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工程硕士论文精选:多相逆变器多频调制策略研究

时间:2018-01-17 16:51来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电气工程论文,本文通过分析 CMV 与传统调制算法之间相互作用影响,并基于与相桥臂空间电压矢量调制技术结合,得到一种新型的可以减小 CMV 的空间矢量调制技术。
第一章  绪论 
 
1.1 引言 
电力电子技术使得交流电机驱动系统得到了深入的发展,这不仅体现在脱离了三相电网的局限,也使得其本身故有的输出更加精确与稳定。 整体电力传动中,中等以及大功率的电力传动系统占到近七成。除此之外,电压源逆变器以其出色的性能表现,占据了电气传中主要地位。由于变换器中电力电子器件的功率限制问题,使得学者在其结构上做出设计调整来满足大功率传输问题。目前主要的解决办法主要有两种:提升系统相数,提升系统电平数。而两者技术的结合可以使得目标输出波形精确而稳定。 对于由逆变器供电的交流电机,定子的相数可以被当作一个新的设计参数。与常规的三相电机相比,多相电机有许多的优势: 1)它通过增加电机相数能够满足低压大功率场合。减少了电力电子器件串并联运行所带来的问题。 2)电机相数的增多也使得影响较大的空间谐波的次数增大且幅值下降,同时增加了电流频率并且使其幅值下降,减小了电机转子的谐波损耗从而令转矩脉动较小,提高了系统的稳定性。 3)多相电机在定子缺相时仍可以降功率启动和运行,适合高可靠性的领域。由于多相驱动系统的优势,使得它在大功率交流调速系统中逐渐处于主导地位,并且逐渐扩大多相电机的应用范围[1-3]。 相比于传统的两电平系统,多电平系统也拥有诸多优点: (1)对比与原有的两电平逆变器,在相同的电力电子限压器件所构成逆变器的基础上,它可以合成更高等级的电压。选择合成的有效矢量也会更加灵活,使得输出量与目标参考矢量也更为接近。 (2)由于电平数的升高,使得输出拥有更少的谐波含量,减少了谐波失真。 (3)电平数的增多,使得算法优化空间得以提升,从而可以减小开关损耗。 (4)拥有良好的电磁兼容性。 
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1.2 课题研究背景与意义
随着现代电力电子技术的发展,近些年来多相电机驱动的发展也相应的推动了多相多电平逆变器脉冲宽度调制(PWM)的发展。 电压型逆变器(VSI)是多相系统最常用的逆变器。近年来,由于空间矢量概念对电机建模与控制的重要性,因此对多相逆变器空间矢量调制(SVPWM)研究得到了迅猛的发展[10]。n 相系统对应着 n-1 维的空间(n 一般为奇数,且星型负载只有一个中性点连接),设计一种 SVPWM 策略的常规方法是通过解耦矩阵或对阵分量法将 n-1 维空间分解为(n-1)/2 个子空间[17,18,20,31]。n 相逆变器所有的 2n个空间矢量同时出现在这些子平面中(定义为 d1-q1,d
2-q2…)。对于不同负载需求需要设计不同的 SVPWM 方法。 对于正弦磁动势分布的单电机多相驱动系统,需要逆变器仅有正弦电压输出。这样,参考电压只在 d1-q1 平面上有值,其他平面的上的参考值都为零,保证低次谐波不会出现在负载的输入中[19-27]。此时,输出电压中只包含一种频率的电压,对应的方法称之为单频率 SVPWM 方法。与之相对应的是多频率 SVPWM方法,包含两种情况:谐波注入的多相电机驱动系统和多电机串联多相驱动系统[11-16]。对于第一种情况,设计成具有非正弦反电动势的多相电机能够增加转矩,通过给五相集中绕组感应电机注入三次谐波电流,能够使气隙磁通密度接近于梯形而提升转矩[4-9]。基于此概念,利用空间 n-1 有效矢量合成所需的基波与三次谐波,可以满足电流谐波注入集中绕组交流电机的要求。使电机输入波形为平顶波,来提高铁心利用率。多相整距绕组感应电机采用非正弦 SVPWM 控制策略提升电机输出转矩的原因主要是,谐波电流产生的谐波磁场会减小气隙磁密的幅值,要保证气隙磁密幅值相等,则基波电压相应增大,直流母线电压利用率提高,从而提升转矩[49]。而第二种情况的多电机串联驱动系统,基于空间解耦理论,将一定数量的多相电机通过适当的相序转换规则串联起来,  由一台逆变器供电,利用各个独立的子平面上的空间电压矢量分别对所有串联的具有不同电压幅值以及频率的电机进行独立控制[36,37]。从 PWM 的观点来看,这两种情况都要求参考电压在多个 dq 平面中均有一定的幅值,同时需要对多个 dq 平面的参考值分别独立控制。因此对于逆变器有效矢量的选取以及参考矢量扇区的判断就不能仅以 d1-q1 平面的参考电压作参考,对参考电压的考虑从而变成一个多维的问题,这也就衍生出了对应多维 SVPWM 的多种调制策略。 
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第二章 多相逆变器多维 SVPWM 策略研究
 
