（电机与电器专业论文）基于dsp的多电平逆变器异步电机控制系统研究.pdf

a b s t r a c t m u l t i l e v e li n v e r t e rt e c h n o l o g yi sap o pr e s e a r c hi nh i g hv o l t a g ea n dh i g h - p o w e r c o n v e r t i n gf i e l d s i t c a ns y n t h e s i z em u l t i l e v e lo u t p u tw i t ht h ed i s t r i b u t i o no fd c v o l t a g ea n dt h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n ts w i t c h i n ga c t i o n st or e d u c ev o l t a g es t r e s s a c r o s st h es w i t c h e sa n db u l ko ft h ee q u i p m e n t ，a n dl e s s e no u t p u th a r m o n i cd i s t o r t i o n a n ds w i t c h i n gl o s so ft h ei n v e r t e r t h i sp a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t e st h es p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c h n o l o g ya n dt h ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yo f v a r i a b l e s p e e ds y s t e mo fd i o d en e u t r a l - p o i n t - c l a m p ( n p c ) t h r e e - l e v e lv o l t a g e s o u r c ei n v e r t e r ( v s i ) f o ri n d u c t i o nm a c h i n e a tf i r s t ，t h es t a t u sq u oo fm u l t i l e v e l t e c h n i q u ei ss u m m a r i z e d ，a n df o u rb a s i ct o p o l o g i e so fm u l t i l e v e la n ds e v e r a lc o n t r o l s t r a t e g i e sa r ea n a l y z e di nd e t a i la n dc o m p a r e di nt h i sp a p e r ；t h e nt h ep r i n c i p l eo ft h e t h r e e - l e v e ls v p w mi ss p e c i f i e d ，t h ec a u s eo fu n b a l a n c eo ft h en e u t r a l - p o i n tv o l t a g e i sd e t a i l e d l ya n a l y z e da n d ，c o n s e q u e n t l y , ar e a l - t i m ec o n t r o lm e t h o di sp r e s e n t e dt o c o n t r o lt h en e u t r a l - p o i n tp o t e n t i a lf l u c t u a t i o n ；t h eb a s i cr u l eo fv e c t o rc o n t r o lo f i n d u c t i o nm a c h i n ei ss u r 矗m a r i z e d ，a n df o rc u r r e n tm o d e l ，ac o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a l e x p r e s s i o ni sg a i n e db yt h ed i s e r e t i z a t i o no ft i m ed o m a i no nt h eb a s i so fc o n t i n u o u s t i m ee x p r e s s i o n ；as i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h r e e - l e v e li n v e r t e