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基于中点箝位H桥五电平逆变器的高压变频调速系统研究

作　者: 谭维胜
导　师: 王辉
学　校: 湖南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 高压变频调速 SVPWM 异步电机矢量控制
分类号: TM464
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高压变频调速装置具有广阔的市场应用前景，开展高压变频调速技术相关研究对于节约能源、环境保护以及促进高压变频调速技术的发展和应用具有十分重大的意义。高压变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。本文的研究重点为高压变频系统的功率变换器及其脉宽调制技术和电机矢量控制技术等。本文阐述了开展高压变频调速系统相关研究的背景及意义，针对高压变频器的应用和高压变频调速技术的国内外研究现状及发展趋势进行了深入的分析。介绍了高压变频器的基本结构组成和高压变频器主电路的几种常用拓扑以及它们各自的特点，并选用中点箝位H桥五电平逆变器这一些新型逆变器拓扑作为本文高压变频器主电路拓扑，文中给出了基于中点箝位H桥五电平逆变器的高压变频器主电路的拓扑结构。根据二极管中点箝位（NPC）H桥五电平逆变器的拓扑结构及其工作原理，本文提出了一种新的适用于五电平逆变器的电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法。该算法利用十二条规则来判断参考电压所在位置，为避免逆变器在扇区切换中输出矢量突变，采用了使两相邻小三角形区域输出矢量变化方向相反的方法。文中研究了该算法控制五电平逆变器的实现方法和具体步骤，并进行了仿真。结果表明，本文提出的SVPWM算法是正确且有效的，与传统的SPWM方法相比，逆变器输出线电压的谐波含量明显减少，其基波电压的幅值也得到了明显的提高。本文最后设计了一种基于DSP和FPGA的硬件控制电路，其中FPGA主要用于实现SVPWM算法。文中给出该算法利用FPGA实现的具体方法和步骤，并且利用Quartus II软件对该算法进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果与理论计算相符，验证了本设计是正确可行的。文中根据交流异步电机的数学模型及其按转子磁链定向矢量控制基本原理，在Matlab/Simulink环境下构建了基于中点箝位H桥五电平逆变器和电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法的交流异步电机矢量控制变频调速系统仿真模型。文章最后对整个控制系统进行了仿真研究，仿真结果表明了该矢量变频控制系统具有良好的静动态性能，转速和转矩的响应速度快，转矩脉动较小，系统的抗扰动能力强，验证了控制算法。建立的仿真模型可以为实际编程提供思路，对进一步研究变频调速控制系统的数字化实现具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
  1.2 高压变频器的应用  11-12
  1.3 高压变频技术的研究现状及发展趋势  12-16
    1.3.1 高压变频技术的研究现状  12-15
    1.3.2 高压变频技术的发展趋势  15-16
  1.4 本文开展的主要工作  16-17
第2章高压变频器主电路拓扑设计  17-27
  2.1 高压变频器概述  17-18
  2.2 高压变频器的结构组成  18
  2.3 高压变频器主电路常用拓扑  18-23
    2.3.1 电流型多电平逆变器  19
    2.3.2 电压型多电平逆变器  19-23
  2.4 基于五电平逆变器的高压变频器主电路拓扑设计  23-26
    2.4.1 中点箝位 H 桥五电平逆变器拓扑电路及其优点  24-25
    2.4.2 基于中点箝位 H 桥五电平逆变器高压变频器主拓扑  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章中点箝位 H 桥五电平逆变器 SVPWM 算法研究  27-48
  3.1 逆变器输出五种电平对应开关状态  27
  3.2 五电平逆变器空间矢量脉宽调制基本原理  27-34
    3.2.1 扇区划分及空间矢量图  27-29
    3.2.2 五电平逆变器空间矢量脉宽调制方法  29-34
  3.3 五电平逆变器 SVPWM 算法的建模与仿真  34-41
    3.3.1 扇区判断和小三角形区域判断子模块  34-36
    3.3.2 矢量作用时间计算子模块  36-37
    3.3.3 三相电压矢量输出子模块  37-38
    3.3.4 仿真结果及其分析  38-41
  3.4 五电平逆变器 SVPWM 算法的硬件实现  41-47
    3.4.1 基于 DSP 和 FPGA 的硬件控制系统总体设计  41
    3.4.2 DSP 与 FPGA 接口电路设计  41-42
    3.4.3 基于 FPGA 的五电平逆变器 SVPWM 算法的实现  42-44
    3.4.4 仿真和实验结果  44-47
  3.5 本章小结  47-48
第4章异步电机矢量变频控制系统设计  48-64
  4.1 异步电机动态数学模型  48-51
  4.2 转子磁链定向异步电机矢量控制基本原理  51-52
  4.3 异步电机矢量控制系统控制器参数的优化设计  52-55
    4.3.1 磁链调节器的设计  52-53
    4.3.2 转矩调节器的设计  53-54
    4.3.3 转速调节器的设计  54-55
  4.4 高压变频器输出滤波器设计  55-56
  4.5 异步电机矢量控制系统仿真模型的建立  56-59
    4.5.1 Park 变换与 Clarke 变换  57-58
    4.5.2 转子磁链计算模块  58
    4.5.3 解耦电路模块  58
    4.5.4 转速环 PI 调节器仿真模块  58-59
  4.6 异步电机矢量控制系统仿真及结果分析  59-63
  4.7 本章小结  63-64
结论  64-66
参考文献  66-70
致谢  70-71
附录 A 攻读学位期间发表的论文目录  71

基于中点箝位H桥五电平逆变器的高压变频调速系统研究

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