（电力电子与电力传动专业论文）三电平逆变器异步电机矢量控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a tf i r s t ，t h i st h e s i sc o m p r e l l s i v c l yd c s 酮b e st h ed e v e l o p m e n tf u n l r eo fp o w e r e l 蜘n i 嚣t e c l l n i q u e s 趵dt b ep r c s 髓td e v e l 叩m e n t 咖d i t i o no fm u l t i l e v e li 1 1 v e n e r na l s os i m p l yc o m p a r e st h i e e i l “e li n v e i t c rw i t h 铆o - l “e li n v e n e rt oe m b o d y 也e i m p o n 粕ts i g n j f i 锄c co ft h i st h e s i s s e c o n d l y ，t h i s 恤e s i ss y s t e m e t i c l ya n a l y s c st h ci n h e r e tp r o p c t t y0 f l l l r e e 一1 胛e l i n n e rv e t o 巧，e x p l a j l l st h ew h o l ep m c c 龉o fp h 粘ce x c h a n g e 姐dp r e s e n t st h eb a s i c m e t l l o dt or c s o l v em en 叫心“p o 吐b a l a n c cp m b l e m ；j tp r e s e n t st 、oh n d so fc o n t m l a l g o d l l 功s t of u l f i ut h i s s y s t c m ，d e t a i l e d l yi n 仃0 d u c c st h cc 嘶c r e t ef m i l l m e t 眦c s so fe a c hl 【i i i do fa l g o 蒯恤锄dd c m 吼s 仃a t t l l e 缸i s i b i l i 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r ；t h r e e l c v e li n v e n e r ；n e u t r a l - p o i n t - b 强l 趾c c ；s m a l l v c c t o r s ：d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力电子技术发展前景的展望 进入二十一世纪，随着科技进步与发展，电力电子也展现出前所未有的广 阔前景，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 数字化 在传统电力电子技术中，控制部分多是以模拟方式工作的。在二十世纪六、 七十年代，电力电子技术完全建立在模拟电路基础上，但是现在数字电路显得 越来越重要，数字信号处理技术( d s p ) 逐渐成熟完善，显示出越来越多的优点： 便于计算机处理和控制，避免模拟信号的传递畸变失真，减少杂散信号的干扰， 提高抗干扰能力，便于软件包调试，便于遥感、遥测、遥调，也便于自诊断、 容错等技术的植入，电力电子界以前难以解决的很多难题将会迎刃而解。 ( 2 ) 模块化 常见的模块中主要包括开关器件和与之反并联的续流二极管，称这种模块 为标准功率模块( s p m 。近年，有些公司把有关器件的驱动保护电路也装到功率 模块中去，构成智能化功率模块( i p m 。这样缩小了整机的体积，方便了整机设 计和制造。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了用户专用功率模块 ( a s p m ) ，它将一台整机的几乎所有硬件均以芯片的形式封装到一个模块中，使 元器件间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格合理的热学、电学、机 械等方面的设计，达到优化完善的境地。类似于微处理器芯片，再把整个模块 固定在相应型材的散热器上，就构成仪态新型的电源装置。由此可见，模块化 的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的在于取消传统连线，减少 寄生参数，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 高频化 理论分析和实践经验表明，电气产品的体积重量与其供电频率的平方根成 反比，所以当我们把频率从工频5 0 h z 提高到2 0 0 k h z ，用电设备的体积重量大体 下降至工频设计的1 5 一3 ，这正是电力电子新技术得以实现功率变频而带来明 显效益的根本原因。