基于五电平NPC/H桥的中压变频调速系统设计

论文摘要

随着电力电子器件和先进控制技术的发展,两电平PWM型逆变器交流驱动在工业中的应用越来越广泛。相对于直流驱动,它有着低维护,调速性能一样优越的特点。三电平中点箝位式逆变电路则能够输出两倍于两电平逆变电路的电压,而且谐波的畸变也只有前者的1/2。新型电力电子器件IGCT的出现大大促进了三电平逆变器的发展与应用。这种器件开关性能的提高使得三电平逆变器的效率提高了99%。如今,出于对更大容量交流驱动系统的需求,五电平中点箝位混合H(NPC/H)桥逆变器已经发展到了7.2kV,30MW的等级。如果4组并联,它的总容量可以达到120MW。五电平逆变器有着非常好的高压驱动性能,而且输出电压谐波含量更低。本文从三方面来讨论五电平NPC/H桥逆变器。首先,讨论的是多脉波二极管整流器。为了减少中压驱动系统中网侧电流的谐波畸变,通常采用的整流器拓扑种类有12脉波,18脉波和24脉波。并讨论了曲折联结的移相变压器结构。然后,讨论的是多电平电压源型逆变器。详细分析了几种多电平电压源型逆变器拓扑。包括中点箝位式和级联H桥式逆变器。重点介绍了五电平NPC/H桥逆变电路的空间矢量调制方法。这是一种适用于大功率多电平逆变器的,基于3段开关顺序设计的空间矢量调制方案。这种开关顺序使得谐波的频谱大大的优化,同时使得器件的开关动作频率降低到了最低限度。与传统的开关顺序相比,新方法的输出电压有着更低的逆变器等效频率和更低的器件动作频率。这一优点通过对五电平NPC/H桥逆变器的仿真得到了体现。最后一个方面的内容是大功率永磁同步电机的磁场定向控制。磁场定向控制有好几种不同方法。为了简化分析,最后一章主要分析了隐极永磁同步电动机的转子磁通定向控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 中压大功率变频传动的研究背景与意义
• 1.2 中压变频调速的应用现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 中压传动系统二极管整流器设计
• 2.1 串联型多脉波二极管整流器的设计
• 2.1.1 六脉波二极管整流器
• 2.1.2 多脉波二极管整流器的相关参数
• 2.1.3 多脉波二极管整流器的设计
• 2.2 移相变压器的结构与设计
• 2.2.1 星/Z-1 型移相变压器
• 2.2.2 星/Z-2 型移相变压器
• 2.2.3 两种移相变压器的计算结果归纳
• 2.3 五电平NPC/H 桥中的多脉波二极管整流方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 五电平NPC/H 桥逆变器的分析与设计
• 3.1 五电平NPC/H 桥型逆变器发展背景
• 3.2 五电平NPC/H 桥逆变器的拓扑分析
• 3.2.1 五电平NPC/H 桥拓扑的电平状态分析
• 3.2.2 五电平NPC/H 桥拓扑的换流方式分析
• 3.2.3 五电平NPC/H 桥拓扑与三电平NPC 拓扑对比
• 3.3 五电平NPC/H 桥拓扑的空间矢量调制
• 3.3.1 空间矢量调制方法的基本约束条件
• 3.3.2 空间矢量调制的基本算法
• 3.4 三段SVM 方案设计
• 3.4.1 三段SVM 方案的提出
• 3.4.2 三段电平状态序列设计
• 3.4.3 电平状态序列的解码
• 3.4.4 三段SVM 方案的仿真与结论
• 3.5 本章小结
• 第4章 五电平NPC/H 桥变频器驱动永磁同步电动机
• 4.1 永磁同步电机的模型
• 4.2 理想永磁同步电动机的数学模型
• 4.3 永磁同步电动机的矢量控制原理
• 4.4 基于五电平NPC/H 桥逆变器的永磁同步电机控制系统设计
• 4.4.1 系统的硬件设计
• 4.4.2 系统软件设计
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