基于新型调制方式的级联型高压变频器的研究

摘要

高压变频调速技术是电力电子领域的一个制高点技术，涉及大功率交流电动机的各类负载调速和节能。高压变频器不像低压变频器一样具有成熟一致的拓扑结构。H桥级联型多电平逆变器由于具有模块化工程设计、利用低压元器件实现逆变器高压输出、便于逆变器故障冗余设计等特点而成为高压变频器主要的拓扑结构。H桥级联型逆变器由于需要实时控制众多功率开关器件，其调制方法一直是研究的热点与难点，本文重点研究与提出了适合于H桥级联型逆变器的两种调制方法，并寻找它们之间的相互关联性和规律，对不同调制方法进行了理论分析、仿真与实验验证，为提高H桥级联型逆变器在高压变频领域的控制性能提供了一些有效的方法。
　　本文以H桥级联型逆变器常用的调制方法“相移SPWM”为基础，通过改变相移SPWM的“双极性载波”为“反向单极性载波”，推出了适合于H桥级联型逆变器的“新型载波反向相移SPWM”。该调制方式在一个调制波周期中使功率开关器件有半个周期处于常开或常闭状态，可以有效减小开关损耗。以推出的新型载波相移SPWM为基础，改变其以三角载波与正弦调制波相比较的脉冲产生方式为电流滞环调制脉冲产生方式推出了适合于H桥级联型逆变器的“变环宽恒频电流滞环调制方法”，可以实现逆变器实际输出电流对给定电流的快速跟踪。
　　最后本文对H桥级联型逆变器在高压变频领域的应用进行了工程化设计，对H桥级联型高压变频器工程装置设计，主要对电路拓扑结构设计、控制部分电路软硬件设计等进行了介绍。重点研究了利用FPGA构造的多路PWM脉冲发生器，其具有以下特点：FPGA内部采用模块化功能块设计；FPGA与DSP数据接口设计简单；对逆变器不同的调制算法只需改变DSP程序而不需改变FPGA内部的构造程序；FPGA外围硬件电路设计简单等。最后给出了级联型高压变频器的输出波形。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外高压变频器发展现状与研究方向

1.2.1 高压变频器国内外发展现状

1.2.2 高压变频器研究方向

1.3 多电平变换技术的研究与应用现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 多电平变换器的拓扑结构及控制方法

2.1 高压变频器的拓扑结构

2.1.1 交-交型高压变频器

2.1.2 二电平型高压变频器

2.1.3 多电平型高压变频器

2.2 多电平功率变换拓扑及其工作原理

2.2.1 二极管钳位式多电平逆变器的结构特点和工作原理

2.2.2 飞跨电容式多电平逆变器

2.2.3 级联型多电平逆变器

2.3 级联型多电平逆变器的调制方法

2.3.1 指定谐波消除法

2.3.2 空间电压矢量PWM

2.3.3 多载波PWM法

2.4 本章小结

第3章 级联型逆变器基于新型单极性SPWM的载波调制的研究

3.1 单极性SPWM与双极性SPWM

3.1.1 载波反向单极性调制算法

3.1.2 双极性调制算法

3.2 相移SPWM中载波相移角度对逆变器输出性能的影响

3.2.1 相移SPWM的数学分析

3.2.2 相移SPWM输出性能仿真

3.3 基于新型单极性SPWM的载波相移调制

3.3.1 新型单极性SPWM原理

3.3.2 SPWM开关点计算方法的实现

3.3.3 单相H桥级联新型单极性载波SPWM

3.4 新型载波相移SPWM的数学模型和谐波分析

3.5 新型单极性载波相移SPWM的仿真

3.5.1 MATLAB/SIMULINK简介

3.5.2 新型载波相移SPWM的仿真模型

3.5.3 新型载波相移SPWM的输出结果与分析

3.6 本章小结

第4章 级联型逆变器基于新型单极性SPWM的电流滞环调制的研究

4.1 H桥两态滞环控制原理

4.2 H桥单极性电流滞环调制

4.3 简化变环宽恒频电流滞环调制

4.4 级联逆变器变环宽恒频单极性电流滞环调制

4.5 基于单极性SPWM的电流滞环调制的仿真

4.5.1 单个H桥滞环控制的仿真模型

4.5.2 级联型逆变器A相电流滞环调制的仿真模型

4.5.3 级联型逆变器基于电流滞环调制仿真结果及分析

4.6 本章小结

第5章 基于DSP和FPGA的新型调制方式的高压变频器硬件设计

5.1 级联功率单元主电路的总体结构

5.2 H桥级联型高压变频器控制部分简介

5.3 H桥级联型逆变器基于FPGA多路脉冲触发器设计

5.3.1 多路脉冲触发器设计原理

5.3.2 多路脉冲触发器中高速存储ram设计

5.3.3 多路脉冲触发器中触发单元(PWMTrig)设计

5.3.4 多路脉冲触发器中FPGA与DSP接口设计

5.3.5 多路脉冲触发器仿真与实验结果

5.4 H桥级联型高压变频器基于DSP主控制软硬件设计

5.4.1 单元DSP控制板光通讯接口电路

5.4.2 单元控制板DSP的最小系统

5.4.3 主控单元多路光纤接口转换电路

5.4.4 用户接口端设计

5.4.5 双DSP控制板CAN通讯接口设计

5.5 H桥级联型高压变频器实验结果与分析

5.6 本章小结

总结和展望

参考文献

致 谢

附录A 攻读学位期间发表的论文

附录B 高压变频器样机

附录C 6kV-2000kW级联型高压变频器长沙电厂现场运行图