（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）基于三電平逆變器的變頻調(diào)速系統(tǒng)研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni n i 絲i 望! 壘壘壘s y 墨! 皇嬰 s t u d yo nv a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m b a s e do nt h r e e 1 e v e li n v e r t e r c a n d i d a t e ：l ub i n s u p e r v i s o r ：z h o u l i sc h o o lo fe le c t r i ca n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g a n h u iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，p r c h i n a 熙，f燃戳 刪9眥3刪3 嘲12姍y 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的 地方以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也 不包含為獲得塞邀堡王太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書 而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：l 壺盤 日期：三業(yè)凈月上日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解塞邀堡王態(tài)堂有保留、使用學(xué)位論 文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位 屬于塞邀堡王態(tài)堂。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交 論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)安徽 理工大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn) 行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論 文。( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：f 擊對(duì) 簽字日期：芴l 碑6 月 日 導(dǎo)師簽名：同蘇、 簽字日期：動(dòng)2 年6 月 日 摘要 于兩要 在交流調(diào)速中，變頻調(diào)速以其性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛等眾多優(yōu)點(diǎn)被公認(rèn)為最有 發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)速手段。同時(shí)，三電平逆變電路因具有開關(guān)頻率低、輸出電壓諧波 含量少等眾多優(yōu)點(diǎn)，必將成為變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路的首選方案。因此，本文針對(duì) 以二極管箝位式三電平逆變器為主功率電路的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。 比較眾多控制策略后，空間矢量調(diào)制算法( s v p w m ) 具有調(diào)制比大、母線電壓 利用率高、能夠優(yōu)化輸出電壓波形以及易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，從而成為了目前的 研究熱點(diǎn)。 本文首先對(duì)三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略等方面進(jìn)行介紹，并在此 基礎(chǔ)上對(duì)三電平s v p w m 調(diào)制算法進(jìn)行仿真分析研究，同時(shí)還詳細(xì)分析了三電平 逆變器中點(diǎn)電位不平衡的危害以及產(chǎn)生機(jī)理，并從硬件和軟件兩個(gè)方面給出了中 點(diǎn)電位平衡的控制策略，其中，軟件控制策略是通過優(yōu)化三電平s v p w m 調(diào)制算 法，利用正負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響正好相反的特點(diǎn)，通過對(duì)正負(fù)小矢量作用 時(shí)間的控制，來達(dá)到中點(diǎn)電位平衡的效果。 然后，本文還對(duì)三電平變頻器無(wú)速度傳感器矢量控制理論進(jìn)行了研究，并且 建立了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖及其仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論的正確性。 最后，本文完成了對(duì)三電平變頻器硬件電路及軟件程序流程圖的設(shè)計(jì)，其中， 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括y _ - - 電平變頻器的主電路( 整流電路、軟起動(dòng)電路和逆變電路) 、 i g b t 驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路( 電流、電壓采樣電路和轉(zhuǎn)速采樣電路) 以及保護(hù)電路的 設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括了主程序、矢量控制中斷服務(wù)子程序、開關(guān)機(jī)子程序、 故障中斷服務(wù)子程序、s v p w m 的控制模塊程序等。系統(tǒng)的控制電路采用了 d s p + f p g a 的結(jié)構(gòu)，并且將d s p 作為系統(tǒng)主控制器，從而有效實(shí)現(xiàn)了三電平變 頻器的高效、精確控制。