基于空间矢量控制的三电平逆变器的研究

论文摘要

我国的中高压大容量电机耗能严重,对其采用变频调速等技术的节能改造将带来可观的经济和社会效益。但目前国内在这一领域的研究尚处于起步阶段,还未构建出完善的系统理论,开发出性能优越的市场产品。因此,研究适用于中高压大容量电能变换用的相关设备和技术,具有重要的现实意义和研究价值。多电平逆变器一直是当前中高压大容量电能变换领域中的研究热点之一,它通过对直流侧的分压和开关状态的不同组合,实现多电平阶梯波输出电压,能有效地提高逆变器系统容量和耐压水平、减小输出电压谐波和开关损耗。鉴于多电平逆变器多样化的拓扑结构和控制策略,本课题选取目前广泛应用的二极管箝位型(NPC)三电平逆变器为研究对象,控制策略采用空间矢量PWM(SVPWM)的方法。论文依次介绍了有关多电平逆变器的相关理论、二极管箝位型(NPC)三电平逆变器的工作原理以及设计采用的SVPWM调制算法,另外还分析了中点电压不平衡的相关问题。在此基础上,阐述了调制算法的MATLAB仿真过程,结果证明设计的算法能够产生预期的输出电压波形,中点电压的控制效果也很明显,满足设计要求。在对三电平逆变器的空间矢量控制进行了理论分析与仿真实现之后,课题构建了一套三电平逆变器的控制系统,将理论应用于实际。系统采用TMS320LF2407A型DSP为控制核心,选用合适的电力电子器件搭建二极管箝位型(NPC)三电平逆变器的主电路、功率开关器件的隔离驱动电路、缓冲电路、信号检测电路和滤波电路等。整个系统的开发包括硬件电路的绘图、制版、焊接以及调试,还涉及采用SVPWM调制算法的DSP控制软件的编写等环节。通过实验波形和数据的分析,证明课题设计的基于三电平逆变器的SVPWM控制策略正确,能有效改善输出电压波形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 功率变换装置
• 1.1.1 传统的大功率变换装置
• 1.1.2 新型的多电平逆变器
• 1.2 高压变频技术
• 1.3 三电平逆变器的国内外研究现状与发展趋势
• 1.4 课题研究的意义和内容
• 第2章 多电平逆变器的拓扑结构和控制策略
• 2.1 多电平逆变器的拓扑结构
• 2.1.1 二极管箝位型多电平逆变器
• 2.1.2 飞跨电容型多电平逆变器
• 2.1.3 具有独立直流电源的级联型多电平逆变器
• 2.1.4 混合级联型多电平逆变器
• 2.2 多电平逆变器的控制策略
• 2.2.1 阶梯波脉宽调制
• 2.2.2 特定消谐波
• 2.2.3 正弦脉宽调制
• 2.2.4 多电平空间矢量PWM
• 2.3 本章小结
• 第3章 三电平逆变器和SVPWM控制策略的研究与仿真
• 3.1 概述
• 3.2 三电平逆变器与矢量控制
• 3.2.1 三电平逆变器的主电路
• 3.2.2 矢量控制
• 3.2.3 基于三电平逆变器的SVPWM
• 3.3 三电平逆变器的参考矢量所在区间和工作状态的判断
• 3.3.1 参考矢量所在区间的判断
• 3.3.2 参考矢量工作状态的判断
• 3.4 三电平逆变器空间矢量作用时间的计算
• 3.5 三电平逆变器中点电压平衡问题
• 3.5.1 影响三电平逆变器中点电压平衡的原因
• 3.5.2 中点电压不平衡的危害
• 3.5.3 控制中点电压平衡的方法
• 3.6 三电平逆变器 MATLAB 仿真
• 3.6.1 MATLAB的SIMULINK工具箱
• 3.6.2 三电平逆变器的仿真模型
• 3.6.3 仿真波形
• 3.7 本章小结
• 第4章 三电平逆变器的硬件电路设计
• 4.1 DSP系统控制电路
• 4.2 二极管箝位型三电平逆变器的主电路
• 4.2.1 主电路图
• 4.2.2 功率开关器件MOS管的选择
• 4.2.3 箝位二极管的选择
• 4.2.4 分压电容的选择
• 4.3 隔离驱动电路与器件选择
• 4.4 缓冲电路
• 4.5 检测电路
• 4.6 滤波电路
• 4.7 本章小结
• 第5章 DSP数字控制系统的软件设计
• 5.1 DSP芯片TMS320LF2407A
• 5.2 课题用DSP硬件资源以及外设模块
• 5.2.1 事件管理器模块EVA和EVB
• 5.2.2 模数转换模块ADC
• 5.2.3 输入输出端口I/O
• 5.2.4 功率驱动保护中断
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.3.1 SVPWM控制策略的设计
• 5.3.2 中断程序的安排和功能
• 5.4 本章小结
• 第6章 实验装置和实验波形
• 6.1 实验装置
• 6.2 实验波形
• 6.2.1 逆变器开关器件的驱动波形
• 6.2.2 逆变器中点电压的波形
• 6.2.3 逆变器的输出电压波形
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