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三电平逆变器异步电机直接转矩控制的研究

宋文祥  
【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。


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