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用于变频调速装置的三相PWM整流器若干技术问题研究

作　者: 尹忠刚
导　师: 钟彦儒
学　校: 西安理工大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: PWM整流器双单输入单输出 Markov链随机PWM 两桥臂三电平混沌
分类号: TM461
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

PWM整流器用于变频调速装置既可以实现能量的双向流动,又具有网侧单位功率因数控制、谐波含量少、动态响应快等优点,减小了对电网的污染,同时可以达到节能的效果。本文对PWM整流器的数学模型及其控制策略进行研究,采用基于Markov链的随机PWM技术减小PWM整流器的传导EMI和高频噪音,并对其混沌行为进行分析和验证；对三电平PWM整流器,研究了新型的拓扑结构、数学模型及控制策略。对三相两电平PWM整流器的拓扑结构与工作模式进行了分析,建立了PWM整流器的低频时域模型和高频时域模型；针对PWM整流器的整流状态,提出了一种基于12区间的PWM整流器双单输入单输出(DSISO)模型,将PWM整流器等效为两个与传统单相升压变换器类似的电路结构,大大简化了对PWM整流器的分析；基于该模型,推导了小信号模型,建立了三相PWM整流器从控制到输出的传递函数；对系统受到干扰时系统参数的变化进行了分析,从输入输出功率相等的角度,提出了系统参数设计需满足的条件；根据空间电压矢量调制和伏秒特性理论,提出了开关信号由两相静止坐标系到三相静止坐标系变换时的控制策略；仿真和实验结果验证了12区间DSISO模型及其控制策略的可行性。为了简化系统结构、提高系统可靠性,结合12区间DSISO模型的特点,提出了一种基于12区间DSISO模型的无交流电压传感器PWM整流器控制策略；设计了一种区间自同步控制器,它可以根据对指定物理量的判断对区间做出正确的选择；仿真结果验证了无交流电压传感器控制策略的有效性。为了解决基于12区间的DSISO模型能量不能双向流动的问题,提出了一种基于6区间的三相PWM整流器DSISO模型,仍然是基于α-β静止参考坐标系,将三相PWM整流器等效为两个单相全桥PWM整流器,该模型能够实现能量的双向流动,并对其控制策略进行了研究。完成了电阻负载条件下的PWM整流运行、电机空载条件下的能量回馈实验和电机带载条件下的能量回馈实验,实验结果验证了基于6区间DSISO模型及其控制策略的有效性。研究了Markov过程与Markov链的工作原理与特点,并对两状态Markov链和三状态Markov链进行了详细的分析；提出了一种基于两状态Markov链的PWM整流器随机PWM技术,能够使随机数均匀地分布在期望随机数的周围,并使随机开关频率分布更加均匀,从而使输入电流频谱分布更加均匀,减小了PWM整流器的传导EMI和高频噪音,而且与常规随机PWM相比,输入电流的纹波明显减小,该方法有效地解决了常规随机PWM技术产生的时域与频域之间的矛盾。仿真和实验结果验证了算法的有效性。研究了三相三电平PWM整流器的新型拓扑,分析了四线制三桥臂非对称三电平PWM整流器和三相两桥臂中性点二极管箝位PWM整流器的数学模型和工作模式。对于三相两桥臂三电平中性点二极管箝位PWM整流器,系统分析了数学模型和工作模式,针对其PWM整流状态,提出了一种基于12区间的DSISO模型,在两相静止坐标系中将三相两桥臂三电平PWM整流器简化为两个与传统单相升压变换器类似的电路结构。根据空间矢量调制和伏秒特性理论,分析了各开关信号由两相静止坐标系到三相静止坐标系变换时的控制策略。通过仿真结果验证了三相两桥臂三电平PWM整流器及其DSISO控制策略的有效性。基于三相两电平PWM整流器的6区间DSISO模型,以混沌动力学理论为基础,采用相空间重构法对PWM整流器的非线性特性进行了深入研究,依据相图法和绘制功率谱进行定性混沌分析,对单变量的时间序列求取最大Lyapunov指数和关联维数进行定量混沌分析。通过分析、计算和仿真,验证了PWM整流器具有典型的混沌特征。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-24
  1.1 立题背景及课题研究意义  11-13
    1.1.1 通用变频器制动方式  11
    1.1.2 PWM整流器用于变频调速装置的意义  11-13
  1.2 PWM整流器研究背景  13-16
    1.2.1 PWM整流器研究现状  13-15
    1.2.2 PWM整流器新颖控制策略  15-16
  1.3 随机PWM技术研究背景  16-19
    1.3.1 随机PWM技术分类  16-18
    1.3.2 随机PWM技术研究现状  18-19
  1.4 三相PWM整流器混沌行为研究的意义  19-21
    1.4.1 电力电子系统混沌行为研究现状  20-21
    1.4.2 三相PWM整流器混沌行为研究的目的及意义  21
  1.5 论文主要内容  21-24
2 基于12区间的三相两电平PWM整流器DSISO模型及其控制策略  24-50
  2.1 两电平PWM整流器拓扑结构  24-26
  2.2 电压型两电平PWM整流器数学模型  26-34
    2.2.1 PWM整流器的低频数学模型  26-28
    2.2.2 基于开关函数的高频数学模型  28-30
    2.2.3 工作模式分析  30-34
  2.3 基于12区间的PWM整流器DSISO模型  34-36
  2.4 基于DSISO模型的空间电压矢量控制策略  36-38
  2.5 基于12区间DSISO模型的小信号模型  38-39
  2.6 参数设计需满足的条件  39-41
  2.7 基于12区间DSISO模型的PWM整流器仿真研究  41-42
