（控制理论与控制工程专业论文）基于三电平逆变器的异步电机控制系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 三电平逆变器的输出电压谐波含量少，有利于实现输出电压逼近正弦波， 且单个开关管承受的最大电压相对较小，适合向高压大容量方向发展：异步电 机结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低、环境适应性强，容易向高压高 速和大容量方向发展，获得了广泛的应用，在众多控制方法中矢量控制为其 理想的调速方法。因此本文在综合三电平逆变器技术的基础上，研究了基于 三电平逆变器的异步电机变频控制系统，重点对以下几个方面进行了深入的 研究。 本文首先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；系统的分析了三电平逆变器内部各种矢量的固有属性，详细的分 析了s v p w i 算法的具体操作过程，为仿真编程和软件设计打下基础；深入研 究了异步电机的数学模型，分析了基于转子磁场定向矢量控制系统的数学模 型。以实现交流电机电流量的有效解耦，得到定子电流的转矩分量和励磁分 量。仿照直流电机的控制方法，设计了矢量控制算法的电流与速度双闭环控 制系统；在此基础上，在m a t l a b s i m u l i n k 环境中，使用模块工具，搭建了 整个双闭环控制系统，对设计的系统进行仿真，得出结果并进行分析，为下 一步的硬件实现提供理论指导；使用a r m 7 系列芯片l p c 2 2 1 0 和f p g a 芯片 e p f i o k i o 搭建了硬件控制平台，设计相关的外围电路以及电源电路，使用 h c p l 3 1 6 j 光耦驱动芯片设计功率器件i g b t 的驱动电路。在硬件电路搭建后， 分成模块进行调试，并设计了系统的软件，通过a d s l 2 软件和q u a r t u s i i6 0 软件，设计三电平逆变器的s v p i 删i 算法程序、异步电机的调速程序以及系统 保护程序，分成模块形式进行调试，发现问题，一一解决，最后软硬件结合 起来，进行系统调试，使系统具有较完善的保护和控制性能。 最后，通过一系列实验，对逆变器硬件电路、控制策略等进行了验证， 并使用数字示波器进行测量，给出了实验波形。并用数字示波器对实际系统 的运行参数进行了观测，进行了相应的分析得出了相应的结论，同时也证明 了系统的可行性。 关键词：三电平逆变器：异步电机；s v p 砌i ；h r m ；f p g a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh a r m o n i c so ft h r e e l e v e li n v e r t e ra r el e s st h a nt h et r a d i t i o n a lt w o - l e v e l i n v e r t e r s ，a n d i ti sc o n v e n i e n tt or e a l i z eh i 幽s i n u s o i d a lv o l t a g eo u t p m t h e m a x i m u mv o l t a g es t r e n g t hw h i c he a c he l e c t r i cc o m p o n e n tb e a r si ss m a l l ，a n di ti s e a s yf o rt h r e e l e v e li n v e r t e rt or e a l i z el a r g ec a p a c i t y t h ea s y n c h r o n o u sm o t o r i s w i d e l y u s e df o ri t s s i m p l ec o n s t r u c i o n ，r u g g e d n e s s ，h i g hw o r k i n gr e l i a b i l i t y ， r e l a t i v e l yl o wc o s t ，a n dh i 曲e n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t y i ti s s u i tf o rt h ed i r e c t i o n o fh i 曲v o l t a g e ，h i 曲s p e e da n dl a r g ec a p a c i t y v e c t o rc o n t r o li si t si d e a ls p e e d m o d u l a t i o nm e t h o d t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y ，w eg i v eas u m m a r yk n o w l e d g e o fv a r i e t yt o p o l o g i e so fm u l t i l e v e li n v e r t e r s ，a n dt h e nd os o m ed e e pr e s e a r c ho n t h r e e l e v e li n v e r t e ra n di t sa p p l i c a t i o ni n c o n t r o l l i