) 一精简指令集计算机 ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r r i s c ) 三个阶段i 7 。 目前，电力电子逆变器正朝着高频化、大功率方向发展，随着中压变频器的兴起， 中压、大容量的交流调速系统研究与开发逐步走上了实际应用阶段，尤其高压全控型功 率器件产生以来，中压变频器的应用趋势迅速加快了。当今多电平中压变频器已成为交 流调速研究的新领域，是热点课题之一。 1 2 异步电动机调速系统的控制方法 交流电机是一个非线性、强耦合的系统，他的数学模型的最大特点就是高阶多变量、 非线性。在实际应用中，通过它的数学模型作不同的假设，就可以得到不同的动态结构 图，也就有了下面几种不同的控制方法： ( 1 ) 转速开环，恒压频比控制 这种控制方式的最大优点就是系统简单，成本低，可以满足一般调速的要求。缺点 是系统的动静态性能不高。 ( 2 ) 转速闭环，转差频率控制 这种控制方式的突出优点就在于它基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点， 结构也不是很复杂，系统的动静态性能都得到了很大的改善。但是由于采用了较强的假 定，得到的是近似的动态结构，因此设计结果与实际还有一定的距离，效果不能令人完 全满意。 ( 3 ) 矢量控制 这种控制方法的基本思路就是将电机定子电流矢量在适当的坐标系上分解为励磁 电流矢量和转矩电流矢量，分别进行控制保持励磁电流矢量的幅值不变，直接以瞬时转 矩电流矢量为控制对象，电机因而获得很快的阶跃响应。 ( 4 ) 直接转矩控制 3 西安科技大学硕士学位论文 直接转矩控制是继矢量控制以后出现的又一种交流电动机调速控制方案。他不考虑 如何使定子电流解耦，而是直接着眼于电磁力矩的直接转矩控制。它采用空间矢量的方 法，在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散两点 式调节( b a n g b a n g 控制) 产生p w m 控制信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳选 择，以获得转矩的高动态性能控制。它省去了复杂的矢量变换，没有通常的p w m 信号 发生器，该控制系统的转矩响应速度快，性能好【s j 。 1 3 高压大容量逆变器技术简介 逆变器的发展和电力电子器件的发展是密切相关的。早期的高压大容量交流调速主 要采用的是晶闸管，开关频率低并且不能自关断，使得逆变器性能受到了很大的限制， 调速范围较窄。二十世纪八十年代以来，以g t o 、b j t 、m o s f e t 为代表的自关断器件 得到了发展，尤其是以i g b t 、i g c t 为代表的双极型复合器件的发展，使得电力电子 器件正沿着大容量、高频化、易驱动、低损耗和智能化的方向推进。伴随着器件的发展， 高压大容量逆变器技术也发展起来。在高压大容量逆变器应用中，多电平变频器表现出 显著的优势。多电平变频器每个功率开关器件上承受的反压只有直流母线电压的几分之 一( 与具体的电平数有关) ，这样就可以利用低电压等级的高速开关器件( i g b t 等) 来代替高电压等级的低速开关器件( g t o 等) ，从而提高开关频率，改善输出波形，减 少脉动，提高电机效率，节约成本。此外，在相同的输出电压、电流谐波要求下，应用 多电平拓朴还可以降低器件的开关频率，从而降低器件的开关损耗，提高效率。在相同 的直流电压条件下，多电平逆变器的d v d t 比两电平逆变器小，大大地减少了电磁干扰 和电机定子绕组上的尖峰电压，有利于电机的安全运行。 