（电力电子与电力传动专业论文）感应电动机级联多电平驱动控制系统.pdfVIP

北京交通大学硕十论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：r e c e n t l y , c a s c a d e dn e u t r a lp o i n tc l a m p e d ( n p c ) i n v e r t e ri sm o r es u i t a b l e f o rm e d i u mv o l t a g eh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n a n di tb e c o m e sah o tr e s e a r c hs u b j e c t t h i s t o p o l o g yo fm u l t i l e v e li n v e r t e ri s ap r e f e r r e dc a n d i d a t ei nt h em e d i u mv o l t a g eh i g h p o w e re q u i p m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r o b l e mw h i c hi s i n t e r r e l a t e dw i t ht h e t o p o l o g yo fc a s c a d en e u t r a lp o i n tc l a m p e di n v e r t e rw i t hc l a m p e d - d i o d ei si n v e s t i g a t e d i nd e t a i l ： 1 f i r s to fa l l ，c o n v e n t i o n a lt o p o l o g yi sg e n e r a l i z e d ，c o n s e q u e n t l y , t h et o p o l o g yo f c a s c a d en e u t r a lp o i n tc l a m p e di n v e r t e rw i t hc l a m p e d d i o d ei ss p e c i f i e d ，a n df u r t h e r m o r e ， b o t ho p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e la r ep r e s e n t e d 2 c o n s i d e r i n gc h a r a c t e r so ft h r e e - l e v e lh - b r i d g es t r u c t u r ew i t hc l a m p e d - d i o d e e a c hp h a s e ，t h r e ec a r r i e rm o d u l a t i o ns c h e m e sb a s e do nc a s c a d e dc a r r i e r sa n dp h a s e s h i f t e dc o n s i d e r a t i o na r ep r e s e n t e d 3 an e we f f e c t i v es p w mc o n t r o ls c h e m ef o rt h ec a s c a d e dn p ci n v e r t e ri s p r o p o s e d ，i nw h i c hap u l s ee n c o d ea n dp u l s er o t a t i o na r ef u l f i l l e df o ra l lm o d u l a t i o n i n d i c e s t h ef o u rm o d u l a t i o ns c h e m e sa r ec o r r e s p o n d i n g l yc a r r i e do u t ，t h e 仔e q u e n c y d o u b l i n gm o d u l a t i o nm e t h o d a n dp u l s er o t a t i o nm o d u l a t i o nm e t h o da r e g o o d a t e n s u r i n gv o l t a g eb a l a n c eo fb r a n c hv o l t a g ea n ds e r i e sc a p a c i t o r si ne a c hm o d u l e ，a n d t h ev o l t a g eo fa l lm o d u l e s b u tt h ep u l s er o t a t i o nm o d u l a t i o nm e t h o di sm o r es u i t a b l e ， b e c a u s ei tu s