n ga s y n c h r o n o u sm o t o ro f f r e q u e n c yc o n v e r s i o n n o w , t h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t sh a db e e nr e s e a r c h e d c a r e f u l l ya n dd e e p l y a tf i r s t ，t h i st h e s i sc o m p r e h e n s i v e l yd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n tf u t u r eo f p o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u e sa n dt h ep r e s e n td e v e l o p m e n tc o n d i t i o no fm u l t i l e v e l i n v e r t e r i ta l s os i m p l yc o m p a r e st h r e e l e v e li n v e r t e rw i t ht w o l e v e li n v e r t e rt o e m b o d yt h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo ft h i s t h e s i s i ts y s t e m e t i c l ya n a l y s e st h e i n h e r e n tp r o p e r t yo ft h r e e l e v e lv e c t o r s ，e x p l a i n st h ew h o l ep r o c e s so fp h a s e e x c h a n g e i ti n t r o d u c e st h ec o n c r e t ef u l f i l l m e n tc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h mw i t h f u l l a n da c c u r a t ed a t aa n dd i a g r a m s a n 咖d yo fc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na sw e l la s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r b a s e do nt h er o t o rf l u x o r i e n t a t i o nt h e o r ya n dt h i sm a t h e m a t i cm o d e l , t h er o t o rf l u xo b s e r v e ri sd e s i g n e d t om a k es u r et h em a g n e t i z i n ga n dt o r q u ec u r r e n tc o m p o n e n t so fa s y n c h r o n o u s m o t o ri sd e c o u p l e ds u i t a b l y a c c o r d i n gt oc o n t r o lt h e o r yd cm o t o r ，c u r r e n ta n d s p e e dd u a lc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mo ff o ci sw o r k e do u t b a s e do nt h i s ，i n m a t l a b | s i m u l i n ke n v i r o n m e n tu s e dm o d u l a rt o o l st ob u i l dad o u b l e c l o s e d l o o p c o n t r o ls y s t e m ，s i m u l a t e st h ed e s i g no ft h es y s t e m ，a n a l y z e st h eo u t c o m e ，g u i d e s t h en e x ts t e pf o rt h er e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r e t h a tb a s e do nt h eh a r d w a r eo f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l p c 2 210o fa r ma n de p fio kioo ff p g a d e s i g nt h et h ee x t e r n a lc i r c u i t i t u s e sh c p l 316 jt od r i v et h ep o w e rd e v i c eo fi g b t i na d s1 2a n dq u a r t u s l i6 0 e n v i