关键字 |
| 感应电动机直接转矩控制(DTC),多电平逆变器, |
介绍 |
| 最近多电平电压源逆变器应用于许多工业应用,如ac电源、静态无功补偿器,驱动系统等。多层配置的显著的优势之一是谐波减少输出波形不增加开关频率或减少逆变器输出功率[1]。多电平逆变器的输出电压波形是由电压水平的数量,通常从电容器电压源,获得所谓的多级从三个层次。传统逆变器电压源逆变器(VSI)和电流源逆变器(CSI),由二极管整流器的前端,直流环节和逆变桥。为了提高功率因数,通常使用一个交流电感或直流电感。直流环节电压约等于1.35倍线电压和电压源逆变器是一个巴克转换器,只能产生一个交流电压直流环节电压的限制。因为这种性质的,基于电压源逆变器的PWM逆变器和CSI的特点是相对较低的转换效率,因为损失和大量的电磁干扰(EMI)的一代。 |
| 的数量水平达到无穷大,输出(THD趋于零。可实现的电压水平,然而,受限于电压钳位电压不平衡问题要求,电路布局,和包装的约束。多级转换器是一种很有前途的电力电子拓扑用于大功率电机驱动应用程序由于其低电磁干扰(EMI)和高效[1 - 4]。这些逆变器与传统2级逆变器可以解决相关的问题。他们的拓扑,包括diode-clamped、飞行电容器和级联h桥结构,深入研究了大功率应用[1]。用更少的级联细胞可以获得更高的输出质量和控制的复杂性,和输出滤波器可以显著减少甚至消除[6]。感应电动机(IM),由于其著名的结构简单的优点,可靠性,强度,和低成本,发现非常广泛的工业应用。此外,在整流直流电机相比,它可以用在一个积极的或不稳定的环境因为没有火花,腐蚀问题。这些优势,然而,取代工业驱动控制问题在使用IM和高性能的要求。 |
| 引入以来,直接转矩控制(DTC)已成为一个强大的控制方案的控制感应电动机(IM)驱动器。标准的DTC方案使用滞环比较器的电磁转矩和定子磁通大小的控制。这种控制结构理想使磁滞带内两个控制参数和结果在非恒定的开关频率。的方法之一,已经被一个主要使用制造商多电平逆变器直接转矩控制(DTC),这是公认的今天作为交流驱动的高性能控制策略。一些作者已经解决的问题提高DTC ac马达的行为,特别是通过减少转矩脉动。然而,当使用DTC方案在离散实现中,转矩和磁通都超过了乐队由迟滞比较器,由于固定采样频率。 |
| 被丢弃的想法使用磁通和转矩传感器探测控制变量,后者的估计从终端电动机电流和电压通过IM电压模型。而定子电流直接传导,定子电压转换获得逆变器直流母线电压和通过操纵它的大小根据逆变器开关的状态。直接转矩控制(DTC)已经成为一个可能的替代著名的感应电动机的矢量控制策略控制系统[3],[4]。尽管大量的研究已经取得了与该方法相关的二级拓扑控制,大量的研究到目前为止DTC系统采用多级拓扑仍相当有限。三级逆变器拓扑的主要优势应用于直接转矩时可用电压向量的数量会增加。 |
| 这意味着向量选择过程的可能性大大增加,导致一个更精确的控制系统,从而导致减少扭矩和通量的涟漪。这当然是代价的,那就是增加向量选择过程的复杂性。虽然几个作者最近提出的实现DTC利用这个更高层次的拓扑结构,他们的方法是基于使用更复杂的矢量选择表结合基于分析方法的调制技术,机器参数依赖[5],[6]。一种不同的方法选择表是基于虚拟的概念向量[7]。这些新方法大大增加的复杂性控制策略相比,经典的DTC系统[3],和他们不能扩展到不同的多级拓扑具有更高的水平,因为表的选择方法。 |
级联H-BRIDGES结构和操作 |
| 传统的两个或三个层次逆变器不完全消除不必要的输出波形的谐波。因此,使用多级逆变器替代传统的PWM逆变器是调查。n能级级联h桥多电平逆变器由系列单相连接H-bridges每阶段,每个h桥有自己的独立的直流源。 |
| 图1显示了一个三相级联逆变器的拓扑结构孤立的直流电压源。一个输出相电压波形通过求和得到输出电压的桥梁。级联h桥逆变器由能量转化细胞,每个由一个孤立的直流源在直流方面,可以从电池,燃料电池或超级电容器[9],串联在交流方面。此拓扑的优点是调制,控制和保护的要求每个桥是模块化。应该指出,不同于diode-clamped和浮动电容拓扑,隔离直流源在每个阶段所需的每一个细胞。 |
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| 其中N是级联桥的数量。逆变器输出电压vo (t)可能决定从单个细胞转换状态。 |
