三电平逆变器PWM谐波高效抑制策略研究
发布时间：2021-07-27 22:44
三电平逆变器具有输出谐波含量低、效率高、功率等级和耐压等级高、对电机绝缘损伤小等优点,在舰船推进、重型车辆、轧钢、电力系统等领域具有非常广阔应用前景。为了电能的高效转换,逆变器驱动系统通常采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）技术。这就不可避免地导致电机产生电磁振动与噪声、转矩波动和电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）,造成电机的损耗增加、效率降低,甚至干扰电气电子设备的正常工作,影响电机及驱动系统的可靠性。因此,如何降低PWM谐波含量是大功率变频领域的关键问题。本文在三电平空间矢量PWM（SVPWM）技术和扩频调制策略的研究基础上,提出了适用于三电平逆变器的PWM谐波高效抑制策略并进行仿真验证。研究并分析了二极管箝位型三电平逆变器和三电平SVPWM技术的原理,推导了传统三电平SVPWM技术的相电压谐波公式。通过仿真模型的傅里叶分析和频谱分析直观地展示了相电压和相电流的PWM谐波特性,并与两电平SVPWM技术进行了对比。在传统双边规则采样的三电平SVPWM技术基础上,对矢量合成时序进行优化,提出了一种新的三电平S...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图2-3两电平SVPWM和三电平SVPWM的空间矢量图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文13对应着3个开关状态，其中有2个冗余开关状态；poo和onn、ppo和oon、opo和non、opp和noo、oop和nno、pop和ono这6组开关状态分别对应着6个幅值为/2dcV的短矢量，即每个短矢量对应着2个开关状态，且具有1个冗余开关状态；pon、opn、npo、nop、onp、pno这6个开关状态分别唯一对应着6个幅值为3/2dcV的中矢量，中矢量不存在冗余开关状态；pnn、ppn、npn、npp、nnp、pnp这6个开关状态分别唯一对应着6个幅值为Vdc的长矢量，长矢量也不存在冗余开关状态。详细的电压空间矢量分类如表2-2所示。表2-2三电平SVPWM电压空间矢量表矢量类型电压空间矢量零矢量ppp、ooo、nnn短矢量poo和onn、ppo和oon、opo和non、opp和noo、oop和nno、pop和ono中矢量pon、opn、npo、nop、onp、pno长矢量pnn、ppn、npn、npp、nnp、pnp对于三电平SVPWM技术来说，其扇区分区的方式比两电平要更为复杂。对矢量空间区域进行区域划分是为了更简单地选出附近的三个基本电压矢量，根据伏秒平衡原则进行矢量合成以等效参考电压矢量Uref，使得逆变器的输出电压空间矢量运行轨迹尽可能地接近圆形轨迹。opnIIIIIIIVVVI图2-4三电平SVPWM空间矢量扇区划分首先根据目标参考电压矢量Uref的相角θ将整个六边形矢量空间区域分为六个大扇区，分别用罗马数字I、II、III、IV、V、VI表示：0≤θ≤π/3为第I扇区，π/3≤θ≤2π/3为第II扇区，2π/3≤θ≤π为第III扇区，π≤θ≤4π/3为第IV扇区，4π/3≤θ≤5π/3为第V扇区，5π/3≤θ≤2π为第VI扇区，具体划分如图2-4所示。在此基础上，每个大扇区的三角形区域内还要再分为六个小区域，以参考电压矢量Uref
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18为了更详细地说明三电平SVPWM的谐波计算过程，根据调制比的大小将矢量六边形划分为四个调制区如图2-7所示。IIIIIIIVVIV135246低调制比区：中调制比区：高调制比区：过调制比区：0≤M≤1/21/2<M≤1/31/3<M≤11<M≤2/3图2-7三电平SVPWM调制比分区根据傅里叶变换，任何时间变量函数都可表示为多种谐波分量的总和的形式。对于一个双变量的时变函数f（x,y），进行双重傅里叶变换[48]：f(x,y)00000011[cossin][cossin]2nnmmnmAAnyBnyAmxBmx∞∞===+∑++∑+1(0)+[cos()sin()]mnmnmnnAmxnyBmxny∞∞==∞≠∑∑+++（2-10）其中，时变函数f（x,y）也就是相电压ua（t），m是载波的谐波次数，n是基波的谐波次数，且。式（2-10）中各项系数为：21(,)cos()2mnAfxymxnydxdyπππππ=∫∫+（2-11）21(,)sin()2mnBfxymxnydxdyπππππ=∫∫+（2-12）谐波系数的复数形式为：()21(,)2jmxnymnmnmnCAjBfxyedxdyπππππ+=+=∫∫（2-13）此处定义x=ωct+θc，y=ω0t+θ0，ωc为载波角频率，ω0为基波角频率，θc为载波的初始角度，θ0为基波的初始角度。代入式（2-10）可以推得[25]：m,n=1,...,∞