多电平逆变器具有多种结构形式，主要包括二极管中点箝位型多电平逆变器电路、 电容悬浮式多电平逆变器电路、h 桥串联式多电平逆变器电路和三相逆变桥串联式多电 平电路等。其中，以二极管中点箝位型三电平逆变器拓朴结构最为常用。由于这种多电 平拓朴结构简单、控制灵活，一出现就受到了学术界和工业界的广泛关注。在控制方面， 从早期的谐波优化、载波调制、一直到空间矢量调制，逐渐发展出完善的p w m 控制 策略，并针对其所带来的电容电压不平衡问题，研究出多种实用的电压平衡方案。在拓 朴研究方面，还有学者提出了一种改进结构【9 ，可以很好地解决箝位二极管承受不同反 压的问题。在应用领域，这种结构在早期多应用于无功调节及有源滤波方面，但二十世 纪八十年代后期以来，随着研究的深入和控制技术的逐渐完善，电压均衡问题已经获得 相当圆满的解决方案，因此该拓朴结构已开始应用于电机拖动等领域。 1 4 多电平逆变器直接转矩控制策略的发展 多电平逆变器的重要应用领域之一是实现对高压大功率电动机的变频调速。对于这 4 1 绪论 类高性能的应用需要有高性能的闭环控制技术。直接转矩控制具有结构简单、转矩响应 快以及参数鲁棒性好等优点，是一种良好的大功率电机控制技术。因此如何将直接转矩 控制技术应用在多电平逆变器上是近几年诸多学者关注的问题。主要的研究方向为： ( 1 ) 改善直接转矩控制的低速性能。 ( 2 ) 直接转矩控制中减小转矩脉动的方案。 ( 3 ) 限制多电平d t c 策略的开关频率。 ( 4 ) 无速度传感器技术在高压大功率交流调速系统中的应用。 针对三种主要的多电平拓扑结构，都有学者提出了d t c 的方案。二极管箝位式多 电平逆变器由于结构简单，控制灵活，可以实现高性能的调速，被认为是现阶段实施 d t c 方案的最优载体1 1 0 1 。有关二极管箝位式多电平拓扑特别是三电平拓扑的d t c 方案 是目前研究最多的，也是唯一做到产品化的d t c 拓扑，对其进行研究有一定的实际意 义。因此，本文以三电平n p c ( 二极管箝位型) 的直接转矩控制策略作为研究内容】。 1 5 本论文主要研究工作及内容 本文把异步电动机直接转矩控制在二极管中点箝位型三电平逆变器拓朴电路上的 应用作为主要研究课题。论文的主要工作如下： ( 1 ) 查阅了国内外异步电机直接转矩控制以及三电平逆变器方面的大量资料，对 直接转矩控制技术和空间电压矢量p w m 调制技术进行了深入的学习和研究。 ( 2 ) 通过对二极管中点箝位型三电平逆变电路原理的深入分析，建立了三电平n p c 逆变电路及异步电动机负载的数学模型。并在此基础上进行了三电平直接转矩控制系统 的仿真。 ( 3 ) 通过对直接转矩控制算法的研究，根据电机特性和电压矢量在低速和高速时 的不同作用效果分别建立了不同的电压开关矢量选择方案，实现了三电平逆变器的直接 转矩控制。仿真和实验结果证实了该方案的可行性。 ( 4 ) 分析无速度传感器测速原理，并将其用于三电平逆变器直接转矩控制系统，给 出了仿真模型。 ( 5 ) 搭建了实验平台、熟悉了d s p 控制技术，并将其应用于异步电动机直接转 矩控制系统的实验中。设计并编制了控制系统软件，在样机上对研究成果进行了实验验 证。给出了部分实验波形 ( 6 ) 对三电平逆变器直接转矩控制系统的特性及本文人所做工作进行了总结。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 三电平逆变器直接转矩控制的基本原理 2 1 三电平逆变器的基本拓扑结构、原理，电压空间矢量和数学模型 2 1 1 三电平逆变器的基本拓扑结构、原理 1 9 7 7 年德国学者h o l t z 首次提出三电平逆变器主电路( 将一种常规的两电平电路每 相桥臂带一对开关管来辅助中点箝位) 以来，日本长冈大学的a n a b a e 将其发展【l ，1 9 8 3 年b h a g w a t 和s t e f a n o v i c 将这种电路结构由三电平推广到多电平，进一步奠定了n p c 结构的多电平模式。