e sl e s ss y s t e mr e s o u r c et h a no t h e rm o d u l a t i o nm e t h o d s 4 t h ei n t e r n a lv o l t a g ed r o po ft h ei n v e r t e r , d u et ot h ec a s c a d es t r u c t u r eo fm a n y i g b t - d i o d em o d u l e s s e r i e sc o n n e c t i o n ，i sa n a l y z e d ，w h i c hc a u s ed i s t o r t e dp h a s e v o l t a g ea n dc u r r e n t sa tl o ws p e e d sw h e nt h ef r e q u e n c ya n do u t p u tv o l t a g ea r el o w t h e c u r r e n tc l o s e d l o o pc o n t r o lc o m p e n s a t e st h ed i s t o r t i o no f p h a s ev o l t a g e sa n dc u r r e n t s 5 t h ep u l s er o t a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi si n t r o d u c e di n t ov e c t o rc o n t r o l l e di n d u c t i o n m o t o rs y s t e mf e db yac a s c a d e dn e u t r a lp o i n tc l a m p e d ( n p c ) i n v e r t e r t h e nt h ec u r r e n t c l o s e d l o o ps y s t e mb a s e do nt h ev e c t o rc o n t r o li sd e s i g n e db ym a t l a b s i m u l i n k 讹e e m u l a t i o nr e s u l t sv a l i dt h en e wc o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r , c l a m p e d - d i o d e ，c a r r i e rp w m ，p u l s e r o t a t i o n ，v o l t a g eb a l a n c e c i a s s n o ：t m 4 6 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：祭痞： 签字日期：弘矽年厂月沙日 赢名：为纠 导师签名：励形倒1 签字同期：少、净歹月卅同 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。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作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期：年月日 致谢 首先要感谢的是恩师葛宝明教授，您渊博的学识、勤勉的敬业精神、严谨的 治学态度令我倍感敬佩。感谢您对我学习的关心和指导，无论是论文的选题，还 是毕设的安排以及课题理论和仿真结果的分析，我都得到了严格的培训和教育。 能够做出如此的成绩正是得益于您的谆谆教诲和悉心点拨。在此衷心感谢两年来 葛宝明老师对我的关心和指导。 在撰写论文期间，实验室的同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他 们表达我的感激之情。 感谢父母、哥哥对我精神上和物质上的支持，他们的理解和支持使我能够在 学校专心完成我的学业。 绪论 i i 研究背景 1 绪论 我国能源生产总量已经跃居世界前列，但单位产值的能耗巨大，在能源十分 紧张的情况下，节能就显得至关重要。根据国家有关部门的全面调查统计，我国 发电量的6 0 - - 7 0 左右用于推动电动机做功，其中9 0 的电机是交流电动机， 大部分为直接拖动。由于采用恒压恒频控制，转速基本恒定，往往配合阀门、挡 板调节流量或风量以满足工艺要求，致使风机、水泵的运行效率降低，浪费大量 电能；若采用调速传动，通过改变转速来调节流量和压力，则可以节约大量的电 能。据统计风机、泵类电动机节电率可以达到3 0 - - - , 6 0 ，而风机、泵类负载用高 压变频器占高压变频器市场的7 5 ，调速性能要求较低，节能效果非常显著n 刳。 对风机、泵类设备通过变频调速来调节流量或压力实现节能，在低压范围内 得到了广泛的应用，但在高压大功率范围内由于技术和成本的原因，应用受到了 很大的限制。