关键字 |
| 感应电机，多电平逆变器，总谐波失真，PWM技术 |
介绍 |
| 大多数工业驱动器使用交流感应电机，因为这些电机坚固，可靠，而且相对便宜。由于无法提供变频供电电压，感应电机主要用于恒速应用，但许多应用需要变速操作。历史上，机械齿轮系统被用来获得变速。最近，电力电子和控制系统已经成熟，可以使用这些部件来代替机械齿轮进行电机控制。目前的驱动类型是带电压源逆变器的感应电机驱动。此外，传统的两电平逆变器馈电感应电动机的电压波形表明，电动机上的电压不仅包含所需的“基本”正弦分量，而且还包含电压脉冲，即“纹波”电压。随着电力电子技术的发展，逆变器的水平不断提高，滤波器的尺寸也在不断增大。经典逆变器的总谐波失真很高。多级逆变器的性能优于传统逆变器。换句话说，多电平逆变器的总谐波失真较低。 The total harmonic distortion is analyzed between multilevel inverter and other classical inverter. A nine level inverter consists of a series of H-bridge inverter units connected to three phase induction motor. The general function of this multilevel inverter |
| 电力电子器件是谐波的重要组成部分，如功率整流器、晶闸管变换器和静态无功补偿器。即使是用于控制机器驱动器、功率因数补偿器等现代静态转换器的最新脉宽调制(PWM)技术，也不能产生完美的波形，这强烈依赖于半导体开关频率。 |
多级逆变器 |
| 由于控制器件电压应力的方法不同，生产具有多级结构的大功率高压逆变器可能更容易。增加逆变器中的电压电平数量，而不需要对单个设备进行更高的额定值，可以提高额定功率。多电平电压源逆变器的独特结构允许它们在不使用变压器或串联同步开关设备的情况下达到低谐波的高电压。随着电压电平数的增加，输出电压波形的谐波含量下降得越多。多级逆变器为输出电压提供了低总谐波失真(THD)，高效率和功率因数。 |
| 多电平逆变器馈电三相异步电动机的分段原理图如图5所示。 |
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| 整个系统将由两部分组成;一个电源电路和一个控制电路。电源部分由电源整流器、滤波电容器和三相二极管夹紧多电平逆变器组成。该系统的控制电路由单片机、光耦合器和门驱动电路三部分组成。基本上，有三种多电平逆变器，这些分类将在下一节解释。 |
多级逆变器的分类 |
| 1.中性点箝位逆变器(NPC) |
| 中性点箝位拓扑也称为二极管箝位拓扑。NPC拓扑的主要优点是它只需要一个直流电源，类似于两电平逆变器，并提供更好的性能。随着“n”级的增加，不仅夹紧二极管的数量增加，而且确保直流链路平衡的问题也变得更加严重。 |
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| 2.飞电容拓扑(FC) |
| 它也被称为电容器夹紧拓扑结构。对于这种拓扑，“n”可以取任何类似于NPC拓扑的整数值。电压夹紧是通过使用相对于地电位浮动的电容器来完成的。 |
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| 3.级联h桥拓扑结构 |
| 在这种拓扑结构中，h桥在每个阶段都级联。在一个相位中，随着H桥的增加，输出电压波形趋于正弦波。在n级拓扑中，每个阶段使用(n-1)/2个相同的H-桥。每个h桥的直流母线必须有一个单独的直流电源。 |
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九级变换器和感应电机模型 |
| 九电平逆变器由一系列二极管夹紧逆变器单元连接到三相感应电机组成。这种多电平逆变器的一般功能是从几个直流源合成所需的电压。各电桥的交流端子电压串联。这种配置适用于恒频应用，如有源前端整流器、有源电力滤波器和无功功率补偿。 |
| 本文对工业上常用的各种感应电机驱动结构进行了概述。各种控制策略用于提高驱动效率和各种逆变器用于控制电机转速，减少转矩纹波，电流纹波和减少谐波。文中建立的稳态- slate模型和等效电路对研究机器稳态性能很有帮助。动态模型考虑了电压/电流变化的瞬时效应。定子频率、转矩扰动。采用直流和正交两相电机，建立了异步电机的动力学模型。这种方法是可取的，因为两组绕组在概念上是简单的。一个在定子上，另一个在转子上。通过简单的观测得到三相机器和两相机器模型的等价性，该方法适用于将其推广到用两相机器来模拟n相机器。同步旋转参考系模型的转速为:ωc =ωs =定子电源角频率/rad/sec，瞬时角位置为à [¨- C=Ã] [¨=ωst]，基本异步电机的电磁转矩为: |
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多电平逆变器的调制拓扑 |