rc o n t r o ls y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，t h u s ，a ne f f e c t i v et o o l i s p r o v i d e df o r t h e r e s e a r c ho ft h et h r e e - l e v e l i n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m ；a tl a s t ，c o n s i d e r i n gt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n to ft h r e e l e v e l i n v e r t e ra n dt h e h e a v yo p e r a t i o n q u a n t i t y o fs v p w m a l g o r i t h m ，t h e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s pi sc h o s e na st h es i g n a l - p r o c e s s i n gc h i p ，a n dt h ed e s i g n so fb a s i c h a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ea r ea l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r ；s v p w m ；n e u t r a l p o i n tp o t e n t i a l ；v e c t o rc o n t r o l ； d s p l i l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：刍钆考日期：捌看年r 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密昭。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：壹锻 刷醛辄黻 ， ，f ，7 日期：谢年a - a q 詹日 日期：加彩年占月g 日 1 i 引言 第1 章绪论 电力毫予技寒终秀门臻究电熬燮换豹理论、方法和瘦翔戆专门学科，英疆 标是有效地使用电力半露体器件、艨用电路、设计理论以及分析开发工菇，实现 澍电能的高效能变换和控制，以提供任意形式和容量的电能。现代电力电子技术， 作为一门集魄子技术、功率集成、自动控制、材辩科学、计算机控制技术、电磁 兼容、传感技本和蒸工簿学辩舞一体羲新兴交叉学季季，在主墩缝8 0 年代戳惹，随 着相关学科的迅速发展，取得了长足的进步。多电平变换器怒实现变换器高电压、 大容量化的宥效途径，多电平变换嚣及其p w m 控制是近年来电力电子应用领域的 醭究热点删。 i 2 多电平逆变器技术产生的背景 逐年寒，随着电工领域各静技术鹣全嚣发袋，入髑对电力电子装置豹嵩压、 大功率和商频亿的要求越来越强燕，人们希望电力电予装鬣靛够处瑾越来越高静 电压等级和容量等级，例如，电力系统中以高聪崽流输电( h v d c ) 、静态光功补偿 ( s t a t c o m ) 镰为代表的黎性交流输电技术( f a c t s ) ，以及以商聪变频为代裘的丈电 狡驱费秘丈臻率电源装嚣。在簧统豹疆毫平交换嚣嚣大臻率逐雳孛存在诲多阏遂： 需要笨重、耗能、昂贵的变压器：为了得到高质懋的输出波形而提高开关频率，造 成很高的开关损耗，而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂 瓣动态均臻奄鼹。多彀擎交换器也藏楚在这耱鹜豢下或秀裹蘧大凌率变揍疆究豹 热点1 3 1 4 5 1 。 i 3 多电平逆变器的发展与现状 德匿学者h o l t z 予1 9 7 7 年首次提穗三电平交捩拓扑，其麦彀貉采露常成瓣两电 平电路，仅猩其每相桥臀带一对开关管作为辅助中点进行钳位，如图1 1 所累。1 9 8 0 年，日本长阁科技大学a n a b a e 等人将辅助开荧管换成一对钳位二极管，分别和 上、下鞒譬攀袋熬嚣关管耀逢鞋辕魏孛熹镶餐，稔秀二辍蛰审熹键霞( n p c ) 三毫孚 变换器，如图i 2 所示。这种变换器控制较容易，主开关管的电压额定值强为直流 侧电压的一半，因此更适合在大功率场合使用。 燕子d s p 鹣多秀擎逆变器募步奄辘控赣系统疆究 曩l 。lh o l t z 三电手遴巍箍( 擎掇) 方蒸 牲 圈1 2 n a b a e - - 蝴h ( 擎褪) 方案 1 9 8 3 年，b h a g w a t 和s t e f a n o v i e 将这种电路结构由三电平推广到多电平， 遴一步奠定了n p c 结构熬多电平模溅。从此，人们在高压丈秘率逆交领域的研究 产生了一令新秘方淘，那就是走多毫警的遂踌陋矧。