逆变或整流焊机也好，通讯电源用的开关式整流器也好， 都是基于这一原理。由于开关器件工作频率的逐步提高，促使许多传统的中、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 高频设备小型化，带来显著节能、节材的经济效益，充分体现了此项技术的价 值。 ( 4 ) 绿色化 电器绿色化有两层含义：首先是节电，这意味着发电容量的节约，而发电是 造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次，应尽量 减少对电网的污染，电工委员会( i e c ) 对此制定了一系列标准，如i e c 5 5 5 ， i e c 9 1 7 ，i e c l o o o 等。事实上，许多电器设备往往是电网的污染源，向电网注入 严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚 至出现缺角和畸变，因此必须对此加以治理。二十世纪以来，各种有源滤波器 和有源补偿器的方案不断诞生，有了多种校正功率因数的方法，这些为本世纪 批量生产各种绿色电力电子新产品奠定了基础。 总而言之，电力电子设备数字化、模块化、高频化、绿色化的实现，将标 志着这项技术更加成熟，二十一世纪将是电力电子技术发展的新世纪。 1 2 多电平逆变器发展概况简介 近年来，多电平逆变器在高压大功率场合的应用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究。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 ) ，其每相桥臂上有4 个或更多的电力半导体器件，通过 对直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波电压的输出，从而 使波形更加正弦化。其拓扑结构种类较多，大致可以分为：二极管钳位型、飞跃 电容型和独立直流电源级联型三种拓扑结构，其中二极管钳位型多电平拓扑结 构应用最为广泛。它能够有效地提高换流系统的耐压、降低输出电压谐波和开 关损耗，在电力系统的大功率应用中受到普遍的关注。 中点钳位p w m 逆变器( n e u t r a l 一p o i n t c 1 a m p e dp w mi n v e r t e r ) 由n a b a e 等 人在1 9 8 1 年提出，而多电平逆变器便是在这一基础之上发展起来的，其后在高 压大功率变频调速器方面得到了广泛的应用。尽管n a b a e 未明确提出多电平逆 变器的概念，但该逆变器本身就是二极管钳位型三电平逆变器的雏形。 多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，其产生的背景是为了克服传统 逆变器较高的咖d f 、硪出所引起的开关应力等缺点，出发点是通过对主电路 拓扑结构的改进，使所有功率器件工作在基频以下，达到减小开关应力，改善 输出波形的目的，但因多电平电路所需的功率器件较多，所以从提高性能比角 度来讲，它更适合于大功率场合。尤其是八十年代以来，以g t o 、i g b t 为代表 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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 新型多电平变换器的研究和实际应用提供了必要的物质基础。 。 一争n nc 1 = = -。们舟r 舟3 舟 一 ”硌。1 确。 c 2 ： 图卜1 旧c _ p 髓逆变器 基于电压型的多电平逆变电路，特别是三电平逆变电路已进入实用化阶段， 对其进行研究和分析很有实际意义。一般认为多电平逆变器是建立在三电平逆 变器的基础上，按照类似的拓扑结构拓展而成的。电平数越多，所得到的电平 台阶越多，从而越接近正弦波，谐波成分越少，但这种理论上可实现n 电平的 多电平逆变器，在实际应用中由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在 追求性能指标的前提下，并不追求过多的电平数，而以三电平最为实际。国外 也有对七电平及更高电平的研究，但都还不成熟，仍处于理论研究阶段。 目前三电平逆变器的主要控制方法有消谐波p 删法“”、开关频率最优p 1 】m 法“”和空间矢量p w m 法“7 “。在这些方法中，空间电压矢量法是应用较为广 泛的一种，其优越性表现在：在大范围的调制比内有很好的性能，无需其它控制 方法所需的大量角度数据，母线电压利用率高等。控制方法的研究是三电平逆 变器研究的一个热点问题，此研究的侧重点是在实现高的控制性能的同时，如 何简化控制的复杂性及克服中点电压不平衡问题。