與此同時(shí)，還在研制的三電平變頻器上采用所提的算法 進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，并且給出了實(shí)驗(yàn)波形，從而論證了該算法的正確性以及三 電平變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 5 6 表 6 參【5 1 關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；中點(diǎn)電位；d s p ；f p g a ；矢量控制；三電平 分類號(hào)：t p 2 7 6 a b s t r a c t a b s t r a c t i ns p e e dr e g u l a t i o no fa cm o t o r ，b e c a u s eo fh i g h p e r f o r m a n c e sa n dw i d e a p p l i c a t i o n s ，v a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ni sc o n s i d e r i n ga st h eb e s ts p e e d r e g u l a t i o nm e t h o d m e a n w h i l e ，d u et oa d v a n t a g e ss u c ha sl e s so n o f ff r e q u e n c ya n d h a r m o n i co ft h eo u t p u tv o l t a g e ，t h r e e l e v e li n v e r t e rs h o u l db e c o m et h ep r e f e r r e d s c h e m ei nt h em a i nc i r c u i to fv a r i a b l e - r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ， t h i st h e s i sf o c u so ns t u d y i n go ft h ed i o d e - c l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e rs y s t e m c o m p a r i n gl o t so fc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v p w m ) h a s l a r g e rm o d u l a t i o nr a n g ea n dt h ea d v a n t a g e so fh i g h e rd cv o l t a g eu t i l i z a t i o n ，c a n o p t i m i z eo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r m ，e a s y - t o d i g i t a li m p l e m e n t a t i o n ，a n dt h u sb e c o m e t h ef o c u so fr e s e a r c h f i r s t l y ，t h r e e - l e v e li n v e r t e rt o p o l o g y ，c o n t r o ls t r a t e g i e sa n ds oo nw e r er e v i e w e d i nt h et h e s i s ，o nt h i sb a s i s ，s v p w ma l g o r i t h mo ft h r e e l e v e li n v e r t e ri sa n a l y s i s e da n d s i m u l a t e d ，m e a n w h i l e ，t h eh a z a r d s ，a sw e l la st h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f u n b a l a n c e dn e u t r a l p o i n tv o l t a g eo ft h r e e - l e v e li n v e r t e ri sd i s c u s s e da n dd e t a i l e d a n a l y s i s e d a n d ，g i v e sm a t h e m a t i c a ls o l u t i o n sb o t ho nt h er e s p e c to fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，a m o n gt h e s e ，t h es o f t w a r ec o n t r o ls t r a t e g yk e e pt h en e u t r a l - p o i n tv o l t a g e b a l a n c e db yo p t i m i z i n gt h em o d u l a t i o na l g o r i t h mo fs v p w m ，w h i c h a d j u s t st h ew o r k t i m eo fa c t i v ea n dn e g a t i v es m a l lv e c t o r sb yu s i n gt h eo p p o s i t ee f f e c t so fn e u t r a l - p o i n t v o l t a g em a d eb ya c t i v ea n dn e g a t i v es m a l lv e c t o r s s e c o n d l y ，i nt h i st h e s i st h es t u d yo ft h es p e e d - s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lt h e o r yo f t h r e e l e v e li n v e r t e rh a sb e e nm a d e ，t h ed e s i g nf i g u r eo fs y s t e ma saw h o l ei sb u i l t ，a n d ， t h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l ta g r e e sw i t h t h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n s a tt h el a s t ，t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e ，t h es o f t w a r ef l o wc h a r th a sb e e np r e s e n ti n t h et h e s i s a m o n g ，t h eh a r d w a r ep a r to ft h es y s t e mi n c l u d e st h em a i nc i r c u i t ( r e c t i f i e r c i r c u i t ，s o f ts t a r t i n gc i r c u i ta n di n v e r t e rc i r c u i t ) ，d r i v i n gc i r c u i to fi g b t ，s a m p l i n g c i r c u i t ( v o l t a g e ，c u r r e n ta n ds p e e ds a m p l i n gc i r c u i t ) a n dp r o t e c t i o nc i r c u i t t h es o f t w a r e p a r to ft h es y s t e mi n c l u d e st h em a i np r o g r