【参考文献】：
期刊论文
[1]电力推进系统电力电子噪声的主动抑制技术进展[J]. 蒋栋,沈泽微,刘自程,韩寻,王启元,何忠祥. 中国电机工程学报. 2020(16)
[2]高压大功率永磁同步电动机直驱技术在港口带式输送机上的应用[J]. 徐文鹏,于野,张雨. 起重运输机械. 2019(13)
[3]高压变频器在大功率同步电机中的应用[J]. 荣凯,刘明光,魏廷林,郭冬梅. 变频器世界. 2017(03)
[4]多电平电压源型逆变器的容错技术综述[J]. 徐帅,张建忠. 电工技术学报. 2015(21)
[5]并联逆变器馈电PMSM调速系统谐波和环流控制[J]. 王政,郑杨,张兵,储凯,张秀斌. 电机与控制学报. 2014(12)
[6]NPC三电平逆变器容错拓扑及其控制研究[J]. 陈丹江,叶银忠,华容. 控制工程. 2014(02)
[7]大功率交流电机变频调速技术的研究[J]. 李崇坚. 中国工程科学. 2009(05)
[8]驱动用微特电机及其控制系统的可靠性技术研究综述[J]. 赵文祥,程明,朱孝勇,张建忠,花为. 电工技术学报. 2007(04)
[9]多相三电平逆变器-PMSM矢量控制系统研究[J]. 雷军,刘志刚,余明锋. 电力电子技术. 2005(05)
[10]三电平逆变器SHEPWM方法及其应用研究[J]. 张艳莉,费万民,吕征宇,姚文熙. 电工技术学报. 2004(01)
博士论文
[1]单相并联型有源电力滤波器周期频率调制策略研究[D]. 陈楠.吉林大学 2019
[2]三相电压源逆变器PWM谐波抑制技术研究[D]. 黄盈亮.哈尔滨工业大学 2019
[3]永磁同步电机系统的周期频率调制策略研究[D]. 原庆兵.哈尔滨工业大学 2016
[4]四象限级联型多电平高压大功率逆变器控制系统研究[D]. 刘子建.中南大学 2010
[5]大功率三电平变换器关键技术及同步电机传动控制系统研究[D]. 李浩.中国矿业大学 2010
硕士论文
[1]基于多电平逆变器的高速永磁同步电机控制系统研究[D]. 金无痕.沈阳工业大学 2019
[2]永磁同步电机随机PWM控制方法研究[D]. 高原.贵州大学 2019
[3]三相三电平逆变器驱动PMSM的模型预测控制研究[D]. 罗维多.兰州交通大学 2018
[4]PWM整流器高频谐波抑制技术及应用研究[D]. 黄玉杰.湖南大学 2018
[5]基于随机PWM调制的变流器研究[D]. 乐焕华.电子科技大学 2015
[6]永磁同步电机低噪声脉宽调制策略的研究[D]. 王兴.沈阳工业大学 2013
[7]基于扩频原理的永磁同步电机系统开关噪音抑制策略[D]. 要焰梅.哈尔滨工业大学 2011
[8]永磁同步电机频率调制PWM技术研究[D]. 梁慧.哈尔滨工业大学 2010
[9]基于DSP的三电平SVPWM逆变器的研究[D]. 谭永辉.湖南大学 2004
本文编号：3306688
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图2-3两电平SVPWM和三电平SVPWM的空间矢量图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文13对应着3个开关状态，其中有2个冗余开关状态；poo和onn、ppo和oon、opo和non、opp和noo、oop和nno、pop和ono这6组开关状态分别对应着6个幅值为/2dcV的短矢量，即每个短矢量对应着2个开关状态，且具有1个冗余开关状态；pon、opn、npo、nop、onp、pno这6个开关状态分别唯一对应着6个幅值为3/2dcV的中矢量，中矢量不存在冗余开关状态；pnn、ppn、npn、npp、nnp、pnp这6个开关状态分别唯一对应着6个幅值为Vdc的长矢量，长矢量也不存在冗余开关状态。详细的电压空间矢量分类如表2-2所示。表2-2三电平SVPWM电压空间矢量表矢量类型电压空间矢量零矢量ppp、ooo、nnn短矢量poo和onn、ppo和oon、opo和non、opp和noo、oop和nno、pop和ono中矢量pon、opn、npo、nop、onp、pno长矢量pnn、ppn、npn、npp、nnp、pnp对于三电平SVPWM技术来说，其扇区分区的方式比两电平要更为复杂。对矢量空间区域进行区域划分是为了更简单地选出附近的三个基本电压矢量，根据伏秒平衡原则进行矢量合成以等效参考电压矢量Uref，使得逆变器的输出电压空间矢量运行轨迹尽可能地接近圆形轨迹。opnIIIIIIIVVVI图2-4三电平SVPWM空间矢量扇区划分首先根据目标参考电压矢量Uref的相角θ将整个六边形矢量空间区域分为六个大扇区，分别用罗马数字I、II、III、IV、V、VI表示：0≤θ≤π/3为第I扇区，π/3≤θ≤2π/3为第II扇区，2π/3≤θ≤π为第III扇区，π≤θ≤4π/3为第IV扇区，4π/3≤θ≤5π/3为第V扇区，5π/3≤θ≤2π为第VI扇区，具体划分如图2-4所示。在此基础上，每个大扇区的三角形区域内还要再分为六个小区域，以参考电压矢量Uref