r o n m e n t i td e s i g n ss y s t e m a t i cc o n t r o l l i n gs o f t w a r eo fa 蛐1 1 do fs v p w m t i m i n g c o n t r o l s y s t e m c o m b i n i n gw i 吐lt h es y s t e m a t i ch a r d w a r ed e s i g n ，t h e c o r r e s p o n d i n ge r r o rp r o t e c t i o ns o f t w a r em o d u l ew a sd e v e l o p e dt oe n a b l et h e s y s t e mt oh a v em o r ep e r f e c tp r o t e c t i o na n dc o n t r o lp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，h eh a r d w a r ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g ya r et e s t e db yd o i n ge x p e r i m e n t s as e r i e so fe x p e r i m e n tw a v e f o r m so ft h ew h o l es y s t e mt h a to b s e r v e db yt h e d i g i t a lo s c i l l o s c o p ea r eg i v e na n dt h e yv a l i d a t et h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l e k e yw o r d s ：t h r e e l e v e li n v e r t e r ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；s v p w m ；a r m ；f p g a 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。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结果由本人承担。 作者( 签字) ：f 钞鸣 日期： 卅年与月，p 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工 程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本 人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库 进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学 位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔 滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 圃在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：弘色导师( 签字) ：么甥 日期：勿砷年j 月，夕日三姒7 年口岁月o 日 l 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 十九世纪末期，交流三相电源和鼠笼式异步电动机相继出现。由于两者 在不调速场合的运用，直流传动才逐渐被交流传动所代替。之后，随着生产 需求的不断发展，现代工业应用的许多调速传动系统，即要有宽广的调速范 围，又要求静差小、稳定性好以及有良好的动态性能。交流电动机的不调速 方式很难满足，而直流电动机能够很好的满足这些要求，但由于直流电动机 有其缺点，主要有制造和运行维护等方面的固有缺陷，比如电机的电刷维护 频繁、高速运行不好、体积重量与交流电机相比较大等，而交流电动机具有 结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜以及惯性小等一系列优点。针对 前面的比较，长期以来，人们一直寻求用交流调速传动来代替直流调速传动。 在中大功率调速场合中，多电平逆变器的应用近年来得到越来越多的关 注，各种电路拓扑结构及控制策略被广泛的提出和研究。多电平逆变器“1 在国 内外已逐步进入实用阶段，特别是国内市场需求量大。根据调查，国内目前 使用的大约4 亿千瓦电动机中，有9 0 都是交流电动机，而其中的7 0 都应该 进行调速运行。假设对其中5 0 的进行改造，国内就将有1 2 6 亿千瓦的交流 电动机需要进行变频调速。其中有4 0 的场合是在轧钢、造纸、矿井提升和 轮船推进器等传统工业和现代交通运输工具驱动中广泛使用的中高压大容量 电动机，它们都是国民经济各行各业的主力机组。根据目前的相关报道，中 高压大功率变频器的目的，节能是其主要应用目的，主要是应用在电力、冶 金等领域的中高压大功率电机，此外还包括城市供水系统、供气系统、石化、 矿山等都具有较大的潜在市场。同时随着世界能源的紧缺，国家的重视，人 们节电意识的增强以及国家厂、网分离等改造的市场利益导向，潜在的市场 需求必定可以转化为实际的市场需求，而中高压大功率变频器产品也将随之 具有广阔的市场前景。 