    2.7.1 仿真模型  41
    2.7.2 仿真结果  41-42
  2.8 基于12区间DSISO模型的PWM整流器实验研究  42-45
    2.8.1 实验平台设计  42
    2.8.2 实验结果  42-44
    2.8.3 系统参数设计需满足的条件实验验证  44-45
  2.9 基于12区间DSISO模型的无交流电压传感器控制策略  45-48
    2.9.1 无交流电压传感器控制策略的提出  45
    2.9.2 基于12区间DSISO模型的无交流电压传感器控制策略  45-46
    2.9.3 区间自同步控制器的设计  46-47
    2.9.4 无交流电压传感器的控制策略仿真研究  47-48
  2.10 本章小结  48-50
3 基于6区间的三相两电平PWM整流器DSISO模型及其控制策略  50-65
  3.1 基于6区间的三相两电平PWM整流器DSISO模型  50-51
  3.2 6区间DSISO模型的区间划分方式  51
  3.3 基于6区间DSISO模型的PWM整流器换流方式  51-55
  3.4 6区间DSISO模型工作模式  55-56
  3.5 基于6区间DSISO模型的PWM整流器控制策略  56-59
  3.6 基于6区间DSISO模型的PWM整流器实验研究  59-64
    3.6.1 电阻负载实验  59-61
    3.6.2 电机空载条件下的能量回馈实验  61-63
    3.6.3 电机带载条件下的能量回馈实验  63-64
  3.7 本章小结  64-65
4 基于Markov链的三相PWM整流器随机PWM技术研究  65-83
  4.1 基于Markov链的三相PWM整流器随机PWM技术  65-70
    4.1.1 Markov过程与Markov链  65-67
    4.1.2 基于Markov链随机PWM技术的提出  67-68
    4.1.3 两状态Markov链随机PWM技术  68
    4.1.4 三状态Markov链随机PWM技术  68-70
  4.2 随机数软件生成策略  70-76
    4.2.1 随机数软件生成方法  70-71
    4.2.2 无Markov链算法的随机数统计  71-73
    4.2.3 基于两状态Markov链算法的随机数统计  73-76
    4.2.4 两种随机数比较分析  76
  4.3 仿真结果  76-78
  4.4 实验结果  78-81
    4.4.1 两状态Markov链的软件设计  78-79
    4.4.2 常规随机开关频率和基于两状态Markov链随机开关频率实验统计  79-80
    4.4.3 实验结果及分析  80-81
  4.5 本章小结  81-83
5 三相三电平PWM整流器新型拓扑及其控制策略  83-100
  5.1 三相三电平PWM整流器的新型拓扑  83-84
  5.2 四线制非对称三桥臂三电平PWM整流器拓扑及工作模式分析  84-88
    5.2.1 电路拓扑  84-85
    5.2.2 数学模型分析  85-86
    5.2.3 工作模式分析  86-88
  5.3 三相两桥臂三电平PWM整流器电路拓扑及工作模式分析  88-91
    5.3.1 电路拓扑  88-89
    5.3.2 工作模式分析  89-91
  5.4 数学模型分析  91-94
    5.4.1 abc坐标系下数学模型  91-93
    5.4.2 基于PWM整流状态的DSISO模型  93-94
  5.5 基于DSISO模型的空间电压矢量控制策略  94-97
  5.6 仿真验证  97-99
    5.6.1 控制结构  97-98
    5.6.2 仿真结果及分析  98-99
  5.7 本章小结  99-100
6 基于6区间DSISO模型的三相两电平PWM整流器混沌行为研究  100-120
  6.1 三相PWM整流器混沌行为研究方法  100-103
    6.1.1 混沌学的基本术语  100-101
    6.1.2 PWM整流器混沌行为研究方法  101-102
    6.1.3 PWM整流器混沌行为研究步骤  102-103
  6.2 时延嵌入重构相空间法在三相PWM整流器中的应用  103-106
    6.2.1 时延嵌入重构相空间法  103-105
    6.2.2 三相PWM整流器非线性行为相轨迹分析  105-106
  6.3 混沌时序相空间重构的参数选取  106-111
    6.3.1 延迟时间  106-108
    6.3.2 嵌入维数  108-110
    6.3.3 三相PWM整流器重构参数求取  110-111
  6.4 PWM整流器混沌时序的特征量  111-118
    6.4.1 Lyapunov指数  111-113
    6.4.2 基于小数据量算法的PWM整流器Lyapunov指数计算  113-114
    6.4.3 关联维数  114-115
    6.4.4 关联维数检验延迟时间与嵌入维数  115-116
    6.4.5 功率谱分析  116-118
  6.5 三相PWM整流器处于PWM逆变时的非线性行为分析  118-119
  6.6 本章小结  119-120
7 结束语  120-123
  7.1 主要结论  120-121
  7.2 论文创新点  121
  7.3 今后研究工作设想  121-123
致谢  123-124
参考文献  124-137
在校学习期间发表的论文  137-138

用于变频调速装置的三相PWM整流器若干技术问题研究

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