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文18为了更详细地说明三电平SVPWM的谐波计算过程，根据调制比的大小将矢量六边形划分为四个调制区如图2-7所示。IIIIIIIVVIV135246低调制比区：中调制比区：高调制比区：过调制比区：0≤M≤1/21/2<M≤1/31/3<M≤11<M≤2/3图2-7三电平SVPWM调制比分区根据傅里叶变换，任何时间变量函数都可表示为多种谐波分量的总和的形式。对于一个双变量的时变函数f（x,y），进行双重傅里叶变换[48]：f(x,y)00000011[cossin][cossin]2nnmmnmAAnyBnyAmxBmx∞∞===+∑++∑+1(0)+[cos()sin()]mnmnmnnAmxnyBmxny∞∞==∞≠∑∑+++（2-10）其中，时变函数f（x,y）也就是相电压ua（t），m是载波的谐波次数，n是基波的谐波次数，且。式（2-10）中各项系数为：21(,)cos()2mnAfxymxnydxdyπππππ=∫∫+（2-11）21(,)sin()2mnBfxymxnydxdyπππππ=∫∫+（2-12）谐波系数的复数形式为：()21(,)2jmxnymnmnmnCAjBfxyedxdyπππππ+=+=∫∫（2-13）此处定义x=ωct+θc，y=ω0t+θ0，ωc为载波角频率，ω0为基波角频率，θc为载波的初始角度，θ0为基波的初始角度。代入式（2-10）可以推得[25]：m,n=1,...,∞
【参考文献】：
期刊论文
[1]电力推进系统电力电子噪声的主动抑制技术进展[J]. 蒋栋,沈泽微,刘自程,韩寻,王启元,何忠祥. 中国电机工程学报. 2020(16)
[2]高压大功率永磁同步电动机直驱技术在港口带式输送机上的应用[J]. 徐文鹏,于野,张雨. 起重运输机械. 2019(13)
[3]高压变频器在大功率同步电机中的应用[J]. 荣凯,刘明光,魏廷林,郭冬梅. 变频器世界. 2017(03)
[4]多电平电压源型逆变器的容错技术综述[J]. 徐帅,张建忠. 电工技术学报. 2015(21)
[5]并联逆变器馈电PMSM调速系统谐波和环流控制[J]. 王政,郑杨,张兵,储凯,张秀斌. 电机与控制学报. 2014(12)
[6]NPC三电平逆变器容错拓扑及其控制研究[J]. 陈丹江,叶银忠,华容. 控制工程. 2014(02)
[7]大功率交流电机变频调速技术的研究[J]. 李崇坚. 中国工程科学. 2009(05)
[8]驱动用微特电机及其控制系统的可靠性技术研究综述[J]. 赵文祥,程明,朱孝勇,张建忠,花为. 电工技术学报. 2007(04)
[9]多相三电平逆变器-PMSM矢量控制系统研究[J]. 雷军,刘志刚,余明锋. 电力电子技术. 2005(05)
[10]三电平逆变器SHEPWM方法及其应用研究[J]. 张艳莉,费万民,吕征宇,姚文熙. 电工技术学报. 2004(01)
博士论文
[1]单相并联型有源电力滤波器周期频率调制策略研究[D]. 陈楠.吉林大学 2019
[2]三相电压源逆变器PWM谐波抑制技术研究[D]. 黄盈亮.哈尔滨工业大学 2019
[3]永磁同步电机系统的周期频率调制策略研究[D]. 原庆兵.哈尔滨工业大学 2016
[4]四象限级联型多电平高压大功率逆变器控制系统研究[D]. 刘子建.中南大学 2010
[5]大功率三电平变换器关键技术及同步电机传动控制系统研究[D]. 李浩.中国矿业大学 2010
硕士论文
[1]基于多电平逆变器的高速永磁同步电机控制系统研究[D]. 金无痕.沈阳工业大学 2019
[2]永磁同步电机随机PWM控制方法研究[D]. 高原.贵州大学 2019
[3]三相三电平逆变器驱动PMSM的模型预测控制研究[D]. 罗维多.兰州交通大学 2018
[4]PWM整流器高频谐波抑制技术及应用研究[D]. 黄玉杰.湖南大学 2018
[5]基于随机PWM调制的变流器研究[D]. 乐焕华.电子科技大学 2015
[6]永磁同步电机低噪声脉宽调制策略的研究[D]. 王兴.沈阳工业大学 2013
[7]基于扩频原理的永磁同步电机系统开关噪音抑制策略[D]. 要焰梅.哈尔滨工业大学 2011
[8]永磁同步电机频率调制PWM技术研究[D]. 梁慧.哈尔滨工业大学 2010
[9]基于DSP的三电平SVPWM逆变器的研究[D]. 谭永辉.湖南大学 2004
本文编号：3306688
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