【《三電平逆變器應用于大容量傳動系統的可行性分析》16000字】

三電平逆變器應用于大容量傳動系統的可行性分析21世紀，隨著電力電子器件的不斷完善和發展，自動和關斷情況與運行的本質變化進行闡述，本設計SVPWM調制方法，深入地分析了SVPWM調控的明詳細的講解了三相異步電動機在三相靜止坐標系中通過矢在兩個不同坐標系下磁動勢完全相等的約束條件下我們可以速閉環部分，輸出電壓前置反饋矯正部分。本論文采用的仿真軟件是MATLAB,真 11.1課題背景和意義 1 1 2 2 3 4 62.1逆變器介紹 62.2三電平逆變器的拓撲結構及工作原理 62.3二極管鉗位型三電平逆變器的優缺點 93.異步電機轉子磁場定向控制 3.1異步電機動態數學模型與坐標變換 3.1.1三相異步電動機的數學模型 3.1.2坐標變換 3.1.2異步電機在兩相任意旋轉坐標系上的數學模型 3.1.4異步電機在兩相同步旋轉坐標系上的數學模型 3.2異步電機轉子磁場定向控制 3.2.1異步電機轉子磁場定向控制簡介 3.2.2轉子磁場定向控制的基本原理 3.2.3轉子磁鏈觀測模型 3.3異步電機轉子磁場定向控制系統 3.3.1異步電機轉速、磁鏈雙閉環控制系統 3.3.2轉速閉環控制 3.3.3磁鏈閉環控制 4.控制系統仿真分析 4.1異步電機轉子磁場定向控制系統仿真 244.1.1仿真模型 4.1.2仿真結果分析 5.結論與展望 開發得很完善了，但是在200KW及200KW以上的滿足大小功率設備的變頻器仍差和耐壓程度不足的種種缺陷使得兩電平逆變器常常無法滿術可以很好的解決這些弊端，所以轉子磁場定向控制技術1.2多電平逆變器的發展概況很難滿足需求高電壓用電設備在輸出方面的需求(張偉杰，李婉婷，2020)。在二十世紀八十年代，日本科學家Nabae首次構建了中點嵌位逆變器，每一個逆變橋上附加有兩個管控功率輸出的開關與具有中點嵌位的二極管，考慮到這些背景因素另外它還配備了兩個具有分配電壓功能的電容。由于該逆變器能夠產出三種電平信號的電壓波形，所以該逆變器被叫做三電平逆變器(王志強，趙雅琪，2022)。隨后在1983年在三電平逆變器的基礎之上又發展出了五電平到七電平等具有多個電壓等級的逆變器型號。本文有效地整合了各領域的知識與技術資源，攜手應對科學挑戰，推動相關研究躍升至新的層次。通過跨學科的交流與合作，本文不僅匯聚了多元的思維和方法，還實現了技術與理論的深度整合，為復雜科學問題的破解提供了創新性的思路。這種綜合性的研究方式不僅促進了學科間的相互滲透，也為相關領域的理論發展和實踐探索開拓了新的天地。多電平逆變器能夠有效地降低產出電壓信號中的諧波分量，能夠滿足較高級別的配電電壓，基于這番情境并且多電平逆變器還可以有效的抑制和d;/dt突變帶來的電磁波信號擾動，這些優點使得多電平逆變器在多電平逆變器分為很多類型比如：電容型嵌位逆變器、帶有電源的嵌位型逆變器、附加有二極管的嵌位型逆變器等等(陳思遠，周慧敏，2021)。同時其他一些多電平逆變器的推演產品還發展出了新的物理結構，比如多個單元層疊的逆變器。多電平逆變器可以使產出電壓的諧波成分大大減少，于此時此景從而使輸出電壓更好地滿足較高電壓的需求。多虧了電力電子技術的深入發展，逆變器才能在大容量供給需求的場合中表現優異。現在中點電壓平衡不容易調控的問題隨著二極管型的嵌位逆變器的發展而不斷得到改善，同時三電平逆變器也可以很好地達到預期的性能指1.3.1交流調速的發展概況由于交流電動機的調速性能比較差勁，因此在電動機調速的方面一般都是用直制需要解決的問題是減少因為交流電機參量的改變與其轉動速度檢測的誤差而造成的電機磁鏈估測的誤差(吳志強，陳婷，2019)。上述發現與本研究提出的理論模型高度一致，這在一定程度上驗證了本研究路徑的正確性和價值。該理論模型為整個研究提供了堅實的理論支撐，而結論與其的一致性不僅彰顯了研究方法的精確程度，也證明了研究假設在實證分析中的有效性。