高性能混合多级转换器与浮动直流连接控制器的永磁同步电动机驱动

K.Venkateswarlu¹,Tegala。Srinivasa饶²和U Anjaiah³

P。G学生学者,电气与电子工程系,两代情工程与技术研究所Makavaripalem (P)、印度(Dt),印度安得拉邦。
电气与电子工程系副教授,两代情工程与技术研究所Makavaripalem (P)、印度(Dt),印度安得拉邦
电气与电子工程系助理教授,两代情工程与技术研究所Makavaripalem (P)、印度(Dt),印度安得拉邦

文摘

为工业应用需要使用逆变器,这是一个发现的问题作为一个逆变器由电力半导体开关控制驱动器。为了解决这个问题,介绍了众多的多电平逆变器拓扑,使功率半导体元件的使用开关转换。这可以通过合成楼梯使用一系列电力半导体开关输出电压波形与几个低直流电压源,如电容器、电池,或可再生能源电压源。这里提出的混合多电平逆变器拓扑结构来源于multiple-transformer逆变器拓扑。这个前端复杂化转换器的实现有一个高的水平。的另一种方法使用与浮动直流低电压电池链接只补偿的电压畸变neutral-point-clamped (NPC)转换器被认为是活跃的整流器的应用程序。浮动哈佛商学院之间的类比和系列活动过滤器是用来制定一项战略,全国人大的谐波补偿的控制输出电压和直流母线电压和官还会减少数量的漂浮在多电平逆变器的输出电压。提出了混合多电平逆变器的性能是通过仿真验证所提出的混合多电平逆变器拓扑和应用于永磁同步电动机驱动检查通过MATLAB / SIMULINK软件包的性能。

关键字

多电平逆变器,永磁同步电动机驱动,电流控制,总谐波失真。

介绍

无刷交流电机是交流电动机驱动的电输入,缺乏任何形式的换向器或滑环。一般术语“无刷交流电机”将引用一个永磁同步电机(永磁同步电动机)或永磁电动机(PMM),同步电动机使用永久磁铁而不是在转子绕组。轴向磁通永磁同步电动机,径向磁通,横向磁通,或通量交换取决于组件的安排,每个拓扑都有不同的效率之间的权衡,大小,重量,和操作速度。大多数永磁同步电动机利用永久磁铁安装在转子的表面。这使得电动机出现磁“圆”,和电动机转矩是磁铁之间的反应力的结果在转子和定子的电磁铁。这导致最优转矩角是90度,这是通过调节当前一分之零d-axis典型FOC应用[1]。

然而,一些永磁同步电动机磁铁,埋在转子的内部结构。这些发动机被称为内部永磁或IPM电机。因此,径向磁通集中在特定的空间角度比在别人。这产生了一个额外的转矩分量称为磁阻转矩,电动机电感的变化引起的集中和non-concentrated磁通路径。这将导致最优FOC转矩角大于90度,这需要一个固定的规范d-axis电流- q-axis电流之比。逆变器是用于控制基本电压大小和交流输出电压的频率。交流负载可能需要持续的或可调电压输入端子,当这样的负载是由逆变器,至关重要的是,逆变器的输出电压控制,满足负载的要求[2]- [5]。例如如果磁路的逆变器供电,如感应电动机、逆变器输出的电压频率比终端必须保持恒定。这避免了饱和磁路的设备由逆变器。

多级转换器的基本概念是使用一系列电力半导体开关,正确连接到几个低直流电压源合成电压波形接近正弦的楼梯。小的输出电压一步导致高质量的输出电压,减少功率切换设备上的电压应力,降低开关损耗和更高的效率。无数的多级转换器拓扑和各种控制方法已经开发在最近的文献[7]- [9]。三种不同的基本多级转换器拓扑中性点夹(NPC)或二极管夹[8],飞行电容器(FC)或电容器夹和级联Hbridge(慢性乙肝)。人大拓扑的主要缺点是他们共用电压不平衡导致直流环节电容串联连接电容器之间的不平衡,需要大量的钳位二极管更高的水平。FC多级转换器使用飞行电容器作为夹紧装置。这些拓扑有几个有吸引力的属性与全国人大变换器相比,包括无变压器的操作和冗余的优势阶段腿州允许切换压力均匀分布之间的半导体开关[10]

