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基于新型调制方式的级联型高压变频器的研究

作　者: 阎德健
导　师: 欧阳红林
学　校: 湖南大学
专　业: 电气工程
关键词: 级联型变频器多电平逆变器单极性SPWM 载波移相电流滞环调制
分类号: TM921.51
类　型: 硕士论文
年　份: 2012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桥级联型逆变器的两种调制方法，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。本文以H桥级联型逆变器常用的调制方法“相移SPWM”为基础，通过改变相移SPWM的“双极性载波”为“反向单极性载波”，推出了适合于H桥级联型逆变器的“新型载波反向相移SPWM”。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调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调制方法”，可以实现逆变器实际输出电流对给定电流的快速跟踪。最后本文对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桥级联型高压变频器工程装置设计，主要对电路拓扑结构设计、控制部分电路软硬件设计等进行了介绍。重点研究了利用FPGA构造的多路PWM脉冲发生器，其具有以下特点：FPGA内部采用模块化功能块设计；FPGA与DSP数据接口设计简单；对逆变器不同的调制算法只需改变DSP程序而不需改变FPGA内部的构造程序；FPGA外围硬件电路设计简单等。最后给出了级联型高压变频器的输出波形。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 引言  11
  1.2 国内外高压变频器发展现状与研究方向  11-14
    1.2.1 高压变频器国内外发展现状  11-13
    1.2.2 高压变频器研究方向  13-14
  1.3 多电平变换技术的研究与应用现状  14-15
  1.4 本文的主要研究内容  15-17
第2章多电平变换器的拓扑结构及控制方法  17-30
  2.1 高压变频器的拓扑结构  17-19
    2.1.1 交-交型高压变频器  17
    2.1.2 二电平型高压变频器  17-19
    2.1.3 多电平型高压变频器  19
  2.2 多电平功率变换拓扑及其工作原理  19-25
    2.2.1 二极管钳位式多电平逆变器的结构特点和工作原理  19-21
    2.2.2 飞跨电容式多电平逆变器  21-23
    2.2.3 级联型多电平逆变器  23-25
  2.3 级联型多电平逆变器的调制方法  25-29
    2.3.1 指定谐波消除法  25-26
    2.3.2 空间电压矢量 PWM  26-27
    2.3.3 多载波 PWM 法  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章级联型逆变器基于新型单极性 SPWM 的载波调制的研究  30-44
  3.1 单极性 SPWM 与双极性 SPWM  30-32
    3.1.1 载波反向单极性调制算法  30-31
    3.1.2 双极性调制算法  31-32
  3.2 相移 SPWM 中载波相移角度对逆变器输出性能的影响  32-36
    3.2.1 相移 SPWM 的数学分析  32-35
    3.2.2 相移 SPWM 输出性能仿真  35-36
  3.3 基于新型单极性 SPWM 的载波相移调制  36-39
    3.3.1 新型单极性 SPWM 原理  36-37
    3.3.2 SPWM 开关点计算方法的实现  37-38
    3.3.3 单相 H 桥级联新型单极性载波 SPWM  38-39
  3.4 新型载波相移 SPWM 的数学模型和谐波分析  39-40
  3.5 新型单极性载波相移 SPWM 的仿真  40-43
    3.5.1 MATLAB/SIMULINK 简介  40
    3.5.2 新型载波相移 SPWM 的仿真模型  40-42
    3.5.3 新型载波相移 SPWM 的输出结果与分析  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章级联型逆变器基于新型单极性 SPWM 的电流滞环调制的研究  44-53
  4.1 H 桥两态滞环控制原理  44-46
  4.2 H 桥单极性电流滞环调制  46
  4.3 简化变环宽恒频电流滞环调制  46-48
  4.4 级联逆变器变环宽恒频单极性电流滞环调制  48-49
  4.5 基于单极性 SPWM 的电流滞环调制的仿真  49-51
    4.5.1 单个 H 桥滞环控制的仿真模型  49-50
    4.5.2 级联型逆变器 A 相电流滞环调制的仿真模型  50-51
    4.5.3 级联型逆变器基于电流滞环调制仿真结果及分析  51
  4.6 本章小结  51-53
第5章基于 DSP 和 FPGA 的新型调制方式的高压变频器硬件设计  53-69
  5.1 级联功率单元主电路的总体结构  53-54
  5.2 H 桥级联型高压变频器控制部分简介  54-55
  5.3 H 桥级联型逆变器基于 FPGA 多路脉冲触发器设计  55-61
    5.3.1 多路脉冲触发器设计原理  56-57
    5.3.2 多路脉冲触发器中高速存储 ram 设计  57-58
    5.3.3 多路脉冲触发器中触发单元（PWMTrig）设计  58
    5.3.4 多路脉冲触发器中 FPGA 与 DSP 接口设计  58-59
    5.3.5 多路脉冲触发器仿真与实验结果  59-61
  5.4 H 桥级联型高压变频器基于 DSP 主控制软硬件设计  61-66
    5.4.1 单元 DSP 控制板光通讯接口电路  62-63
    5.4.2 单元控制板 DSP 的最小系统  63
    5.4.3 主控单元多路光纤接口转换电路  63-64
    5.4.4 用户接口端设计  64-65
    5.4.5 双 DSP 控制板 CAN 通讯接口设计  65-66
  5.5 H 桥级联型高压变频器实验结果与分析  66-68
  5.6 本章小结  68-69
总结和展望  69-70
参考文献  70-73
致谢  73-74
附录 A 攻读学位期间发表的论文  74-75
附录 B 高压变频器样机  75-76
附录 C 6kV-2000kW 级联型高压变频器长沙电厂现场运行图  76

基于新型调制方式的级联型高压变频器的研究

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