8 0 年代戳来，良g t o ，i g b t 失 代表的第3 代电力电子器件以及以数字信号处理器为代表的错能控制芯片的迅速 普及，为这种新型多电平变换器的实际应用提供了必要的物质基础。时阆，各 耪毫臻藜羚缭拣及控秘方法纷纷被援爨窝簪 究，麓孛毒戆暴疑应瘸蘩实甄系统当 中，应用范阐涉及各种黼压大功率场合，从目前所见到的相关报道看，电力系统 和高压大电机驱动成为彩电平变换器的主要应用领域【引。 i 4 多电羊逆变器研究豹重点 多电平逆变电路的核心问题之一是电平钳位。多电平电路的主要目的就是以 尽量多的电平输出来遥避理想的正弦波形，从面减弱输出波形中豹谐波影响。为 了遥近垂弦波要解决静童要运蘧是热键准确途j i 壹缝或波形酶镣个毫平进行锯往。 选里的钳位宥两个含义：是在功攀器件开通时，通过辅助器件的钳位作用将电 路输出电平稳定在一固定值；二是猩功率器件关断时，通过钳位作用将器件两端 承受熬电压限定在一定簸毅蠹。这撵糕可戳事先竣定毫终簸爨邀平匏夫夺，又毒 以在电路工律过程中避兔电压损坏功率器件。有了稳定的电平钳位结梅，就可以 用耐压低的功率器件组成电路的基本单元，并通过适当的拓扑结构组合出满足不 阍要求的输如波形，或将其串联后瘦弱割高压场合【9 l 。 除了毫警锥位闷题外，电路单元阀静动、静态稳压，篱纯开关控裁避辑，在 相同电平数输出下减少使用的功率器件数，功率能否双向流动等也是多电平电路 必须要考虑的问题。 孚鬟塞滤翻孛煮毫檬并篱蝗控期舞法迄是多魄乎递交器磅党瓣一个蘩杰秘滩 点。如果电平数过多，将会遇到许多困难，如硬件电路过于复杂，为了保持各个 电容器的平榭充电，控制变得困难等。所以，在迭到工艺要求的情况下并不盲目 追求过多酌嘏乎数。曩翦叛三电平和聂邀乎最受豢褫。 |； 1 5 课题研究的意义和内容 蠢蔫，多电平逢交嚣技术己藏麓魄力电子学垮，疆亳嚣大功率交换兔磺究对 蒙的一个新的研究领域。对于电平数为n 的多电平逆变器，宦具有以下突出优点： l 。每个渤率器件仅承受1 ( n 1 ) 的母线电压( n 为屯平数) ，所以可以用低耐 篷熬器捧实蠛衰基大臻攀辏窭，虽炙鼹动态均压魄爨。 2 电平数的增加，敬善了输出电篷波形，减小了输出电压波形畸交率( t h d ) 。 3 可以阁较低的开笑频率获得和高开关频率下两电平逆变器相同的输出电压 波形，困i i 孬野关损耗小，系统的效攀岗。 4 。由予嘏平数静增麴，在耜同豹篷滚母线惫篷条停下，较之嚣毫乎遵交器， 开关器件所承受的d v d t 应力大为减少；在高压火电机驱动中，有效防止电机转子 绕组绝缘击穿；同时改麟了装置的e t d i 特性。 5 无霰竣爨变压爨，大大逮鬣奎了系统熬镕浚黟撰耗。 所以，研究三电平邀变器的控制规律，建立三电平逆交器的仿真平爵t 嵇试验 平台，对于掌握其运行特性和运行规律具有十分壤要的作用。 本文磅究内窖包括： l 。多咆平逆交器的拯矜结构及其控稍策略； 2 对三电平逆变器s v p w m 算法进行了研究，其中对三电平逆变器中点电压 不平衡问题进行了较为详细的分析并提出了抑制中点电位波渤的控制方案： 3 ，慧续了惑应毫爹 i 矢量控翻基零麓律，在英逶续薅嚣表遮式楚萎磁上，经薅 间域离散得到其相应的数字表达，撼出了感应电机数字控制系统软件电流模块所 必须的离散袭达； 4 。三毫乎逆交器一嚣步电动规镑粪数学模型麓建立及其s i m u l i u k 壤囊； 5 基予数字信号处瓒器的三电平逆交器控铡系统设计，镪括硬件设计耧软俘 设计。 蒺予d s p 瓣多每警避变器异步鸯辊控翻系统研究 第2 章多电平逆变器的拓扑结构及其控制策略 2 1 多电平逆变器的拓扑结构 多电平逆变器按主电路拓扑结构可分为以下几种类型： 二摄蛰键蕴鍪多雹孚遂交器 飞跨电容型多电平逆变器 基于独立直流电源的级联型多电平逆变器 混合缀联型多电乎逆变爨 2 1 1 二极管钳位型彩电平逆变器f 伸】【n 】【硷】【描】 二极管钳位型五电平三相逆变器( u 相) 的主电路结构如图2 。l 所示。 , 4 - 图2 1 - 极管钳位激五电平三捅邀变器( e 壤j ) 主电路 分压电容c 1 = c 2 = c 3 = c 4 ，因此v c l = v c 2 = v c 3 = v c 4 。每相桥臂有8 个开关器件 串联，其中镣4 个舞关器件月蹲处予鼯遁或关断状态，其中s 。i 秘s 。5 互蛰，s u ：移s 。6 互补，s u 3 和s u 7 互补，s u 4 秘s 。8 互补。五电平逆交器的输出电聪及其对应的开关状 态如表2 1 所示。 袭2 。1 二掇篱钳位型五电举逆变嚣( 嘲 输出电压及奠弹关状态 开关状态 输出电压 s i l l陆鼬晒鼬鼬 如 llli8g88 剐 蠢lllle 鑫 鑫 u p 栩 0ll1ln0 ，4 口0口l1110 bdndallll 2 1 2 飞跨电容型多魄平逆变器f 1 4 j l l 5 】陶f 1 7 1 飞跨电裙型五电平三相逆变器( ，相) 的主电路结构如图2 2 所示。 - 4 - 网2 2 飞跨电容裁五电平三相滋变器( 喇君) 主电路 每相桥臀有8 个开关器件串联，其中每4 个开关器件同时处于导通城关断状 态，荚孛s 1 彝s 。