a m ，s u b p r o g r a mo fv e c t o rc o n t r o li n t e r r u p t s e r v i c e ，s u b p r o g r a mo fo p e no rc l o s et h em o t o r ，s u b p r o g r a mo ff a u l ti n t e r r u p ts e r v i c e ， a n ds v p w m p r o g r a mo fc o n t r o lm o d u l e t h ec o n t r o lc i r c u i to ft h es y s t e mh a su s e d i i a b s t r a c t d s p + f p g a s t r u c t u r e ，a n dr e g a r d e dd s pa sam a j o r t h u si tc o u l dr e a l i z ec o n t r o l l i n g t h et h r e e - l e v e li n v e r t e re f f e c t i v e l ya n d a c c u r a t e l y a tt h es a m et i m e ，t h e r ew e r eas e r i e s o fe x p e r i m e n t sm a d ei n t h i s t h r e e l e v e li n v e r t e rw i t ht h ea l g o r i t h mw h i c hh a sb e e n m e n t i o n e da b o v e ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r r na l s ow e r eg i v e n t h ee x p e f i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea l g o r i t h mi sc o r r e c t ，a n dt h et h r e e l e v e lv a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mc o u l db eo p e r a t i o nr e l i a b l y f i g u r e 5 6 】t a b l e 6 】r e f e r e n c e 51 】 k e y w o r d s ：v a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n ；n e u t r a l - p o i n tv o l t a g e ；d s p ；f p g a ； v e c t o rc o n t r o l ；t h r e e l e v e l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 6 目錄 目錄 摘要i a b s t r a c t 。i i 1 緒論1 1 1 課題研究背景及意義1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意義1 1 2 課題研究現(xiàn)狀2 1 2 1 多電平逆變器拓?fù)溲芯楷F(xiàn)狀2 1 2 2 多電平逆變器控制策略研究現(xiàn)狀2 1 3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制4 1 。4 多電平逆變器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用6 1 5 論文研究的主要內(nèi)容6 1 6 本章小結(jié)7 2 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略研究8 2 1 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理8 2 2 三電平逆變器s v p w m 控制策略1 0 2 2 1 靜止坐標(biāo)系變換1 1 2 2 2 三電平逆變器空間電壓矢量1 2 2 2 3 三電平空間矢量s v p w m 調(diào)制方法研究1 5 2 3 三電平逆變器的過調(diào)制處理2 4 2 3 1 三電平逆變器過調(diào)制一2 4 2 3 2 空間矢量的過調(diào)制控制策略2 5 2 4 三電平s v p w m 算法的仿真分析2 9 2 4 1 仿真結(jié)構(gòu)圖2 9 2 4 2 仿真分析3 0 2 5 本章小結(jié)3 4 3 三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡研究3 5 3 1 中點(diǎn)電位不平衡的原因及危害3 5 3 2 三電平逆變器的中點(diǎn)電位波動(dòng)分析3 6 3 2 1 中點(diǎn)電位波動(dòng)定性分析3 6 i v 目錄 3 。2 2 中點(diǎn)電位波動(dòng)定量分析3 8 3 3 中點(diǎn)電位平衡的控制策略4 1 3 3 1 硬件方法4 1 3 3 2 軟件方法4 3 3 4 仿真分析4 5 3 5 本章小結(jié)4 6 4 三電平變頻器無(wú)速度傳感器矢量控制原理4 8 4 1 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制原理4 8 4 1 1 三相異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型4 8 4 1 2 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向異步電機(jī)矢量控制原理4 9 4 2 異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)51 4 2 1 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的工作原理5 2 4 2 2 基于模型參考自適應(yīng)法的轉(zhuǎn)速辨識(shí)原理5 3 4 3 三電平變頻器矢量控制系統(tǒng)仿真5 5 4 3 1 仿真結(jié)構(gòu)圖5 5 4 3 2 仿真分析5 6 4 4 本章小結(jié)5 8 5 三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)：5 9 5 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5 9 5 1 1 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)6 0 5 1 2i g b t 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)6 1 5 1 3 采樣電路的設(shè)計(jì)6 2 5 1 4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)6 6 5 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6 7 5 3 本章小結(jié)7 1 6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析7 3 6 1 實(shí)驗(yàn)硬件電路7 3 6 2 實(shí)驗(yàn)波形分析7 4 6 3 本章小結(jié)7 8 7 總結(jié)與展望7 9 7 t 總結(jié)7 9 7 2 展望7 9 v 目錄 參考文獻(xiàn)8 1 致謝8 4 作者簡(jiǎn)介及讀研期間主要科研成果8 5 v i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h 。