中点电压平衡问题是多电平 逆变器中需要重视的问题，这个问题是由于电路结构的原因引起的，中点电压 不平衡会导致输出电压的畸变，必须加以抑制。 三电平逆变技术在国外已逐步进入实用阶段，但国内还处于萌芽状态，有 大量的工作需国内研究者去做，且市场需求旺盛。随着新型电力电子器件及d s p 智能控制芯片的迅速普及，这一技术必将在大功率应用场合大显身手。i g c t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 和高压i g b t 等新型器件近来的发展使p w m 逆交器在工业及牵引应用中成本降 低的同时性能也得到改善。传统直流电流源供电及直流电压源供电g t o 逆变器 正逐渐被使用i g c t s 和i g b t 的两电平或三电平p w m 逆变器所取代m ，随着减少 电磁和噪声等环境标准的提高嘲，三电平逆变器方案必将得到广泛的应用。 1 3 空间电压矢量控制方法简介 空间电压矢量( s p a c ev e t o rp 删) 法和载波调制等方法不同，它是从电动 机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它 以三相对称正弦电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆交器不同的 开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆形磁通，由它们比较的结果决定逆变 器的开关，形成p 州波形。由于它把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得 的模型简单，便于微机实时控制，并且具有转矩脉动小，噪声低，电压利用率 高的优点，因此目前无论在开环控制系统还是闭环控制系统均得到广泛应用。 空间电压矢量p 删控制技术最初应用于直接转矩控制系统，现代的矢量控 制系统也多采用这种控制方式。矢量控制技术的发展对电力电子和交流调速都 带来巨大的冲击，自1 9 5 7 年美国通用电气( g e ) 公司始创s c r 以来，以s c r 整流 器为电源的直流传动方式非常普及，可是直流调速存在电机容量、最高转速受 限、换相器、电刷维护不便等缺点，人们期望着一种能够弥补上述缺点的新型 交流调速方案。1 9 7 0 年前后，变频调速发展很快，并进入实用化阶段。最初的 变频调速是用开环u f 恒定控制，后来增加了电流环，称它为转差频率控制， 改善了性能并已实用化，但系统只能根据从稳态公式推导出的平均值进行控制， 完全不考虑过渡过程。在此背景下人们一直在努力探索更新的交流调速控制方 案。 矢量控制就是在这样的背景下产生的，它通过坐标变换，把交流电机的定 子电流分解成励磁分量和转矩分量，分别用来控制磁通和转矩，将交流电机等 效为直流电机进行控制。空间电压矢量控制技术随着矢量控制的发展逐步得到 了完善。矢量控制在大中容量交流传动中初次实际应用始于1 9 7 9 年，但只在系 统的一部分采用微机控制，产品化过程中最大的难题还是控制电路的研制。由 于控制理论的发展及d s p 的应用，经过多年的努力，矢量控制装置的实用性和 可靠性都达到了满意的效果。 三电平逆变器控制系统的交流量测量及坐标变换与常规两电平逆变器是一 样的，区别主要在于空间电压矢量调制( s v p w m ) 算法上。该算法首先需要判断期 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 望输出的电压矢量所在区域，然后选中相应的基本矢量进行合成，最后完成具 体脉冲的分配工作。三电平逆变器的s v p 删算法是本课题设计的核心，也是采 用矢量调制解决中点电压平衡问题的基础。 异步电机输入三相正弦电压的最终目的是在空间产生圆形的旋转磁场，从 而产生恒定的电磁转矩。三电平逆变器中采用空间电压矢量调制的任务就是按 照跟踪圆形磁场来控制p w m 电压，其效果一定比s p w m 方法及电流跟踪控制更好。 1 4 本文研究的目的和主要内容 本文以二极管箝位型三电平逆变器作为研究对象，主要内容如下： 1 对电力电子技术的发展前景和多电平逆变器的发展状况进行了综合论 述，将三电平逆变器和两电平逆变器做了简单的比较，突显了本课题的重要意 义。 2 简单介绍了两电平空间电压矢量的基本原理，并在此基础之上，对三电 平逆变系统进行了细致而深入的分析。 系统的分析了三电平内部各种矢量的固有属性，并对矢量系统进行分 类； 介绍了各相桥臂器件工作时的开关状态，并以详实的图表解释了整个 电路的换相过程； 详细的分析了中点电位的漂移对系统矢量的影响，论证了中点电压与 中点电流的关系以及不同负载状况下各种矢量对中点电位的影响。 3 采用两种控制算法来实现本系统：基于d _ q 坐标系算法和基于小六边形 算法。详细的介绍了每种算法的具体操作过程，并以详实的数据和图表论证了 该算法的正确性和可行性：针对两种不同算法均提出了相应的中点平衡控制策 略，并给出其具体实现过程。 