在这种拓扑中,全国人大是用来供给有功功率,而H-bridges (HBs)操作系列有源滤波器,提高电压波形质量只处理无功功率。通过这种方式,这种拓扑减少需要笨重且昂贵的拼箱被动过滤器,使一个有吸引力的替代大功率应用[11],[13]。本文以前NPC-HBs混合变换器的控制策略,介绍了其中包括全国人大的低频同步调制和哈佛商学院的一代为直流母线电压控制电压参考。

提出了混合拓扑

的完整性和更好地理解多级技术的进步,必须涵盖经典多电平变换器拓扑。

提出了混合多电平逆变器拓扑来源于multiple-transformer逆变器拓扑飞行电容器不对称的h桥逆变器集成到多个变压器的逆变器拓扑结构来改善多电平逆变器的性能。考虑混合拓扑结构由传统的基于三相三级人大逆变器,与单相HB系列变频器在每个输出阶段[13]- [17]。电源电路见图2,只有HB的阶段中所示的细节。测试作为一个逆变器,直流源的人大转换器是由两个串联二极管桥整流器,安排在一个12-pulse配置。混合拓扑结构考虑,NPC逆变器提供了总有功功率流。对于一个大功率的中压人大,使用自锁装置,有优势等综合gate-commutated晶体闸流管(igct),而非绝缘栅双极晶体管(igbt)由于其低损失和高电压阻断功能,实施限制开关频率。相比之下,哈佛商学院是额定电压较低,需要转换在更高频率的有效活跃的过滤效果。这要求使用IGBT。该转换器,图1所示,可以从两个不同的观点进行分析。第一个解释是作为一个单独的混合多电平逆变器与nine-level相电压,通过串联连接的三级人大腿和HB每阶段。 The second interpretation is as an NPC converter with a series active filter that compensates for the harmonic content introduced by the low switching NPC stage. If the NPC bridge is to be modulated at a low switching frequency.

NPC逆变器的调制,选择性谐波消除(她)方法被选中。这种方法的优点是非常低的开关频率,因此,低开关损失,同时消除低次谐波。她调制的使用的基本输出电压转换器由全国人大转换器合成,因此,该系列哈佛商学院只需要提供无功功率,允许浮动电容dc的操作链接。任何同步调制方法的缺点,如她,是其动态能力有限,可怜的闭环性能由于使用一个基于预计算按照查询表的方法,而不是实时计算[18]。在很大程度上,这些缺点可以被克服使用系列的哈佛商学院实时调制,引入一个额外的自由度的控制电路和更清洁的反馈信号。建立的三级她是一个和证据确凿的调制策略[19]。定性阶段输出电压波形图3给出了考虑五度实现,所以五自由度是可用的。这使基波分量的振幅和四个控制谐波消除。自一个三相系统被认为是,三次谐波消除负载的连接,因此,它们不需要消除的调制脉冲模式。

最优控制策略

每个系列HB转换器是由两个互补的引用独立控制的,如图4所示。第一个参考v * aa’(fn)对应的逆她的剩余谐波脉冲模式,计算在前一节中所述从全国人大的区别及其正弦电压脉冲电压模式参考。这个计算提供了一种快速、直观的失真估计允许简单的前馈补偿。此外,这种电压没有一个基本电压组件,因此,它不会影响浮动平均直流母线电容电压。然而,实现启动电容器充电和补偿电压漂移由于瞬态操作,一个额外的参考组件包括直流环节电压控制。第二个组件的参考电压v * aa (fn))对应一个信号相位与负载电流。这个电压用于细胞注入少量的有功功率,以控制HB直流环节电压的参考价值v * H。在操作过程中,基本负载电流是由全国人大转换器。为了同步参考电压v * aa’(fn)当前,锁相环(PLL)算法,既保证之间的零相移信号,因此最大化有功功率传输功率因数的电容器。这个参考电压的大小从直流环节电压控制器获得图4所示。 For the design of this voltage controller, the dynamic model (2) of the dc-link voltage vHa as a function of v*aa is used.

