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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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无刷直流电动机馈电级联MLI

Sushmitha Ravella1要不是Buragadda2Praveen Kumar Kannam3.克里希纳Swayampu4
印度安得拉邦贡图尔Vaddeswaram, KLUniversity EEE系学生1234
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

多级逆变器在电力工业中引起了极大的兴趣。由于器件电压应力的控制方式，可以很容易地制造出具有多级结构的大功率高压逆变器。多电平逆变器的独特结构使它们能够以低谐波达到高电压。级联多电平逆变器由于其优于其他MLI配置(如二极管箝位，飞行电容器逆变器)而获得了更多的兴趣。无刷直流电动机转子组件采用永磁体，产生稳定的磁场，因此与感应电机相比有更多的优点。由于这些优点，无刷直流电动机被广泛使用，即从硬盘驱动器中使用的非常小的电机到电动汽车中使用的大型电机。本文采用级联多电平逆变器对大功率电动汽车用无刷直流电动机进行馈电，并对馈电结果进行了评价。

关键字
多级逆变器，永磁体，二极管夹紧，飞电容，级联，无刷直流电动机

介绍
传统直流电动机具有高效率和线性转矩-速度特性等吸引人的特性。直流电机的控制也很简单，不需要复杂的硬件。但是，直流电动机的主要缺点是需要定期维护。机械换向器的电刷最终会磨损，需要更换。机械换向器有其他不良影响，如火花，噪音和碳颗粒来自刷子。无刷直流电动机在很多情况下可以取代传统的直流电动机。尽管名字叫无刷直流电动机，实际上是一种永磁同步电动机。它们由直流电压驱动，但电流交换是由固态开关完成的。机械换向器被电子换向器取代。换向瞬间由转子位置决定，转子位置由位置传感器或无传感器技术检测。 BLDC motor have many advantages over conventional dc motors:
ïÂ‑·使用寿命长
ïÂ‑·高动态响应
ïÂ‑·高效
ï ·更好的速度vs扭矩特性
ïÂ‑·无噪音操作
ïÂ‑·运行速度更快
ïÂ‑·更高的速度范围
ïÂ‑·更高的转矩比
永磁同步电机根据其感应电动势的波形进行分类，即正弦和梯形。其中正弦型称为永磁同步电机，梯形型称为永磁直流无刷电机。高额定功率对于两级逆变器是不可能的(即它给出+Vdc， -Vdc)，因为半导体器件必须串联连接以获得所需的高压操作，这可以通过将几个两级转换器的输出与变压器或电感相加来实现，或直接串联，或通过一些拓扑结构，如二极管夹紧逆变器和飞行电容逆变器，它们通常被称为多电平电压源逆变器。多电平变换器的一般结构是，它具有三相逆变器中常见的六个开关的多个开关，从几个电平电压合成正弦电压，通常从电容器电压源获得。随着电平数的增加，合成的输出波形，一个楼梯状的波，接近所需的波形与减少谐波失真。在本文中，我们选择级联h桥逆变器，因为它的优点:
1.它比其他类型使用更少的组件。
2.它有一个简单的控制，因为转换器呈现相同的结构。
3.软开关技术可以降低开关损耗和器件应力。

无刷直流电动机建模
该模型是基于以下假设进行的:a)忽略转子中由定子谐波引起的感应电流。
b)铁和杂散损失也被忽略。
用电常数表示的定子电压方程为
图像
Rs -转子电阻在哪里
La, Lb, Lc -各相绕组自感
Lm -互感
ias, ibs, ics -定子绕组电流
Eas, ebs, ecs诱导反电动势。
电磁感应电动势为
图像
其中f(Θ)表示感应电动势取决于转子位置
电磁转矩由
图像
式中wm -转子转速，单位为机械rad/s, B -摩擦系数，J -电机轴惯量

级联h桥mli的仿真
利用MATLAB对MLI进行了仿真。级联MLI由串联的H桥组成，每个H桥由串联的H桥组成，每个桥由4个开关组成，如图1所示
通过四个开关S1,S2,S3,S4的不同组合，将直流电源连接到交流输出侧，每个h桥产生的输出具有三个不同的电平，即+Vdc, 0， -Vdc。打开S1, S4得到+Vdc。打开S2,S3生成-Vdc。关闭所有开关得到0V。以同样的方式得到每一级的输出。单桥开关顺序如下，上层开关S1、S3的发射脉冲相位延迟为1800。较低的开关是恭维发射脉冲通过NOT门。对任何单相或三相连接的电桥均适用。本文模拟了三相级联MLI。对于N级输出，每个相位所需的桥数为N=2n+1。
在不同的逆变器电平上控制传导角，可以最大限度地减小输出电压的谐波失真。随着电平数的增加，输出电压趋于正弦。

A.切换技术
开关通过正弦脉宽调制实现。在脉宽调制中，半导体开关所需的发射脉冲是通过比较基准波和载波波得到的。在正弦脉宽调制技术中，以正弦波为基准波，以三角波为载波。通过分别改变基准波振幅和载波频率，可以改变逆变器的输出，即振幅和频率。调幅指数是参考波振幅与载波波振幅m的比值一个= Vr/ Vc。调频定义为载波频率与参考波频率m的比值f= fc/ fr。本文以调幅为m一个= 1，调频mf= 21。脉冲产生如下图所示
这里MLI是三相的，发射脉冲的相位延迟为1200到每条腿。单支腿的开关连接如图4所示
开关S1和S2的相位延迟为180°。开关S1和S5相位延迟为90°。交换机S3、S4分别与交换机S1、S2互补，S7、S8与交换机S5、S6互补。在同样的其他两条腿连接和切换，以类似的方式完成。
三相逆变器的开关模式如下表所示
整个Simulink模型如下所示

仿真结果

A.级联MLI输出
i.发射脉冲
单支开关的发射脉冲如图7所示
2输出电压
级联MLI的三个相5电平输出相电压波形如下所示
3输出相位电压的FFT分析
三相电压的总谐波失真如下所示

B.无刷直流电动机输出
i)反电动势:无刷直流电动机具有梯形波形
图像
ii)定子电流
图像
iii)转速、转子位置、电磁转矩
图像

结论
本文利用MATLAB对五级联mli进行了仿真。将三相电压输入到无刷直流电机的MATLAB模型中。仿真结果表明，无刷直流电动机的感应反电动势为梯形。图中还得到了定子电流和电磁转矩大小。转子位置在每一个瞬间被发现，如图所示。

表格一览
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表1

数字一览
图1 图2 图3 图4
图1 图2 图3 图4
图7 图8 图9
图7 图8 图9

参考文献
  1. R. Krishnan，“电动机驱动建模、分析和控制”，Prentice Hall, 2001。
  2. M.Rashid，《电力电子手册》，学术出版社。
  3. 约翰·威利父子，帕克，r.j.，“永磁的进展”，1990年。
  4. NedMohan, Undeland, Riobbins“电力电子转换器，应用和设计”，Wiley学生版。
  5. R. Krishnan，“永磁同步和无刷直流电机驱动”，CRC出版社，2010年。
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