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高压大功率异步电动机驱动风机、泵类负载调速技术的研究

作　者: 江友华
导　师: 龚幼民
学　校: 上海大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 串级调速斩波 PWM整流器级联型多电平变频器载波相移PWM技术 FPGA
分类号: TM343
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

风机和水泵在国民经济各部门中,应用数量众多,耗电量巨大,存在严重的节流损耗,而对风机、泵类负载进行节能的有效方法就是对其进行调速,因此积极推广高压大功率风机、泵类负载的调速技术具有重大的国民经济意义。本文在客观分析国内外高压大功率异步电动机驱动风机、泵类负载相关调速技术现状并紧密结合中国实际国情的基础之上,认为转子侧的串级调速技术和定子侧的高压变频调速技术是两种比较好的调速方案,因此本文对这两种调速技术进行了较为全面的研究。在新型串级调速系统的研究中,阐述了内馈斩波串级调速基本原理和内馈电机基本结构,并分析了其效率、节能效果及启动等问题,然后致力于内馈斩波串级调速的工程应用及基于PWM整流技术的串级调速系统拓扑结构和控制策略的理论研究,其主要研究内容及研究结果如下:(1)采用DSP板件对内馈斩波串级调速系统中的斩波器实行数字式双闭环控制,并首次成功的应用于工业现场,取得良好的经济效益和社会效益。(2)采用状态空间平均法建立了内馈斩波串级调速系统的数学模型,以此为基础,按照工程设计方法设计了速度、电流双闭环调节器。此外,还研究了内馈斩波串级调速系统的斩波器占空比同电机转速之间的关系,发现它们之间呈现线性变化关系。(3)本文探索性地把PWM整流技术引入串级调速系统,不仅可以提高串级调速系统的功率因数和减少网侧谐波含量,还可以有效的防止逆变颠覆故障。同时借助瞬时无功功率理论,分析了基于PWM整流技术的串级调速系统提高功率因数的原理。(4)建立了应用于串级调速系统的电压型PWM整流器的静态解耦模型,以此为基础进行了系统设计,并通过仿真和实验验证了该方案的可行性。除此之外,对基于电流型PWM整流技术及双PWM技术的串级调速系统进行了一些理论探讨和仿真,并分析了应用于串级调速系统中的三相电流型PWM整流器开关模式及其等效特性。在高压变频调速系统的研究中,首先综述了定子侧高压变频器的拓扑结构和控制策略,然后主要致力于备受工业现场青睐的级联型多电平变频器及其相关特

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摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-37
  1.1 高压大功率异步电动机现有调速技术  12-13
  1.2 串级调速的发展与现状  13-18
  1.3 高压大功率变频器发展概述  18-32
    1.3.1 高压大功率变频器主电路拓扑  19-27
    1.3.2 高压大功率变频器控制策略  27-32
  1.4 课题研究的背景及意义  32-34
  1.5 本文研究的主要内容  34-37
第二章转子侧解决方案：新型串级调速系统  37-104
  2.1 数字式内馈斩波串级调速系统  37-71
    2.1.1 内馈斩波串级调速系统的工作原理  37-42
    2.1.2 内馈电机简介  42-43
    2.1.3 内馈斩波串级调速的效率及节能效果  43-45
    2.1.4 内馈斩波串级调速系统的启动  45-46
    2.1.5 内馈斩波串级调速系统的建模  46-49
    2.1.6 数字式双闭环内馈斩波串级调速  49-64
      2.1.6.1 数字式双闭环内馈斩波串级调速的内环—电流环  51-58
      2.1.6.2 数字式双闭环内馈斩波串级调速的外环—速度环  58-64
    2.1.7 Boost 斩波器及驱动电路  64-67
    2.1.8 内馈斩波串级调速系统的有源逆变  67-68
    2.1.9 现场调试及运行  68-71
  2.2 PWM 整流技术在串级调速系统中的应用  71-102
    2.2.1 基于电压型PWM 整流技术的串级调速系统  72-93
      2.2.1.1 电压型PWM 整流器的主电路及其工作原理  72-75
      2.2.1.2 电压型PWM 整流器静态解耦模型与分析  75-79
      2.2.1.3 应用于串级调速的PWM 整流器控制策略及系统设计  79-86
      2.2.1.4 基于PWM 整流技术的串级调速系统功率因数补偿原理  86-87
      2.2.1.5 三相电压型PWM 整流器的仿真与实验  87-93
    2.2.2 基于电流型PWM 整流技术的串级调速系统  93-100
      2.2.2.1 基于电流型PWM 整流技术的串级调速原理  93-94
      2.2.2.2 三相电流型PWM 整流器开关模式及其等效特性  94-97
      2.2.2.3 基于电流型PWM 整流技术的串级调速系统控制策略  97-100
    2.2.3 基于双PWM 整流技术的串级调速系统  100-102
  2.3 本章小结  102-104
第三章定子侧解决方案：级联型高压变频调速系统  104-147
  3.1 级联型多电平变频器工作原理  105-107
  3.2 几种阶梯波算法的分析与比较  107-112
  3.3 载波相移PWM 整流技术的基本原理及数学分析  112-119
    3.3.1 载波相移PWM 技术的基本原理  112-114
    3.3.2 载波相移PWM 技术的数学分析  114-119
  3.4 载波相移角度同级联型多电平变频器输出性能的关系  119-123
    3.4.1 θ=π/N 的载波相移方式  119-120
    3.4.2 θ=2π/N 的载波相移方式  120-123
  3.5 幅值调制比同变频器输出电压电平数的关系  123-125
  3.6 不对称级联型多电平变频器  125-132
  3.7 一种直流电压源最少化的多电平拓扑结构  132-135
  3.8 基于DSP 和FPGA 的多路PWM 脉冲发生器的设计  135-144
    3.8.1 基于DSP 和FPGA 的多路PWM 脉冲发生器  136-141
    3.8.2 实验验证  141-144
  3.9 本章小结  144-147
第四章总结与展望  147-153
  4.1 两种调速方案的比较  147-148
  4.2 全文总结  148-151
  4.3 展望  151-153
参考文献  153-161
作者在攻读博士学位期间完成的论文及科研成果  161-163
致谢  163-165

高压大功率异步电动机驱动风机、泵类负载调速技术的研究

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