后来，更多的专家学者开始对三电平技术做了更深入的研究，并且 将其推广到多电平的结构。在近2 0 年中，多电平技术在拓扑结构及其控制策略上得到 了很大的发展，同时也出现了多个分支。总结起来，主要有以下几种【1 2 】【1 3 】【1 4 】： ( 1 ) 二极管箝位式 二极管箝位型多电平逆变器是通过串联的电容将直流侧的高电压分成一系列较低 的电平电压。m 电平的二极管箝位型多电平逆变器在直流侧需要m 1 个电容。图2 1 所 示为三电平二极管筘位式逆变器。在其直流侧含有2 个电容。若直流侧的总电压为v d c ， 那么每个电容上分得的电压为v d c 2 ，并且通过箝位二极管的作用，每个开关器件上的 电压应力就限制在一个电容的电压电平即v d c 2 上，这样逆变器合成的输出电压就可以 相对的提高了。二极管箝位型多电平逆变器只需要一个公共的直流电源，这使它的整流 侧设计比较简单。并且这种结构特点使背靠背运行方式( 即整流侧也采用同样的结构并 与逆变桥公用同一组直流电容) 比较容易实现，有利于实现调速系统的四象限运行。其 缺点是在运行时要注意电容电压平衡的控制。二极管箝位三电平结构的变频器目前有很 多产品，中压的有西门子、a b b 等，低压的有安川等。 ( 2 ) 电容悬浮式 此逆变器的直流侧采用了一种阶梯结构，电容数由外而内逐渐减少，理论上每个电 容所承受的电压可以单独调节。为了产生m 电平的阶梯型输出电压，在直流侧需要m 1 个电容。同时，每层电容的电压等级决定着输出电压的电平等级。电容悬浮式多电平逆 变器与二极管箝位型多电平逆变器相比，每个相电压电平状态可以有很多组合选择，这 里称其为相电压冗余开关组合。相电压冗余开关组合的存在使控制的灵活度提高，有利 于开关器件负荷的平衡以及电容电压的平衡控制。电容悬浮式多电平逆变器也只需要一 个直流电源，并且同样可以采用背靠背的方式实现四象限运行，在输电系统中应用还可 以实现无功补偿的功能。电容悬浮式多电平逆变器中，电容虽然取代了数目较多的箝位 二极管，但由于电容的体积比较庞大，在电平数目较多时，装置的实现也比较困难。并 6 2 三电平逆变器直接转矩控制的基本原理 且在装置起动时，各电容需要预充电达到运行电压，实现起来也相对复杂。 p s u 洄 j 匡 s j 匡 c 1 ；s 。蜒d 2 _ ；j 匡 7；j 匡 u o 2 d 5 + j 口一 0 0 - 一u0 一 v o 一 一s u d 3 一s j zs j 匡 d 6 e 2 u o 一 s 。jk 泌 j 匡 s j 匡 3k n 图2 1 二极管箝位型三电平逆变器主电路 ( 3 ) 功率单元串联式( 级联) 基于独立直流电源的级联式多电平逆变器的功能和上述两种拓扑结构逆变器的功 能是一样的，它通过几个独立的直流电源经逆变器调制合成一个期望的输出电压。这种 逆变器不需要额外的箝位二极管或电压平衡电容，每个独立的直流电源和一个单相全桥 逆变器相连。通过四个开关器件的不同组合，每个逆变器可以产生三种不同电平的电压， v d e 、v d c 和0 。将各个全桥逆变器的输出电压串联起来，合成了最终的电压输出波形。 这种拓扑结构输出相电压的电平数定义与前面所介绍的两种逆变器有所不同。在这种拓 扑结构中，输出相电压的电平数由公式m = 2 s + l 所决定，其中s 为直流电源的个数。但 是带独立直流电源的多电平逆变器要求系统提供多个独立直流电源，实现起来相对困 难。同时，该结构方式难以实现能量回馈。