1 1 课题背景与意义 近年来，多电平逆变器在中高压大功率场合应用越来越广泛。所谓的多 电平逆变器，其桥臂上有四个或更多的电力半导体器件，通过对直流侧直流 电压进行分压和其开关状态的不同控制，而输出多电平阶梯波电压，这样可 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以使输出的波形更加接近正弦波，减小谐波的含量。其拓扑结构种类较多， 主要可以分为三种，有二极管钳位型、飞跃电容型和独立直流电源级联多电 平三种拓扑结构滢1 ，而其中的二极管钳位型多电平拓扑结构得到的运用最广 泛。多电平逆变器可以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，在电力传动系统的大功率应用场合中受到了广泛的重视。 在1 9 8 0 年，日本学者n a b a e 等人提出“中点钳位p w m 逆变器 ，多电平 逆变器在此基础上发展起来，其后在中高压大功率变频调速器方面得到了广 泛的应用。虽然当时没有明确提出多电平逆变器的概念，但该逆变器其实就 是二极管钳位三电平逆变器结构的雏形。 多电平逆变器的输出目的是用几个电平台阶成阶梯波来逼近正弦输出电 压”1 。在以前两电平逆变器的中高压大容量应用场合中，经常采用的是功率开 关器件的串并联方式，随之带来的缺点是要求所有串并联的开关器件必须同 时开通和关断，并且所有开关器件的开关特性需要完全一致。由于器件匹配 的困难使开关器件的利用因数降低，这种方案在实现上相当的麻烦甚至难以 实现。一般情况下采用交一直一交变频方式，在这种方式中，不是将多个低压 小容量变换器采用多重化从而获得中高压大功率，就是在交流输入侧和交流 输出侧分别采用低压变换器。以上两种方法均采用了笨重、昂贵、耗能的变 压器，对于其中的第二种方法还会出现中间环节电流过大，使系统的效率下 降，可靠性降低，在低频运行时能量传输困难等许多缺点，研究者们一直在 追求采用直接的高压变换器方式来实现，但这种方法对逆变器所用的功率器 件提出了更高的要求，尤其是需要承受很高的电压。经过长期的研究，研究 者们提出了一种通过逆变器自身拓扑结构的改进，达到既无需升降压变压器， 又无须均压电路，这就是多电平逆变器。 多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，其产生的原因是为了克服传 统逆变器较高的d 纠出、d i d t 所引起的尖峰电压等缺点，着重点是通过对主 电路拓扑结构的改进，使所有功率器件可以工作在基频以下，从而实现减小 尖峰电压，改善输出波形的目的，由于多电平电路所需的功率器件比较多， 从提高性能的角度来看，它更适合于中大功率的场合。由于多电平逆变器输 出更多的电平数，使得输出波形更好的接近正弦波，同时每个开关器件所承 受的电压相对也较小，且无需均压电路，在输出电压基频以下，开关器件开 2 哈尔滨工程大学硕士学停论文 关损耗较小，可有效避免大的d y 刃导致的各种问题。八十年代以来，以g t o 、 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 速发展，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硬件基础。 基于电压型三电平逆变电路的多电平逆变结构，特别是三电平逆变电路 己进入实用化阶段，对其进行研究和分析具有实际意义。现在普遍认为多电 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发展而成的。 电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正弦波，谐波含量 也越少。但这种理论上可达到任意n 电平的多电平逆变器h 1 ，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 追求过高的电平数，以实用为主，目前以三电平逆变器最为实际。国外也有 对七电平及更多电平的研究，受硬件条件和控制性能的限制，还不成熟，目 前基本还处于理论研究阶段”1 。 1 2 三电平逆变器的发展现状以及在高压变频调速中的应用 三电平逆变器的发展以及在高压变频调速中的应用，主要有以下几个方 面的因素。 ( 1 ) 电力电子技术的发展 功率半导体器件一直是电机控制发展中一个重要的因素，大功率半导体 器件的发展实际上也制约着电机控制水平的发展。 2 0 世纪5 0 年代末出现的晶闸管属于半控器件，其门极可以控制导通， 但不能控制关断旧1 。7 0 年代出现的全控器件如g t r ( 功率晶体管) 、g t o ( 门极 关断晶闸管) 、i g b t ( 绝缘栅双极晶闸管) 、p o w e r m o s f e t ( 功率m o s ) 、m c t ( m o g 控制晶闸管) 等属于全控器件。特别是i g b t 和p o w e r m o s f e t 控制和驱动容 易，使得逆变器结构紧凑，构成简单。8 0 年代以后大功率半导体器件又向 智能化发展。智能功率模块( i p m ) 是混合集成功率器件，它由高速、低耗的 i g b t 芯片和优化的栅极驱动及保护电路构成，可简化设计，提高系统可靠性。 此外，还发展了将半导体开关器件与其周围器件( 如续流二极管等) 构成的电 路集成于一体的逆变器模块，以及将整流电路、逆变器电路、检测电路、保 护电路等集成于一体的功率集成电路等。 ( 2 ) 微处理器和专用集成电路的发展 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 新型控制策略的实用化得益于微处理器技术的发展。电机数字控制核心 经过了8 位通用m c u ，1 6 位通用m c u 和面向电机控制的专用m c u ，并随着 微处理技术的成熟和完善，发展到目前面向电机数字化控制的高性能、高速 的数字信号处理器( d s p ) 。美国德州仪器的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列和t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 等都是这方面具代表性的产品。许多a s i c 芯片可以封装电机控制 系统中的某些特定功能，如p 1 】| m 调制器、矢量旋转器、全功能控制器以及电 机控制所需的专用保护功能等。 ( 3 ) 计算机辅助技术的发展 随着计算机和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大，速度 越来越快。同时，为系统设计和仿真提供的软件越来越多，如m a t l a b 、s a b e r 、 p s p i c e 等。m a t l a b 凭借其强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化 的仿真环境以及丰富的算法工具箱，成为广大科研工作者有力的开发工具。 控制理论方面的一些新方法、新的控制策略都可以先通过m a t l a b 进行仿真、 验证和修改。 传统的逆变器电路主要有四种结构：( 1 ) 普通的三相逆变器，也称二电平 逆变器。它的结构简单，但为了获得大功率，必须靠元器件的串联来实现， 而这带来了串联器件动态均压和静态均压的问题，系统可靠性不高。( 2 ) 降压 一普通变频一升压电路，也就是高一低一高方式。这种结构成本高，效率不 高，虽然控制简单，但性能不理想。( 3 ) 交一交变频电路。这种电路结构省去 了普通三相逆变器结构的中间直流环节，变换效率高、重量轻、体积小，但 输出频率只能比输入频率低，控制复杂，多用于低频场合。( 4 ) 变压器耦合 的多脉冲逆变器。这种结构把逆变桥串联起来，需要引入相应的变压器，占 地面积大，成本和损耗高，且由于瞬态变压器的磁饱和引起的直流磁化和浪 涌过电压问题导致控制困难。 中点钳位式( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 的逆变器是在以往两电平逆变器 的基础上，通过钳位二极管钳位到中点，从而在正、负两种电平的基础上， 加入了一个零电平，变成三电平，使得输出电压波形的正弦度提高，波形质 量有所改善，并且功率开关所承受的电压较二电平时减小了一半。这一发明， 为高压变频用逆变器的研制提供了一条新的思路。后来，又推出了飞跨电容 式以及独立电源式的多电平拓扑，丰富了多电平系列，也大大推动了高压变 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 频领域研究的发展。 与前面所述的高压变频拓扑结构相比，三电平逆变器具有它独特的优势： ( 1 ) 适合高压大容量的场合。它不需要元件串联，无需经过中间环节，输 出电压及功率都比两电平高。 ( 2 ) 谐波含量少。对于三电平的逆变器，可产生三层的阶梯性输出电压， 理论上三电平比两电平的电压波形更接近正弦波，谐波含量少。 ( 3 ) 开关频率降低。开关器件一次动作的d v d t 只有二电平的l 2 ，所以 电磁干扰( e m i ) 问题大大减少。 ( 4 ) 效率高。消除同样的谐波，二电平采用p w m 控制法，开关频率高， 损耗大，而三电平逆变器可用较低频率进行开关动作，损耗小、效率高。 ( 5 ) 能减小共模电压，降低电机绕组的电压。 所以，三电平逆变器以及多电平逆变器引起了各国学者的兴趣，并展开 了深入地研究，研制出了很多系列的变频器。在当前地球能源的日益紧张的 大环境下，变频技术起到了很好的节约能源的作用。目前我国正在大力提倡 建设节约型的社会，所以变频技术将会做出巨大的贡献。 1 3 变频调速技术的发展和现状 现代交流电机调速技术的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、降低 成本，另一方面又不断地要求技术指标的提高。随着微电子技术和计算机技 术的飞速发展，以及控制理论的完善、各种工具的日渐成熟，尤其是专用集 成电路、微处理器和f p g a 近年来令人瞩目的发展，给交流电机控制系统带 来了很多新的发展契机。目前交流电机控制己经成为一门集电机、电力电子、 自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。 和其它领域的情况相类似，交流调速系统也经历了一个漫长的发展过程， 从最初的开环恒压频比( v f ) 控制到后来的闭环转差频率控制、矢量控制和 直接转矩控制，可控变量越来越多，控制性能也越来越高哺1 。 v f 控制是在改变定子电压幅值的同时改变电压频率，使电机磁通保持 恒定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。由于该方法 的控制目标是使变频器输出电压与频率之比恒定，故称v f 控制。