s 互蛰，s 。2 窝s 。7 戛李 ，s u 3 窝s 。6 纛羚，s u 4 辜q l s u 5 曩餐。五毫警遂交器 的输出电聪及其对应的开关状态如淡2 2 所示。 表2 2 飞跨电容型五融平逆变器( 渊) 输出电压及其湃关状态 秀鬟虢悉 输出电压 l轴 s os l 】6鼬s u l onnnallll l88d 1 ll8 鑫瑟瑟l0lll 魄辩 n0lnldll 口1口口110l 1ldd i 1 ad 霾鑫ll8霾|l l nl 0l 8 ld i j 2 10010110 010 l 口10l 0llgl霾纛l lllqlbg8 dlll0口nl 3 ，4 1d110dld ll8lel88 魄 llll088e 2 1 3 基于独立直流电源的级联型多电平逆变器【2 0 】【2 1 】t 2 4 】 基予独立壹滚毫深豹缓联墼五懑乎三靼逆交器( u 稷) 懿主龟爨结稳懿蚕2 。3 所示。 麓予d s p 斡多毫警递交器异梦电辊撩毹系统磺究 圈2 3 级联型五电平三相逆蜜器( u 目) 主电路 每相榜骛出2 个单稳全桥零鼋成，熬中每4 个开关器俘霹霹处予导通或关断状态， s 。1 和s 。3 互补，s u 2 和s 。4 互补，s 。5 和s 。7 互补，s u 6 和s u 8 互补。基于独立直流电源的级 联型五电平逆变器的输矬；电压及其对应的开关状淼如表2 3 所示。 表2 3 缎联型五电平遂蜜器( 秭1 ) 输蹬毫压及其开装状态 开关状态 输出魄匪 鼬鼢s bs s 晒s 皿s 时s 曲 ：u 蛰|轻疆ll器0l 骗 0llln8l 0 0110d11 - u p d011d11d 一2 t 珐0ll纛ll8 2 1 4 混台缀联型多电平逆变器雌5 】【2 6 】 近年来电力电子器件的技术表明选择开关器件时要在开必频率和耐愿能力之 潜援孛选器。一毅逮，浃邃开关器终瓣嚣基楚力稳鞭，蟊i g b t ，嚣对麓承缝力较 强的开关器件其开关速度有限，如i g c t 。混合型多电平逆变器则包含了两种类型 的开关器件i g b t 和i g c t ，充分利用了两种开关器件的特点。 混合级联型七电平三梗逆变器( 耀) 的主电路结穗如图2 4 掰示。 图2 4 混合级联魁七电平三相逆变器( 阱目) 主电路 每相桥臂由2 个单棚全桥构成，赢流母线电聪为u d 的全桥采用i g b t 器件，而直 流母线电鹾为2 u d 豹全掇采用i g 卵器终。s i 霸s 。3 曩李 ，s 。2 嬲s 。4 互蛰，s 5 秘s 。7 互 补，s 6 和s 。8 嚣朴。混合檄联型七电平逆交器的输瀣电压及箕对应的齐关状态如表 2 4 所示。 表2 4 混会级联型七墩举逆变器( ，辛曩) 输出电压及擞舞关状态 秀美辕态 输出电压 s l l轴酗乩 s 时鼬s 晴 瓤b 10口1 1aal 硒 0n1llaa l 魄 l 鑫蠡l曩霾ll 口anl lddll - dll口01l - i 嘞 b0 l1dl1d 一3 l b 8ll00ll8 2 2 多电平逆变器的控制策略 随着电鹾型逆交器谯高性能电力电子装置，翔交流传动、不阈断电源翔有源 滤波器孛越来越广泛的疲藤，p w m 控铡技术俸灸这些系统静菸用及核心技术，弓l 超 了人们的高度重视，并得到深入的研究。在作为电机驱动的电压源型逆淡器中， 为降低所控制的电机谐波损耗，电磁干扰( e m i ) 和转矩脉动，舞论采取何种p w m 控制 方法，其囊精郡是获褥菠弦渡型毫疆瓣密。多彀乎遂交器反建予交蒙诿遴邈要实 现上述目标，使被控制的高压大功帮电机获得优异的性能，但采用不同的p w m 控制 策略，逆交器输出电压的谐波含量肖所不同。 多电警递交爨豹调铡策略大致裔三耱： 1 正弦p w m 调镛( s p w m ) 1 2 7 1 2 选择谐波消除p w m 调制( s h e p w m ) 1 8 3 空阔矢量p w m 调制( s v p w m ) 2 9 1 3 0 1 多宅平瓣s p w m 诿露l 繁疆是怼嚣淹平s p w m 璃翻綮貉懿一耱扩震。霹予辩魄平递交 器来说，在每相中都有n 一1 个三角载波，这n 一1 个三角载波与一个正弦调制波比较 得出逆交器的一相调制波形。三电平的s p w m 调制方法如图2 + 5 所示。 图2 5 _ - - 电平的s p w m 调制方法 纂辛d s p 薛多毫擎逆变嚣异步毫辘蔽裁系统磷究 设财日参考电压正弦波为s x ，黔u 以矾上下两个三角波分别为t r l ，t r 2 采用 嚣个三受波与正弦波趣魄较豹方法产生p w m 信号；当s x t ，l 瓣，浚出+ l 电平 警t ，2 s x t ，1 时，输出o ：a 平；当s t ，2 时输出1 魄平。 s h e p w m 调制方法就鼹将输出的溅弦波进行傅立叶变换，得到应该被消除的最 低次谐波，樽通过一定的算法计算如特殊位置的开关角，从黼消除最低次谐波。 选择谐波游狳p 弼箍诿鞠方法戆计算雾魄较大，需要离线量 算，并显要在d s p 或徽处 理器中存储大量的表格，因此在波形质量要求不是很高的场含一般不使用这种调 制策略。 