良好的动态性能,可以实现外部负载电流回路,如图5所示。低阶谐波补偿的哈佛商学院,目前可以与HB载波同步采样,其基本价值的提供一个良好的评估。此外,使用高采样频率,可以实现高电流带宽。重要的是要注意,在应用程序与低频切换模式,比如她调制,使用直接同步采样电流并不足以获得基本电流,因为开关谐波不定期交叉零。相反,观察员需要提取基本当前值;否则,需要复杂的非线性控制方案[20]。在本文中,这个问题是克服串联HBs的补偿效应,这举动的光谱非消除她对高频谐波HB载体乐队。这有效地简化了外部负载电流控制回路设计,导致标准的dq坐标系线性电流调节器,如图5所示。

永久MAGNENT同步机

美联储变频永磁同步电动机永磁同步电动机驱动器在过去十年中已经广泛被开发出来。多个应用程序,如无转子位置传感器驱动和直接转矩控制驱动,需要基本的电枢电压来计算电枢磁链。由于基本组件的实际电压不能直接从逆变器检测到输出终端,吩咐电压通常是用来代替实际的一个。高质量的永磁材料的发展投入商业生产鼓励一些制造商推出各种永磁同步机(永磁同步电动机)进入市场。永磁同步机已经应用于伺服驱动器已经很长一段时间,现在,都有相当大的永磁同步机还在工业使用。风力发电机的发展目前已经在永磁机的方向。原则上,矢量控制需要控制永磁同步电动机[21]。以前,穷人磁性材料的品质可以大大限制运动控制的实现。例如,由于磁钢磁铁的可怜的退磁特性,所谓的id = 0控制最初采用以确保稳定的极化。

的基本区别其他交流电机的控制原理将永久磁铁的磁性,特别是永磁材料是机器的磁路的一部分,因此对其有重要影响。永磁材料的相对磁导率μr接近,因此有效的直接气隙永磁同步电动机经常变得非常大。从而也的电感机——特别是在机器的磁铁位于转子表面——通常仍然相当低。另一个区别是,直接同步电感,使用嵌入的磁铁,可以少于求积值,比例是相反的他激凸极同步机。

图7显示了分数槽永磁同步电机。永磁机的特点是高度依赖于转子结构。转子可以以不同的方式来实现。采用现代永磁材料时,转子可以构造甚至完全不含铁。

MATLAB建模和仿真结果

第一阶段的工作是评估拟议的拓扑结构和控制方法。模拟在不同的情况下进行,在1)混合多级转换器与浮动直流控制器的链接。2)混合多级转换器与浮动直流环节控制器的永磁同步电动机驱动。

案例1:混合多级转换器与浮动直流控制器的链接

图7显示了Matlab / Simulink仿真模型,提出了混合多级转换器与浮动直流控制器使用Matlab / Simulink平台链接。

Fig.8显示逆变器的输出电压,负载输出电压、负载输出电流提出了混合多电平变换器的浮动直流控制器的链接。

Fig.9显示人大的输出电压,HB输出电压,提出了混合多电平变换器的直流环节电压浮动直流控制器的链接。

Fig.10 FFT分析提出了混合多电平变换器的负载输出电压浮动直流连接控制器,得到9.42%。

Fig.11 FFT分析提出的负载输出电流混合多级转换器与浮动直流连接控制器,得到2.43%。

案例2:混合多级转换器与浮动直流连接控制器的永磁同步电动机驱动。

Fig.12显示了Matlab / Simulink模型的混合多级转换器与浮动直流连接控制器,使用Matlab / Simulink美联储永磁同步电动机驱动包。

Fig.13定子电流混合多级转换器与浮动直流连接控制器的永磁同步电动机驱动。

无花果,14速度,电磁转矩的混合多级转换器与浮动直流连接控制器的永磁同步电动机驱动。

图15定子的EMF混合多级转换器与浮动直流链路控制器美联储永磁同步电动机驱动器。

结论

永磁同步电机(永磁同步电动机的)广泛应用于高性能驱动器,如工业机器人。效率高的特点,结构简单、高扭矩/惯性比率,维护自由和容易控制。高转矩密度和高效率使永磁同步电动机是一个更好的选择比感应电动机驱动器。提出的混合多电平逆变器拓扑证明提高输出波形质量的多电平逆变器减少THD的多电平逆变器的输出电压以及多电平逆变器的功率效率减少功率损耗的功率半导体开关通过模拟软件。提出的混合多电平逆变器拓扑结构可以被认为是一个低成本的解决方案需要更高的输出波形质量和效率更高的功率的逆变器适用于独立的燃料电池的操作系统,他们不太敏感系统的尺寸和重量。研究永磁同步电动机驱动的混合多电平逆变器拓扑结构可以进一步扩大,模拟多电平逆变器,以提供一个更详细的分析静态性能的多电平逆变器驱动,动态结果提出和在IEEE标准。

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