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1、基于三电平逆变器的永磁同步电机的控制策略研究摘要 近些年来对多电平变频器的开发研究越来越多的运用在运动控制上。多电平技术通过改进变换器自身拓扑结构，无需升降压变压器和均压电路，即可满足电压型逆变器的高电压容量大的要求。由于增加了输出电压电平数，使得输出波形的输出谐波小，各个开关器件所承受的电压应力也较小。因此在交流柔性输电系统和高压变频调速系统中得到了广泛的关注。本课题基于三电平的电压空间矢量脉宽调制技术SVPWM算法对永磁同步电机进行了控制策略研究。分析永磁同步电动机矢量控制原理并且阐述了永磁同步电动机变频调速的数字矢量控制的实现过程，研究了永磁同步电机三电平SVPWM控制系统仿真模型的建立
2、,利用永磁同步电机三电平SVPWM控制系统在Matlab7.0/Simulink中建立的模型,进行了仿真实验,实验结果表明了永磁同步电机三电平SVPWM控制系统应用的正确性。关键词：矢量控制 永磁同步电机 电压空间矢量脉宽调制 三电平逆变器The control strategy of the permanent magnet synchronous motor which is based on the three-level inverterAbstractIn recent years, more and more researches of multilevel converter h
3、ave been applied on motion control. Through improving the topological structure of convertor, multilevel converter doesnt have to step-up or step-down the transformer and equalizer circuit to meet the requirement of high capacity of the voltage source inverter. As the addition of the number of outpu
4、t voltage level, the output waveform has decreased and the voltage stress of every switching element has been decreased as well. Therefore, multilevel converter has caused close attention on Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) and high-voltage frequency converting system. Based
5、 on the control policy research of voltage space vector PWM of three-level to permasyn motion, the thesis analyzes the theory of Vector Controlled PMAM System, expounds the implementation procedure of it, investigates the found of simulation model on three-level SVPWM control for permanent magnet sy
6、nchronous motor system and takes the advantage of three-level SVPWM control system of permanent magnet synchronous motor in the model established in Matlab7.0/Simulink, and conducts a simulation experiment. And the result of simulation experiment has proved the correctness of tri-level voltage SVPWM
7、 system of PMSM.Keywords: Permanent magnet synchronous motor Voltage space vector pulse width modulation Vector control Three level inverter目 录1 绪论11.1 本文目的和意义11.2 国内外的发展和研究现状21.3 本课题的主要工作32 三电平逆变器拓扑结构和控制算法42.1 三电平逆变器的拓扑结构42.1.1 三电平逆变器的分类及介绍42.1.2 二极管箝位式拓扑结构原理42.1.3 电容箝位式多电平逆变器拓扑结构62.1.4 级联型多电平逆变器拓扑
8、结构72.2 三电平逆变器SVPWM算法82.2.1 空间矢量脉宽调制技术SVPWM92.2.2 三电平逆变器SVPWM的计算方法93 控制策略研究143.1 永磁同步电机电机模型143.1.1 永磁同步电机概述143.1.2 系统结构143.2 矢量控制研究153.2.1 概述153.2.2 正弦PWM153.2.3 空间矢量脉宽调制SVPWM164 系统仿真实验174.1 仿真环境174.2 仿真结构图建立174.2.1 区域判断的仿真174.2.2 时间计算的仿真184.2.3 时间状态分配的仿真194.2.4 主电路的仿真结构图234.3 系统仿真实验234.4 响应曲线及波形244.