我国有大量大功率传动机械，如大功率风机、泵类电机等广泛地应 用于煤矿、冶金、石油、给排水等行业，例如：钢铁工业的高炉鼓风机、炼钢制 氧机、除尘风机；石油化工生产用的压缩机；电力工业的给水泵、引风机；煤矿 的排水泵和排风扇以及城市自来水厂的供水泵等大都由中高压电网供电。一般来 讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用功率器件串联的方法 来解决。但器件在串联使用时，由于各器件的动态电阻和极电容不同，存在静态 和动态均压等一系列问题。而多电平技术由于具有诸如减少了器件的电压应力， 勿须器件串联而无均压问题，减少了输出电压的谐波含量，减少了由于d v d t 和 d i d t 所造成的电磁干扰等优点，因此受到了更多关注，它的出现为中高压大功率 变换器的研制开辟了一条新思路n 4 1 。 1 2 多电平变换器的拓扑结构 多电平功率变换电路的基本思想源于同本长冈科技大学a n a b a e l 等人在1 9 8 0 年i e e ei a s 年会上首次提出的二极管箝位( n p c n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 二电平 逆变器。而后b h a g 研a t 和s t e f a n o v i c 在1 9 9 3 年的i a s 年会上，进一步将二电平 推广到多电平的结构上，奠定了n p c 结构的多电平模式，n p c 的出现为中压大容量 电压型功率变换电路的发展开辟了一条新思路。 北京交通大学硕+ 论文 多电平功率变换电路从一出现，便成为大功率电机拖动、中压供电及大功率 无功补偿等领域研究重点。经二十多年的不断发展，理论研究和拓扑结构出现了 多个分支，其基本的电路拓扑结构主要有三种：二极管箝位型( d i o d ec l a m p e d ) 、 电容箝位型( c a p a c i t o rc l a m p e d ) 、单元级联型( h - b r i d g ec a s c a d e d ) n 5 1 。 1 ) 二极管筘位型呻儿 这种结构的n 电平三相逆变器需要n - 1 个直流母线电容，每个桥臂2 ( n 1 ) 个 开关管，2 ( n 一2 ) 个箝位二极管。图卜1 所示是三相二极管箝位五电平变换器，直 流母线4 个分压电容值相等，因此，v 。i = v 。2 = v c 3 = v 。4 = v d c 4 ，通过控制每个桥臂的 开关管的状态来改变输出电压的波形。 ， h ( - 孕 l 一 e f 厂t ： zi_ = ：血一 l 一 。爿 匕1 。_ 一 1 i t 牵 一 ： l 一 t _。 一，一 、 ， 叶j ： ，桌 卜一一l 一士一一上1 守一 ，d c j - i f 1 z 簧 z 卜 本 l l 兰l 、 0 7 1 l - - t 一对 c 图1 - 1 二极管箝位型电路结构 f i g 1 - 1d i o d e - c l a m p e di n v e r t e r 二极管筘位型拓扑结构有下列优点：( 1 ) 不需要结构复杂的多绕组电源变压器 而直接实现高电压、大功率，从而大大降低功率变换装置的体积和成本；( 2 ) 若整 流和逆变分别采用二极管箝位型结构，进行双边p w m 控制时，可以实现能量双向 流动；( 3 ) 由于每相桥臂中i 白j 的开关管的导通时间远远大于两侧的丌关管，因此， 可以根据需要选择不同额定电流的功率元件，使成本进一步降低，提高功率元件 的利用率。 二极管箝位型拓扑结构也存在如下缺点：( 1 ) 二极管箝位解决了功率元件的均 压问题，却引起箝位二极管自身承受电压不均匀问题。若采用多管串联等效时， 随着电平数目增高时，二极管数目很大，增加了实际系统的实现难度；( 2 ) 二极管 箝位式功率变换电路传递有功功率时，直流侧电容电压有可能出现不平衡现象。 电位发生变化不仅影响输出效果，也使开关元件承受电压发生变化，因此必须采 取一定措施保证其平衡。 2 ) 电容箝位型n 儿踟 2 绪论 图卜2 所示为三相飞跨电容型五电平变换器电路拓扑结构。该拓扑与二极管 箝位型多电平拓扑的区别在于采用的是跨接在串联开关器件之间的串联电容进行 筘位。这种结构的n 电平三相逆变器每相需要( n - 1 ) ( n - 2 ) 2 个飞跨电容，每个电 容电压为v d 。( n 1 ) 。 图1 - 2 匕跨电容型电路结构 f i g 1 2h y i n gc a p a c i t o ri n v e r t e r 飞跨电容型功率变换电路的优点在于：( 1 ) 电源断电时，大容量电容器存储的 能量可以作为电源提供额外控制；( 2 ) 在电压合成上，有多种开关组合来合成某一 输出电平；( 3 ) 能控制有功和无功功率流量，因而可用于高压直流输电和交流传动。 而它的缺点在于：( 1 ) 当变换器输出电平数很大时，需要的箝位电容数量大， 封装困难，成本较高；( 2 ) 功率变换电路控制困难，有功功率流量转换的开关频率 和开关损耗较高。 3 ) 单元h 桥级联型3 3 l 丰。j 影犁7 犁龟。 f 船t 瓣t 葡 = 鞣= 鹩 牟鬯型 t 冉甫 = 弱 上啼j 婶 厂冉焉t 槭t 丽 图1 - 3h 桥级联型电路结构 f i g 1 - 3h - b r i d g ec a s c a d e di n v e r t e r s 北京交通人学硕十论文 图1 - 3 所示是三相两电平h 桥级联五电平变换器，这种拓扑原理是将多个具 有独立直流电源的两电平h 桥单元的输出交流电压串联实现多电平输出。