逆变器驱动电机系统共模电压抑制方法与实验研究

摘要

随着电力电子技术及器件的不断发展，PWM逆变器以其优越的性能在国民生产的各个领域得到广泛应用。逆变器驱动电机系统作为变频调速领域的典型应用，逆变器的控制技术及其对调速系统的影响是该领域的研究热点。传统的PWM调制方法会导致逆变器驱动系统出现较高的共模电压，在电机内部轴承与机壳之间耦合电容等作用下会在产生轴电流，进一步导致电机轴承绝缘油膜击穿造成电机轴的损坏，甚至会向周围辐射电磁波。因此，从本质上认识共模电压的产生机理及其影响因素，找到抑制共模电压的有效方法，提高逆变器驱动系统的整体性能及运行可靠性对变频调速系统的发展至关重要。
　　本研究主要内容包括：⑴对逆变器驱动电机系统的发展现状及变频调速系统存在的问题进行介绍，深入分析了三相PWM逆变器数学模型以及共模电压形成原因。最常见的逆变器驱动系统是两电平和三电平逆变器，从数学模型入手，分别对两种逆变器工作原理进行研究。分析共模电压的产生路径可知，其是由于调制方法中零矢量的选用而产生的。在对逆变器输出波形进行傅里叶分析后发现，共模电压在载波频率处谐波幅值最大，这对抑制共模电压的滤波器设计提供了理论支持。⑵共模电压的抑制方法大体分为硬件类和软件类，硬件类方法主要是增加滤波器或者改变逆变器拓扑；软件类方法主要是改进调制算法和无零矢量控制。首先分析了前馈有源滤波器、无源滤波器及三相四桥臂逆变器等硬件类抑制共模电压的方法；硬件类方法在抑制共模电压上虽然有一定的作用，并且工程应用较多，但硬件类方法需要增加额外设备和系统控制复杂度。接着对随机变延时PWM、不对称 NZPWM等软件类方法进行研究，软件类抑制共模电压的方法虽然不需要增加其他的设备，但是计算量大、对控制器的计算能力要求较高。⑶在传统模型预测控制的基础上，结合无零矢量控制提出了能够抑制共模电压的模型预测控制(SCMV-MPC)方法。SCMV-MPC只考虑非零矢量，来实现VSI的控制，同时抑制共模电压。传统的PWM调制方法在一个周期内只采用一个矢量进行控制，而SCMP-MPC方法在一个周期内用两个电压矢量来补偿电压状态数的减少；并且所选取的矢量分别作用，可以有效减小负载电流与参考电流的误差。SCMV-MPC方法在将逆变器驱动电机系统的共模电压限制在±Vdc/6的同时获得令人满意的负载电流波形。最后介绍了系统的仿真及实验平台的设计过程，通过理论研究及实物实验，验证了理论及仿真的有效性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章 逆变器驱动系统输出共模电压分析

2.1 三相PWM逆变器数学模型

2.2 共模电压分析

2.3 共模电压的傅里叶分析

2.4 本章小结

第3章 共模电压抑制方法研究

3.1 逆变器输出滤波器

3.2 三相四桥臂逆变器

3.3 改进调制策略抑制共模

3.4 无零矢量调制方法抑制共模

3.5 本章小结

第4章 基于模型预测控制的共模电压抑制方法

4.1 模型预测控制方法介绍

4.2 模型预测控制方法抑制共模电压

4.3 SCMV-MPC方法的仿真分析

4.4 本章小结

第5章 共模电压抑制实验平台设计

5.1 实验平台硬件设计

5.2 实验平台软件系统设计

5.3 实验验证及结果分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果