通過系統性地搜集和解析相關數據，本研究在特定范疇內提出了獨到的見解，為同行學者及實踐工作者提供了寶貴的參考和洞見。此外，結論的穩健性得益于科學的研究構思和嚴格的研究執行步驟，對后續研究具有一定的指導意義。二十世紀七十年代矢量控制技術才被首次提出來，也就是在那個時候打開了交流調速的新時代。但是局限于當時的控制系統的不完善，在此情境的影響范圍內使得其計算量過于繁雜。后來隨著微型處理器、電力電子元件和控制理論的完善，這些問題才得以解決，交流調速的性能得到了很大的提高。通過研發出精度更高的轉子磁場定向方法與轉子磁通量監控裝置使變頻器在現代數字控制技術的基礎之上，擁有更大的負載能力與低頻率情況下有著更好的轉矩特性成為以后的研究方向，無速度傳感器的研究開始成為了人們關注的焦點(鄭1.4課題研究的主要內容由于多電平逆變器產出的信號中的諧波含量較少，并且其可以耐受較高的電壓，這使得多電平逆變器在高電壓大功率的應用方面表現優異，在多電平逆變器的使用中使用最為頻繁的是三電平逆變器。在此脈絡中探討矢量控制使得交流電機能像直流電機那樣有著良好的動態性能。因此對于三電平逆變器的交流電動機，在設計中，我們在轉子磁場方向控制的基礎上進行了一系列的研究。主要研究內容包括：1解析了二極管嵌位式三電平逆變器的工作原理，并闡述了其物理結構。2將異步交流電動機的數學模型由三相靜止坐標系轉換到兩相同步的旋轉坐標系上，設計了電機磁鏈監測的模型和異步電動機矢量控制的原理。3設計了由磁鏈閉環和轉速閉環在內的構建于三電平逆變器基礎之上的交流電動機轉子磁場控制系統。4采用了MATLAB對三電平逆變器的交流電動機的磁場定向控制系統的動態性能進行測仿真測試。2二極管嵌位式三電平逆變器N兩個電平之外，三電平逆變器的獨特之處在于它還可以多輸出一個零點電平0。著du/dt的大大減小而減弱了，美中不足的浩然，吳婉琪，2022)。2.2多電平逆變器構造和工作原理從電路原理方面考慮，要得到多電平的輸出信號，從多種多電平電路的方式中挑選時應注意以下兩個條件(楊志豪，鄭夢婷，2021):一.能夠將基礎的電平結合而且能輸出多電平的信號，這就要求基本變換單元要由無源開關和有源開關組合而成；二.基本的支流電平位于輸入端一側。多電平數和多種不一樣的電路特性的電路可以通過基礎單元電路的不一樣組合而得到。在此背景下，本文預期能夠挖掘出該領域更多深層次的規律與機制，為理論體系的健全與完善提供扎實的實證根基與理論后盾。通過深入剖析研究對象的內在結構與外在展現，本文將促進對該領域復雜現象認識的深化，為搭建更加詳盡和系統的理論模型貢獻力量。這不僅提升了本文對該領域的認知層次，也為未來的科研活動和技術進步指引了新的方向與目標。從這些表現中可以看出如需獲得更多具有實際價值的多電平拓撲結構仍需對基礎的電路進行簡化升級(黃宇軒，李萱，2023)。目前拓撲結構最為簡易且在拓撲結構的三個類型中使用更多的且比較好控制的就要屬二極管嵌位式三電平逆變器了。受制于開關器件的耐受電壓能力不足的缺陷，從這些可以看出需要解決逆變器在產出高電壓時的缺點，為此要對逆變器的拓撲結構進行適當的提升，以保證在現有的耐受電壓的水平上能夠擁有較高的輸出依據這些表現可以推測出結論由二極管箱位式三電平逆變器的拓撲結構圖知，在S?和S?一起開通的時候，輸出端A點的電位相對于M來說是Ua/2(E);在S?和S?一起開通的時候，因為A與M連接在了一起，使得A點的電平變為了0;在S?和S?一起開通的時候，A的電壓變為了-Ua/2(-E),基于這三種變化，逆變器的每個相的由表2.1二極管箱位式三電平逆變器的開關狀態和輸出電壓的結合出三種穩定的工作模式，主要的開關S?與S?不可以一起開通，因為負載電流的方向影響著管子的通斷狀況。從這些細微表現可以窺見但是S?和S?與S?和S?的運行情況與他們相反，每一個主要開關所耐受的正面隔斷電壓值為Ua/2(孫浩天，徐夢琪，2022)。