这种结 构的n 电平三相变换器，每相需要( n 一1 ) 2 个独立直流电源( 每个直流电源电压均 相等) ，不需要额外的筘位二极管和电容。 这种拓扑结构的特点是：( 1 ) 每个功率逆变单元直流侧采用相互独立的直流电 源，不存在电压不平衡问题，易于实现p w m 控制；( 2 ) 每一个功率单元结构相同， 给模块化设计和制造带来方便，而且装配简单；( 3 ) 系统可靠性高，若某一功率单 元发生故障时可以被旁路掉，其它单元仍可以j 下常工作，不间断供电；( 4 ) 由于没 有筘位二极管或箝位电容器的限制，这种结构的功率变换器输出电平数可以更多， 在输出电压提高的同时，谐波含量更小。 实际应用中，直流电压源一般采用三相不控整流桥加滤波电容构成，其缺点 在于：( 1 ) 与电网的联接需采用曲折联接的变压器，使结构复杂，体积增大，成本 增加；( 2 ) 由于采用不控整流桥，能量只能单向流动，而不能回馈，功率变换电路 无法四象限运。 4 ) 级联中点箝位型逆变器h 儿1 4 1 5 6 1 传统的两电平h 桥级联多电平变换器由于其自身的特点成为中高压逆变领域 研究的热点。但是，当对输出电压波形质量要求较高，希望得到尽可能多的电平 数，开关器件耐压等级又不够高的情况下，采用多个h 桥级联虽然可以达到要求， 但是需要较多的独立直流电源，这使得输入变压器的设计非常复杂，成本也比较 高。如果采用功率等级高的二极管筘位逆变单元代替h 桥，就可以节省独立电源 的个数，降低变压器的成本，提高系统的功率等级。图1 - 4 所示为级联中点筘位 逆变器的功率单元，可以输出五电平波形，每个桥臂可以输出三电平波形。 2 e 图卜4 级联中点箝位逆变器的功率单元 f i g 1 - 4c a s c a d e dn p ci n v e r t e r 4 o 绪论 级联中点筘位逆变器中和了二极管箝位多电平变换器与传统级联型多电平变 换器各自的优缺点：相对于二极管箝位型多电平结构器件量( 二极管) 减少，而相 对于传统两电平h 桥级联系统无需过多的隔离直流电源，适合模块化程度也介于 两者之间。而由于其可以做到很高的电压等级，同时模块内和模块间的连接均不 是很复杂，在中高压逆变领域还是有广阔的应用前景。 5 ) 四种多电平电路拓扑的比较 表卜l 为四种多电平电路拓扑的比较，实现输出m 电平变换时每相所需功率 器件的比较。 表卜1 四种m 电平电路拓扑所需器件比较 t a b l e l - 1c o m p a r i s o no f t h en u m b e ro f d e v i c e su s e db yt h e s et o p o l o g i e s 电路拓扑结构二极管箝位型飞跨电容型传统级联犁级联中点箝位型 开关管2 ( i n - 1 )2 ( m - 1 )2 ( n l - 1 )2 ( 1 - 1 ) 箝位二极管( m - 1 ) ( 1 - 2 ) oo m l 直流母线电容( m 1 )( m - 1 )( 1 - i ) 2( i - 1 ) 2 箝位电容 0 ( i 一1 ) ( i 一2 ) 20o 从表中不难看出，飞跨电容型和传统级联型多电平结构不需要箝位二极管， 而二极管箝位型和级联型结构不需要箝位电容，因此，输出同样电平数时，级联 型多电平电路结构所需器件最少。但传统的h 桥级联型多电平电路拓扑需要多个 独立直流电源的问题。而级联中点箝位多电平电路所用的独立直流电源数仅为传 统的h 桥级联型多电平电路的一半，且级联的每个单元都有同样的电路结构，同 样具有易于扩展的优点，可以通过增加或者减少逆变单元来调节输出电压的电平 数。在中高压、大功率情况下，具有十分明显的优势。本文研究的级联中点筘位 多电平逆变器正是基于该拓扑，在第二章中对该拓扑的工作原理进行了详细分析。 1 3 多电平变换器的调制技术 多电平调制方法在功率变换目标的实现上起着至关重要的作用，在过去2 0 多 年里，研究者对各种拓扑的中高压功率变换器的调制方法进行了大量的研究工作， 提出了一系列有效的调制方法。这些调制方法大部分是传统的两电平变换器脉宽 调制技术的扩展和引申。主要的调制方法有：1 ) 阶梯波调制技术；2 ) 消谐波调 制技术；3 ) 载波层叠调制技术；4 ) 载波移相调制技术；5 ) 空间矢量脉宽调制技 北京交通大学硕十论文 术。下面将分别介绍上述几种调制方法。 1 ) 阶梯波调制技术n 7 1 8 1 阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，是比较直观的方法。在阶梯波调制 中，可以通过选择每一个电平持续时间的长短，来实现低次谐波的消除，优化输 出波形。电平数越多，可消除的低次谐波数越多。这种方法本质上是对做参考电 压的模拟信号作量化的逼近，对功率器件的开关频率没有很高的要求，所以可以 采用低开关频率的大功率器件来实现。一个周期，丌关管只开关一次，降低了开 关损耗，但是该方法的一个主要缺点就是输出波形的谐波含量高。 2 ) 消谐波调制技术h 1 消谐波调制技术则是通过开关时刻的优化选择，在每个电平上设置凹槽来消 除特定次数的谐波，设置的凹槽个数越多，可消除的谐波次数越多，电平数越多， 预设凹槽的难度越大。