i i 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 1 1 。1 1b a c k g r o u n do f t h er e s e a r c h 1 1 1 2s i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 1 1 2t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u s 2 1 2 1r e s e a r c ho f t h em u l t i l e v e li n v e r t e rt o p o l o g y 2 1 2 2r e s e a r c ho f m u l t i 1 e v e li n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g y 2 1 3c o n t r o lo f t h ev a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n 4 1 4t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i - l e v e li n v e r t e ri nv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l m i o n s y s t e m 。6 1 5m a i nc o n t e n to f t h et h e s i s 6 1 6c h a p t e rs u m m a r y 7 2r e s e a r c ho ft h et o p o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h et h r e e l e v e li n v e r t e r 8 2 1t o p o l o g i e sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t h et h r e e l e v e li n v e r t e r 8 2 2s v p w mc o n t r o ls t r m e g yo f t h et h r e e l e v e li n v e r t e r 10 2 2 1t r a n s f o r m a t i o ni nt h es t a t i o n a r yc o o r d i n a t e 11 2 2 2s p a c ev e c t o ro f t h et h r e e - l e v e li n v e r t e r 1 2 2 2 3s v p w m a l g o r i t h mo f t h e t h r e e l e v e li n v e r t e r 15 2 3o v e r m o d u l m i o np r o c e s s i n go f t h et h r e e l e v e li n v e r t e r 2 4 2 3 1o v e r m o d u l a t i o no f t h et h r e e 1 e v e li n v e r t e r 2 4 2 3 2o v e r m o d u l a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo f t h es p a c ev e c t o r 2 5 2 4s i m u l a t i o na n da n a l y s i so f t h et h r e e l e v e ls v p w m a l g o r i t h m 2 9 2 4 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f t h es i m u l a t i o n 2 9 2 4 2a n a l y s i so f t h es i m u l m i o n 3 0 2 5c h a p t e rs u m m a r y ，3 4 3n e u t r a l - p o i n tv o l t a g eb a l a n c i n go f t h et h r e e - l e v e li n v e r t e r 3 5 3 1t h ec a u s e sa n dh a z a r d so ft h en e u t r a l p o i n tv o l t a g eu n b a l a n c i n g 35 3 2a n a l y s i so ft h en e u t r a l p o i n tv o l t a g ef l u c t u a t i o n so ft h et h r e e - l e v e li n v e r t e r 36 v i 】 c o n t e n t s 3 2 1q u a l i t a t i v ea n a l y s i so f t h en e u t r a l p o i n tv o l t a g ef l u c t u a t i o n s 3 6 3 2 2q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t h en e u t r a l - p o i n tv o l t a g ef l u c t u a t i o n s 3 8 3 3c o n t r o ls t r a t e g yo f n e u t r a l - p o i n tv o l t a g eb a l a n c i n g 4 1 3 3 1h a r d w a r em e t h o d 4 1 3 3 2s o f t w a r em e t h o d 4 3 3 4a n a l y s i so f t h es i m u l m i o n 。