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| 所有直流电压源在图1等于直流,然后被称为一个对称的多级逆变器。有效的“n”对称的多电平逆变器输出电压水平的细胞数量有关 |
| n = 1 + 2 n |
| 表我总结了层数、开关、直流源,和最大可用经典的级联多电平逆变器的输出电压。 |
感应电动机直接转矩控制 |
| DTC是flux-oriented控制另一种方法。然而,标准版,获得重要的转矩脉动是即使在高采样频率。此外,逆变器开关频率是固有的变量和非常依赖扭矩和轴转速。这会产生转矩谐波与变量频率和一个噪声干扰强度非常依赖这些机械变量,尤其是光栅速度低。额外的自由度(空间向量,相配置,等等)提供的多电平逆变器,因此,被利用的控制策略以减少这些缺点[6],[9]。 |
| DTC感应电动机的基本模型方案图1所示。在每个样本时,两个定子电流Isa和形成自己的特色和直流总线电压直流采样。使用逆变器电压矢量,αβ,定子电压空间矢量的组件固定参考系计算如下。 |
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| αβ组件的定子电流空间矢量计算使用 |
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| 定子磁通是一个函数的转子磁通提供的通量观察者 |
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| 然后计算定子磁通的大小 |
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| 计算电磁转矩 |
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| 逆变器开关状态由转矩和磁通错误根据部门确定。 |
| 答:电压矢量选择: |
| 图3展示了一个127年的电压矢量变频器在即时生成的t = k,用(中央点)。nextvoltage向量,应用负载,可以表达的 |
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| 第六,={|我= 1,…6}。第六每个向量对应一个角落的六边形元素所示虚线的灰色和图8。的任务是确定正确的扭矩和通量响应,了解实际的电压矢量,转矩和磁通的错误,和定子磁通矢量位置(部门由角θs)。注意,下一个电压矢量应用于负载将永远是一个6前面最近的向量;这将减轻驱动工作,减少高动态转矩响应可能由于大变化的参考。表2总结了向量选择不同行业和比较器输出(期望φs和Te修正)。 |
| 实现感应电动机的直接转矩由混合h桥多电平逆变器,一个人应该确定在每个采样周期,逆变器开关逻辑状态的函数扭矩和通量瞬时值的选择空间向量α-β框架。所提出的控制算法分为两个主要的任务,在级联是独立和执行。 |
| 1)第一个任务:它旨在控制感应电动机的电磁状态。转矩和通量瞬时值及其变化将考虑在α-β空间矢量的选择。一旦选择空间,序列可以选择阶段的水平。为了确保这个任务,每个人都应该检测的空间矢量位置α-β框架(在采样时间Qk k)。该算法必须选择下一个位置Qk + 1之前要实现下一个采样时刻k + 1(见图4),以减少电压大小的步骤。只有一步位移α-β框架授权每个采样周期Ts。因此,在缺乏逆变器饱和,Qk + 1必须配合一个小学的六个角落六边形在Qk慢跑。相同的程序将进行下一个时期为了确定下一个轨迹方向,产生Qk + 2,进而将配合新的小学的六个角落六角Qk + 1慢跑。在逆变器的情况下饱和(如果Qk Qk + 1)给出了一个遥不可及的点,一个轨迹修正是必要的(见图4)。(2)和(3)的情况下,选择最接近的位移方向。例(1)展示了一个特定的情况下,不应该执行切换,因为最近的访问轨迹大致向相反的的青睐一个查找表(见表2)。 |
| 2)第二个任务:利用相关的自由度多层拓扑选择阶段序列合成电压矢量选择之前的水平。有几个阶段水平序列能够生成相同的向量见图5;因此,这种自由度可以被利用来降低电压的步骤大小根据以下条件之一:1)减少换向每周期数;b)分发减刑的三相每段;或c)选择一个最小化homo极性电压矢量。这个任务允许损耗和转矩脉动最小化。 |
| 最后,每个阶段的配置将被选择和必须能够生成阶段的水平。 |
矩阵变换器 |