该调制技术的困难在于必须采用牛顿迭代法求解一组非线 性方程组，而且选取合适的初值是解法收敛的必要条件，这就决定了运算要花费 较多的时间，不利于在线计算，因而多采用离线计算，采用查表法取得开关切换 时刻，这就需要较大的数据表格。因此，消谐波调制技术比较适合在五电平以下 电路中应用。 3 ) 载波层叠调制技术乜2 2 1 载波层叠调制技术是一种最流行的多电平调制方法，能应用在任何电平数任 何拓扑的多电平逆变器中，且单相和三相系统都适合，它是两电平正弦调制方法 在多电平中的直接应用。以一个1 7 电平逆变器为例，需采用一个j 下弦波和1 6 个 具有相同幅值和频率的三角波比较，三角波的相位均一致。采用s p w m 的原则， 即正弦波大于三角波幅值时，对应器件导通，否则关断，实现多电平s p w m 波的 输出。 4 ) 载波移相调制技术心3 儿2 4 2 明 载波移相调制技术是一种专门用于级联型多电平逆变器的p w m 方法。对于一 个单相n 模块级联中点箝位多电平逆变器，每个模块的s p w m 信号都是由四个三 角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载 波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一相移使得各模块所产生的 s p w m 脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出的s p w m 波的等效开关频 率提高到原来的n 倍，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。 5 ) 空间矢量脉宽调制技术( s v p w m ) 幢刚 将两电平s v p w m 方法加以推广，即可得到三电平或多电平s v p w m 。以三 相三电平为例，每一相的输出可为正( 1 ) 、零( 0 ) 、负( 一1 ) 共3 种状态，将三相的3 种状态进行组合，可得到2 7 种状态，由此可得到三相三电平的六角形空间矢量图， 6 绪论 如图1 - 5 所示。在2 7 种空间电压矢量中，有2 4 种非零矢量( 6 种空间位置重合) ， 3 种零矢量。可将2 7 种空间矢量分为长矢量、中矢量、短矢量和零矢量四种。2 4 种非零矢量将空间分成1 2 个3 0 度的区域。 1 1 1 0 0 2 2 o j q l l 0 2 0 1 2 0 2 2 0 、 i ， 2 1 2 1 0 ? 心心嬲2 嬲润一 。i 厂1 0 1 2 0 l v v 图卜5 三电平矢量调制 f i g 1 5t h r e e - l e v e ls p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n 多电平变换器空间电压矢量的思想，与两电平s p w m 是一样的，即对某一个空 间电压矢量，用位于该区域的部分或全部电压矢量适时切换来逼近。在二极管箝 位的多电平电路中，对同样的输出波形，可以通过选择不同的矢量合成方法，来 实现电容电压的平衡。但当电平数较多时，在五电平以上控制算法将非常复杂， 难以实现。本研究的是1 7 电平级联中点箝位逆变器，故对s v p w m 不做研究。 1 4 感应电动机驱动系统的控制方案陉7 咱2 1 感应电动机由于其结构简单、牢固，价格便宜，运行可靠等优点，在交流传 动中得到了极为广泛的应用。感应电动机采用变频调速技术后，调速范围广，调 速时因转差功率不变而无附加能量损失， 流电机调速传动发展的主要方向。目前， 三种控制策略： 1 ) v f 开环控制 是一种性能优良的高效调速方式，是交 感应电动机的变频调速系统多采用以下 当前异步电机调速总体控制方案中，v f 控制方式是最早实现的调速方式。该 控制方案结构简单，通过调节逆变输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数， 设定v f 曲线，其可靠性高。但是，由于其属于速度开环控制方式，调速精度和 动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视 7 北京交通人学硕士论文 而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动 机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿 功能及转矩提升功能，也难以实现0 5 的精度，所以采用这种v f 控制的异步电 机丌环变频调速设备适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械，若要 开发高性能专用变频控制系统，此种控制方式不能满足系统要求。 2 ) 矢量控制 矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型 对电压、电流等变量进行解耦而实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可 以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。