高速永磁同步电机电流谐波抑制技术
发布时间：2022-01-08 05:24
高速永磁同步电机（High-speed Permanent Magnet Synchronous Motor,HSPMSM）具有转速高、功率密度高和动态响应速度快等显著优点,广泛应用在机床主轴、空气压缩机、真空泵、分布式发电和飞轮储能等领域。本文以高速永磁同步电机驱动控制系统为研究对象,针对电流谐波产生因素复杂、高频损耗含量计算困难、兼顾动态性能时的抑制算法研究困难以及专用驱动控制器设计复杂的问题,分别开展高速永磁同步电机电气参数变化规律、时间/空间电流谐波影响因素及变化规律、电流谐波对高频损耗的影响规律、模型预测电流谐波抑制算法以及专用数字驱动控制器设计的研究。首先,本文利用高速永磁同步电机电磁结构设计准则获得了高速永磁同步电机机电参数的变化规律,并针对机电参数对瞬态电流谐波以及控制系统性能的影响进行分析,获得适用于高速PMSM的系统综合分析判定方法。其次,为实现高速永磁同步电机电流谐波影响因素的精确定量分析,需要对高速PMSM控制系统模型的精确仿真建模技术进行研究。本文提出一种考虑控制系统软件离散化、电流环/速度环分频的精确控制系统仿真模型建模方法,对比分析实际电机模型、理想电机模...
【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】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
高速永磁电机功率和转速的范围Fig.1-1Powerandspeedrangeofhigh-speedpermanentmagnetmotor
第1章绪论-7-a）采用Z源变换器调节电压b）采用Buck-Boost电路调节电压图1-5母线电压可调两电平拓扑结构Fig.1-5two-leveltopologywithadjustableDCbusvoltage2)电流源型拓扑结构电流源逆变器[75-77]是一种适用于高速永磁同步电机的拓扑结构。常见的电压源逆变器是通过控制电压波形来间接控制电流，电流源逆变器能够对电流波形直接进行控制，输出期望电机工作电流，只需要保证其直流母线电流幅值为绕组电流幅值即可。电流源逆变器适用于三相对称电流控制，典型的三相电流源逆变电路只能工作在三逻辑下，即任意时刻在两相绕组中的电流幅值相同、电流方向相反，另一相中电流幅值为零，特别是适用于无刷直流电机的驱动控制。由于有直流母线电感续流的作用，其开关频率与电压型逆变器相比较低，因此处理器的运算性能能够满足其计算需求，但是由于直流母线电感的存在以及较低的开关频率，其动态特性也相对较慢。3)采用碳化硅器件的拓扑结构碳化硅材料[79-83]本身具有宽禁带、高击穿电尝高热导率、高电子迁移率以及抗辐射等特点，因此碳化硅功率器件相比于硅基器件在高频、高温、高压、高功率应用场合具有显著的优势。近几年来，随着碳化硅器件加工工艺的不断成熟，其在电力电子装置中的应用越来越多。采用碳化硅替代传统硅器件能够显著提高逆变器的开关频率、缩短死区时间，进而减少电流谐波，大大降低了逆变器的输出电抗器；此外，由于碳化硅器件的导通电阻小，导通损耗低，并且器件本身能够承受更高的工作温度，大大降低了散热组件的体积和重量，有利于高开关频率驱动控制器的设计，因此在高速电机驱动控制器中的应用越来越广泛。碳化硅器件的开通关断速度快、导通阈值电压低、元件参数孝开通关断过程中所产生的振荡电压更加容易造成桥
第1章绪论-9-制，进而实现电流谐波的有效抑制，常见的方法有多PI调节器[97]、PR控制器(比例谐振控制器)[98]等方法，其典型控制框图如图1-6所示。文献[99]中作者提出一种基于细菌觅食优化的新型鲁棒性高速永磁同步电机控制方法，并且采用一种自适应弱磁调速控制策略，其能够实现在线智能调节从而提供优异的PI调节参数。通过采用开关方式对特定电流谐波进行消除，降低电机电流谐波，并且开关频率可进行平滑切换，降低控制系统对于功率器件的要求。a)多个PI控制b)PD控制图1-6闭环电流谐波抑制方法Fig.1-6Thediagramoftheclosedloopcurrentharmonicsuppressionmethod除此之外，研究人员还提出了考虑损耗模型的电机控制算法。文献[100]采用考虑铁损模型的超高速无传感器算法，拓宽了电机的运行转速区域，文献[101]采用了卡尔曼滤波器对铁损进行观测，通过基于铁耗在线计算的最小损耗预测电流控制方法来抑制损耗，进而提高了电机效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于时间辅助信息的感应电机预测电流控制[J]. 齐昕,吴文昊,吴琳,周珂,马祥华,周晓敏. 中国电机工程学报. 2019(16)