4 通过m a t l a b 仿真软件对本文提出的两种算法和相应的中点平衡策略进 行仿真验证，并对结果进行详细的分析。 5 完成系统硬件路的设计与实现，采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 数字信号 处理器作为主控制器，完成软件编写，最后在系统开环状态下进行实验验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章三电平逆变器系统分析 本章通过介绍两电平空间电压矢量的基本原理，进而引出三电平s v p w m 调 制策略，并提出了三电平逆变器中点电压平衡的方法。 2 1 参考电压矢量与相电压的关系 参考电压矢量与相电压的关系如图2 1 所示。设与参考电压相对应的三相 图2 1电压矢量与相电压关系 刚w 莩 o 拈，2 一历2 电出为仉，矾，u c ，田p a r k 哭重正义： 矿一委( 仉+ 。m 7 3 仉+ e 脚7 3 阢 ( 2 1 ) ) 2 矾阢、 k 。雪衄一詈一等) 虚部椭碥专粤一孚) ( 2 _ 2 ) 憎k 慝：；封 憎吒巨：2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 5 ) 2 2 “u 一 一 jfi-j_ | i l、_lll， 玑u 玑 ，。， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 将( 2 5 ) 代入( 2 4 ) 可得： 彤。竺 ( 2 - 。) l - 圪s i n p ” 式( 2 6 ) 表明参考电压矢量的幅值即为各相电压的幅值。 2 2 两电平空间电压矢量基本原理 2 c 1 丝 2 c 2 e l o l l 】 k doo 】 图 2两电平三相逆变器图2 3两电平三相逆变器空间电压矢量 s v p 删源于交流电机变频传动控制的电压空间矢量p w m 控制技术，现在己被 应用于电压型三相逆变器的控制当中。下面先简单介绍一下两电平s v p 删调制 原理。 图2 2 是两电平三相桥式逆变器的主电路拓扑图。图2 3 是两电平三相逆 变器的空间电压矢量图。设参考电压矢量为矿，则三相电压为： f 玑- c o s ( 口) u 口- l ，_ c o s ( p 一1 2 0 4 ) ( 2 7 ) 【u c - c 。s p + 1 2 0 。) 其中碥为参考电压矢量的幅值。 三相桥式逆变器由a 、b 、c 三相桥臂组成，图中定义p 点电位为玑，q 点 电位为0 ，每相桥臂的上下两个开关器件的驱动信号都是互补的。当t 1 导通、 t 4 截止时，阮口= 玑；当t 4 导通、t l 截止时，矾口= o 。如果引入a 、b 、c 三相 桥臂的开关变量、并做如下定义： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 其中& ，风s 。= o ，1 由p a r k 矢量的定义可知： 一；m 驯脚7 嘲 扣州一圭+ ，铷讣扣铷侧 ；【( 2 s ：一一& ) + ，5 ( 岛一) 】 j 当= 1 ，= = 0 时， 当= = 1 ，= o 时， 代入公式( 2 9 ) 得到：瑶- 吾以0 0 。 代入公式( 2 9 ) 得到：巧一；以6 0 。 同理，其他矢量的大小和方向均可以由式( 2 9 ) 推出。 2 3 三电平逆变器空间电压矢量分析 w o i 旮。n m n c 1 ： 叫弼0 2 舟。雨一 _ = 呲盱：跨讶 c 2 ： ”硌。筠。筠 ( 2 8 ) 图2 4三电平逆变器主电路 三电平逆变器的主电路见图2 4 。图中三电平逆变器每相桥臂由4 个开关 器件五，、i ：、王| 、互。( f = 1 ，2 ，3 ) 串联而成，1 2 、z 3 与两个箝位二极管q 。、皿：一 起将输出端电位钳到中点电位。直流侧有两个完全相同的电容串联，若直流电 们玑巩 置 = 霉 o i 口 口 阮砺班 ，i，_j_i_l 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 压为。，则每个电容上电压应为。2 。据三电平逆变器主电路结构可得出一 相桥臂上输出的三种状态：p 状态，输出电压= + 圪。2 ( z l ，1 2 导通) ；o 状 态，7 0 = 0 ( 五，巳导通) ；n 状态，【，0 = + 。2 ( z 3 ，t i 4 导通) 如表2 1 所示。 表2 一l三电平逆变器开关状态与终端电压 开关状态 开关 终端电压 标识 t 1 xt t 3 x t 4 x p0 no no f f0 f f v d c 2 o 0 f f0 料o no f fo no f fo f fo no n v d c 2 各相桥臂上开关器件的驱动原则如下：对应于u 、y 、各相的三种状态， 为了保证各相每次输出状态变化过程中动作的开关器件最少，应保证该相电位 不能在+ 2 和一k 。