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双三电平供电异步电机直接转矩控制系统研究

林磊  
【摘要】: 工业和经济的发展给人们带来了一系列的新问题:无功和谐波对电网的污染日益严重,环境日益恶化,能源也越来越匮乏。在这个背景下,随着多电平技术的发展和日趋成熟,使用双三电平变换器对大容量异步电机传动系统进行控制成为近年来研究的热点。它具有高功率因数,能量可双向流动,节能效果明显,控制性能优良,对电网污染小等优点,在中高压大容量交流传动领域有着广阔的应用前景。 本文紧紧围绕双三电平变换器供电的异步电机直接转矩控制系统展开研究,采用先分别研究三电平PWM整流器和三电平异步电机直接转矩控制系统,再将其作为整体进行综合分析考虑的方法。论文的主要工作和取得的研究成果如下: (1)本文阐述了三电平变换器的空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法的相关问题,确定了论文使用的减小开关损耗、限制dv/dt的SVPWM方法。引入电流调制的概念,通过旋转坐标变换的方法,在同步旋转dq坐标系下对SVPWM调制方式下的三电平变换器中点平衡问题进行了理论量化分析。 (2)本文在阐述三电平PWM整流器直接电流控制系统设计方法的基础上,提出了三电平PWM整流器的中点电位平衡Bang-Bang控制方法。该中点电位平衡控制方法通过对三相桥臂电流及中点电位方向的检测,舍去SVPWM调制序列对中点电位平衡不利的小矢量开关状态,从而实现对中点电位平衡的控制。同时,该方法不会增大系统的开关损耗和桥臂输出电压的dv/dt。仿真分析和实验结果都证明了其可行性。 (3)本文建立了三电平异步电机调速系统的统一数学模型。通过该数学模型,首次分析了各种类型的中点电位不平衡对电机控制性能的影响,得出的结论能有效的指导三电平异步电机调速系统的中点电位平衡控制方法设计。本文先从两电平入手,阐述了直接转矩控制的基本原理及相应关键技术。 (4)本文提出了新型固定合成矢量的异步电机直接转矩控制方法,并提出了相应的中点电位平衡Bang-Bang控制方法。论文分析了直接使用三电平自身电压矢量进行直接转矩控制的缺点。论述了基于三电平固定方向合成矢量的直接转矩控制方法,通过理论和仿真分析说明该方法缺乏对中点电位平衡的实时控制。针对此问题,本文对矢量合成方法进行改进,从而得到了具有中点平衡功能的新型固定合成矢量方法。在桥臂输出电流方向及中点不平衡方向检测的基础上,对合成调制序列使用Bang- Bang控制方法,实现了对中点电位平衡的实时控制。通过仿真和实验说明了基于新型固定合成矢量的异步电机直接转矩控制方法的可行性和实用性。 (5)本文首次提出了适用于三电平异步电机直接转矩控制系统的“24矢量”法及性能更优良的“24矢量+变调制比”法,并提出了与之相关的5级磁链滞环比较器、11级转矩滞环比较器及开关表的设计方法,有效的减小了定子磁链和转矩的脉动。通过对比的仿真和实验说明了以上两种方法对磁链、转矩控制效果的改进。论文还通过起动实验、负载实验和调速比实验对“24矢量+变调制比”法进行了进一步的验证,获得了令人满意的实验结果。 (6)本文首次对双三电平变换器供电的异步电机直接转矩控制系统进行了分析研究。通过理想化的假设,深入分析了双三电平变换器中点平衡问题,通过对比得出双三电平变换器能获得比三电平变换器更理想的中点电位平衡控制效果的结论。本文还建立了双三电平变换器供电的异步电机调速系统仿真模型,以此对论文提出的控制方法进行了仿真验证。结果说明了本文控制方案的可行性。


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