4 5 3 5c h a p t e rs u m m a r y 4 6 4s p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l eo ft h et h r e e l e v e li n v e r t e r 4 8 4 1r o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o lp r i n c i p l e 4 8 4 1 1d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r 4 8 4 1 2v e c t o rc o n t r o lt h e o r yo f r o t o rf i e l do r i e n t a t i o no f t h ei n d u c t i o nm o t o r 4 9 4 2s p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yo f t h ei n d u c t i o nm o t o r 51 4 2 1w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m 5 2 4 2 2t h es p e e di d e n t i f i c a t i o np r i n c i p l eb a s e do nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e m e t h o d 5 3 4 3v e c t o rc o n t r o ls y s t e ms i m u l m i o no f t h et h r e e - l e v e li n v e r t e r 5 5 4 3 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f t h es i m u l m i o n 5 5 4 3 2a n a l y s i so f t h es i m u l m i o n 5 6 4 4c h a p t e rs u m m a r y 5 8 5d e s i g no f t h et h r e e - l e v e lv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a g i o ns y s t e m 。5 9 5 1h a r d w a r ed e s i g no f t h es y s t e m 5 9 5 1 1d e s i g no f t h em a i nc i r c u i t 6 0 5 1 2d e s i g no f t h ei g b td r i v ec i r c u i t 6 1 5 1 3d e s i g no f t h es a m p l i n gc i r c u i t 6 2 5 1 4d e s i g no f t h ep r o t e c t i o nc i r c u i t 6 6 5 2s o f t w a r ed e s i g no f t h es y s t e m 6 7 5 3c h a p t e rs u m m a r y 7 1 6a n a l y s i so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 7 3 6 1h a r d w a r es c h e m a t i co f t h ee x p e r i m e n t 7 3 6 2w a v e f o r ma n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t 7 4 6 3c h a p t e rs u m m a r y 7 8 7s u m m a r ya n do u t l o o k 7 9 v i i l c o n t e n t s 7 1s u m m a r y 7 9 7 2o u t l o o k 7 9 r e f e r e n c e 8 1 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 4 a u t h o ri n t r o d u c t i o na n dm a i ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha c h i e v e m e n td u r i n gm a s t e rd e g r e e 8 5 1 緒論 1 緒論 1 1 課題研究背景及意義 1 1 1 研究背景 能源短缺是當(dāng)前人類社會(huì)共同面臨的世紀(jì)性難題，能源短缺不僅制約著許多 發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也為發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)砹艘幌盗猩鐣?huì)問題。2 0 世紀(jì)7 0 年代 以來的兩次能源危機(jī)，引起了許多國(guó)家政府對(duì)節(jié)能技術(shù)的高度關(guān)注，在十二五開 局之年，我國(guó)也制定相應(yīng)的節(jié)能減排政策。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，全球的石油儲(chǔ) 量只夠人類使用三、五十年左右，而對(duì)于我國(guó)，人均石油儲(chǔ)量卻只有世界人均水 平的十分之一；形勢(shì)同樣嚴(yán)峻的是，我國(guó)的人均煤炭?jī)?chǔ)量也僅有全球平均水平的 一半左右。與此同時(shí)，我國(guó)的許多化石能源沒有經(jīng)過深加工就被燃燒消耗掉了， 這樣，不僅使得原本已經(jīng)處于緊張狀態(tài)的能源供應(yīng)現(xiàn)狀雪上加霜，也加劇了全球 氣候環(huán)境的污染。 雖然我國(guó)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)水平已雙雙位居世界各國(guó)前茅，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足 不了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活水平不斷提高的需要。現(xiàn)今，我國(guó)的g d p 總量已 躍居全球第二，但是單位g d p 能耗卻居高不下。根據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，在我國(guó) 發(fā)電總量中，有6 0 7 0 用于拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在此之中，有9 0 以上是交流電動(dòng) 機(jī)，且這些電機(jī)絕大多數(shù)沒有進(jìn)行變頻調(diào)速，僅僅采用簡(jiǎn)單的直接拖動(dòng)方式。這 樣，不僅加快了全球能源的消耗，同時(shí)，也對(duì)全球環(huán)境造成了極其嚴(yán)重的污染【4 1 。 1 1 2 研究意義 近些年來，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)以及其它一些工業(yè) 生產(chǎn)領(lǐng)域得到了一定程度的推廣應(yīng)用，特別是在電壓等級(jí)為3 8 0 v 以下的低壓小 功率場(chǎng)合，變頻調(diào)速技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用。