2 两种电平之间直接变化，而是通过中性点电位进行过 渡，其通态特点为：每一相总是相邻的两个开关器件导通，其它两个器件关断， 从而得到不同开关状态组合及相应的输出电压；z 】与z 3 不能同时导通，它们是 逻辑非的关系，同理五：与死也是逻辑非的关系。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 ，其硬 件及软件设计应遵循表2 2 规律。 表2 2 三电平逆变器u 相开关状态 u 相状态 变换前功率器件状态变换后功率器件状态 变化 o p 0 f f0 n0 no f f0 no no f fo f f p _ o o n0 no f fo f fo f fo no n o f f 0 _ o f fo no no f fo f fo f f o no n _ 00 f f o f f0 no no f fo no no f f 三电平逆变器与两电平逆变器在s v p 踟调制的本质上是一致的。三相三电 平逆变电路的每一相可输出p 、o 、n 三种状态。引入开关变量品、品、品将 各相电压表示为： 一品。2 一品2 一昂。2 儿第x 相输出电平p 其中s ，- j o ，第x 相输出电平o ( 2 一l o ) l 一1 ，第x 相输出电平n 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 则空间电压矢量的表达式变为： 矿一吾刎州3 ) 一等驯3 品州3 品) ( 2 - 1 1 ) - 等 ( 2 品一品一品) + ，以一岛) 】 根据2 一1 1 式可以获得所有空间电压矢量的表达式，以翌 对其进行归一化处 理后并在d 一口静止坐标系上做投影，所得各个分量如表2 3 至2 6 所示。 表2 3 零矢量在d 一窖坐标系下的分量 零矢量 s us vs 嵋屹 lll00 k oo0 00 1一l一1o0 袭2 4 小矢量在d 一日坐标系下的分量 小矢量 s us ps wk l00 k 1 20 011 l10 k一1 4压4 00一l o1o k 1 43 4 一1o一1 o1l 圪 一1 20 loo 001 k一1 4一3 4 11o lo1 k1 | 4一心3 1 4 01o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表2 5 中矢量在d q 坐标系下的分量 中矢量 s u s ys w 圪 k k 10一l 3 | 4矗i 4 k o1一l o压2 k 一11o 一3 | 40 3 4 一101 3 4 一3 4 o一11o 一3 ，2 k ： 11o 3 | 4一、j 3 f 4 表2 6 大矢量在d 一目坐标系下的分量 大矢量 s us ps wkk 11一l1o 匕 111 1 2压2 k 5 一l11 1 2 以2 k 。 一ll11o k ， 一111 1 2一3 2 k b 1一l1 1 2一3 2 由以上各表可以看到，三电 平逆变器共有2 7 种空间电压矢 量，为叙述方便，依据矢量模的 不同将整个矢量系统分为零矢 量、小矢量、中矢量和大矢量四 种。在d 一口平面上所有空间电压 。矢量如图2 5 所示。 2 4 三电平逆变器换相过 程分析 为了能够保障器件安全可靠工作 图2 - 5 三电平逆变器电压矢量图并对整个系统进行良好的控制，必须清 楚的了解三电平逆变器的内部物理运行过程。下面定性的分析当空间电压矢量 位于第1 扇区的最内侧小三角形即此时使用k 、k 、k 三个矢量来进行合成时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 整个电路的换相过程，系统的s v p 州波形如图2 7 所示。 图2 6 为逆变器主回路原理图。图中d d ( f - 1 ，2 ，3 j = 1 ，2 3 ，4 ) 为快速续流二极 管岛( f 一1 ，2 ，j 2 1 ，2 ，3 ) 为箝位二极管，、d s - 、c s l 及r s z 、d s 2 、c s 2 分别组成 缓冲电路( 也可看成u 、v 、w 三相缓冲电路的综合等效电路) ，l d 为直流侧的布 线电感，r d l 、r d 2 是检测直流侧电流的采样电阻，逆变器的输出端u 、v 、w 与电 机( 图中用三个电感l u 、l v 、h 表示) 相连。 ll1 产 ，一 皿h 生 、硝 、刁 lj 图2 6 三电平逆变器主电路图2 7 三电平s v p 喇工作模式与波形 设逆变器直流侧电压为u d ，则电容c l 、c 2 上的电压都为u d 2 ，且在假定 t 1 一t 6 这段时间内，电机的三相电流为0 o ，0 o ，拓 o 、t o ，虽然t t z 、t - 。被触发，但岛、0 并不沿着t 1 2 、t ，a 形成回 路，而是分别沿着d n 、t - z 和d 2 t 、t 2 2 流通。又由于拓 0 或y 0 ，f n o ，乇 o 或矿