基于Back-to-Back变流技术的调速系统的研究

论文摘要

基于Back-to-Back变流技术的调速系统以其具有的四象限工作、网侧电流近似正弦和功率因数可控等特性受到各国学者的广泛关注。本文以Back-to-Back变流技术作为研究对象,针对该技术目前存在的问题从理论分析、计算机仿真和样机实验验证三个方面进行了深入的研究。本文首先建立了Back-to-Back变流系统的数学模型,仿真分析了其动静态特性,在此基础上对三相PWM整流器的交流侧电感和直流侧电容的参数设计进行了详细的理论分析,指出在传统的直流侧电容的参数设计中,没有考虑到由于PWM控制信号有至少一个开关周期的延时,系统存在整流侧和逆变侧同时向母线电容馈电的可能性,导致电压波动范围超过设定值。为此,本文研究了此种情况下的电容积聚的能量最大值,提出了电容容量最小化的设计方法,为系统的稳定运行提供保障。为了提高直流母线电压的动态响应,抑制母线电压的波动,本文在分析了传统的前馈控制策略不足的基础上,采用小信号模型的分析方法,提出了一种改进的前馈控制策略,对由负载和电网突变引起的母线电压波动均有较好的抑制能力。同时,对前馈控制策略中负载电流需用电流传感器测量的问题,提出了基于状态观测器的测量方法,取代传感器对负载电流进行虚拟测量。仿真和实验结果都证明了该策略的有效性。由于受到死区时间和功率开关管最小脉宽的影响,实际采用的空间矢量PWM的调制比达不到理想的最大值,导致系统调节裕量降低。本文在对变流器和空间矢量工作原理分析的基础上,提出了死区最小化和零矢量重新分配的策略,减少了死区时间和最小脉宽对调制比的影响,拓宽了系统的调制裕量。仿真和实验结果验证了所提出的控制策略的有效性。针对三相PWM整流器网侧电流含有的高次谐波有可能对周围电子设备产生的电磁干扰（EMI）问题,本文对通常采用的三种滤波器进行了比较研究,并针对引入LC滤波器给系统带来的功率因数下降和LC谐振的问题,提出了一种新的有源阻尼的控制策略,仿真结果证明该策略对抑制LC谐振和校正功率因数都起到了较好的作用。关键词:Back-to-Back变流器,能量双向流动,前馈控制,死区最小化,有源阻尼

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 Back-to-Back 变流器的研究现状及文献综述
• 1.2.1 主电路拓扑结构的研究
• 1.2.2 控制策略的研究
• 1.2.3 Back-to-Back 变流调速系统存在的问题
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 Back-to-Back 变流器的建模及控制策略
• 2.1 PWM 整流器的工作原理
• 2.2 三相PWM 整流器的数学模型
• 2.2.1 ABC 坐标下三相系统的数学模型
• 2.2.2 dq 坐标系下的数学模型
• 2.3 永磁同步电动机的数学模型
• 2.4 Back-to-Back 变流系统控制策略
• 2.4.1 三相PWM 整流器控制策略
• 2.4.2 永磁同步电动机控制策略
• 2.4.3 Back-to-Back 变流系统数学模型仿真
• 2.5 Back-to-Back 调速系统动态特性的研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 Back-to-Back 变流调速系统的设计和实验结果分析
• 3.1 主电路参数设计
• 3.1.1 IGBT 的选择和驱动电路的设计
• 3.1.2 交流侧电感的设计
• 3.1.3 直流侧电容的设计
• 3.1.3.1 满足母线电压跟随性指标时的电容设计
• 3.1.3.2 满足母线电压抗扰性指标时的电容设计
• 3.1.3.3 电容值的选择
• 3.2 三相PWM 整流器的仿真和实验结果分析
• 3.2.1 仿真结果分析
• 3.2.2 试验结果分析
• 3.3 Back-to-Back 变流调速系统的仿真和实验结果分析
• 3.3.1 仿真结果分析
• 3.3.2 试验结果验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 Back-to-Back 变流调速系统中改进前馈控制策略的研究
• 4.1 能量回馈技术的研究
• 4.2 传统前馈控制策略的理论分析
• 4.3 改进前馈控制策略的理论分析
• 4.4 负载电流观测器的设计
• 4.5 仿真和实验结果验证
• 4.5.1 仿真结果验证
• 4.5.2 试验结果验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 提高空间矢量 PWM 调制比控制策略的研究
• 5.1 空间矢量PWM（SVPWM）的理论基础
• 5.1.1 三相VSR 空间电压矢量分布
• 5.1.2 空间电压矢量的合成
• 5.2 调制比降低的原因及后果
• 5.2.1 SVPWM 的实现方案
• 5.2.2 调制比降低的原因
• 5.2.3 调制比降低的后果
• 5.3 提高调制比的控制策略
• 5.3.1 死区最小化控制策略
• 5.3.2 零矢量重新分配的方法
• 5.4 仿真结果和实验验证
• 5.4.1 仿真结果分析
• 5.4.2 试验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 三相 PWM 整流器高频谐波电流消除方法的研究
• 6.1 L 型滤波器
• 6.2 LCR 型滤波器
• 6.3 LC 型滤波器
• 6.3.1 加入LC 滤波器系统的数学模型
• 6.3.2 抑制LC 谐振的有源阻尼控制策略
• 6.4 仿真研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 主要结论及下一步工作展望
• 7.1 主要工作结论
• 7.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢
• 论文答辩说明
• 关于论文使用授权的说明