但在一些大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，拖 動(dòng)電機(jī)絕大多數(shù)采用的是功率等級(jí)在4 0 0 4 0 0 0 0 k w ，電壓等級(jí)在3 1 0 k v 的高壓 大功率交流電機(jī)。由于這些電機(jī)中絕大部分又缺乏一些必要的調(diào)速手段，每天都 在造成大量的電能浪費(fèi)，嚴(yán)重威脅著我國(guó)的電能供應(yīng)安全【1 】 2 1 。因此，研究并且 制造出高壓大容量的交流電機(jī)變頻調(diào)速裝置，對(duì)于解決我國(guó)單位g d p 能耗過高、 環(huán)境污染嚴(yán)重等一系列問題有著重大的現(xiàn)實(shí)意義【3 】。 其次，變頻調(diào)速技術(shù)具備調(diào)速范圍廣、傳動(dòng)效率與調(diào)速精度高、維護(hù)費(fèi)用低、 安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 動(dòng)態(tài)響應(yīng)和節(jié)能效果好等特點(diǎn)。同時(shí)，由于變頻調(diào)速既保持有之前直流電機(jī)傳動(dòng) 的性能，又具有交流電機(jī)可靠以及維護(hù)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，這樣就可能在使得產(chǎn) 品質(zhì)量有一定提升的同時(shí)，提高自動(dòng)化強(qiáng)度，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 不僅如此，研制出性能可靠同時(shí)價(jià)格又便宜的大容量高性能交流電機(jī)變頻調(diào) 速系統(tǒng)對(duì)于打破西方發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期在這方面所保持的技術(shù)壟斷、振興民族工業(yè)有 著深遠(yuǎn)的意義。 1 2 課題研究現(xiàn)狀 1 2 1 多電平逆變器拓?fù)溲芯楷F(xiàn)狀 自從二十世紀(jì)八十年代初，新型的多電平逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出以來，多 電平逆變技術(shù)在許多交流調(diào)速產(chǎn)品上都得到了非常廣泛的應(yīng)用。所謂的多電平逆 變器，就是其每個(gè)橋臂上都有四個(gè)或者四個(gè)以上的電力半導(dǎo)體器件，通過對(duì)其開 關(guān)動(dòng)作的不同組合以及對(duì)直流側(cè)母線的分壓，實(shí)現(xiàn)多電平階梯波的輸出，這樣可 以使輸出電流波形更加接近于標(biāo)準(zhǔn)正弦波，從而減少其諧波含量。輸出電平數(shù)的 增加可以減小多電平逆變器中每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力以及開關(guān)損耗，優(yōu) 化輸出波形使之有著更好的諧波頻譜，并且可以避免大的d v d t 所引起的一系列 問題。在多電平變換技術(shù)幾十多年的發(fā)展過程中，圍繞著如何使輸出電壓的電平 數(shù)增多的問題，一系列電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被研究以及提出。目前來看，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 大多是基于三種最基本的拓?fù)涠O管箝位型、電容箝位型以及級(jí)聯(lián)型的組合 5 1 1 6 1 。一般情況下認(rèn)為，多電平變換器是經(jīng)二極管箝位型三電平逆變器發(fā)展而來 的，由此本文以二極管筘位式三電平逆變器為主功率拓?fù)鋪磉M(jìn)行相關(guān)研究。 1 2 2 多電平逆變器控制策略研究現(xiàn)狀 多電平逆變器要獲得良好的輸出波形，首先，要有一個(gè)合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然 后在此基礎(chǔ)之上，還需要有相應(yīng)的控制策略。多電平脈寬調(diào)制( p w m ) 控制技術(shù) 是多電平逆變器研究的關(guān)鍵所在，p w m 控制技術(shù)不僅決定多電平逆變過程的實(shí) 現(xiàn)與否，而且還會(huì)對(duì)多電平逆變器輸出波形的質(zhì)量、運(yùn)行效率以及系統(tǒng)損耗等眾 多關(guān)鍵指標(biāo)產(chǎn)生直接的影響。多電平p w m 控制方法有許多種，但其基本上都是 源自于傳統(tǒng)的兩電平p w m 控制技術(shù)。多電平p w m 控制方法主要有以下幾種： 階梯波脈寬調(diào)制法、正弦脈寬調(diào)制法、開關(guān)頻率優(yōu)化法、特定諧波消去法以及空 間電壓矢量脈寬調(diào)制法。 1 緒論 ( 1 ) 階梯波脈寬調(diào)制法 階梯波脈寬調(diào)制法，本質(zhì)上講，就是利用具有一定的階梯數(shù)的波形來逼近連 續(xù)光滑的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其具有一定的直觀性。同時(shí)，在此調(diào)制方法中，可通過對(duì) 所選電平持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短的控制來達(dá)到抑制或者消除低次諧波影響的效果。由于這 種多電平脈寬調(diào)制方法對(duì)功率器件的開關(guān)頻率要求并不是很高，因此在主功率電 路中可以選用低開關(guān)頻率的大功率器件，但是使用此種控制方法后輸出電壓諧波 含量較高，而且波形質(zhì)量也不是很好，一般用于對(duì)系統(tǒng)控制性能要求不是很高的 場(chǎng)合。 ( 2 ) 正弦脈寬調(diào)制法( s p w m ) 正弦脈寬調(diào)制法是一種相對(duì)來說技術(shù)比較成熟，同時(shí)也是目前應(yīng)用較為廣泛 的脈寬調(diào)制方法。其是通過對(duì)幾個(gè)三角載波信號(hào)以及一個(gè)調(diào)制信號(hào)的比較，來產(chǎn) 生s p w m 信號(hào)。該方法對(duì)幾個(gè)三角波進(jìn)行合適的移相，從而消除選定次數(shù)的諧波， 具有直觀、簡(jiǎn)單以及易實(shí)現(xiàn)等眾多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)其缺點(diǎn)也較為明顯，采用s p w m 控 制的系統(tǒng)主功率電路開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，系統(tǒng)運(yùn)行效率也比較低。 ( 3 ) 開關(guān)頻率優(yōu)化法( s f o p w m ) 開關(guān)頻率優(yōu)化法對(duì)載波的要求與正弦脈寬調(diào)制法相同，但是在標(biāo)準(zhǔn)正弦調(diào)制 波中注入了一些零序電壓分量，目的就是要讓正弦調(diào)制波的波頂部分變凹，從而 提高多