矢量控制变频器可以 分别对异步电动机的磁通和转矩、电流进行检测和控制，自动改变电压和频率， 使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静 态精度和动态品质。采用矢量变频器异步电机变频调速是可以达到控制结构简单， 可靠性高的效果。其主要表现在以下几个方面： 可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广； 可以对转矩实行较为精确控制； 系统的动态响应速度很快； 电动机的加速度特性很好。 带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速技术性能虽较好，但 是毕竟它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，己经降低了异步电动机结构坚 固、可靠性高的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法 安装速度传感器。系统增加了反馈电路和其他辅助环节，也增加了出故障的机率。 因此，对于调速范围、转速精度和动态品质要求不是特别高的条件场合，往往采 用无速度传感器矢量变频调速系统。 3 ) 直接转矩控制 除以上两种调速方式之外，国际学术界比较流行的电机控制方案研究还有致 力于直接控制电机输出转矩的直接转矩控制( d t c ) 。将电机输出转矩作为直接控制 对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速。下面对直接转矩控制和矢量控制在 各个方面上进行对比。 单从原理上分析，直接转矩控制和矢量控制没有太大的区别。矢量控制通过 定子电流采样，进而进行解耦，对影响电机磁场和转矩的电流分量分别控制。而 直接转矩控制方式根据原理公式，由电机转矩与定子磁场和转子磁场间的关系， 通过控制定子磁场，控制转矩输出，其测量量为电机的输出转矩，电机的性能主 要与电机转矩有关，所以其控制方式比较直接，定子磁场的观测类似于矢量控制 中的定子磁链的观测方法，因此其低速时由于定子电阻的影响，性能不高，与直 绪论 接电流闭环的矢量控制方式相似。 直接转矩控制电压矢量的获得也是分别控制8 个逆变开关状态。这两种控制 方式同样与电机的参数辨识是否精确有关，矢量控制方式中，磁链角和转子时间 常数对控制性能的影响比较大，而直接转矩控制方式主要是定子电阻的辨识，因 为定子电阻直接影响了定子磁链的观测，从而直接影响了电机转矩控制精度。在 参考文献 3 0 中，对两种控制方法进行了详细的对比，从仿真的结果对电机静态 和动态性能，转矩，磁场以及电机参数的敏感度等性能做了详细的分析，从结论 中，可以看到，矢量控制在转矩性能控制以及电机参数的敏感度上占了一定的优 势，而直接转矩控制在磁场控制性能上有一定的优势，而且直接转矩控制由于省 略了大部分的坐标变换，比矢量控制在计算量上较为简化。 综合比较以上几种典型控制方式以及考虑到实际因素，本论文选择有速度传 感器的转速闭环矢量控制系统。 1 5 本文的主要内容 本文主要针对感应电动机的级联中点箝位多电平逆变器的相关问题展开研 究，主要有以下内容： 1 、第二章从二极管箝位级联逆变单元入手，详细分析了级联中点箝位多电平 逆变器拓扑结构的工作原理，并建立数学模型。 2 、第三章对适合该拓扑结构的调制方法进行了详细研究，在仿真分析了传统 的基于载波层叠和载波移相思想进行组合的三种载波调制方法后，提出了基于脉 冲编码和脉冲旋转的新型单载波调制技术，并通过仿真验证了方案的可行性。本 章最后比较研究了低调制度情况下，传统的载波调制法和新型脉冲旋转调制法对 串联电容电压的均衡控制能力。 3 、第四章对感应电动机的级联多电平逆变系统进行了仿真分析，在对逆变系 统主要部分的建模进行了详细说明后，给出了感应电动机矢量控制系统的原理， 同时控制系统中引入了电流闭环前馈控制，解决了因器件导通压降造成的电压降 落现象。最后，以8 0 0 k w 感应电动机为负载进行系统仿真，取得了很好的效果。 4 、第五章主要对本论文的研究成果进行了总结，并对今后研究工作进行了展 望。 9 感应电动机级联中点箝位型逆变系统的研究 2 感应电动机级联中点箝位型逆变系统的研究 从第一章可知，级联中点筘位多电平拓扑在输出电平数相同的情况下，相对 于单纯的二极管筘位多电平或传统两电平h 桥级联多电平变换器有一定的优势， 该拓扑相对于二极管箝位多电平变换器器件量( 二极管) 大大减少，而相对于传统两 电平h 桥级联变换器减少了一半的隔离d c 电源，适合模块化程度也介于两者之 问。而由于其可以做到很高的电压等级，同时模块内和模块间的连接均不是很复 杂，在中高压逆变领域还是有着广阔的应用前景。 本章将对具有相同直流母线电压的级联中点箝位多电平逆变器的拓扑结构进 行研究。首先介绍感应电动机的级联中点箝位逆变系统及级联中点箝位逆变器功 率单元的工作原理，并以两单元级联九电平逆变器为例分析其工作原理及输出电 压与开关管的对应状态。本章最后从三相一单元入手，在建立其数学模型的基础 上，推导出三相四单元级联1 7 电平逆变器和三相1 1 单元级联多电平逆变器的数学 模型。 