该方式常 用于控制风机、泵类负载的节能运行以及生产线工作台传动等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转差频率控制需要检测电动机的转速以构成速度闭环，速度调节器的输 出为转差频率，然后以电机转速与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。 由于可以通过控制转差频率来控制转矩和电流，与v f 控制相比，其加减速 特性和限制过电流能力得到了一定提高。 二十世纪7 0 年代德国f b l a s c h k e 等人首先提出矢量控制理论，开创 了交流电机变频控制的先河。异步电机矢量变换控制方法的提出，至今已获 得了迅猛的发展。由于这种方法采用了坐标变换，需要进行快速、复杂的数 学运算，所以对控制器的运算速度、处理能力等要求较高，微型计算机技术 的发展为矢量变换控制的实现提供了良好的外部条件。近年来，围绕着矢量 变换控制的缺陷，如系统结构复杂，非线性和电机参数变化影响系统性能等 问题，国内外学者进行了大量的研究。 1 9 8 5 年，德国的m d e p e n b r o c k 教授提出一种新的控制方法，即异步电 机直接转矩控制理论( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称为d t c ) 。直接转矩控 制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是 把转矩直接作为被控量来控制。直接转矩控制技术是用空间矢量”1 的分析方 法，直接在定子坐标系计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向， 借助于离散的两点式调节产生脉宽调制( p w m ) 信号，直接对逆变器的开关状 态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。在很大程度上克服了矢量控制 计算复杂和易受参数变化影响的特点，成为交流调速控制理论的又一次飞跃。 近2 0 年来直接转矩控制技术不断得到完善和发展，特别是随着各种智 能控制理论的引入，又涌现了基于模糊控制、神经网络和模糊神经网络的直 接转矩控制系统，控制性能得到了进一步的改善和提高。 1 4 论文研究的主要内容和结构安排 本文通过对三电平逆变器的原理和电压空间矢量脉宽调制策略结合起 来，对异步电机进行控制。在m a t l a b s i m u l i n k 环境中，进行建模仿真；使 用a r m + f p g a 搭建硬件平台，在此基础上编写软件，实现空间电压矢量脉宽调 制控制策略，输出p w m 波，通过光耦驱动电路驱动功率器件i g b t ，输出期望 的交流电压。 主要内容如下： 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 分析了本课题提出的背景和意义，并对三电平逆变器发展现状以及 在中高压变频调速中应用进行概述，同时也对异步电机的控制策略进行叙述； ( 2 ) 简单分析了两电平逆变器空间电压矢量的基本原理，并在此基础上， 对三电平逆变器和空间电压矢量控制原理进行深入的分析； ( 3 ) 系统的分析了异步电机的数学模型，坐标变换以及异步电机的矢量 控制原理； ( 4 ) 通过m a t l a b s i m u l i n k 环境，进行建模仿真，验证该方法的可行性， 对结果进行详细的分析； ( 5 ) 完成系统的软硬件设计，编写相应的程序，通过调试后得出相应的 实验波形，实现三电平逆变器，并对结果进行详细的分析； ( 6 ) 对本课题研究的内容进行总结，得出结论。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章三电平逆变器及s v p w m 控制策略 三电平逆变器的基本拓扑结构可以分为三类：二极管钳位型多电平逆变 器、飞跃电容型多电平逆变器和级联多电平逆变器。其中，以二极管中点钳 位型三电平逆变器拓扑结构最为常用“”。二极管钳位型多电平拓扑结构简单、 控制灵活，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、空间矢量调制，逐渐发展出完善的控制策略，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，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，因此该拓扑结构己开始应用于电机拖动等领域。 三电平逆变器的控制方法主要有载波调制法和空间矢量调制方式“”。载 波调制法又包括载波移相法和载波层叠法等，而空间矢量调制法也有不同的 实现方式。由于多电平拓扑结构的多样性，在这两类控制策略的基础上，对 于不同的拓扑结构和要求，又派生出许多具体的多电平控制策略。 2 1 两电平逆变器空间电压矢量分析 传统的异步电机空间电压矢量脉宽调制控制中的两电平逆变器如图2 1 所示，他由三相六个开关所组成。s 。、s 、昂分别有o 、1 两种状态，其中 “1 ”表示与“+ ”极接通，反之“0 表示与“一”极接通。所以可以得到8 种导通状态。逆变器的空间电压矢量如图2 2 所示。逆变器的空间电压矢量 和开关状态关系如表2 1 所示。 两电平逆变器的主要功能是把一个固定的直流电压转化成幅值和频率都 可调的交流电压。理想情况下，当使用传统的两电平逆变器供电时，其输出 电压只与逆变器自身的开关状态有关，和电机的运行状态不存在任何的耦合 关系。因此，可以将逆变器看作独立的电压源“”。 但是，传统的两电平逆变器也存在着自身的缺陷。