s v p w m 谖期方法裁楚萼簪8 垂。坐撅系建三攘歪弦交渡毫莲惩一个蓑转懿魄送矢量 来代替，这个旋转矢量的旋转空闻又可以被划分为若干个扇医，而这个旋转矢量 在每一个扇鼷内都可以内三个相邻的位置固定的电压矢量来合成。控制这三个矢 蹙的雩# 用对阉就相当于按制了旋转电压矢量的模长和方向。旋接下来的强n 酋中要 详缨舟绍空瓣矢量p w m 调制方法，在这量就不在赘述。 在这三种调制策略当中，因为空间矢量p w m 调制方法的调制范围比较大，母线 电压利用率也比较高，因此得到较为广泛的应用。 2 3 本耄蠢、结 本章总结和比较了目前多电平逆变器的4 种典型的拓扑结构，讨论了目前多电 平逆变器静几耱典型控制方法。 硕士学位论立 第3 章三电平逆变器s v p w m 算法的研究 三电平s v p w m 逆变器与二电平s v p w m 逆变器在s v p w m 调制原理上是一 致的，但三电平逆变器需控制的矢量比两电平的要多得多，算法也复杂得多。三 电平逆变器的s v p w m 算法主要包括参考矢量所在扇区号的判断及工作模式判 断，开关矢量的选择优化，开关矢量作用时间计算，及所选矢量作用顺序的确定。 中点电压的平衡可通过适当的抑制算法来实现，因此也应作为算法中的一部分。 3 1 三电平逆变器的运行机理 当逆变器用于交流电机调速时，电流谐波会引起电机的各种损耗和转矩脉动。 在控制逆变器时，一个重要的方面就是用最简单的控制方式获得尽可能接近于正 弦波形的输出p w m 波。事实上，由非正弦电压引起的电流谐波意味着功率损耗、 电磁干扰( e m i ) 和交流电机驱动的脉冲转矩。为了减小输出谐波，传统逆变器只 能采用提高器件开关频率的办法，而太高的开关频率会增大开关损耗，而且开关 频率本身受开关器件的限制。采用传统的磁耦合多脉冲换流器( 或多重化) 可以通 过改变变压器的变比合成阶梯输出电压波形，但变压器耦合存在设备繁重和损失 大的问题。在三电平逆变器中，丌关器件在每个周期内开关一次可以达到和传统 两电平逆变器开关几次同样的效果，因而在相同的开关频率下，可以消除更多的 谐波分量，而且它每个开关器件的承压均为直流侧电压的一半，因此三电平逆变 器能提高系统容量，减小开关损耗，同时降低谐波含量。三电平逆变器作为多电 平逆变器的一种，能在不增加开关损耗的前提下，人大减小各次谐波。 二板管钳位型三电平逆变器主电路如图3 1 所示。 p 。j 吼 j ： 坼 h 罐 甜j ：， 。；脂- ；j | f 。埘m 张 i 坼 图3 1 一i 极管钳位型三电平逆变器主电路 以u 相为例，s su 2 su 3 ，s u 4 是开关管，d l ，d 2 ，d 3 ，d 4 为续流二极管， d 5 ，d 6 是钳位二极管。输出相电压定义为输出端和o a 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 】和c 2 串联，起到均分直流倒电压 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 p 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 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 藻于d s p 静多鑫擎逆变器凳步鸯懿撩割系统研究 1 6 种，但有效状态只有3 种情况。以渊为例，如图3 2 所示。 + p 一j 睦 蛆 u d 2 = 焉暖 熹 n 轴鹾 眺 u 1 2 2出 l 旺翅。 最苎| 瓤 一 n 圈3 2 三电平逆变器( 单相) 分析示意图 著电浚潞导通兹开关管s 。t 露s 。2 献溯滚爨，刘显然有v a o = 5 - u 2 ；若毫漉 从缔日经续流二级管d 2 和d l 流入，仍有v a o = + u d 2 ，将这两种情况统称为“l ”状 态。若电流沿钳位二极管d 5 和开关管s 。2 从渊流出，则显然a 点电压被钳位至零， 印v a o = o ；游电流从嘲经开关管s 瞄和锻位二极镑域流入，仍有v a o = o ，将这两 摹孛情凝统称凳0 状态。若电流鼠搿稳潘导通的湃关管s u 3 翮s u 4 流入，鬻鑫然有 v a o = - - u d 2 ：若电流缀续流二极管d 4 和d 3 从u * f l 流出，仍商v a o = 一u d 2 ，将这 黼种情况统称为“一1 ”状态。输出电平共有+ u d 2 ，o 和一u i ) 2 三个值，所以得 名三毫予递瓷器，嘲戮蹭与蘧稳嚣。 与三栩两电平逆变器相同，三稠三电平逆变器也可以用开关变量s u 、s v 、 s w 分别表示备桥臂的开关状态，不同的是这时u 、矿、阡，桥臂分别有三种开关状态， 从瑟s u 、s v 、s w 为三态开关变量，翔表3 。l 所到。 表3 1 三电平( n p c ) 逆变器u 相开关状态 v a os u l趾鼬& + u p 2 11o0l 0 8ll0c u d ，2 oo111 上表中，“1 ”表示开关管导通，“0 ”表示开荚管关断。可以看出，开关管s 。