2 1 感应电动机级联中点箝位逆变系统 图2 1 感应电动机级联中点筘位逆变系统 f i g 2 1c a s c a d e dn p ci n v e r t e r - b a s e di md r i v es y s t e m 图2 1 所示为中压大功率感应电动机级联多电平驱动控制系统结构图。三相级 联逆变结构采用y 型连接，每一相均由四个逆变单元级联组成，每个逆变单元结 构如图1 4 所示。如第一章所述，这种方式中，高电压的输出是通过若干单元的输 北京交通人学硕十论文 出串联后叠加得到的。这样对每个功率单元来说，不必承受高压，且可以采用低 压的功率器件。 从单元串联的方式可以看出，单元的电压等级和串联数量决定高压逆变器的 输出电压，单元的电流决定了变频器的输出电流。本文研究的级联中点筘位逆变 结构中，每个级联的逆变单元能输出5 电平电压，则每相输出1 7 电平电压，实现 高压的直接输出，供给高压电机。 2 2 级联中点箝位多电平逆变器的工作原理 2 2 1 基本的功率单元 第一章中图1 4 给出了级联中点筘位多电平逆变器的功率单元结构，其中d i l ， d i 2 ( i = a ，b ) 为箝位二极管；c 1 、c 2 为直流侧分压电容，由于c 1 = c 2 ，所以v 。i _ v c 2 = e 。 开关管s i j 、s 孙s 孙s j 4 ( i = a ，b ) 及其反并二极管构成逆变单元的两个桥臂，两个桥 臂并联后连接到直流母线上。通过对8 个开关管进行p w m 控制，使左右桥臂的中 点之间产生出幅值和频率可变的交流电压。 为防止直流母线发生短路，在控制系统的触发信号中，s i l 、s i 3 触发信号反相， s i 2 、s i 4 触发信号反相( i = a ，b ) 。这样，每个桥臂就有四种开关状态组合，但是同 一桥臂如果存在1 ，4 开关管同时导通，中点将输出不确定状态，安排触发信号时 应该避免出现这种状态，因此，每个桥臂实际上只有三种有效的开关状态组合。 以左桥臂为例，当s 。l 和s a 2 导通，s a 3 和s a 4 关断时，桥臂中点l 处电压为e ；当 s a 2 和s a 3 导通，s 。l 和s a 4 关断时，箝位二极管d 小d a 2 将桥臂中点l 处电压箝位到 0 ；当s 。3 和s “导通，s 。l 和s a 2 关断时，桥臂中点l 处电压为e ，如图2 2 所示。 逆变单元输出电压v o = v l - v r ，可输出电压为+ 2 e ，+ e ，0 ，一e ，- 2 e 共5 个电平，如图 2 3 所示。输出电平与开关管状态对应关系如表2 1 所示。 厂。 u 7 图2 - 2 左桥臂输出电压波形 f i g 2 2o u t p u tv o l t a g eo fl e f tb r a n c h 1 2 n。 “7 图2 - 3 逆变单元输出电压波形 f i g 2 3o u t p u tv o l t a g eo fi n v e r t e r 感应电动机级联中点箝位型逆变系统的研究 表2 - 1 逆变单元输出电压与开关管状态对应表 v ov lv rs a ls a 2s a 3s a 4s b ls b 2s b 3 s b 4 + 2 e+ eel 1o000 1 1 + e 011o0o110 + e 0一e0110o0l 1 + e+ e1100 l1o0 00 00110oll0 一eeo0l1001l 0+ e01lo11o 0 - e 一e0o o11o1l0 - 2 e e + e00l1110o ( “1 ”表示开关管导通，“o ”表示开关管关断) 2 2 2 级联多电平拓扑 级联中点箝位多电平逆变器拓扑结构的每一相均是由n 个结构相同的逆变单 元级联组成，其输出相电压应为各个逆变单元输出电压的叠加值，即： | v = 圪l + + + 吃 ( 2 1 ) 式中，v 。l ，v a 2 ，为一相中各个逆变单元的输出电压。 由上面分析可知，每个逆变单元可以输出+ 2 e ，+ e ，0 ，e ，2 e 五种电平， 故若n 个单元级联，其相电压可以输出m 电平：+ 2 n e ，+ ( 2 n 1 ) e ，+ e ，0 ，e ， ( 2 n 1 ) e ，2 n e ；且每相级联的逆变单元个数n 和相电压电平数m 关系如下： m = + 2 旭一( - 2 n e ) e + i = 4 + l ( 2 - 2 ) 故当每相由四个逆变单元级联，即n = 4 时，相电压可以输出1 7 电平。随着级 联逆变单元的增加，电平数越多，其分辨率越高，输出的电压波形具有越小的谐 波和越低的d v d t ，波形越逼近正弦波。 下面以两个功率单元级联输出九电平电压为例，分析级联多电平功率变换电 路的工作原理。图2 4 所示为单相级联九电平逆变器，其输出波形如图2 5 所示。 北京交通人学硕士论文 图2 4 单相级联九电平拓扑结构 f i g 2 _ 49 - l e v e lc a s c a d e di n v e r t e r 九。 7 图2 - 5 相电压输出波形 f i g 2 5w a v e f o r mo fo u t p u tp h a s ev o l t a g e 表2 2 所示为单相两个逆变单元级联九电平逆变器的输出电压与相应开关管 的一组开关状态对应表。