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级联型逆变器控制方法及其在高压变频领域应用研究

作　者: 朱思国
导　师: 朱英浩; 欧阳红林
学　校: 湖南大学
专　业: 电气工程
关键词: H桥级联型多电平逆变器相移SPWM 单极性载波电流滞环控制 SVPWM 四象限运行简化空间矢量调制 FPGA
分类号: TM464
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高压变频调速技术是电力电子领域的一个制高点技术,涉及大功率交流电动机的各类负载调速和节能。高压变频器不像低压变频器一样具有成熟一致的拓扑结构。H桥级联型多电平逆变器由于具有模块化工程设计、利用低压元器件实现逆变器高压输出、便于逆变器故障冗余设计等特点而成为高压变频器主要的拓扑结构。H桥级联型逆变器由于需要实时控制众多功率开关器件,其调制方法一直是研究的热点与难点,本文重点研究与提出了适合于H桥级联型逆变器不同的调制方法,并寻找它们之间的相互关联性和规律,对不同调制方法进行了理论分析、仿真与实验验证,为提高H桥级联型逆变器在高压变频领域的控制性能提供了一些有效的方法,本文还对可以四象限运行的回馈级联型逆变器进行了研究。H桥级联型多电平逆变器由于存在多个H桥与众多的功率开关器件需要同步控制,其所需要的调制脉冲相比低压逆变器成倍增加,为了简化级联型逆变器PWM脉冲的求取,“相移原理”是在求出H桥级联型逆变器第一层H桥PWM脉冲后得到其它各层H桥PWM脉冲最简单与直观的方法。本文以H桥级联型逆变器最常用的调制方法—“相移SPWM"为基础,通过改变相移SPWM的“双极性载波”分别为“反向单极性载波”与“同相单极性载波”推出了适合于H桥级联型逆变器的“新型载波反向相移SPWM"与“新型载波同向相移SPWM",该调制方式在一个调制波周期中使功率开关器件有半个周期处于常开或常闭状态,可以有效减小开关损耗。以推出的新型载波相移SPWM为基础,改变其以三角载波与正弦调制波相比较的脉冲产生方式为电流滞环控制脉冲产生方式推出了适合于H桥级联型逆变器的“变环宽恒频电流滞环控制方法”,其可以实现逆变器实际输出电流对给定电流的快速跟踪。本文以H桥级联型逆变器相移SPWM为基础,改变其脉冲产生方式为SVPWM,推出了适合于H桥级联型逆变器的“相移SVPWM"。SVPWM其在二电平逆变器高性能的矢量控制中得到了广泛运用。SVPWM实质也是由SPWM演变而来,SVPWM仅适用于只有八个开关状态的二电平逆变器,而不能直接运用于拥有大量开关状态的H桥级联型逆变器。本文从H桥级联型逆变器拓扑结构出发,推出了H桥级联型逆变器电压输出实质为其各H桥左桥臂形成的二电平逆变器组与各H桥右桥臂形成的二电平逆变器组输出电压之差,从而利用相移原理与SVPWM推出了适合于H桥级联型逆变器的“相移SVPWM"。本文还对H桥级联型逆变器基于相移SVPWM对电机实行“按转子磁场定向矢量控制”进行了研究。相移原理侧重于H桥级联型逆变器调制脉冲的简易产生与逆变器每相各H桥输出PWM电压的相移叠加,但其很难通过对调制方法的改进来实现级联型逆变器输出性能的优化,为此本文对H桥级联型逆变器45。坐标系下简化空间矢量调制与性能优化进行了研究。H桥级联型逆变器简化空间矢量调制中,需要采样逆变器输出电压在每个采样周期中的电压矢量,此时可以对每个采样周期中单个电压矢量的调制方法进行改变来实现H桥级联型逆变器输出性能的改善。本文对H桥级联型逆变器45。坐标系下“优化开关频率的调制算法”和“抑制逆变器零序电压输出的调制算法”进行了研究,其分别可以有效减小逆变器开关损耗与减小逆变器输出电压在电机中形成的共模电压。本文还对具有回馈功能的H桥级联型逆变器进行了研究,为级联型逆变器在需要四象限运行的场合提供了一定理论基础。对以上本文提出的各种调制方法在理论分析的同时,在文中辅以大量的仿真波形,说明了所提方法的正确性与有效性。本文最后对H桥级联型逆变器在高压变频领域的应用进行了工程化设计。对H桥级联型逆变器主要控制部分电路进行了软硬件设计,其包括：基于FPGA的多路脉冲触发器设计和基于DSP的主控制部分硬件电路设计与软件设计等。对本文所提的各种调制方法在H桥级联型高压变频器工程装置上进行了实验验证,给出了各种实验波形,验证了本文所提各调制方法的正确性,其对促进H桥级联型逆变器在高压变频领域的应用具有很好的工业应用前景。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
插图索引  13-17
附表索引  17-18
第1章绪论  18-37
  1.1 变频调速研究现状与进展  18
  1.2 高压变频器研究现状与发展方向  18-20
    1.2.1 高压变频器国内外发展现状  18-20
    1.2.2 高压变频器研究方向  20
  1.3 高压变频器拓扑结构  20-30
    1.3.1 交-交型高压变频器  21-22
    1.3.2 二电平型高压变频器  22-23
    1.3.3 多电平型高压变频器  23-30
  1.4 级联型多电平逆变器控制方法  30-35
    1.4.1 指定谐波消除法  30-31
    1.4.2 多载波PWM法  31-34
    1.4.3 多电平电压空间矢量调制法  34-35
  1.5 论文的主要工作  35-37
第2章级联型逆变器新型载波调制与电流滞环控制  37-57
  2.1 单极性SPWM与双极性SPWM  37-39