| 电力电子变换器主要以“开关模式”运行。这意味着转换器内的开关总是处于两种状态之一——关闭(没有电流流动)或打开(饱和，只有一个小压降通过开关)。为了控制转换器中的功率流，开关在这两种状态(即开和关)之间交替。这发生得足够快，以至于转换器的输入和输出节点上的电感和电容器对开关信号进行平均或滤波。开关分量被衰减，所需的直流或低频交流分量被保留。这个过程被称为脉宽调制(PWM)，因为期望的平均值是通过调制脉冲的宽度来控制的。为了实现开关组件的最大可能衰减，通常希望开关频率fc高-在输入或输出端看到的所需基本交流组件f1的频率的许多倍。 |
| 不存在基频以下的频率分量(通常称为次谐波)。这是很重要的，因为一个不希望的谐波成分接近零频率，即使很小的幅度，可以导致大电流流动在感性负载。除了这些基本要求之外，还有许多不同的方法来生成PWM开关边。任何技巧都可以归为以下三类之一: |
| 1)离线或预计算PWM技术，2)滞后控制PWM, 3)基于载波的PWM。 |
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仿真图和波形 |
| MATLAB是一种高性能的技术计算语言。它在一个易于使用的环境中集成了计算、可视化和编程，其中问题和解决方案用熟悉的数学符号表示。 |
仿真图: |
| 利用Simulink对九电平逆变器馈电感应电机模型进行了仿真。建立电机驱动功率电路模型，整个电路仿真模型如图5所示。 |
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| 图7。所示为PWM电路，用于产生多电平逆变器开关的门控信号。控制输出电压为9级的三相多电平逆变器;产生两个载波，并在每次与一组三个正弦参考波形进行比较。一个载波在零基准之上，一个载波在基准之下。 |
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仿真结果: |
| 给出了电压、电流、电机转速和电磁转矩的仿真结果。图7为正三角交点波形。采用双载波调制信号实现了多载波PWM控制。 |
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| 变频器输出电压如图7(a)所示，输出电流如图7(b)所示。由于采用九电平多电平逆变器，因此输出电压包含九电平电压，输出电流为连续正弦波形。 |
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| 对电机驱动系统进行FFT分析，如图9所示。 |
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| 可以看出，多电平逆变器馈电电机驱动系统的谐波百分比比经典逆变器系统要小。 |
结论 |
| 对九电平逆变器馈电感应电机驱动进行了建模，并利用Simulink进行了仿真。与经典逆变器和五电平逆变器相比，总谐波失真非常低。仿真结果表明，谐波有明显的降低。对九电平逆变器馈电感应电机系统进行了仿真，得到了输出电压波形、电流波形、电机转速、电磁转矩和频谱。逆变器系统可用于需要可调速驱动器的行业。 |
参考文献 |
- Jose, Steffen Sernet，吴斌，Jorge和SamirKouro，“工业中压驱动器的多电平电压源-转换器拓扑”，IEEE工业电子学报，vol.54, no. 1。2007年12月6日。
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- Nikolaus P. Schibli, T. Nguyen，和Alfred C. Rufer，“大功率感应电机的三相多电平变换器”，IEEE电力电子学报，vol.13, no. 1。1998年9月5日。
- N.Celanovic和D.Boroyevich，“三电平中性点箝位电压源PWM逆变器中性点电压平衡问题的综合研究”，电力电子学报，vol.15, no. 1。2，第242 - 249页，2000年3月。
- K.Yamanaka和a.m.h hava，“一种利用输出电流极性和电压矢量信息的新型中性点电位稳定技术”，电气工程学报，vol.38, no. 1。6，第1572 - 1580页，2002年11月/ 12月。
- 方正鹏，“一种具有自电压平衡的广义多电平逆变器拓扑”，清华大学学报(自然科学版)，vol. 37, no. 1。2，第611-618页2001年3月/ 4月。
- 方志鹏，黎俊杰，“多电平逆变器的拓扑、控制和应用研究”，电子工程学报，vol.49, no. 1。4, pp 724-738 2002年8月。
- L.M.Tolbert和T.G.Habetler，“基于多电平逆变器载波的PWM方法”，IEEE Trans on Ind应用，vol.35, pp. 1098-1107, 1999年9月。
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