三电平PWM变频调速系统的设计与仿真

设计题目：三电平PWM变频调速系统的设计与仿真,班级：姓生：指导教师：职称：,1前言2三相异步电动机的动态数学模型及坐标变换3三电平逆变器选择及工作原理分析4电压空间矢量PWM技术5三电平逆变器系统仿真,1前言,研究背景及意义能源短缺和环境污染是人类当前共同面临的世纪性难题。我国近期的能源政策是注重能源的节约和合理利用。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。电动机是电能消耗的最大户，也是节电潜力最大的用户。目前国内应用的大功率变频装置，大部分为引进产品，而国内在大功率中压变频领域，近年来也作了一些研究工作。,三电平逆变器的出现推动了多电平逆变器的发展，继二极管中点箝位式三电平逆变器拓扑结构被提出后，1983年，Bhagwat和Stefanovic在此基础上提出了多电平逆变器的通用结构；继而又有法国学者Meynard在1992年提出一种飞跨电容拓扑结构的三电平逆变器，目前已有法国ALSTOM公司开发出此类产品；此后，美国罗宾康公司于1994年推出全球第一台单元串联式高压变频器，该技术目前已成为国产变频器的主流。,三电平逆变器的研究现状,在矢量控制技术研究方面，德国、日本和美国走在世界前列，并各有特点。日本在研究无速度传感器方面较为先进，主要应用于通用变频器上；美国的研究人员在电机参数辨识方面进行了深入的研究，并且将神经网络控制、模糊控制等一些新的控制技术应用到这方面；德国在将矢量控制技术应用于大功率系统方面有很强的实力，SIEMENS公司已开始将矢量控制技术应用于交流传动电力机车等兆瓦级功率场合。我国学者随着与国际交流的逐渐增多，对矢量控制技术的了解逐渐深入，矢量控制技术的研究已成为电气传动领域的热点。目前国内的研究工作主要集中在无速度传感器和电机参数辨识方面，并且许多工作仅限于计算机仿真，而对矢量控制系统在大功率场合中的应用以及实际控制系统的研制方面研究较少。随着我国技术工作者对矢量控制技术研究的逐渐深入，矢量控制技术在我国也必将进入实用阶段。,矢量控制技术的研究现状,2三相异步电动机的动态数学模型及坐标变换,2.1三相异步电动机的多变量非线性数学模型2.2坐标变换和变换矩阵2.2.1三相两相坐标系变换(3/2变换)2.2.2旋转变换(2s/2r变换)2.3异步电动机在任意旋转坐标系下的数学模型2.4异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型2.5异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型,3三电平逆变器选择及工作原理分析,3.1三电平逆变器的拓扑结构二极管钳位式逆变器飞跃电容式逆变器带分离直流电源的串联式逆变器带分离直流电源的串联式多电平逆变器要求系统提供多个独立的直流电源，这限制其广泛的应用。飞跃电容式多电平逆变器在进行有功传输时控制复杂，其广泛应用也受到了限制。相比之下，二极管钳位式三电平逆变器应用领域最为广泛。,3.2二极管钳位式三电平逆变器拓扑结构分析,该逆变电路的每一相桥臂有四个开关元件、4个续流二极管和两个嵌位二极管。两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连接。见图3.3,图3.3二极管钳位式三电平逆变器主电路,以a相为例下图为三电平逆变器相电压三种输出状态,（a）（b）,（c）,三电平逆变器每一相有三种开关状态，因此在整个三电平逆变器中总共有33=27种开关状态组合。可以由两电平逆变器矢量构成原理推出三电平逆变器的矢量图，如图3.5。,图3.5三电平逆变器矢量图,4空间电压矢量PWM技术,三电平逆变器依据不同的开关组合产生不同模长的电压空间矢量，可以将这些电压空间矢量按模值大小划分为四类：零矢量（3）、小矢量（12）、中矢量（6）、大矢量（6）。如下图所示：,三电平整流器电压空间矢量图,三电平逆变器的空间矢量图可以认为是由六个传统的两电平空间矢量构成的小六边形所组成，这样可以将两电平逆变器的电压空间矢量算法应用于三电平逆变器。,三电平电压空间矢量平面简化为两电平电压空间矢量平面,图4.10重叠区域S值的判断,由于划分的区域中相邻的小六边形有重叠的部分，所以当参考电压落在那些存在重叠的范围里时S的取值便不唯一了。采取图4.10的方法确定S值，即此时重叠的区域以图中所示的坐标划分为两个区间域，其中00300的区域为S=1，300600的区域为S=2。其他的各个重叠区域依次类推。,判定了参考电压空间矢量所在的小六边形后，再经过坐标平移即可将三电平电压空间矢量平面简化为两电平电压空间矢量平面。图4.11所示为S=1时候的参考电压空间矢量修正示意图，由于该小六边形以为原点，所以将参考电压空间矢量减去即可获得修正后的新的参考电压空间矢量。,经过修正以后，就可以以新的参考电压空间矢量为期望输出电压空间矢量，再依次将各有效矢量、零矢量进行坐标平移，整个研究平面就完全地转化为两电平的电压空间矢量平面。,中点电位控制,当参考电压矢量位于相邻小六边形的重叠区域时，根据中点电位的波动情况相应地改变S值即可对波动进行有效的抑制。当参考电压矢量位于非重叠区域时，可以通过调整小矢量及其冗余开关状态的作用时间来抑制中点电位波动。,5三电平逆变器仿真,仿真参数：电网峰值电压：三相交流160V输入电压频率：50HZ直流侧电容C1、C2：5000F逆变器载波周期：Ts=0.001s异步电机参数：额定容量=4000VA额定电压=400V额定频率=50Hz额定转速=1430rpm定子绕组电阻=0.03513定子绕组漏感=0.04586H转子绕组电阻=0.03488转子绕组漏感=0.04586H定转子绕组互感=1.352H,（a）恒压频比源输出信号波形,（b）22.1秒时逆变器输出线电压波形（c）5秒后逆变器输出线电压波形图5.12恒压频比源输出信号及三电平逆变器输出线电压波形,调制信号波形及三电平逆变器AB两相间的电压（线电压）波形如图5.12所示。,由图可见，三电平逆变器输出的线电压波形的幅值、频率随给定信号幅值、频率的升高而升高，并且共有五个电平，因此线电压波形满足三电平阶梯波的要求。,三电平逆变器中点电位波形如图5.14所示。,从图5.14可以看出当逆变器输出电压达到峰值后，中点电位波动都得到了有效的抑制，波动范围基本在5V之间。,图5.14中点电位纹波波形,电机转速波形图，如图5.15所示,（a）05秒时电机转速波形（b）5秒后电机转速波形图5.15异步电机转速波形,电机起动后随着三电平逆变器输出电压的逐步增大，电机转速也逐渐上升。当起动5秒后，逆变器输出电压峰值、频率达到额定时，电机转速也上升到1380rpm并保持不变，稳定运行。,仿真分析结论,通过分析，可以得出以下结论：（1）三电平PWM逆变器由于其主电路具有开关元件关断承受直流侧一半电压，且允许开关频率较低等优点，所以特别适合于高电压、大功率应用场合。（2）采用电压空间矢量PWM调制方式，通过优化开关矢量，可以降低开关频率，减小输出侧侧线电流的总谐波畸变率。（3）简化的三电平逆变器SVPWM算法通过将三电平空间矢量平面简化至二电平空间矢量平面，利用成熟的二电平SVPWM算法计算矢量作用时间和确