    2.1.1 载波反向与载波同向单极性调制算法  37-38
    2.1.2 双极性调制算法  38-39
  2.2 相移SPWM中载波相移角度对逆变器输出性能的影响  39-43
    2.2.1 相移SPWM的数学分析  39-42
    2.2.2 相移SPWM输出性能仿真  42-43
  2.3 基于单极性SPWM的新型载波相移调制  43-48
    2.3.1 单个H桥新型载波SPWM  43-44
    2.3.2 新型载波相移SPWM  44-45
    2.3.3 新型载波相移SPWM数学模型与谐波特性分析  45-47
    2.3.4 新型载波相移SPWM仿真结果  47-48
  2.4 基于单极性SPWM的电流滞环控制  48-55
    2.4.1 H桥两态滞环控制原理  49-50
    2.4.2 H桥单极性两态滞环控制  50-51
    2.4.3 简化变环宽恒频电流滞环控制  51-53
    2.4.4 级联逆变器变环宽恒频单极性电流滞环控制  53-54
    2.4.5 级联型逆变器基于电流滞环控制仿真  54-55
  2.5 本章小结  55-57
第3章级联型逆变器相移SVPWM与矢量控制  57-78
  3.1 二电平逆变器SVPWM与其SPWM的等效实现  57-63
    3.1.1 二电平逆变器SVPWM  57-59
    3.1.2 SVPWM利用SPWM的等效实现  59-63
  3.2 级联型逆变器相移SVPWM  63-72
    3.2.1 级联型逆变器与二电平逆变器本质联系  63-66
    3.2.2 单个H桥级联型逆变器SVPWM法  66-70
    3.2.3 每相N个H桥级联型逆变器相移SVPWM法  70-71
    3.2.4 级联型逆变器相移SVPWM谐波特性分析  71-72
  3.3 相移SVPWM用于电机按转子磁场定向矢量控制  72-75
    3.3.1 矢量控制系统基本思路  73-74
    3.3.2 基于相移SVPWM的按转子磁场定向矢量控制  74-75
  3.4 仿真研究  75-77
  3.5 本章小结  77-78
第4章级联型逆变器调制性能优化与回馈性研究  78-97
  4.1 45°坐标系下级联型逆变器简化空间矢量调制  78-81
    4.1.1 参考电压矢量所在扇区简单定位  79-80
    4.1.2 基本矢量作用时间简化计算  80-81
  4.2 45°坐标系下级联型逆变器输出性能优化  81-86
    4.2.1 45°坐标系下级联逆变器开关频率优化算法  81-85
    4.2.2 45°坐标系下级联逆变器零序电压抑制算法  85-86
  4.3 45°坐标系下级联型逆变器输出仿真结果  86-88
  4.4 回馈级联型逆变器研究  88-96
    4.4.1 回馈级联型多电平逆变器结构  88-89
    4.4.2 回馈级联型逆变器整流部分控制  89-94
    4.4.3 回馈级联型逆变器逆变部分简化空间矢量调制  94
    4.4.4 回馈级联型逆变器仿真结果  94-96
  4.5 本章小结  96-97
第5章高压级联型逆变器工程设计与实验结果  97-120
  5.1 H桥级联型高压变频器工程实验装置研制  97-101
    5.1.1 H桥级联型高压变频器整体结构设计  97-99
    5.1.2 H桥(功率单元)设计  99-100
    5.1.3 H桥级联型高压变频器控制部分设计  100-101
  5.2 基于FPGA多路脉冲触发器设计  101-107
    5.2.1 多路脉冲触发器设计原理  102-103
    5.2.2 多路脉冲触发器中高速存储ram设计  103-104
    5.2.3 多路脉冲触发器中触发单元(PWMTrig)设计  104
    5.2.4 多路脉冲触发器中FPGA与DSP接口设计  104-105
    5.2.5 多路脉冲触发器仿真与实验结果  105-107
  5.3 高压变频器基于DSP主控制软硬件设计  107-113
    5.3.1 DSP部分主要控制功能及硬件电路设计  108-110
    5.3.2 DSP主程序与部分模块程序结构  110-113
  5.4 H桥级联型高压变频器实验结果与分析  113-119
    5.4.1 新型载波相移SPWM与电流滞环控制实验波形  113-115
    5.4.2 相移SVPWM实验波形  115-117
    5.4.3 45°坐标系下调制性能优化与回馈性实验波形  117-119
  5.5 本章小结  119-120
总结和展望  120-124
参考文献  124-132
致谢  132-133
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  133-134
附录B 攻读学位期间所参与的研究项目  134-135
附录C H桥级联型高压变频器DSP主控制板设计电路  135-136
附录D 6KV-2000KW级联型高压变频器长沙电厂现场运行图  136-137
附录E 6KV-2000KW级联型高压变频器长沙电厂验收报告  137

级联型逆变器控制方法及其在高压变频领域应用研究

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