但是电平叠加比较灵活，所以很方便的利用 较成熟的低压器件，去实现高压变频装置，而且其性能基本能够满足风机、水泵类负载 的要求，所以有一定数量的变频器服务于生产现场，目前主要代表的产品有美国的 r o b i n c o n 、中国的利德华福等。 目前，世界知名大公司，如西门子、a b b 、阿尔斯通等，已经开发出比较成熟的多 电平产品，三电平逆变技术已逐步进入实用阶段，基于电压型逆变电路的多电平逆变电 路，特别是三电平逆变电路已进入实用化阶段，对五电平、七电平及更高电平的研究， 还不成熟，特别受硬件条件和控制性能的限制，还处于理论研究阶段。 多电平的三种拓扑都具有适合于高电压大容量场合的优点，但在实现的时候则需要 考虑很多方面，如拓扑结构的简单性，实现的容易性以及成本高低等多方面来考虑。从 多电平逆变器拓扑结构上来讲，飞跨电容式具有电容较多的缺点，并且由于高压场合的 7 西安科技大学硕士学位论文 电容体积较大，当电平数增加时将变得难以忍受。独立直流电源的级联式拓扑虽然比较 简单，但需要多个独立直流电源，实现起来困难。相对来说，二极管箝位式拓扑有它的 优势：( 1 ) 电路拓扑简单，同时由于箝位二极管体积较小，所以相对于飞跨电容式来讲 易于扩展到更多电平的逆变器当中去。( 2 ) 控制简单，易于用t i 公司的数字信号处理 器( d s p ) ，m i c r o c h i p 公司的d s p p i c 等芯片实现，而飞跨电容式由于开关模式的多样 性使得数字实现困难。( 3 ) 相对于飞跨电容式大量的电容以及独立直流电源所需的大量 开关器件，二极管箝位式拓扑成本较低。 综合以上几点，本课题选择二极管箝位式作为三电平逆变器的拓扑，二极管箝位型 三电平逆变器主电路如图2 1 所示。 以u 相为例，s u l ，s u 2 ，s u 3 ，s u 4 是开关管，d i ，d 2 ，d 3 ，d 4 为续流二极管， d 5 ，d 6 是箝位二极管。输出相电压定义为输出端和o 点问的电压。三电平逆变器的直 流侧有两个完全相同的电容c l 和c 2 ，电容c 1 和c 2 串联，起到均分直流侧电压的作 用。若直流侧电压为u d ，则每个电容上所承受的电压为u d 2 。 从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构出发，四个开关器件开关状态共有1 6 种， 但有效状态只有3 种情况。以u 相为例，如图2 2 所示。 图2 2 三电平逆变器( 单相) 分析示意图 若电流沿导通的开关管s u l 和s u 2 从u 相流出，则显然有v a o = + u d 2 ：若电流从 u 相经续流二级管d 2 和d 1 流入，仍有v u o = + u d 2 ，将这两种情况统称为“1 状态。 若电流沿箝位二极管d 5 和开关管s u 2 从u 相流出，则显然a 点电压被箝位至零，即 v u o = 0 ；若电流从u 相经开关管s u 3 和箝位二极管d 6 流入，仍有v u o = 0 ，将这两种情 况统称为“o 状态。若电流从u 相沿导通的开关管s u 3 和s u 4 流入，则显然有v u o = - - u d 2 ；若电流经续流二极管d 4 和d 3 从u 相流出，仍有v u o = u d 2 ，将这两种情况 统称为“一l 状态。输出电平共有+ u d 2 ，0 和- - u d 2 三个值，所以得名三电平逆变 8 2 三电平逆变器直接转矩控制的基本原理 器，v 相w 相与此相同。与三相两电平逆变器相同，三相三电平逆变器也可以用开关 变量s u 、s v 、s w 分别表示各桥臂的开关状态，不同的是这时u 、v 、w 桥臂分别有三 种开关状态，从而s u 、s v 、s w 为三态开关变量，如表2 1 所列。 