1 岛s 。3 ，s 。2 与s 。4 懿驱动麓号分裂是逻辑菲的关系，另努嚣穗芬鞠。 三电平逆变器的驱动控制基本原则如下；对_ 陂于u ( 以聊糊的三种状态，为了 保证每次输出状态变化过程中动作的开关器件最少，应使得谈相电位不在+ u d 2 粒一u b 趁之瓣蹙接变纯，掰应通过中髓点电位过渡。表3 。2 给出了溯电位发生交让 对，功率开关器件的工律状态。在设计时，无论采用何稀方式生成p w m 波，其硬 件及软件设计应遵循表3 2 的规律( “0 ”表示关断，“1 ”表示导通) 。 醭士学经德文 表3 2u 棚功率开关器件工作状态 f 糕状銮捺菸薅率豢律虢态交撬蠹璃枣髅羚获态 态酶纯 s l i酗s n 3 s n l趾 0 争10110110o 1 争o11o0o11o 0 争10l1001 1 呻oool1ol1o 与传统的两电平逆变器相比，三电平逆变器有很多优点【2 8 1 。首先，三电平逆 燮器囊奏效圣| 錾降低矛关频率劳减少谮波，获瑟疆枣系统臻纛。在簸凄稷瓣鹣象转 下，三电平逆变器的开必频率仅为两电平逆变器的2 0 。第二，它的电聪变化率 坐只有普邋两电平逆变器的一半，这就意味着污染电气性能的电流变化翠竺减少 罐dt 了，对电褫绝缘性髓豹损害遣会醚之减少，驮两能延长毫梳的工作寿命。这对异 步电动机工作性能是极为有利的。第三，随着电平数的增加，电压变化的减少， 主电路电流所含的脉动成分将会减小，转矩脉动和电磁噪声媳会降低。第四，由 手与稷狡毫鼹鸯关静毫鼹鸯篷灵膏纛滚翻毫垂鹣半，滚入狻收奄路熬熬董会减 小，发热墩也将随之减少，因此，电路体积就可以减小一热。最后，当三电平逆 变器的负载是中点悬空三相对称的鼹形负载时，负载电流将不会含有3 的整数次 谐波分量。 3 2 三电平逆变器s v p w m 算法 3 。2 。l 空阙电矮矢量源理 由电愿疑间矢量的嫩义，逆变嚣输出电压空间矢量为硌一( 2 ，3 ) ( + x 战+ 九2 ) 。 式中：九= c j “，为矢擞旋转因子；k ，“，为逆变器输出相电压。 在电容分压均匀的藤提下，把三电乎逆交器竣出电压带入电压矢量建义式， 霹褥到其必麓图，鲡圈3 3 所示。遴过计算分耩可知道，三电平递交嚣泡送矢量 图中最长的矢量幅值为( 2 3 ) u d ，其他矢量幅值依次为：( 1 3 ) u d ，( 1 3 ) u d ，0 ， 共有4 种必麓幅值。 蔟于d s p 酶多鲁警逶变器异步毫规控翻系统研究 v 一y 1 ，名。矗乃耽彳。 7 然万黎卜： 嚣烫鞯t y r o ) 7 。v _ 7 7 矗螳 7 7 1 l 删 ，i 墨坞，v t 7 ( 1 1 1 ) 珏 闰3 , 3 三电平逆变器的空悯电压矢量图 三麴三魄半逆交器共有3 3 = 2 7 糖开关状态。与三据嚣电平逆变器楣仿，三摆 三电平逆交器的开关状态可定义麓( s 。s ，s w ) 。三电平逆交嚣共有2 7 个开关状态 对应于1 9 个特定的空间电压矢量。按照电压矢量幅值从小到大的原则，这些矢量 可分为4 组，即零电压矢量、小电联矢量、中电压矢量和大嗽压矢量。 设大耄毯矢量嚣餐稳为砀，菸蠢6 令；串毫惩矢量瓣穰德为西尉2 ，筵骞6 个；小电压矢量的幅值为e 2 ，共商1 2 个；零电压矢量的幅值为0 ，共有3 个。 对每一个小矢量来说，它都有两个不同的开关状态与其相对成。有一种开关状态 楚不含一l 的，称戈正矢爨；有一秘不含+ l ，黎梵受矢量，这蹲争争矢量对会成参考 电压矢量的赏献是相同，它们互为冗余矢量。对三电平逆变器来说，由予冗余矢 量的存在，落实际上有1 9 个有效的镦问电压矢爨。当然，这不是说有些矢量是没 有用的，虽然在坐标系上不同的开关状态所构成的空间电压矢量可能是一样的， 健不同戆开关获态对系统冀它莪运弦参数，蘩中点电位鹣镶移，是不一稀敬。这 将在后文中予以讨论。 3 。2 2 空间电压矢量对定子磁链翻转矩的影响 由毫视学原瑾可知，在潋正弦奄疆给异步毫褫供电时，辩步电辊所产生翡气 隙磁场将悬一个圆形的旋转磁场，即磁链矢量轨谶是在一个以一定速度均匀旋转 的圆上，并幽此产生了恒定的电磁转矩。如果把邀变器和异步电机看作怒一个整 侮，奁p w m 控裁露速变频器产生懿磁链在透议为瑟周上均匀谚囊，藏霹浚猿少 转矩脉动，控制电机的转速。磁链的轨迹是通过空间电压矢量的迭加得到的。 s v p w m 控制的基本思想就是使逆褒器瞬时输出的三相脉冲电压所合成的空间电 匿矢量与麓凝输出豹三糕正弦波电蕊掰合成的空鞠电压矢量稳等，也裁怒邋过逆 变器的不同搿关模式所形成酶实际磁链矢量来鼹黥基准磁链瓣，在跟踪的过程中， 逆变器开关模式的切换所得到的波形就是所需的p w m 波。 颡：掌拯论文 3 。2 3 三爨平s v p w m 合成方程麓建立翻求蘩 三电乎空润矢量方法帮耀毫乎察海必基方法一释，都鼹一季孛建立在黧超燕量 合成概念上的p w m 方法。为了减少输溅电压的谐波，柱繇个p w m 控制周期f 内将绘定电压用该矢爨所处的小三角形对应的三个空间哭懿来合成。下霹分搬第 一臻蘧 鸯空囊矢爨珞、致黎班7 鞠躐) 肉靛繁溅，纂一藏蘧靛空阉矢鬟褥臻3 ，毒 所拳。 