[2]电机系统模型预测控制研究综述[J]. 朱芮,吴迪,陈继峰,胡家全,华国武. 电机与控制应用. 2019(08)
[3]三电平逆变器有限开关序列模型预测控制策略[J]. 李杰,胡存刚,董浩,张云雷. 电力电子技术. 2019(05)
[4]矢量型控制系统的SVPWM同步调制策略研究[J]. 李洁,张文涛,陈思宇. 电力电子技术. 2019(05)
[5]单相级联H桥整流器简化模型预测电流控制[J]. 宋文胜,蒋蔚,刘碧,邓睿. 中国电机工程学报. 2019(04)
[6]T型三电平单相逆变器有限开关状态模型预测控制方法[J]. 杨勇,谢门喜,樊明迪. 电机与控制学报. 2019(03)
[7]高速永磁电机综合设计与分析[J]. 付荣华,郭军. 现代制造技术与装备. 2019(01)
[8]10 MW高速实心转子感应电动机损耗计算与温升分析[J]. 韩力,蔡瑞环,沈超凡,周光厚,李建富. 电机与控制学报. 2018(12)
[9]不同转子护套高速永磁电机分析[J]. 王大朋,赵广泰. 电气工程学报. 2018(10)
[10]适用于Boost变换器的自适应模型预测控制算法[J]. 贾志东,姜久春,程龙,林泓涛,齐洪峰. 中国电机工程学报. 2018(19)
博士论文
[1]三电平逆变器中点电位平衡与输出电压谐波问题研究[D]. 姚远.华南理工大学 2018
[2]有源前端变流器的有限控制集模型预测控制研究[D]. 刘星.大连海事大学 2018
[3]大功率三电平PWM整流器模型预测控制方法[D]. 曹晓冬.中国矿业大学 2017
[4]超高转速空气静压电主轴特性分析与实验研究[D]. 高思煜.哈尔滨工业大学 2016
[5]三电平NPC型整流器控制技术研究[D]. 桂石翁.华中科技大学 2015
[6]快速模型预测控制的FPGA实现及其应用研究[D]. 许芳.吉林大学 2014
[7]主动电磁轴承—裂纹柔性转子系统动力学特性研究[D]. 钟志贤.浙江大学 2013
[8]三相逆变器及其并联系统预测控制研究[D]. 沈坤.湖南大学 2012
[9]高温超导磁悬浮径向轴承的特性研究[D]. 林群煦.西南交通大学 2012
[10]高速永磁无刷直流电机电磁场理论以及无位置传感器技术的研究[D]. 吴元元.南京航空航天大学 2012
硕士论文
[1]超高速高效率永磁同步发电机的研究[D]. 张达.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3575970
【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】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
高速永磁电机功率和转速的范围Fig.1-1Powerandspeedrangeofhigh-speedpermanentmagnetmotor
第1章绪论-7-a）采用Z源变换器调节电压b）采用Buck-Boost电路调节电压图1-5母线电压可调两电平拓扑结构Fig.1-5two-leveltopologywithadjustableDCbusvoltage2)电流源型拓扑结构电流源逆变器[75-77]是一种适用于高速永磁同步电机的拓扑结构。常见的电压源逆变器是通过控制电压波形来间接控制电流，电流源逆变器能够对电流波形直接进行控制，输出期望电机工作电流，只需要保证其直流母线电流幅值为绕组电流幅值即可。电流源逆变器适用于三相对称电流控制，典型的三相电流源逆变电路只能工作在三逻辑下，即任意时刻在两相绕组中的电流幅值相同、电流方向相反，另一相中电流幅值为零，特别是适用于无刷直流电机的驱动控制。由于有直流母线电感续流的作用，其开关频率与电压型逆变器相比较低，因此处理器的运算性能能够满足其计算需求，但是由于直流母线电感的存在以及较低的开关频率，其动态特性也相对较慢。3)采用碳化硅器件的拓扑结构碳化硅材料[79-83]本身具有宽禁带、高击穿电尝高热导率、高电子迁移率以及抗辐射等特点，因此碳化硅功率器件相比于硅基器件在高频、高温、高压、高功率应用场合具有显著的优势。近几年来，随着碳化硅器件加工工艺的不断成熟，其在电力电子装置中的应用越来越多。采用碳化硅替代传统硅器件能够显著提高逆变器的开关频率、缩短死区时间，进而减少电流谐波，大大降低了逆变器的输出电抗器；此外，由于碳化硅器件的导通电阻小，导通损耗低，并且器件本身能够承受更高的工作温度，大大降低了散热组件的体积和重量，有利于高开关频率驱动控制器的设计，因此在高速电机驱动控制器中的应用越来越广泛。碳化硅器件的开通关断速度快、导通阈值电压低、元件参数孝开通关断过程中所产生的振荡电压更加容易造成桥