表2 1 三电平( n p c ) 逆变器u 相开关状态 表2 1 中，“l 表示开关管导通，“0 ”表示开关管关断。可以看出，开关管s u l 与 s u 3 ，s u 2 与s u 4 的驱动信号分别是逻辑非的关系，另外两相亦相同。三电平逆变器的 驱动控制基本原则如下：对应于u ( v ，w ) 相的三种状态，为了保证每次输出状态变 化过程中动作的开关器件最少，应使得该相电位不在+ u d 2 和u d 2 之间直接变化，而 应通过中性点电位过渡。表2 2 给出了u 相电位发生变化时，功率开关器件的工作状态。 在设计时，无论采用何种方式生成p w m 波，其硬件及软件设计应遵循表2 2 的规律( “0 ” 表示关断，“l ”表示导通) 。 表2 2u 相功率开关器件工作状态 2 1 2 三电平逆变器的数学模型 为了更好地研究三电平电路中各种开关状态对中点电压的影响，本文采用开关模型 对系统进行建模。 在正常情况下，三电平电路的一个桥臂只有1 、0 、1 三种输出状态，因此可以 将其桥臂简化为一个单刀三投的开关如图2 3 所示。 可以用变量s i i 代表各相桥臂的拓扑状态，定义如下： 咕睇0 髫蒜，其中 j 7 譬m i n )。【，节点i 与不相连【协，j 对于某一相来说，任何时刻点连接状态只有一种，所以有： 9 西安科技大学硕士学位论文 岛= j 斥 肛m ，n bp 凡 n 图2 3 三电平逆变器的开关模型 因此，三相电压输出和正负直流母线及中点电压之间的关系就可以表达为： 定义开关函数矩阵 则 其中 而 | _ 耻怪 件m 陉 hl s 册 卜叩v 幻v 。r = s i v 即v 。v 。】r 卜即 】= 等一纠 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 豳 眨6 ， 由于上下桥臂电容c ，= c ：，当电容值足够大时，整流输出的电压纹波很小，可以 1 0 勘勘勘 勋勘勋 l 1j 如 计i i i i i i 且 勘鼬黔勘跏勘 2 三电平逆变器直接转矩控制的基本原理 认为直流母线电压，册 c o n s l ，由于中点电流的存在使得上下电容电压不均衡，必然是 一个升高一个降低，但总电压不变。因此，如果c ，= c 。，在任何时刻t ，( 电容c ，的电 流) 就等于一如( 电容c 2 的电流) ，即，= 一之：= i = 2 ，才能保证总的电压不变。此时有： c ，孥咆= ； ( 2 7 ) 或 q 等= 乙一争 因此 c 1d v m o d t = 一1 2 f ， ( 2 8 ) 册 直流母线电流之间的关系如下： i 口+ i 。+ i n = 0 ( 2 9 ) i 出= i 。+ i c ，= k 一 ( 2 1 0 ) 其中，各电流的方向如图2 3 所示。 根据式( 2 1 ) 式( 2 1 0 ) ，就可以全面地描述理想状态下三电平电路的行为。其 中最基本的状态就是式( 2 8 ) ，u l - - 电平逆变器行为可以用一个一阶微分方程来表示【1 5 1 。 2 1 3 三电平逆变器电压空间矢量 开关函数s i ( 卢口、b 、c ) 为三值函数( 1 、0 、1 ) ，这样，在三相系统中s 。、s b 、 s 。可以构成3 3 = 2 7 个开关状态组合。 如果引入p a r k 矢量变换( 详细解释见2 2 2 小节) ，将产生2 7 个电压空间矢量， 并可以划分为四类，其中大开关矢量有6 个，中开关矢量有6 个，小开关矢量有1 2 个，零开关矢量有3 个。三电平逆变器电压空间矢量分布如图2 4 。 p a r k 矢量变换 “，o ) = 毒k 州+ 甜鲥3 + 材州p 川3 】 = ；鼢。