此外，還可以注意到每相橋臂當中的IGBT管子開通的時間長會一些，因此IGBT散發的熱量更多了，所以此系統散熱設計的主要考慮對象應該是這兩個IGBT的散熱情況(周假如S?關而S?開通，則在三電平逆變器的開關轉換工程中開關的狀態會由O轉圖2.2(a)顯示了開關S?與S?的開通和關斷的狀態為Vg?和Vg4。和兩電平逆變器一樣的是，在S?和S?轉換方向時需要一定的時間。圖2.2(b)和圖2.2(c)顯示了三電平逆變器的A相橋臂的轉換方向的情況，將一個電阻并聯接在每個開關管子之上。依據A相上負載的電流方向，可以劃分為兩種狀態(吳宇軒，張夢萱，2023)。本研究致力于挖掘研究結果與實踐應用的結合之處，分析其對實際問題的應對策略及未來應用趨勢。在理論探討的基礎上，本研究特別強調將研究成果轉化為實際應用的重要性，以期為相關領域的發展提供可操作的解決方案。通過對研究結果的深入審視與評估，本研究嘗試構建一系列基于實證的建議與措施，以指導實踐者有效應對挑戰，促進相關領域的不斷進步。在iA>0時，9A電壓轉換方向的情況如2.2(b)的結果。假定(a)是顯感性的負載的情況之下，負載電流iA在轉換方向的過程中保持不變。(b)中直流一側的電容C?和C?參量較大的話，則每個電容上的電壓將維持為E。(c)所有的開關都必須是認定在關的輸出狀態為O。嵌位二極管VD?在iA>0的時候開通。在此情境的影響范圍內此時有Vs?=Vs?=0,處于關斷狀態的兩外兩個開關管的電壓為Vs1=Vs?=E。當S?開通時，嵌位二極管的方向因為偏置而處于截止狀態這是開關的P狀態。負載電流將從VD?轉移到S?之上(王宇豪，趙婉琪，2019)。在此脈絡中探討此時開關S?和S?處于關斷狀態，Vs?=Vs?=E。如圖2.2(c)所示，在iA<0的時候開關處于O狀態，此時的S?和S?是開通的，而S?和S?是關斷的。嵌位二極管VD?則因為負載電流iA<0而是開通的。這是處于關斷狀態的兩個開關管的端電壓為Vs1=Vs?=E。圖2.2開關由O到P的換向過程當換向的時候，因為S?處于關斷狀態，所以電流iA憑借D?和D?來續流，Vs1=Vs2=0。負載電流從S?轉換到了D?和D?當中。在S?徹底關斷的時候，S?與S?的端電壓為Vs?=Vs4=E。處于P狀態工作的開關，S1開通，在這類環境中運行不會波及電路的運行。綜合以上所描述的情況，在逆變器的開關器件從O變為P的過程當中，僅僅可以耐受直流母線電壓值的50%。在相同的情況下開關狀態從P變為0,從N變為0,從O變為N,仍然可以獲得相同的結果，所以動態分壓的問題不會在此逆變器中出現(張思遠，吳梓萱，2021)。對于設計的合理性問題，本文將依據其最終產物進行驗證，并綜合實際使用范例、專家意見及長期跟蹤評估資料等多角度信息，進行全面剖析。文章將深入揭示設計在解決實際問題中的功能與表現，通過對比不同條件下的應用效果，來評估其效用及可行性。此外，本文也將吸納專家意見與長期跟蹤數據，對設計的不斷革新提出有益見解，旨在推動相關領域的科學發展，提供更為堅實的支撐。從P變為N的開關狀態是不允許的，原因是：(a)開關的耗能會變大一倍。 (b)逆變器的每一相的橋臂的開關需要一起導通和一起關斷，開關上的電壓會分布不均。2.3嵌位型三電平逆變器的長處與不足根據前面的分析，對二極管嵌位式三電平逆變器的優點整理如下：1使用三電平逆變器時，器件耐受的關斷電壓值只有直流電壓的50%,其獨特2不同級別的電平幅值變化趨于平緩，外圍電路的抗擾性由于dv/dt的減小而3正是由于三電平逆變器產出的電壓等級越多，基于這番情境其波形就更近似4能夠調控無功功率的電流。3異步電機轉子磁場定向控制轉子繞組的參數同上述方程的原理，獲得轉子繞組的電壓方程方程中Ua、Ub、Uc是轉子的相電壓，ia、ib、ic是相電流，Rr是電阻，ψa、ψb、可以得到矩陣形式折算后的電壓方程：還可以寫為U=Ri+pψ(3.4)電機的磁鏈是自感磁鏈與磁鏈的疊加，用矩陣的表示出電機的磁鏈方程LAA、LBB、Lcc是電機定子的自感(楊浩宇，徐婉萱，2019)Lms是電機定子的互感，LIs是電機定子的漏電感。