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基于转子磁链定向矢量控制三电平变频器的设计与研究

作　者: 高辉
导　师: 边春元
学　校: 东北大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 三电平变频器 SVPWM 异步电机矢量控制转子磁链
分类号: TM921.51
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的不断创新发展,交流调速取代直流调速已成为现代电气传动的主要发展方向之一,而交流变频调速技术是当今节电,改善工艺流程以提高产品质量和改善环境,推动技术进步的一种主要手段。二极管箝位型三电平变频器具有主电路结构简洁,控制方法比较简单,产品体积小成本低,可靠性高等优点,因此得到了广泛的应用。本文主要是基于转子磁链矢量控制原理的三电平变频器的研究。本文首先综述了三电平变频器和矢量控制技术的发展现状。介绍了二极管箝位型三电平逆变器主电路的拓扑结构和工作原理,分析了电路的三种工作状态。在分析传统三电平SVPWM算法的基础上,介绍了更适于数字控制实现的60度坐标系的三电平SVPWM算法。分析介绍了三电平逆变器中点电位不平衡问题和控制策略。利用Matlab/Simulink仿真功能验证了理论分析的正确性。介绍了异步电机在三相静止坐标系上的数学模型,通过坐标变换,得到了到任意二相旋转坐标和二相静止坐标系上的数学模型。在此基础上介绍了二相同步旋转坐标和按转子磁链定向的二相同步旋转坐标系上的数学模型。通过分析磁场等效原理介绍了矢量控制的基本原理。进而介绍了按转子磁链定向矢量控制的原理。设计了以电流环为内环,速度环为外环的双闭环控制系统。利用Matlab/Simulink仿真验证了控制系统具有很好的动态响应和稳态精度,。最后,设计了以TMS320F28335为核心的硬件控制电路,在三电平逆变器实验平台上对三电平控制算法和矢量控制系统进行了实验研究,实验结果表明：本文选取的控制算法是正确的,对中点电位平衡的控制策略是有效的,控制系统实现了对电机转矩和磁链的解耦控制,具有良好的动态响应和稳态精度。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-15
  1.1 课题研究背景和意义  11-12
  1.2 多电平变频器的发展综述  12-13
  1.3 转子磁链定向矢量控制技术的发展概述  13
  1.4 本文的主要内容  13-15
第2章二极管箝位型三电平逆变器的SVPWM算法研究  15-37
  2.1 二极管箝位型三电平逆变器工作原理  15-17
    2.1.1 主电路结构  15-16
    2.1.2 开关状态  16-17
    2.1.3 三电平逆变器工作状态的转换  17
  2.2 三电平逆变器中点电位平衡研究  17-22
    2.2.1 三电平逆变器的空间电压矢量  17-19
    2.2.2 中点电位不平衡的原因  19-21
    2.2.3 中点电位不平衡造成的危害  21
    2.2.4 控制中点电位平衡的方法  21-22
  2.3 传统三电平逆变器的SVPWM算法  22-26
    2.3.1 扇区判断  23-24
    2.3.2 矢量作用时间计算  24-25
    2.3.3 矢量作用顺序的选择及时间分配  25-26
  2.4 60°坐标系三电平逆变器的SVPWM算法  26-31
    2.4.1 坐标变换  27-28
    2.4.2 扇区判断  28-29
    2.4.3 矢量作用时间的计算  29-30
    2.4.4 驱动信号的生成  30-31
  2.5 中点电位平衡的控制策略  31-33
  2.6 三电平SVPWM算法的仿真  33-36
  2.7 本章小结  36-37
第3章异步电机的矢量控制  37-53
  3.1 三相异步电机的数学模型  37-44
    3.1.1 三相坐标系下的数学模型  37-39
    3.1.2 坐标变换和坐标阵  39-41
    3.1.3 任意二相旋转坐标系上的数学模型  41-42
    3.1.4 二相静止坐标系下的数学模型  42-43
    3.1.5 二相同步旋转坐标系上的数学模型  43
    3.1.6 二相同步旋转坐标系上按转子磁链定向的数学模型  43-44
  3.2 矢量控制的基本思路  44-46
    3.2.1 磁场的等效原理  44-45
    3.2.2 矢量控制的基本原理  45-46
  3.3 按转子磁链定向的异步电动机矢量控制  46-51
    3.3.1 其它磁链定向方法  46-47
    3.3.2 按转子磁链定向的控制方程式  47-48
    3.3.3 直接磁场定向  48-50
    3.3.4 间接磁场定向  50-51
  3.4 本章小结  51-53
第4章三电平矢量控制系统的仿真研究  53-65
  4.1 矢量控制系统的设计  53-54
  4.2 矢量控制系统中调节器的设计问题  54-57
    4.2.1 电流环PI调节器的设计  54-56
    4.2.2 转速环PI调节器的设计  56-57
  4.3 间接磁场定向双闭环控制系统的仿真  57-64
    4.3.1 Simulink仿真模型  57-58
    4.3.2 仿真结果及其分析  58-64
  4.4 本章总结  64-65
第5章控制系统设计和实验结果  65-75
  5.1 TMS320F28335简介  65
  5.2 控制系统的硬件设计  65-71
    5.2.1 DSP外围电路  66-68
    5.2.2 检测电路  68-70
    5.2.3 码盘接口电路  70
    5.2.4 电平转换电路  70-71
  5.3 实验结果及其分析  71-74
    5.3.1 SVPWM算法的实验  71-72
    5.3.2 矢量控制系统的实验  72-74
  5.4 本章小结  74-75
第6章总结与展望  75-77
参考文献  77-81
致谢  81

基于转子磁链定向矢量控制三电平变频器的设计与研究

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