在这种多电平的功率变换电路中，输出电压的合成方式 是灵活多样的，每种电平的输出电压对应着多种开关组合方式。而且从表2 1 可 知，每个逆变单元输出某些相应电压时的开关组合不止一种，例如逆变单元输出0 时可以有三种开关组合，所以表2 - 2 所提供的仅仅是一组对应的开关状态。因为 输出某些电平时开关器件的开关状态可以有多种不同的组合，所以这将给控制带 来多种选择使之变得更加复杂，但这种冗余性也有其优点：一方面提高了系统的 可靠性，在某一元件失效时，系统可以通过重组将故障元件旁路，系统可以继续 运行。另一方面，可以在直流母线电容电压不平衡问题上提供解决方法，并可根 1 4 l l 一一 感应电动机级联中点箝位型逆变系统的研究 据具体情况进行优化控制。 表2 - 2 输出电压与开关管状态对应关系 v os a ls a 2s a 3s a 4s a 5s a 6s a 7s a 8s b ls b 2s b 3s b 4s b 5s b 6s b 7s b 8 + 4 ell ooo0 llll00001l + 3 ello 0o o1lll00o110 1lo 0o lloilo0oo1l 11o 0o ollollo0llo + 2 e ll0 0o ll0l1oo0llo oll o ollolloo00ll llo oo olloll01lo0 + e llo o 0llo0l1oollo 0ll o o1loll0ooll0 o1lo1loo1l0oooll ll0o00llo0l1l1o0 ll 0o 0 l l0ol1oll0o o 0ll001l0olloo11o 0ll o ool1llo00l1o 0011llo0llo0ool1 1 1 0 0 0 1 lo0ollllo 0 一e oll0ol1000lllloo 0 1l0ll0o0llo 0 llo o0ll1loo l l0ooll0 o l l ool10 o0 1 11 1 0 o 2 e 0 oll011o 0 ollol10 o0llll0o0ll0oll0 3 eo0ll0llo00llll0o oo1lll0oo0ll0ll0 4 eo011llo0oo1llloo ( “1 ”表示开关管导通，“0 ”表示开关管关断) 2 3 级联中点箝位多电平逆变器的数学模型 数学模型是功率变换电路行为、状态的数学描述，建立研究对象的数学模型， 是深入研究和分析对象的工作机理、特性，以及提高系统控制性能的基础和必要 手段4 1 。 北京交通大学硕+ 论文 2 3 1 功率单元的数学模型 建立功率单元的数学模型是建立完整多电平逆变器数学模型的基础，首先作 如下理想假设：a ) 直流侧的输入电源2 e 是理想的恒定的直流电压源；b ) 所有开关 器件都是理想的开关，也即所有开关器件没有惯性和损耗；c ) 直流侧电容也是理 想，也即无内阻、无电感且c 1 = c 2 ；d ) 变换器的负载是三相对称感性负载。引入函 数s l 和s r 作为控制左、右桥臂丌关管状态的变量。 i1 ( 疋l ( b 1 ) 幂 j s a 2 ( b 2 ) 导通，s a 3 ( b 3 ) 和咒4 ( 6 4 ) 关断) 墨( r ) = o ( 2 ( 6 2 ) 和3 ( 6 3 ) 导通，疋l ( b 1 ) 和 s a 4 ( b 4 ) 关断)( 2 3 ) 【一l ( s a 3 ( b 3 ) 幂n s a 4 ( b 4 ) 导通，疋啪l 希口2 ( b 2 ) 关断) 则对图1 4 所示的功率单元有 左桥臂中点电压形为 圪= s e ( 2 4 ) 右桥臂电流，为 l = s l i o ( 2 5 ) 右桥臂中点电压为 = s 旯e ( 2 - 6 ) 右桥臂电流，。为 厶= 一s r i o ( 2 7 ) 从而可得功率单元的数学模型表达式： r o = 吒一圪= ( s l s r ) e ( 2 8 ) i = l + 厶= ( 咒- s r ) l ( 2 - 9 ) 2 3 2 三相一单元逆变器的数学模型 三相i 单元逆变器电路拓扑结构如图2 - 6 所示。由前面假设可知，负载为理想 的三相对称感性负载。 1 6 感应电动机级联中点箝位型逆变系统的研究 2 e u 图2 - 6 三相五电平逆变器电路拓扑 f i g 2 6t h r e ep h a s e5 - l e v e li n v e r t e r 对无中线三相负载对称系统有 l + 厶+ t = 0 ( 2 1 0 ) 按上节给出的对基本单元分析建模过程，可得到三相一单元逆变器每相的数 学模型如下： 吃= ( s u 一& 。) e ( 2 1 1 ) 乞= ( 屯一) ( 2 1 2 ) 比= ( b s 肪) e ( 2 1 3 ) 厶= ( 。一) 厶 ( 2 1 4 ) 吃= ( s u 一是。) e ( 2 1 5 ) 气= ( 屯一s 疵) i o ( 2 1 6 ) 其中： 最；、& ；分别表示第i 相单元左、右两桥臂单元开关管状态的函数 圪表示第i 相单元的输出电压 l 表示第i 相单元直流侧输出电流( i = a 、b 、c ) 由基尔霍夫电压定律，列出交流侧a 、b 、c 三相的回路电压方程如下： 1