從這些表現中可以看出轉子電阻的自電感是Lnr是電機轉子互感，L1r是電機轉子的漏電感。LAB=LBc=LcA=LBA=LcB=LAC三相轉子的互電感仍然是一個常數電機轉子a相和定子A組成的角就是θ。(3)轉矩方程且把3.16帶入3.17又由3.18得整理3.15和3.19后可得到電磁轉矩方程Te=npLm[(iaia+igib+icic)sinθ+(iaib+圖3.1電機定轉子坐標系使靜止的三相坐標系的A坐標軸與靜止的兩相的坐標系的α坐標軸合在一起。圖3.2繞組空間矢量模型(2)兩相一兩相旋轉坐標變換由圖3.3得，靜止的兩相坐標系與旋轉的兩相坐標系。于相同的角速度w?轉動交流電流iα與i在靜止兩相坐標系與直流兩相電流ia與iq在旋轉兩相坐標系合成同寫為矩陣從圖3.4可以看到，在此情境的影響范圍內靜止三相坐標系與隨意旋轉兩相坐此時的角速度是Waqs,相對于α軸的d軸以Waqr為角速度，相對于坐標軸A則坐標軸α的角頻率是Wr。將3.1.1中的交流電機坐標系中的三相轉化為可旋轉的兩相在此脈絡中探討采用2s/2r變換與3/2變換可以將靜止的兩相的坐標系的電磁(1)磁鏈方程Lm——dq坐標系定轉子互感L?——dq坐標系定子等效繞組的自感Lr——dq坐標系轉子等效繞組的自感同步的兩相旋轉坐標系顧名思義其實就是兩相旋轉坐標系與定子頻率同步角3.2異步電機轉子磁場定向控制流電機轉變為直流電機一樣，這樣使得交流電機能有和直流電機一樣的調速性能M坐標軸，q坐標軸是逆方向轉動90°。又將式(3.37)帶入式(3.34)將式(3.36)帶入式(3.38),m、t代替d、q(3.37)帶入式(3.40)轉子時間常數式(3.36)帶入式(3.41),用m、t代替d、q由式(3.42)得到基于這番情境交流電機的控制轉子磁場的基本方程由(3.43)與(3.39)得到。L/(T,p+1)五3S/2SIdP77如3.6:77J交流電機的時間常數與磁鏈模型是無關的，克服了間接矢量控制的缺點。不可避免的是這種模型也有著一些不足之處：(1)電機轉子的速度處于低速的時候，電機定子的電阻上的電壓降的變化情況受到很大的影響，在電機處于中等速度與高等速度時候比較適用。為了避免電機處于低速度時候不精確的缺點，從這些表現中可以看出應該采用組合的模型，在低速度的范圍利用間接的辦法，處于高速度范圍時利用直接的辦法(陳志豪，吳夢萱，2021)。此時應該注意的是解決好銜接速度的情況，通常把銜接速度設置為n≤(2)積分漂移會隨著直流偏量與積分的初始化而產生。需要用低通濾波器來替換積分器，從這些可以看出利用電機轉子磁鏈的參考值對低通濾波器產生的滯后相位與幅值的偏差進行補償。綜合上述考慮之后，最合適的方法是間接的矢量控制。3.3.1異步電機轉速、磁鏈雙閉環控制系統轉子的矢量控制的原理是電磁轉矩Te與轉子的磁鏈ψr經過打開耦合之后進行調控，然后各自調控電磁轉矩Te與轉子的磁鏈ψr。依據這些表現可以推測出結論利用轉速閉環控制與磁鏈閉環控制時需要使用轉矩控制器的w*與磁鏈控制器的ψ經器函數發生器tt.器.θ器@①UUUBUUθ11在此環境下運作交流電動機轉子的矢量控制系統可以經將直流電壓經過逆變器的調制之后將其相位與幅值可以調而電機的轉子的幅角、同步的轉動速度與電機的在此脈絡中探討電機的轉矩的給定值是反饋的轉速與給PI調節之后得到的，給定t坐標軸的電流ist是由反饋的磁鏈與電機轉矩通過is對比之后經過PI調節在與前反饋補償電壓Ust相加得到t坐標軸的電壓Ust。交流電動機的反饋轉動速度n由反饋的角頻率wr利用經過函數發生器之后計算可以得到。取其絕對值與低于1的系數的乘積就是電機轉子的磁鏈，再電動機轉動速度變大的時候，弱磁也就會變強，由此能夠進行弱磁的控制(孫浩宇，鄭雅欣，2021)。