在大功率应用场合， 直流母线电压一般较高，则两电平逆变器的单个开关管承受电压很大，容易 产生较大的8 v d t 和8 i 8 t ，引起严重的电磁干扰，很可能造成电机绝缘击穿。 由图2 2 可以看出，两电平的有效电压矢量非零矢量只有6 种，由于空间矢 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量数目比较少，将两电平逆变器应用于空间电压矢量脉宽调制控制中，要想 使磁链输出轨迹近似圆形，则不可避免的要缩短采样周期，提高器件的开关 频率，而开关器件的上限频率一般不会太高。此外，还会带来转矩脉动大等 问题“。 图2 1 两电平逆变器电路 图2 2 两电平逆变器的空间电压矢量 与传统的两电平逆变器相比，三电平逆变器由于开关器件数目比两电平 逆变器多一倍，每个开关管需承担的电压只有相同直流母线电压的两电平逆 变器的一半，即功率器件串联均压。因此具有功率开关承受电压低、输出电 压谐波含量低、d v l d t 和d i l d t 引起的电磁干扰小等优点，因而这种结构的变 换器在高性能的中高压的变频调速、有源电力滤波装置和电力无功补偿等领 域有着广泛的应用前景”“。 同时，电压空间矢量调制控制策略的原则是逆变器瞬时输出三相脉冲电 压构成的电压空间矢量与所期望输出三相对称正弦波电压构成的电压空间矢 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量等效，而它的幅角随着脉冲频率一起，以一定的时间间隔均匀跳变，即平 均角速度与所期望的圆形旋转矢量角速度相等，这种方法相对于传统的方法， 控制策略简便，电压利用率高，在目前是一种比较流行的三电平逆变器的控 制策略“”。 表2 1 两电平逆变器的空间电压矢量与开关状态关系表 定子空间开关状态相电压 矢量表达式 电压矢量 sa 、s b 、s c a 相b 相 c 相 砜0 0 0oo00 2 ， 三三 ；u zu 0 1 1一i ud jj 1 ，1rr2 孳u d e j 4 a f 30 0 1 t u a 一：u d t u d jjjj 1 0 1 三 2r 7 扛 毛ud e j s z i 3一：u d jj 三， 1r 7 1rr ；u e j o以 1 0 0 3 。d 一：u d一：u d jjj 1 1 0 三 2 ， 乏u 。一：u d jj 乩0 1 0一昙玑 2 ， 1 ，r 昙，= ud一= u f jjjj 【， 1 1 10oo0 2 2 三电平逆变器系统分析 2 2 1 三电平逆变器主电路结构 二极管钳位型三电平逆变器是目前应用最广泛的一种电压型多电平逆变 器。所谓三电平，是指逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧中点有3 种 取值的可能，即正端电压、负端电压和零电压。二极管钳位型三电平逆变器 拓扑电路如图2 3 所示。 与两电平逆变器中的一相电路比较，该拓扑结构增加了两个功率主开关 器件及相应的续流二极管，并且增加了两个钳位二极管。中间的两个主开关 器件可以把钳位二极管引出的零电平加到输出端上，即利用钳位二极管的钳 位达到输出零电平的目的，因此这种结构被称为二极管钳位式结构，也叫中 1 0 哈尔滨工程大学硕七学位论文 点钳位式( n e u t r a l - p o i n tc l a m p e d ，简称n p c ) 结构“。该结构可以使功率管 的耐压值降低为直流端电压的一半，从而使其应用在高压场合成为可能。以 后各章中提到三电平逆变器，除特别说明外，均指这种结构而言。 图2 3 二极管钳位型三电平逆变器拓扑电路 钳位二极管除了用于引出零电平之外，另一个作用是防止电容短路。例 如，若将钳位二极管圜，用短接线代替，则当功率器件g 1 ，导通、g 1 ：关断时， 电容c l 将被短路；同理，钳位二极管喝：也可以防止c 2 在g 1 。导通、g l ，关断 时被短路。 另外，目前功率开关元件大都采用i g b t 或g t o ，在这里我们假设逆变器 的各开关器件均为理想开关，不考虑具体器件的工作过程及由此产生的如死 区效应、窄脉冲等相关问题。 2 2 2 开关状态以及输出电压 根据图3 1 所示的电路，可分析得到三电平逆变器的a 相基本电压输出 情况如表2 1 所示。当上半臂两个主开关器件g 1 。、g 1 ：导通，下半臂两个主 开关器件g l ，、g l 。关断时，交流侧输出电压u = 2 ；同样，当g l ，、g l 。导 通，g l ，、g l ：关断时，u = 一2 ；当g l ：、g l ，导通，g l 。、g l 。关断时，u = 0 。 可以看出，g l ，和g l ，之间的开关动作是互补的，g l ：和g 1 。之间的开关动作也 是互补的。 可以用变量s 来表示逆变器输出的三种状态：输出正端电压时，s = 1 ： 输出零电压，s = 0 ；输出负端电压时，s = 一1 。根据表2 1 ，可得单相输出 电压u 与开关变量s 和输入直流电压睨的关系： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u = s 2 ( 2 1 ) 表2 2 三电平逆变器某相电压输出规律表 g l 。g l ：g 1 3g 1 。u 1 10 02 01 1 o0 0o11- u 妊| 2 表中：“1 ”代表0 n ，即开关导通；“0 ”代表o f f ，即开关关断。 令一相电路中四个功率开关元件的触发脉冲变量为暑、足、只、只，且 各变量在器件导通时为1 ，器件关断时为0 。