多相逆变器空间矢量脉宽调制策略的常规方法是通过解耦矩阵或对称分量法将 n-1 维空间分解为(n-1)/2 个子空间。但是在实现多频率输出时面临着定义多维扇区和如何选择合理的空间电压矢量来合成多个参考矢量的难题。除去需要额外计算合成目标参考量的有效开关矢量以外,随着相数的增加,计算量也会随之增大。 本章内容利用空间相矢量合成多维参考矢量,省去扇区切换和各子空间有效矢量选择的困难,有效地减小了对处理器性能的依赖以及数字控制编程难度。并且利用零序矢量优化空间相矢量作用时间,减弱约束条件的限制。此外,文中还提出该算法的调制特性,通过对仿真波形的分析,探讨了调制特性的意义,优化输出波形。仿真和实验结果证明了此算法的可行性和有效性。 
 
2.1  多相逆变器拓扑
n 相两电平 VSI 的典型拓扑如图 1 所示,每个桥臂有上下两个开关器件,n相负载为星形连接。定义每一相的开关函数为 si,上桥臂开通时,si=1,下桥臂开通时 si=0。每一时刻,上下桥臂至多有一个开关动作,n 相桥臂开关可以组成2^n 种开关模式,分别对应着 2^n 个空间电压矢量,当某种开关模式下的各相负载有功率流动时,对应的空间矢量称之为有效电压矢量,否则称为零矢量,即开关模式为(00…0)和(11…1)的情况。
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2.2  空间相矢量多维 SVPWM 方法
传统空间电压矢量调制策略通常的步骤为判断扇区,选择有效电压矢量,计算作用时间。以五相逆变器为例,根据式(2-3)、(2-4),五相逆变器有效电压矢量在各 dq 平面的分布如图 2-2 所示。 在传统的五相系统调制算法中,利用目标参考电压所在扇区中的位置,最终选择d-q平面内四个有效电压矢量去合成目标参考电压(正弦电压的输出或多频电压输出)并得到周期内各个有效电压矢量的作用时间。通过整理作用时间最终得到类似于图2-4中周期内对称的四个有效电压矢量与零矢量(00000)、(11111)的作用时间分布图。但是随着相数的增长扇区数的提升,传统的调制算法的复杂程度会大大增加。 若合成目标参考电压的有效电压矢量为第一扇区中最外层四个矢量(10000)、 (11000)、(11001)、(11101),在周期内,这四个有效电压矢量与零矢量的作用时间分布如图2-4所示。图中31T 、0T 分别为零矢量(11111)(00000)的作用时间。观察图2-4,可以发现五相桥臂开关作用时间tk (k=a, b... e)与四个有效电压矢量(10000)、(11000)、(11001)、(11101)和零矢量(11111)的作用时间有如下关系:由于传统的五相调制策略利用子平面内四个有效电压矢量与零矢量最终都可以得到类似于图 2-4 中的时间分布图。那么,在传统的调制策略所用到的四个有效电压矢量与零矢量(11111)在周期内的作用时间都可以表示各相桥臂开关的作用时间。 
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第三章  运用 BSVV 的多电平多相 SVPWM 调制策略 .......... 26 
3.1 调制策略方程 .... 27 
3.2 算法分解 ..... 29 
3.3 算法分解中两电平多相系统调制策略 ......... 31 
3.4 多电平多相系统调制策略 ....... 32 
3.5 本章小结 ..... 34 
第四章  减小共模电压的 SVPWM 调制策略研究 ....... 35 
4.1 多相系统中的 CMV ......... 35 
4.2 多相空间矢量传统合成 CMV 分析 ...... 37 
4.2.1 空间电压矢量与 CMV 的关系 ........ 37 
4.2.2 基于传统 SVPWM 减小 CMV 电压的策略分析.... 39 
4.3 BSVV 无扇区调制技术减小 CMV 电压 ......... 43 
4.4 仿真分析 .... 45 
4.5 本章总结 .... 46 
第五章  总结与展望 .... 48 
 
