级联型高压变频器载波移相技术的仿真与实现

摘要

变频器有理想的调速性能和明显的节能作用，其中级联型高压变频器凭借优良的技术和高可靠性，得到了广泛的应用，并朝着大容量、高性能、冗余设计、可靠性等方面快速发展。
　　 本文首先阐述了高压变频器的多种拓扑结构和对异步电动机的调速方式，重点分析了级联型高压变频器的电路拓扑结构、功率单元拓扑结构及其工作原理。介绍了高压变频器的多种控制策略，比较分析了多电平逆变器中基于载波的移幅调制和移相调制，研究了载波移相脉宽调制(SPWM)技术的基本原理。
　　 以6级功率单元级联为例，在MATLAB中建立级联型高压变频器的仿真模型，以载波移相SPWM技术作为控制方法进行了仿真分析。仿真结果验证了级联型高压变频器输出电压的阶梯数目远多于传统的两电平和三电平变频器，相电压达到13个电压等级，线电压达到25个电压等级，与理论分析一致，且其具有非常完美的输出电压和电流波形，谐波含量和总谐波失真率很小。
　　 6级功率单元级联时，高压变频器共有18个功率单元，需要36路脉冲，针对目前电机控制用数字信号处理器(DSP)最多只能提供16路脉冲的问题，提出了一种DSP和逻辑可编程门阵列(FPGA)相结合实现载波移相SPWM技术的方法，DSP进行SPWM脉冲的规则采样法计算，FPGA配合构造6级功率单元级联时需要的36路脉冲SPWM控制信号。
　　 基于6kV-900kW级联型高压变频器的研制项目进行实验。实验结果表明了该方法的可行性，且变频器输入谐波小、功率因数高、输出电压波形接近正弦波、变化率低、电平数符合式M=2N+1，同时，系统抗干扰能力强、可靠性高、故障时可持续降额运行，减少停机损失。为相关内容的进一步研究奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 高压变频器的现状及发展

1.2.1 发展过程和发展方向

1.2.2 拓扑结构和控制方式

1.3 多电平变频器控制算法的现状

1.3.1 阶梯波脉宽调制

1.3.2 三角载波PWM

1.3.3 空间矢量SVPWM

1.4 课题的主要研究内容

第2章 级联型高压变频器载波移相SPWM技术

2.1 级联型高压变频器的结构及原理

2.1.1 级联型高压变频器的拓扑结构

2.2.2 级联型高压变频器的工作原理

2.2 脉宽调制SPWM控制技术

2.2.1 SPWM技术的基本原理

2.2.2 SPWM脉冲采样

2.3 多载波SPWM控制技术

2.3.1 载波移幅SPWM技术

2.3.2 载波移相SPWM技术

2.4 小结

第3章 级联型高压变频器载波移相技术的仿真分析

3.1 载波移相SPWM技术的仿真模型

3.2 仿真结果及分析

3.2.1 电压电流输出

3.2.2 谐波分析

3.2.3 直流电压利用率

3.2.4 变频输出

3.2.5 共模电压

3.3 混合式控制方法仿真

3.3.1 阶梯波控制方法

3.3.2 混合式控制方法

3.3.3 仿真结果与分析

3.4 小结

第4章 载波移相SPWM技术的FPGA实现

4.1 控制电路硬件设计

4.1.1 DSP控制器

4.1.2 FPGA控制电路

4.1.3 底层驱动电路

4.2 控制电路软件设计

4.2.1 DSP主程序

4.2.2 FPGA控制程序

4.2.3 底层控制程序

4.3 基于DSP和FPGA的载波移相SPWM技术的实现

4.3.1 FPGA与VHDL

4.3.2 多路脉冲原理设计

4.3.3 多路脉冲程序设计

4.4 实验结果及分析

4.4.1 FPGA输出

4.4.2 高压变频器低压模拟输出电压

4.4.3 高压变频器带高压电机加载输出电流

4.5 小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