这样，当逆变器输出正端电压时， 各触发脉冲变量分别为l 、1 、0 、0 ；同理，输出零电压时为0 、1 、1 、0 ，输 出负端电压时为0 、0 、l 、l 。由此可得单相输出电压u 与各触发脉冲变量和 输入直流电压睨的关系： u = ( 暑+ 一只一只) 4 ( 2 2 ) 2 2 3 三电平逆变器的工作状态 在分析控制策略之前，有必要先了解一下二极管钳位式三电平逆变器的 工作情况，包括逆变器的三种工作状态以及状态之间的转换过程。 以a 相为例( 其余b 相、c 相工作情况与之相同) ，可以分以下三种工作 状态。 ( 1 ) s = 1 状态，即g 1 。、g 1 ：导通，而g l 。、g 1 。关断。数学运算时以“1 表示。当a 相电流为正时( 定义流出逆变器方向为正，流入逆变器方向为负) ， 电流从c 1 正极经g l ，、g 1 ，流出，如图2 4 ( a ) ；当a 相电流为负时，电 流经开关管的反并二极管口。、日：流向c i 正极，如图2 4 ( b ) 。 ( 2 ) s = 0 状态，即g 1 ：、g l 。导通，而g 1 。、g 1 。关断。数学运算时以“0 ” 表示。当a 相电流为正时，电流从c 2 正极经钳位二极管v d , ，、g 1 ，流出， 如图2 5 ( a ) ；当a 相电流为负时，电流经g 1 ，、v d , ，流向c 2 正极，如图 2 5( b ) 。 ( 3 ) s = - 1 状态，即g l ，、g l 。导通，而g l 。、g 1 ：关断。数学运算时以“一l 表示。当a 相电流为正时，电流从c 2 负极经d 1 。、d 1 ，流出，如图2 6 ( a ) ； 当a 相电流为负时，电流经g 1 ，、g 1 。流向c 2 负极，如图2 6 ( b ) 。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b 图2 4s = 1 状态示意图 a b 图2 5s = 0 状态示意图 a b 图2 6s = 一1 状态示意图 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 逆变器工作时，为了防止过大的电压上升率，任一个工作瞬间中点钳位 式逆变器仅有一条支路的开关元件产生通断动作；并且每条支路状态只能由 1 变到0 ，或由0 变到一1 ，或反之，不允许1 与一1 之间直接互变。 通过以上的分析，可以推导直流端三线电流和逆变器状态、负载电流之 间的关系。可知当a 相状态变量邑= 1 时，乙= ，l o 4 = 0 = 0 ；当只= 0 时， 乙= ，0 = 乙= 0 ；当e = - 1 时，0 = ，0 = l 。o a = 0 ，所以有 乙= ( 配+ 1 ) 配2 、1 o , 4 = ( 1 一只) ( s a + 1 ) 、0 = ( e - 1 ) s a i a 2 。考虑到三相 共同作用，令直流端三线电流分别为i t , 、f d 和乇，三相状态为量、& 和& ， 三相负载电流为f 。、和扛，可得到它们之间的关系式为： i v = ( 乳+ 1 ) s a i a + ( & + 1 ) s a i a + ( s c + 1 ) s c i c 2 ( 2 3 ) i o = ( 1 一邑) ( 邑+ i ) i a + ( 1 一& ) ( & + 1 ) i b + ( 1 一s c ) ( & + 1 ) i c ( 2 4 ) = ( 配- 1 ) s + ( s b 一1 ) 品+ ( s c 一1 ) s d a 2 ( 2 5 ) 进一步可以推导各器件上的电流和逆变器状态、负载电流之间的关系。 以a 相为例，设四个功率开关器件上的电流分别为f g 。、i g 。：、i g 。，、i g 。，四 个续流二极管上的电流分别为f d ，。、如。：、如。、f d 。，两个钳位二极管上的电 流分别为l v d 。、i , o 。：，各电流计算规律如下： 如果邑= l ，且 0 ，则f g 。，= i o ，：= ，其余各量为零； 如果s a = 1 ，且0 ，则l d l i = f d l 2 = ，其余各量为零； 如果酌= 0 ，且 0 ，则f g 。2 = i v o 。l = ，其余各量为零； 如果e = 0 ，且0 ，则z o ，3 = i w l 2 = ，其余各量为零； 如果邑= 一1 ，且 0 ，则i o 。3 = l d 。4 = ，其余各量为零； 如果e = 一1 ，且0 ，则岛，= f g ，。= ，其余各量为零。 其余各相上器件上的电流计算以此类推。 2 2 4 三电平逆变器空间电压矢量分析 表2 3 零矢量在d q 坐标系下的分量 零矢量 s as bs c 巧 111 oo0 oo 111 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 4 小矢量在d q 坐标系下的分量 小矢量 s s bs c 圪 loo 巧 1 2o ol一1 11o 1 4压4 砭 oo一1 010 1 4压4 巧 101 011 k 一1 20 10o 0o1 一1 4一压4圪 11o 1 o1 1 4一压4圪 010 中矢量s as bs c 巧 巧 l01 3 4_ 3f4 k0 1一l 0压2 巧一11o一3 4压4 k 。一1013 4 一压4 一 巧。01l 0 一3 2 k ：110 3 4一压4 表2 6 大矢量在d q 坐标系下的分量 大矢量s as bs c k 3111l0 k 。 li一1 1 2历2 k ，一11一l一1 2压2 k 。一111一l0