三电平逆变器异步电机直接转矩控制的研究

论文摘要

基于多电平变换器的高压大容量交流调速技术是当今电力电子与电力传动领域的研究热点之一。本文对二极管箝位型三电平逆变器的空间电压矢量调制技术进行了全面研究，并以异步电机为负载研究和探讨了异步电机直接转矩控制及其无速度传感器控制技术，建立起一套三电平逆变器实验平台，进行了大量的实验研究。本文绪论部分针对国内外高压大容量多电平变换技术和交流传动控制技术作了简要综述，着重分析了多电平拓扑结构的发展和研究现状，讨论了交流调速的发展和直接转矩控制技术的特点，指出本文选题的目的和意义。论文详细论述了三电平逆变器空间电压矢量调制的工作原理和实现方法，提出了首发矢量全部采用正小矢量或负小矢量的空间电压矢量调制算法，这是一种八段对称式SVPWM，实际上是一种单极性的脉宽调制方法。考虑到对冗余矢量的不同处理方式，提出了一种准双极性SVPWM方法，通过对冗余矢量的不同处理，其调制方式更有利于抑制中点电压的波动。深入分析了中点电压波动的原因，建立起平均中点电流模型，为中点电压平衡控制提供了理论基础。基于空间矢量调制与三角载波调制两类调制方法的本质联系和准双极性调制方法，提出了两种中点电压平衡控制的方法，该方法只需电容电压和负载三相电流信息，控制算法简便易行，有利于计算机数字控制实现。分析了三电平逆变器在高调制深度下中点电压平衡控制效果差的原因，提出了一种将中矢量由冗余小矢量合成的空间矢量调制方法。理论分析和仿真研究结果表明，这种基于矢量合成的空间矢量调制方法在一个采样周期中对中点电流的平均效果为零，对中点电压不构成影响，可以有效抑制中点电压的波动，尤其是在高调制深度下。深入阐述了三电平逆变器直接转矩控制的主要问题及虚拟合成矢量控制方法，详细讨论了三电平逆变器直接转矩控制中的矢量选择方案。在此基础上，将基于PI调节思想的感应电机DTC控制策略引入到三电平逆变器的控制中。这种基于PI调节的直接转矩控制方法具有便于中点电位控制、转矩响应快、转矩脉动低等优点。研究了基于异步电机数学模型直接推导的定子磁链估算方法，并对其估算性能进行了深入分析。提出了以定子电流、定子磁链为状态变量构成异步电机全阶状态观测器的方案，系统地给出了这种全阶状态观测器的设计方法。并根据李雅普诺夫稳定性原理推导了基于自适应全阶观测器的速度辨识算法，所提出的全阶观测器方案在准确观测电机磁链的同时可实现高性能的无速度传感器运行。以TMS320LF2407A DSP为控制核心，研制了一套三电平逆变器实验装置。在此装置上完成了三电平逆变器的相关实验研究，实验装置运行稳定可靠。大量的仿真和实验结果证明了本文的研究思想和控制策略是正确的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 传统的高压大容量逆变器拓扑
• 1.3.2 多电平电压型逆变器拓扑
• 1.3.3 高性能多电平交流调速系统
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 三电平逆变器空间矢量调制方法的研究
• 2.1 引言
• 2.2 三电平逆变器基本原理
• 2.3 三电平逆变器的数学模型
• 2.4 三电平逆变器空间电压矢量调制方法
• 2.4.1 三电平空间电压矢量图及其扇区划分
• 2.4.2 参考电压矢量位置与输出电压矢量的确定
• 2.4.3 输出电压矢量的作用时间
• 2.4.4 空间矢量调制模式
• 2.5 准双极性空间矢量调制
• 2.5.1 参考矢量位于A三角形
• 2.5.2 参考矢量位于C三角形
• 2.5.3 参考矢量位于B和D三角形
• 2.6 仿真研究
• 2.6.1 单极性调制的仿真
• 2.6.2 准双极性调制的仿真
• 2.7 本章小结
• 第3章 三电平逆变器中点电压波动机理及其平衡控制方法
• 3.1 引言
• 3.2 三电平逆变器中点电压波动机理的分析
• 3.2.1 电压矢量对中点电压的影响
• 3.2.2 中性点电流的分析
• 3.2.3 关于中点电压波动的讨论
• 3.3 三电平逆变器中点电压平衡控制方法
• 3.3.1 滞环控制方法
• 3.3.2 基于空间矢量调制与三角载波调制本质联系的中点控制策略
• 3.3.3 基于准双极性调制的中点电压平衡方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于矢量合成的三电平空间电压矢量调制方法
• 4.1 引言
• 4.2 矢量合成的基本思想与新的空间电压矢量图
• 4.3 基于矢量合成的空间矢量调制方法
• 4.3.1 输出电压矢量发送次序
• 4.3.2 输出电压矢量作用时间
• 4.3.3 空间矢量调制模式
• 4.4 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于三电平逆变器的异步电机直接转矩控制
• 5.1 引言
• 5.2 直接转矩控制的基本原理
• 5.3 三电平逆变器直接转矩控制的主要问题及虚拟矢量控制方法
• 5.3.1 三电平逆变器直接转矩控制的主要问题
• 5.3.2 三电平直接转矩控制中的电压矢量选择
• 5.3.3 三电平逆变器虚拟合成矢量的直接转矩控制
• 5.4 一种新型三电平逆变器直接转矩控制策略的研究
• 5.4.1 异步电机的动态数学模型
• 5.4.2 基于PI调节的三电平DTC控制策略
• 5.4.3 仿真研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 磁链观测和速度辨识研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于电机模型的定子磁链观测
• 6.2.1 电压模型法
• 6.2.2 电流模型法
• 6.2.3 一种改进的电压模型法
• 6.3 异步电机全阶状态观测器
• 6.3.1 全阶状态观测器的基本原理
• 6.3.2 异步电机全阶状态观测器
• 6.3.3 全阶状态观测器的极点配置
• 6.4 速度辨识及参数辨识研究
• 6.4.1 电机转速的在线辨识
• 6.4.2 定子和转子电阻参数的在线辨识
• 6.4.3 关于转速与定子和转子电阻同时辨识的讨论
• 6.5 无速度传感器系统的仿真研究
• 6.5.1 定子磁链观测
• 6.5.2 转速辨识
• 6.5.3 定子和转子电阻辨识
• 6.6 本章小结
• 第7章 基于DSP的三电平逆变器实验研究
• 7.1 三电平逆变器的实验系统组成
• 7.1.1 以TMS320LF2407A DSP为核心的控制部分
• 7.1.2 驱动信号放大和保护
• 7.1.3 三电平逆变器主电路
• 7.1.4 实验机组
• 7.2 实验结果和结论
• 7.2.1 三电平SVPWM控制
• 7.2.2 基于空间矢量调制与三角载波调制本质联系的中点平衡控制
• 7.2.3 基于空间电压矢量合成的三电平逆变器控制
• 7.3 本章小结
• 第8章 全文工作总结
• 8.1 本文研究工作总结
• 8.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文