H桥级联式高压变频器仿真及实验研究

论文摘要

多电平高压变频器由于其高可靠性和完美的输出波形,及其在输入与输出谐波抑制、效率和输入功率因数等方面的独特优势而广泛应用于风机、泵类行业。在分析比较了高压变频器的几种主电路拓扑结构及控制方式的优缺点之后,结合实际情况确定了本文设计方案——H桥级联型多电平高压变频器,并对其进行了全面系统的分析研究,具体工作包括以下几方面:首先详细研究了级联型高压变频器的基本原理、结构和硬件设计。分析了移相变压器副边绕组的移相方法,并根据主回路及H桥逆变单元功率器件的选型方案设计了一台满足6kV/2600kW或10kV/4300kW高压变频器运行的311A通用功率单元实物,而且还计算出了功率器件的发热数据及散热器热阻,为正确确定散热器形式、尺寸提供重要参考数据。为提高其运行可靠性提出了一种利用轴编码器结合PLC实时跟踪电机转速以实现瞬时失电再启动的方法。接着文章对载波移相脉冲宽度调制（CPS-SPWM）技术进行了数学推导,同时重点研究了载波移相量的选择对变频器输出性能的影响,并辅以大量仿真波形加以说明且通过实验得到了验证。此外,还针对滤波电容传统选型方案存在的不足,分析了滤波电容的作用及失效模式和原因,并据此提出了新型选型方案。文章最后基于Matlab/Simulink对研究对象进行了建模与仿真研究,并较为详细地介绍实现建模的各个步骤及相关技巧,通过仿真对其运行的各项性能进行分析和研究;给出了所设计6kV/500kW高压变频器的试验波形,结果表明各项指标均达到了预期设计目标。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 高压变频器研究现状及发展趋势
• 1.3 多电平拓扑结构及PWM 控制方法
• 1.4 方案确定及主要工作
• 1.4.1 方案选定依据
• 1.4.2 本文结构
• 2 H 桥级联型高压变频器结构及相关技术研究
• 2.1 级联变频器组成结构
• 2.2 瞬时失电再启动技术研究
• 2.2.1 技术原理分析
• 2.2.2 现有实现方式及局限
• 2.2.3 实现方法阐述
• 2.2.4 实验方案及结果分析
• 小结
• 3 高压变频调速系统的硬件设计
• 3.1 主回路及功率器件选型
• 3.2 IGBT 驱动电路设计
• 3.2.1 基本要求
• 3.2.2 专用集成驱动模块M57962L
• 3.2.3 驱动电路的设计实现
• 3.2.4 实际应用及实验波形
• 3.3 功率单元散热系统设计与实验研究
• 3.3.1 功率器件发热数据计算
• 3.3.2 功率单元散热器设计
• 3.3.3 热设计实验及结果
• 小结
• 4 CPS-SPWM 技术及其在级联高压变频器中的应用研究
• 4.1 载波移相SPWM 技术的数学分析
• 4.2 载波移相量与输出性能关系研究
• 4.2.1 数学推导
• 4.2.2 仿真分析
• 4.2.3 实验验证
• 小结
• 5 功率单元直流环节参数设计
• 5.1 传统选型方法及存在问题
• 5.1.1 参数计算
• 5.1.2 存在问题及原因分析
• 5.2 滤波电容作用及失效模式分析
• 5.3 解决方案及可行性研究
• 5.3.1 新型选型方案
• 5.3.2 实验结果及可行性分析
• 5.3.3 新的建议
• 小结
• 6 基于MATLAB/SIMULINK 系统建模仿真及实验结果
• 6.1 脉冲信号建模
• 6.1.1 参考波信号模型
• 6.1.2 载波信号模型
• 6.1.3 脉冲信号模型
• 6.1.4 脉冲信号模型的封装
• 6.2 功率单元模型
• 6.2.1 电源内部参数确定
• 6.2.2 功率单元仿真
• 6.3 单相及三相模型
• 6.3.1 单相模型仿真
• 6.3.2 调制度对相电压输出性能影响
• 6.3.3 载波频率对相电压输出性能影响
• 6.3.4 三相模型仿真
• 6.4 样机测试结果分析
• 6.4.1 H 桥逆变单元测试结果
• 6.4.2 低压模拟输出电压波形
• 6.4.3 高压空载输出电流波形
• 小结
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集