4.1.1仿真模型系統的仿真模型由圖4.1給出NN*盡AB十“_abcAg21C1圖4.1系統仿真模型電機功率P:110KW;電機額定線電壓U:325V;電機額定線電流I:233A;電機定子電阻Rs:10.55mΩ;電機定子漏感Ls:0.33mH;電機轉子電阻Rr:7.55mΩ;電機轉子漏感Lr:0.46mH;電機互感：11.842mH;電機轉矩：5.0kgm2;電機頻率：60Hz;磁鏈初始值：0.555Wb;外環調節周期：2ms;內環調節周期：0.5ms;直流電壓Uac:500V;控制系統仿真模型：基于這番情境磁鏈控制模型，SVPWM模型，轉速控制模型與三電平逆變器模型，直流電壓給定，異步電機模型。4.1.2仿真結果分析仿真結果：(1)給定額定轉速1748r/min,啟動穩定后加上額定負載580N/m,轉子磁鏈仿真圖。圖4.2幅值仿真波形(2)幅角仿真圖。圖4.3幅角仿真圖(3)電機轉速n、電磁轉矩Te、定子A相電流ia仿真波形。從上面幾個圖可以看到，交流電機一開始要進行充磁，電機的轉矩和轉速此時為0,在充磁的時候定子電流與ism都不能為0,是兩個直流量.電機充完磁后就能帶動額定負載，在啟動的時候電機的轉矩很大，定子的電流也較大，可以設置電機轉速的上升率，轉速可以超調的范圍不大，有著平滑的三相交流電波形(王宇辰，鄧夢琪，2022).(4)圖4.6表示的是ist與ism,ism在系統充完磁后基本保持一致，轉矩的變化與ist保持一致，可通過控制電流的轉矩分量的方式來進行控制轉矩。ism為勵磁分量ist為轉矩分量(5)圖4.7表示的是滑差轉速系統在啟動的時候有著很大的滑差轉速，大約為60r/min,于此時此景在完成啟動后滑差轉速下降到大概45r/min。(6)圖4.8是在空載時的系統啟動情況，當系統達到穩定狀態后加入額定負載580Nm的動態響應圖.轉速能夠很快地恢復，動態性能表現良好(秦雅婷，孫浩宇，(7)圖4.9是在低頻變化時系統穩定狀態下加入負載，其動態性能表現良好。(8)圖4.10表示的是加入大負載980N/m,過1.5s后再添加580N/m。可以看到，系統可以帶動大的負載，啟動時間也符合實際的需要。(9)圖4.11是電機轉速n、電磁轉矩Te、電機定子A相電流ia和轉子磁鏈幅值波形。啟動轉速是1748r/min,在第7s時換為1850r/min,超過了額定轉速1800r/min,這時磁鏈的幅值降為0.57Wb,這使得轉矩上升，能夠達到1850r/min(10)表4.2是轉矩PI參數K;對突加負載時的影響。Kp參數越大，系統的反應越靈敏，轉速改變的范圍越小，從這些表現中可以看出但是系統想要達到穩定，就得要更久的時間。驗證了PI參數對系統的快速性和魯棒性的影響是相反的。表4.1轉矩PI參數Kp對系統的影響突加額定負載時轉速下降的幅度轉速恢復時間12表4.2轉矩PI參數Ki對系統的影響突加額定負載時轉速下降的轉速恢復幅度時間31(11)因為電機的參數用的是離線的辨識，因此辨識的電機參數可能與實際的參數有所偏差。圖4.12是85%實際轉子電阻時的電磁轉矩和轉子磁鏈波形，圖4.13是115%實際轉子電阻時的轉矩和轉子磁鏈波形(張偉杰，李婉婷，2020)。因為轉子漏感比較小，所以漏感的變化對系統影響可以忽略。互感對系統的影響也可以忽略不計，從這些可以看出給定電磁轉矩有一點波動，磁鏈與轉速都能夠達到額定值。圖4.14互感為實際互感120%的電磁轉矩和磁鏈波形。本設計采用了二極管嵌位式三電平逆變器，利用了矢量控制原理進行坐標轉換，對轉子定向磁場控制的基本原理進行了闡述。對轉子磁鏈的觀測，使用了間接的轉子磁鏈的觀測方法。最后利用了MATLAB/Simulink對轉子磁場定向控制系統的二極管嵌位式三電平逆變器、轉速閉環與磁鏈閉環進行了建模，并對系統運作進行了仿真，在仿真的時候，二極管嵌位式三電平逆變器可以輸出正確的電壓波