第四章  减小共模电压的 SVPWM 调制策略研究 
 
多相调制与控制策略在近期已经得到了广泛的发展,但是共模电压(CMV)在多相系统中的分析却并不多见。 由于 CMV 会引起电磁干扰,定子绕组的绝缘击穿,电流检测电路的故障激活以及损坏电机的漏电流,所以,在多相 PWM 调制技术中如何减小 CMV 已经成为一个十分重要的并值得关注的课题[50-52]。 本部分内容首先分析了三相系统以及五相系统中 CMV,并结合空间矢量概念,结合传统的调制方法,分析不同调制策略下 CMV 的差异。最终,通过总结并以前面章节所叙述的相桥臂电压调制方法,设计出减小共模电压的 SVPWM 调制策略,并且给出仿真分析。 
 
4.1 多相系统中的 CMV
由于多相系统在传统三相系统中具有大功率、高稳定性以及较低的谐波损耗,其地位越来越得以重视。本部分内容以五相系统为例,如下图所示,五相分布式绕组感应电机,以及五相两电平逆变器的连接系统已在图中给出。其中五相感应电机定子绕组空间角度相差 72?。 以五相系统为例,两电平五相 VSI 如图 4-1 所示。它有 25=32 个不同的开关状态开关函数 (0,1)kS ? 可以定义每一相桥臂的开关状态,当kS 为 1 的时候,表示第 K 相上桥臂开通,下桥臂关断。当kS 为 0 的时候,表示第 K 相下桥臂开通,上桥臂关断。逆变器的状态可以用五相开关状态来表示。 
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总结
 
随着多相技术与多电平系统的发展,多频多相空间矢量调制技术在国内外已经得到了广泛的关注。多相调制作为一种以多维方法进行分析与解决问题的技术,主要是通过分解成(n-1)/2 个空间独立子平面或直接进行多维向量合成的方法实现目标参考量的输出,最终实现工程实际中注入三次谐波的非正弦输出或电机串联上面的技术应用。本文针对主要的工程实际输出,完成如下的研究工作: 
(1)阅读研究国内外学科前沿研究成果,总结矢量调制技术的特点与共性,分析现今技术存在的弊端与可提升空间。 
(2)基于传统调制方法,提出一种空间相矢量多 SVPWM 调制策略。在五相逆变器基础上,用桥臂开关表示的空间相矢量在载波周期内去合成参考电压矢量,免去了选择扇区,节省了内存。并且引入零序空间矢量用来讨论调制范围及最佳0v 补偿量。并对 N 相系统进行扩展。通过实验证明,本方法能够明显提高直流电压的利用率,同时能够满足独立多频率输出时的情况,对于串联电机驱动系统,以及集中绕组电机的驱动有着重要的意义。 
(3)通过结合两电平多相逆变器技术与多电平系统调制策略进行结合改进,本文详细介绍了运用空间相矢量(BSVV)的新型多电平多相逆变调制技术,该算法通过运用相矢量 SVPWM 中调制特性,免除计算,通过将目标参考量整数部分与分数部分的拆合,直接得到多电平开关矢量与其各自作用时间,有效地避免了随着电平数上升所带来的空间矢量与扇区选择的复杂化,增加了算法的使用性能。 
(4)论文在最后通过分析总结 CMV 与相桥臂空间电压矢量调制技术结合,得到一种新型的改善 CMV 空间矢量调制技术,并在五相系统中得以实现。使结合新技术的调制方法除了与传统方法相比减少 80%的 CMV 的同时,还使算法得到了简化,仿真波形证明了此方法的有效性。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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