豳3 4 第一扁落内的空闯矢量苍 假定鲶定参考空阆矢量f 落在小三角形b 区域内时，用空间矢量合成的知 谈w 璐褥方疆； 玛氏甄8 穗+ 酸琵= 致。歹3 ，1 ) t a + t n + t c = t( 3 2 ) 式中：“。= 拈e a e j “6 2 ：蜘= 锄；v l = 剐2 ；f ”，毁为大矢避的模，v 为参考空 闻必爨k 娃馥模。交姥可褥： 勤赣盼巫隘蠲6)1j0 2 s i n ( u + 三2 礅爵0 灌p l s i n o | |卜| l j 勰方纛( 3 。2 ) 秘方麓 3 。3 ) 褥到各矢爨豹作委辩溯： 铲z r 一琶( 卜击 = 鼍串瓦2 t 瓯去 铲瓦7 ， 式孛：v 。= v c o s8 ，= 滩i ng 。 淹理霹潋对落霞a 、e 蠢d 区内麴空惩矢量囊方程，求感磐耱应矢量懿谗鼷辩 阑。箕袍扇嚣肉各小送酶矢量作丽时间翔褒3 3 表3 。6 衡帮，其中t a 与t 罄分潮 受第二个葶曩第三个受爨瓣作薅露闻，t c 霹由t 诗嚣褥塞，程液串来绘爨。 麓予d s p 静多毫早递交器异步电辘控翻系统醑究 表3 3a 小区作用时间表 l a毡 v i旦p r 一吾( _ + 击矗e d j 6 v 暑。备r ， f 一4 t 4 3 e d y 女 i v 一( 面2 t 吃+ 面2 t )丁+ 面2 t ( 圪一万1 ) i i i 一尉2 tv 。+ 西2 t 西r ， r + 吾( 吃+ 万1 啊 i i 吾比一面2 t _r + 1 赢4 t i 一也e d jor 一鲁( _ 击 表3 4b 小区作用时间表 t at b v i 吾。盖r ，一r + ：面4 t f ， v t - 吾( 吃一去) ( 西2 t 匕+ 丽2 t ) i v毒o v 。 一r 一竺e d ( 3 ”3 昱d ” i i i， _ 4 t 4 3 e d 吃罟啬r ， i i 一面2 t 吃一面2 t 一r 十兰d a ( v o 一击) i r+3”e d + 去) 一r 4 t 4 3 e d 一 - 1 4 - 表3 5c 小区作用时间表 l a t b v i r 一鲁( - 去“r + 3 r 。1ed 矿p ) vn 2 巳r v 。一焉2 t 聂v s， 4 t x 3 e d i v ，一西4 万1 矿，一r 一百2 t ( r 。一万1 r ，) i i i f + 焉4 t 万r 一吾。等r ， i i r + 吾( 攻+ 虿1 一，一诱4 i t l r 一百2 tr 。一万2 万t y ， 一r + 吾。面2 t 表3 6d 小区作用时阀表 “ t b 兰乙y 。 v l r+、|3”西1 e d 扩# ) 3 e d v 一罟缶r 一一，+ 鲁( 击 i v一p + 4 t 4 3 e d 一尉8 3 一”2 t e d i i i 一4 t 3 e d 一r 一百2 t ( 圪一去) i i r 一吾( 击鲁”等r ， l ( 面2 t 匕+ 。3 2 t 掰v ，)f 一4 t 4 3 e d 3 2 4 空间电压矢量的作用顺序 是了键能野关撅攀，牙关矢量艘该选择每次牙关矢量交纯辩，只鸯一个开关 函数变动，郎只有一褶输出发生交化。结合平衡中点电位的需要，可以考虑在一 个载波控制周期内对称发排空问电聪矢量，负开关矢量居于边上，正开荧矢量位 于中心。以第一扇区为例，一个p w m 周期内作用的脉冲序列： a 黩漪为： 【0 1 一l 】【o0 一l 】0 羽【l00 】 【00o 】【o0 一l 】f o - 1 - 1 】 b 区时为： e 酝辩免： d 区时为： 其示意图如图3 5 所示。 0 - 1 1 1 1 1 1 】【10 - 1 1 100 】 f 10 - 1 1 t l 一1 】【o 1 1 】 【0 - 1 - l 】【00 一l 】【l0 - l 】【l00 】 【10 - 1 】【00 1 】【0 1 1 】 【00 * 1 儿l0 1 】【l1 - 1 1 1 1 10 】 【l1 一l 】【10 - 1 】【o0 - 1 】 诀盯热 幻a 嚣 “ r f y w b b 医 c ) c 区d ) d 区 蚕3 5 翡送l 孛各三螽澎肉麓空阚邀蘧矢量静佟_ 拜l 藏痒 依此类推，可得出蕊他扇区各小区内的电压矢量作用顺序，如表3 7 栽3 1 0 所示，其中左侧a ，b ，c 括弧里的数字表示矢爨的作用顺序。 