一甜肋) + o 。一甜胁弘胁3 + u c o - - l l n o 弘朐 】 ( 2 1 1 ) = 、弘m 门饥3 】 其中，u 口、u 州、甜洲分别是电机a 、b ，c 三相定子负载绕组的相电压，u 矿u 6 。、 材。分别是a 、b 、c 三相对直流侧中点0 ( 见图2 3 ) 的电压【1 6 】。 西安科技大学硕士学位论丈 w 图2 4 三电平逆变器电压空间矢晕图 2 2 三电平供电下异步电动机动态数学模型及坐标变换 2 2 1 异步电动机在正交定子坐标系下的数学模型 由于异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。对所讨论的三相鼠笼 式异步电动机作以下几点假设：( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，所产生的磁势沿 气隙圆周按正弦分布；( 2 ) 忽略磁路饱和；( 3 ) 忽略铁心损失；( 4 ) 不考虑频率和稳定 度变化对绕组的影响。 在建立交流电动机的数学模型时，由于采用空间矢量的数学分析方法，在静止的 位一) 坐标系中描述电机的模型，因此非常方便。异步电动机等效模型如图2 5 所示。 其中r 。和尺，分别是定子和转子绕组电阻；。为单相的转子漏感与定子漏感之和：三。为 单相励磁电感与定子漏感之和；j e o q - ，是转子反电势；甲。和甲，分别为定子磁链矢量和转 子磁链矢量；f 。，f ，和f ，分别为定子电流矢量，转子电流矢量和励磁电流矢量；甜。是定 子电压矢量：沙m ，g ，口，沙，口和啊为定子和转子的磁链的o f 、轴分量；缈，为电机的 角速度。 彤 j c o 吼 图2 5 异步电动机空间矢量等效电路图 1 2 2 三电平逆变器直接转矩控制的基本原理 异步电动机在定子坐标系上的矢量形式的动态数学模型由下列方程式表示： 电压方程： 甜，= 即，+ 孥 ( 2 1 2 ) 1 2 1 o = 尺r f ，一孥+ 缈缈， ( 2 1 3 ) “l 定子磁链和转子磁链方程： j | f ，。= l * i s ( 2 1 4 ) y ，= 虮一l 矿枣f ， ( 2 1 5 ) 同时 c = f 。+ f ， ( 2 1 6 ) 静止的口一坐标系下电机的电压方程如式2 1 7 ： 甜j 口 甜卵 “m u r 6 r s 000 0 r 。0 0 00 r r 0 00 0 r ， j 口 s 9 。 ，口 r 8 + o o ( - o r vr 8 一彩，r 口 ( 2 1 7 ) 对于鼠笼型异步电动机，转子是短路的，即”m = 甜印= 0 ，则电压方程可变为式2 1 8 ： u s 口 l s 8 0 o r 00 0 r ，0 00 见 ooo + + o 0 冲r b 一国掣r 岱 ( 2 1 8 ) 式2 1 7 和式2 1 8 中，“跗，”印，z f ，口和“印分别为定子和转子相电压的口一轴分 量；i ，口，i 印，0 和分别为定子和转子相电流的瞬时值的口一轴分量。 静止的口一坐标系下电机的磁链方程如式2 1 9 ： vs 。 牛s 8 ，a 中r 8 l 3 0 l m 0 丘0 三。0， 0 l 。0 静止的口一坐标系下电机的电磁转矩如式2 2 0 ， 电机的电磁转矩公式为式2 2 l 。 ( 2 1 9 ) 将式2 2 0 代入2 18 到2 1 9 可得 乃= 刀p 三。( f 妒f m f 跗啊) ( 2 2 0 ) 3 乃= 吾疗口( 缈阳如一妙印。) ( 2 2 1 ) 式2 1 7 到式2 2 1 就是在静止的口一坐标系下异步电动机的数学模型，也是直接转 矩控制的理论基础。