9、4 动态响应的结果与分析275 结论28致谢29参考文献30w第1章 绪论能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。特别是在我国,面临工业用电的巨大浪费和环境污染。针对这个问题，高性能的高压大容量交流调速技术成为国际学术研究的热点。如工业用电中，每天都有大量的电能被高压大功率电机设备消耗掉。如果采用高压大容量变频调速装置，而不是现阶段常用的控制系统来拖动交流电机,这样不仅能降低单产能耗,同时对现代工业的发展是具有重大意义的。多电平变换器技术已经成为电力电子学中，以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域1。多电平变换器的研究中，基于三电平逆变器的永磁同步电机的控制策略研究受到了学者
10、们的关注。本课题首先介绍了三电平逆变器的电压空间矢量脉宽调制技术的研究背景和意义，进一步了解了它在国内外的发展现状和研究前景，然后以三电平逆变器SVPWM算法为研究手段，进行前面的仿真实验和数据总结，更进一步来阐述本文的主要工作和目的。1.1 本文目的和意义三电平逆变器具有简单的结构，它的电路拓扑形式从另一个角度上也可以看成是多电平逆变器结构中的一个特例。目前从功率开关器件发展的水平上来看，上万伏的耐压器件在短期内还是难以实现的，多电平技术成为解决高压大功率变频调速问题的有效途径;当前电力系统广泛采取高压直流输电方式的形势下，多电平技术在电力输配电方面也具有重要的作用。基于电压型三电平逆变电路
11、从试验期进入实用化阶段，对其进行分析和研究是具有实际意义的。一般都认为多电平逆变器是建立在三电平基础之上的，按照三电平逆变器的拓扑结构类似拓展而成的。由此得出结论：对应越多的电平数，产生的电平台阶就越多，从而波形越近似正弦波，谐波成分也就越少。但是在实际应用中由于受到硬件条件和控制条件的制约,这种理论上可达到任意N电平的多电平逆变器是不存在的，在追求性能指标的前提下，通常并不追求过高的电平数。三电平电路的优点：1 开关器件在任何时刻都是断开状态的，因此所受到的压降减小，故在容量大电压高的场合更加合适。2 输出电压可以是多层阶梯形，这样要得到很接近的正弦波只用对阶梯波再调制就可以了，处理方便出波
12、效率高。理论上可以通过提高电平数来调节波形,使其无限趋近标准正弦波,当中只含有少量的谐波成分。3 电磁干扰问题减小，通常开关元件每进行一次关断的dv / dt只有传统两电平的一半。4 效率很高。比如同样是消除谐波，两电平PWM控制法在频率很高的条件下进行关断的，由于开关频率高,损耗也大大；而三电平逆变器不存在这些问题，提高了效率。5 开关频率远低于主要高次谐波。另一方面由于它需要的开关器件比较多，控制算法又复杂，同时存在电位不平衡等一系列的问题，也限制了它在低压小功率环境下的应用。因此，基于三电平逆变器的永磁同步电机的矢量控制，本课题对其着重介绍并完整的模拟仿真，从其PWM算法及控制策略方向上
13、深入地研究，对其电路组成和控制原理进行系统的钻研，对三电平技术乃至多电平技术的工程应用有着重要的意义。1.2 国内外的发展和研究现状1971年,基于异步电机有些学者提出了磁场的定向矢量控制理论，以交流电机模型为前提，解耦定子电流直轴和交轴分量，从而控制交流电机转矩和转速。在这之后，磁场定向控制被应用到了永磁同步电机的控制中去，将其控制系统分为速度闭环、电流闭环、位置闭环和空间矢量脉宽调制几个部分。其中，对空间矢量脉宽调制的研究很快被广泛应用。1980年，日本长岗科技大学的ANabae等人在IAS年会上首次提出中点箝位式(NPC)逆变器, 是二极管钳位式三电平逆变器的雏形，是多电平逆变器的基础。
14、它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了新的思路，其后在高压大功率变频调速方面得到了广泛的应用。1983年，Bbagwat等人在这一基础之上，将三电平电路推广到任意N电平电路中来，对中点钳位式逆变器电路及其统一结构作了进一步的研究。这些工作为高压大功率变换器的研究提供了一条崭新的思路。20世纪90年代，以高压IGBT、IGCT为代表的性能优异的复合器件的发展引人注目，并在此基础上衍生了很多新型的变换拓扑结构，成为国内外学术界和工业界研究的重要课题，至此三电平变换器的研究和应用开始了迅猛的发展。在西方国家已经出现兆瓦级的多电平逆变器产品大量进入市场,并广泛用于各种高要求高性能系统中。作为一种
15、新型的逆变器类型，多电平逆变器产生的背景是为了克服传统逆变器在一次开关动作过程中，由较高的dv/dt，di/dt所引起的开关应力等一系列的缺点，通过对主电路拓扑结构的改进，使所有功率器件都在基频以下工作，从而达到减小开关应力，改善输出波形的目的。但因多电平电路所需的功率器件较多，操作起来更加复杂，所以从提高性能比角度上来讲，它更适合于大功率场合2,3。目前三电平逆变技术在国外已逐步进入实用的阶段4，但国内还处于萌芽状态，我们广泛的使用仍然是传统的大功率交流电机调速系统。国内能够研制、生产并提供售后服务的中高压变频器只是个别企业，具备科研能力或资金实力的，国外公司占据了市场的大部分。所以将来国内的研究者仍然有大量的工作要去做。随着新型电力电子器件及DSP智能芯片的普及，这一技术必将广泛的应用到大功率场合，未来无论在工业上还是学术上将占有更大的市场。1.3 本课题的主要工作本文主要工作的章节安排如下:1 对三电平技术进行综合概述，对其产生的背景、目前的现状以及发展前景进行深入研究，提出了研究这项技术的意义。2 利用数据图形了解二极管箝位式三电平拓扑结构的特点，然后通过三电平SVPWM控制技术算法来介
