基于三相四桥臂逆变器驱动的电机控制系统EMC研究

论文摘要

随着科学技术不断进步,电力电子技术迅速发展,半导体开关器件性能不断提高。由电力电子技术和半导体开关器件结合产生的电力电子装置广泛地为各行各业生产生活提供所需要电源。在传动领域,随着交流调速系统的研究不断深入,电力电子装置逐渐成熟,以直流电机为主的调速系统正逐渐被交流电机调速取代。交流电机拥有结构简单,易维护,故障率低等优势,由变频器供电下的交流调速系统,通过磁链矢量合成技术,能够拥有和直流电机几乎一样的动态调速性能,市场前景巨大,同时还提高了电机的效率,是电力电子技术在节能环保中的典型应用。随着PWM逆变器-电机系统的广泛应用,虽然带来了很多好处,但其负面影响也日益引起人们的注意。例如三相PWM逆变器输出的高频PWM脉冲带来的差模干扰,以及由于三相三桥臂结构的不对称性带来的负载端中性点共模电压,也就是异步电机的转子轴感应的轴电压,不仅会影响调速控制系统以及周边的弱电设备,还会对电机本身带来负面影响。特别是共模电压,在一些中性点不接地的中小型异步电机上会产生轴电压,进而产生轴电流,引发轴承的电蚀,对电机的安全造成极大危害。本文采用三相四桥臂的拓扑结构改善三相PWM逆变器驱动电机传动系统的共模噪声特性,分析了该电路的原理,从理论上证明了其抑制共模电压的可行性和有效性。介绍了基于SPWM和SVPWM调制方案的几种改进型的调制技术,分析了这两类方案的调制原理和抑制共模电压的效果。基于SPWM,给出了载波移相SPWM的控制方案。为了提高直流利用率,进而提出了载波二次移相的SPWM控制方案。基于SVPWM调制方案,介绍了矢量合成的原理,提供了两种不同的合成方案。设计并构建了一台300W的三相四桥臂逆变器-电机调速系统样机。通过仿真以及实验,证明了以上基于SPWM和SVPWM的改进型调制方案结合三相四桥臂的拓扑结构在抑制异步电机转子转轴上的共模电压,进而减小共模电流上有很好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 滤波器
• 1.2.2 拓扑结构
• 1.3 本文选题依据和主要研究内容
• 1.3.1 选题的主要依据
• 1.3.2 本文的主要内容
• 2 PWM 逆变器-电机系统的电磁兼容
• 2.1 PWM 逆变器传导电磁干扰
• 2.2 共模电压
• 2.3 三相三桥臂共模电压分析
• 3 三相四桥臂逆变器的分析与建模
• 3.1 三相四桥臂逆变器的电路分析
• 3.2 三相四桥臂逆变器的电路模型
• 4 三相四桥臂逆变器控制系统设计
• 4.1 SPWM 调制方案的三相四桥臂控制
• 4.1.1 传统的SPWM 调制
• 4.1.2 载波移相SPWM 调制
• 4.1.3 载波二次移相SPWM 调制
• 4.1.4 载波移相和二次移相结合的SPWM 调制
• 4.2 SVPWM 调制方案的三相四桥臂控制
• 4.2.1 SVPWM 调制
• 4.2.2 零矢量合成技术
• 4.2.3 相邻扇区矢量合成零矢量
• 4.2.4 扇区内矢量合成零矢量
• 5 三相四桥臂逆变器的仿真
• 5.1 系统仿真研究
• 5.1.1 控制模块介绍
• 5.1.2 系统的仿真参数
• 5.1.3 仿真工作状况描述
• 5.2 仿真结果
• 5.3 仿真结果分析
• 6 三相四桥臂逆变器-电机控制系统的设计与实验
• 6.1 三相四桥臂逆变器系统的设计指标
• 6.2 三相四桥臂逆变器-电机系统的主电路设计
• 6.2.1 直流母线电压Vdc 及直流母线电容的选择
• 6.2.2 主电路开关管选择
• 6.2.3 缓冲电路设计
• F及滤波电容C_F的选择'>6.2.4 交流侧滤波电感L_F及滤波电容C_F的选择
• 6.3 三相四桥臂逆变器-电机系统的控制电路设计
• 6.3.1 信号检测处理电路
• 6.3.2 脉冲驱动放大电路
• 6.3.3 第四桥臂调制电路
• 6.3.4 死区电路
• 6.3.5 三相四桥臂逆变器-电机系统的保护电路
• 6.4 实验结果及分析
• 6.4.1 SPWM 调制方案
• 6.4.2 SVPWM 调制方案
• 7 全文总结
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 三相四桥臂逆变器-电机系统实验装置