本文的全部仿真都是建立在静止的口一坐标系下异步电动机的数 学模型的基础上【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 1 。 1 3 孵 妒 旭 咿 缈缈 _l p 5 妒 m 咿 y y 沙 p。l p 如，够卯 丌jiiiiiii儿 0 o 0 b “钐k 卯 丌iiiiiii且 0 k o 西安科技大学硕士学位论文 2 2 2 空间矢量的概念和原理及坐标变换 三相电动机的电压、电流、磁动势、磁链等均是三相电磁量。若在复平面中，用一 个矢量来表示三相电磁量的合成作用，可将三维物理量变为两维物理量。为此，引入 p a r k 矢量变换。p a r k 矢量变换是将三个标量( 三维) 变换为一个矢量( 两维) ，这种变 换对于时间函数同样适用。若用“。、u 。、u 。分别表示三相电磁量在三相坐标系中的瞬 时幅值，用玩表示合成作用矢量，则p a r k 矢量变换关系为： ， ，、 甜j = i i “口+ u b + 甜c j = i 协口+ a u b + a u cj ( 2 2 2 ) 一，一一一、 j，1 ) ，三开 式中，a = e 勺一，厅。是定子电压矢量。 矢量万，称为p a r k 矢量，它代表三相电磁量在某一时刻合成作用在口一坐标系中的 空间位置，所以称为空间矢量。 对于三相异步电动机来说，空间磁动势矢量、磁通矢量、磁链矢量是确实存在的， 而电流矢量和电压矢量并不存在。但是磁动势与电流密切相关，电压与磁链密切相关， 所以仍可以定义电流空间矢量和电压空间矢量，它们分别表示三相电流的合成作用和三 相电压的合成作用在坐标系中所处的位置。 进行直接转矩控制时，在定子坐标系中要进行三相与两相坐标系之间的变换。这种 变换要遵循旋转磁场等效原则和功率不变原则。分别用f 。、厶、t 。表示三相电流的瞬 时值，它们的合成作用在口一坐标系中的两个分量分别用c 。、来表示。 令 图2 6 三相两相变换 于是，三相到两相( 3 2 ) 的电流变换矩阵方程式为： 卧席霉 两相到三相( 2 3 ) 的电流变换矩阵方程式为： 1 4 乞 l i bi ( 2 2 3 ) 刮 呼 2 三电平逆变器直接转矩控制的基本原理 o i r d 历 2 以 2 ( 2 2 4 ) 图2 72 相3 相转换的m a t l a b 模型图2 83 相- 2 相转换的m a t l a b 模型 2 2 3 三电平逆变器与异步电机之间的关系 理想状况下，当使用传统的两电平逆变器供电时，逆变器可以看作是一个独立的电 压源，其输出电压只和自身的开关状态有关( 可以用简单的代数方程式描述) ，和电机 的运行状态不存在任何耦合关系。对这类系统的仿真相对简单，可以对逆变器和电机分 别建模，仿真计算时只需将逆变器输出电压作为电机方程组的激励即可。 当使用三电平逆变器供电时，情况则大不相同。由于n p c 三电平逆变器的中点浮 动，此时逆变器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。 逆变器不同的开关状态和负载电流的不同，都会造成中点电压的偏移。中点电压的偏移 又会进一步影响输出电压，从而影响负载。从三电平逆变器的数学模型上来看，三电平 逆变器要用一个一阶微分方程( 状态方程) 和若干代数方程( 输出方程) 来描述。该状 态方程的输入如和负载电流是耦合的，考虑到逆变器状态方程的状态变量为电容电压， 其时间常数和电机电流( 电机方程的状态变量) 具有可比性，如果将两者分离单独计算， 将会造成很大的误差，不利于分析逆变器中点电压的偏移情况。因此，将逆变器和电机 作为一个整体来研究，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 u n + u 6 + u