| 矩阵变换器有几个优势传统rectifier-inverter功率变频器类型。它提供了正弦输入和输出波形,以最小的高阶谐波和子谐波;它固有的双向能量流能力;输入功率因数可以完全控制。最后但并非最不重要,它有最小的能源存储需求,使得摆脱笨重和终身储能电容器。但是矩阵变换器也有一些缺点。首先,它有一个最大的输入输出电压传输比限制在87%正弦输入和输出波形。它需要比传统的农用间接半导体器件功率变频器,因为不存在整体双向开关,因此离散单向设备,各种安排,必须用于每一个双向开关。最后,它是特别敏感的扰动输入电压系统。图6显示了一个示意图框图的矩阵变换器拓扑结构很简单和紧凑的设计由于缺少直流环节电容储能。 |
| 三相矩阵变换器模块包括九个双向开关,如图7所示。有27个开关配置状态,这意味着27可能空间向量可以用来控制我,可以分别分割成3组如表1所示;在我组,两个输出线连接的另一个输入线;在第二组中,所有输出线是连接到一个共同输入行;在第三组,每个输出线是连接到一个不同的输入行。相应的输出相电压向量和输入线电流向量有固定的方向代表如图2所示。然而,第三组不是有用的。只有18非零空间向量在我组(±1,±2,…,±9)和3零空间向量组II (0, 0, 0 c)通常可以采用矩阵变换器的现代控制技术(如空间矢量调制,DTC方法,等等)。 |
MATLAB建模和仿真结果 |
| 仿真是在不同条件下进行,1。提出了对称的5级多级逆变器驱动2。提出了对称7-Level多电平逆变器驱动3。提出了对称7-Level多电平逆变器驱动4。提出了对称9-Level多电平逆变器驱动5。提出了对称11级多级逆变器驱动。 |
| 案例1:提出了对称的5级多级逆变器和驱动器 |
| 图7显示了Matlab / Simulink模型,提出对称5级多级逆变器与Matlab / Simulink进行驱动。 |
| Fig.8显示了定子电流、速度和电磁转矩的提出对称5级多级逆变器驱动。 |
| Fig.9显示提出了对称的定子磁通5级多级逆变器驱动。 |
| Fig.10显示提出了对称的5级多级逆变器的输出电压与驱动器。 |
| 案例2:提出对称7-Level多电平逆变器驱动 |
| Fig.11显示了定子电流、速度和电磁转矩的提出对称7-Level多电平逆变器驱动。 |
| Fig.12显示提出的输出电压对称7-Level多电平逆变器和驱动器。 |
| Fig.13显示提出了对称的定子磁通7-Level多电平逆变器和驱动器。 |
| 案例3:提出对称7-Level多电平逆变器和驱动器 |
| Fig.14显示了定子电流、速度和电磁转矩的提出对称7-Level多电平逆变器驱动。 |
| 15所显示提出对称7-Level多级逆变器的输出电压与驱动器。 |
| 案例4:提出对称9-Level多电平逆变器驱动 |
| Fig.16显示了定子电流、速度和电磁转矩的提出对称9-Level多电平逆变器驱动。 |
| Fig.17显示提出的输出电压对称9-Level多电平逆变器和驱动器。 |
| 案例5:提出对称11-Level多电平逆变器驱动 |
| Fig.18显示了Matlab / Simulink模型提出了对称11-Level多级逆变器的驱动使用Matlab / Simulink的矩阵变换器。 |
| Fig.19显示了定子电流、速度和电磁转矩的提出对称11-Level多电平逆变器驱动。 |
结论 |
| 直接转矩控制(DTC)和DTC矩阵变换器(DTC_MC)提出和比较,DTC_MC方法的转矩波动小的DTC。强化了DTC_MC修改转矩误差迟滞比较器为了区分小,中型和大型积极和消极扭矩错误。仿真结果证明了优秀的瞬态转矩响应的方法。DTC_MC方法具有更好的性能。由于转矩控制和减少脉动转矩的主要目标,DTC_MC方法的速度和稳定的响应比较DTC具有更少的涟漪。技术是用来改善逆变器的水平和扩展了设计的灵活性和减少转矩的波动。的确,提出了对称和不对称的安排的五年和七级以及nine-level eleven-level h桥逆变器进行比较,以找到一个最优安排切换损失,优化输出电压较低质量。此外,大大减少脉动转矩:不对称的多电平逆变器允许DTC大功率感应电动机驱动的解决方案。 |
表乍一看 |
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数据乍一看 |
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引用 |
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