第1章绪论-9-制，进而实现电流谐波的有效抑制，常见的方法有多PI调节器[97]、PR控制器(比例谐振控制器)[98]等方法，其典型控制框图如图1-6所示。文献[99]中作者提出一种基于细菌觅食优化的新型鲁棒性高速永磁同步电机控制方法，并且采用一种自适应弱磁调速控制策略，其能够实现在线智能调节从而提供优异的PI调节参数。通过采用开关方式对特定电流谐波进行消除，降低电机电流谐波，并且开关频率可进行平滑切换，降低控制系统对于功率器件的要求。a)多个PI控制b)PD控制图1-6闭环电流谐波抑制方法Fig.1-6Thediagramoftheclosedloopcurrentharmonicsuppressionmethod除此之外，研究人员还提出了考虑损耗模型的电机控制算法。文献[100]采用考虑铁损模型的超高速无传感器算法，拓宽了电机的运行转速区域，文献[101]采用了卡尔曼滤波器对铁损进行观测，通过基于铁耗在线计算的最小损耗预测电流控制方法来抑制损耗，进而提高了电机效率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于时间辅助信息的感应电机预测电流控制[J]. 齐昕,吴文昊,吴琳,周珂,马祥华,周晓敏. 中国电机工程学报. 2019(16)
[2]电机系统模型预测控制研究综述[J]. 朱芮,吴迪,陈继峰,胡家全,华国武. 电机与控制应用. 2019(08)
[3]三电平逆变器有限开关序列模型预测控制策略[J]. 李杰,胡存刚,董浩,张云雷. 电力电子技术. 2019(05)
[4]矢量型控制系统的SVPWM同步调制策略研究[J]. 李洁,张文涛,陈思宇. 电力电子技术. 2019(05)
[5]单相级联H桥整流器简化模型预测电流控制[J]. 宋文胜,蒋蔚,刘碧,邓睿. 中国电机工程学报. 2019(04)
[6]T型三电平单相逆变器有限开关状态模型预测控制方法[J]. 杨勇,谢门喜,樊明迪. 电机与控制学报. 2019(03)
[7]高速永磁电机综合设计与分析[J]. 付荣华,郭军. 现代制造技术与装备. 2019(01)
[8]10 MW高速实心转子感应电动机损耗计算与温升分析[J]. 韩力,蔡瑞环,沈超凡,周光厚,李建富. 电机与控制学报. 2018(12)
[9]不同转子护套高速永磁电机分析[J]. 王大朋,赵广泰. 电气工程学报. 2018(10)
[10]适用于Boost变换器的自适应模型预测控制算法[J]. 贾志东,姜久春,程龙,林泓涛,齐洪峰. 中国电机工程学报. 2018(19)
博士论文
[1]三电平逆变器中点电位平衡与输出电压谐波问题研究[D]. 姚远.华南理工大学 2018
[2]有源前端变流器的有限控制集模型预测控制研究[D]. 刘星.大连海事大学 2018
[3]大功率三电平PWM整流器模型预测控制方法[D]. 曹晓冬.中国矿业大学 2017
[4]超高转速空气静压电主轴特性分析与实验研究[D]. 高思煜.哈尔滨工业大学 2016
[5]三电平NPC型整流器控制技术研究[D]. 桂石翁.华中科技大学 2015
[6]快速模型预测控制的FPGA实现及其应用研究[D]. 许芳.吉林大学 2014
[7]主动电磁轴承—裂纹柔性转子系统动力学特性研究[D]. 钟志贤.浙江大学 2013
[8]三相逆变器及其并联系统预测控制研究[D]. 沈坤.湖南大学 2012
[9]高温超导磁悬浮径向轴承的特性研究[D]. 林群煦.西南交通大学 2012
[10]高速永磁无刷直流电机电磁场理论以及无位置传感器技术的研究[D]. 吴元元.南京航空航天大学 2012
硕士论文
[1]超高速高效率永磁同步发电机的研究[D]. 张达.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3575970
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