表3 7a 小区闻的垒闻电压矢豢律蔫顺序 a 小区 ii ii i i i vvv i e ( 1 ，8 ) o n n n o n n o n n n 0 n n oo n n a ( 2 ，7 ) o o no o nn o o n o o o n oo n o b ( 3 ，6 ) o o oo o oo o o 0 0 0o o oo o o c ( 4 ，5 ) p 0 0 0 p o 0 p 0 0 0 p o o pp 0 0 袋3 , 8b 小区搁静堂嗣邀压袈鬟终用预痒 b ，l 、区 ii i i i i vv v l c o ，8 ) o n n o o n n o nn o on n oo n o a ( 2 ，7 ) p n n o p n n p n n o p n n p p n o b ( 3 ，6 ) p o k nn p 0箨擎爹o k pp k p c ( 4 ，5 ) p 0 0p p o0 p o0 p p0 0 pp 0 p 畿3 9c 垂嚣溺瓣空瓣毫压凝慧作霸颓臻 c 枣嚣 王l li i ii vvv l e ( 1 ，8 ) o n n n o n n o n n n o n n o o n n a ( 2 ，7 ) o o no o nn o on o oo n 0o n o b ( 3 ，6 ) p o no p n n p o n o po n pp n o c ( 4 ，5 ) p | 。oo p o0 擎oo o p o o p p o o 袭3 1 0d 小氍问的空间电臌矢量作用j 喷序 d 小隧 ll ii i ii vvv i c o ，8 ) o o n n o nn o on n o 0 n o o n n a ( 2 ，7 ) p o nn p nn p 0n n po n pp n n b ( 3 ，6 ) p p n0 p nn p p辩o pp n pp n 0 c ( 4 ，5 ) p p oo p o0 p p0 0 pp o pp o o 、 3 。2 5 工作模式浆巅分 为了编程方便，按参考电压矢魁模的大小，将p w m 分成4 种工作模式，即 a 摸蕊、a c 模式、b c d 模式_ 秘b d 模式毒移。 1 ) 当f 静横矿再e 。4 露，合成。戆诗箨公式冀建a 中戆公式，懿矗模 式。 2 ) 当再e 。4 致2 ，弱瘟 增大正开关矢量的作用时间，相应减少负开关矢量作用时间，使得攻l 减小，k ： 增大。例如，在小三角形b 中，r l 。+ 乃。- t 。，引入一个控制因子f ( 一l f 1 ) ， 殁。= t c ( 1 + f ) 2 ，霸产岛l 一0 2 ，教交f 豹馥，可班调第中点电位毅乎衡。坎| * y & 薅取 f - o ；耽1 2 时f o 。通过这种实时控制方法，w 保证中患电位稳定 在一定范围内，且不会对预期的输出产生影响。 3 直流侧电容电压缎测和赢渡侧中点电流方向捡测进彳亍孙偿的方式 3 6 1 。可以 考虑通过梭溺壹滚铡魄餐电压释誊漉铡中点电滚方淹，著骧藏为载据寒念毽安簧 正负开关矢量的作用时间，从而对中点电位进行补偿。这种方法由于增加了中点 电流方向检测，因此可实现能量双向流动的中点电位调整，而且不受功率因数影 臻。 例如，在小三角形b 中，孔。+ 孔。= 屯，g l 入一个控制因子f ( 1 f 1 ) ， t t 。= f 。( 1 + 0 2 ，n 。= ，。( 1 0 2 ，改变f 的德，可以调节中点电位的平衡。亦即在k l k 2 ， i o 0 或圪l 0 藏k l 以2 ，i o o ，就时增朝了受开关 矢量的作用时间，减少了正开关矢凝的作用时间。通过这种实时控制方法，可保 证中点电位稳定在一定范围内。 4 童浚铡电容毫压大枣翡硷溺謦拜三穗交滚餮趣电流捡溺缝合进行蛰绥懿方法 3 5 1 。理论上这种方法更好，因为它计算出了具体的补偿时间。由于这种方法采样 的数据比较多，计算量比较大，对系统软硬件的要求比较商。 3 4 本耄小结 本章首先对三电平逆变器的运行机理进行了分析，接下来对三电平邀变器的 s v p w m 算法避彳亍了详尽纳研究著讨论了小脉冲朝廷区的处理。在详尽媳分析了三 宅乎遂交器中点电位不平衡原匿懿蘩襁上，提滋了平衡孛赢电位耱薪方法。 蕊予d s p 的多巷串递变嚣异步奄税麓铜系统醑究 第4 章感应电机变频调速理论 4 1 感应电机变频调速系统的发展和现状 感应电机调速系统从古典控制发展到现代控制是在电力电子学科进步的基础 上开拓兹镁域，在藏之兹戆吉典控裁孛，主要考纛毫动援穗杰耱洼，甏纛麓、诿 速、制动的控制，是一种力学系统的控制。例如，调速是一个状态到另一个状态 的速度变化状况，对电磁变化的过穰考虑甚少，凰着重于动力学的过渡过程。由 予力学时闻零数丈于电磁时闯常数，从嚣掩盖了墩磁过渡过糕瑟起豹捧爝。随羞 电力电子器佟的发展，s c r 、g t o 、g t r 、i g b t 等新器释的不断闻世，使褥电动 机的电源控制非常容易，相应地也 鼹进电机控制技术得到飞跃发展【3 7 。 因为交流电源的变频非常困难，敏长期以来，所谓电动枫调速实际上是指直 流褥速。放1 9 藿缝9 年代裙蘩一条三穗赣毫线鼹建成鹫2 e 教纪豹年健宋，毫 力工业的发展大体形成濑样的格局，即9 9 的电能由同步电机发出，6 0 7 0 的电能通过备种电机加以利用。在电机用电中，交流电机占8 0 左右，其中大部 分为异步毫梗直接拖动。在其余2 0 筹霎变速逡纾戆毫性憝锭动系统中，壹流电 视由于控制简单、调逮平滑，性能良好，一直占籀主导地位。同时，在魄力电子 技术发展以前，由于交流变频困难，价格高，且同步电动机调速几乎完全依赖于 变频，故传统交流调速只限于感应媳动枫的变极、变压、转予回路串电阻等有级 谲速方式，确实无法与蠢滚诱速竞争。毽是壹滚魄掇结构上存在静租藏换游器裒 电刷具有一魑无法克服