基于能量/功率控制的电机驱动四象限变流器的研究

摘要

随着电力电子技术以及现代控制理论的发展，四象限变流器在工业、新能源等领域有了更广泛的应用，例如:背靠背风力发电系统、高压直流输电系统、电机驱动四象限变流器等。　　电机驱动四象限变流器控制系统的前端为PWM整流器，后端为电机控制器，二者是通过支撑电容相联接。相对于二极管不控整流供电的电机控制器，四象限变流器具有能量双向流动、功率因数可控、谐波含量少、直流侧电压可控等优点。对于电机驱动四象限交流器的研究可分为两部分:PWM整流器的控制和永磁同步电机的控制。　　本文首先分析了面贴式永磁同步电机的物理模型和数学模型，并描述了永磁同步电机三种控制策略，同时对永磁同步电机控制中的电机启动以及测速问题进行了说明。对PWM整流器的数学模型也进行了分析，详细介绍了PWM整流器基于电网电压定向的矢量控制策略。在此基础上，将永磁同步电机和PWM整流器数学模型进行对比，得出二者的相似性。　　其次，本文提出了一种能量/功率控制，将其成功应用于永磁同步电机控制和PWM整流器控制。并将以转子储能作为外环的永磁同步电机矢量控制策略与基于转子磁场定向的矢量控制策略进行对比实验，将直流电容储能反馈和负载功率前馈控制的PWM整流器控制与基于电网电压定向的矢量控制策略进行对比实验，二组实验均比较不同控制策略的响应特性，最终取得了较好的实验结果。　　最后，本文将上述提出的两种控制策略进行组合，应用于电机驱动四象限变流器中，从而进一步验证了能量/功率控制的有效性。　　本文同时也对逆变器控制中的一些通用问题进行了研究:(1)研究了死区时间对逆变器输出电压的基波和谐波的影响，并用仿真实验对所得出的结论进行了验证;(2)研究了SPWM调制策略和SVPWM调制策略二者的共同点，并利用通过注入共模电压的SPWM调制实现了SVPWM调制策略。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 四象限变流器的研究状况及运用前景

1．1．1 四象限交流器的应用领域

1．1．2 四象限交流器的控制策略

1．2 功率控制的发展趋势

1．2．1 直接功率在PWM整流器领域的发展现状

1．2．2 直接功率在PMSM领域的发展现状

1．3 本课题主要研究的内容

第二章 电机驱动四象限变流器硬件电路设计

2．1 主电路参数设计

2．1．1 交流侧滤波电感的选择

2．1．2 交流侧滤波电容的选择

2．1．3 功率开关器件的选择

2．1．4 直流侧电容的选择

2．2 功率管驱动电路

2．3 采样调理电路设计

2．4 正交解码(DEC)模块接口电路

2．5 DA(数模转换)显示电路

2．6 本章小结

第三章 永磁同步电机的数学模型及其控制策略

3．1 永磁同步电机的结构与数学模型

3．1．1 永磁同步电机的类型

3．1．2 永磁同步电机的物理模型

3．1．3 永磁同步电机的电压方程

3．1．4 永磁同步电机的电磁转矩

3．2 永磁同步电机的控制策略

3．2．1 基于转子磁场定向的矢量控制

3．2．2 基于定子磁场定向的矢量控制

3．2．3 直接转矩控制

3．3 永磁同步电机控制的实际问题

3．3．1 永磁同步电机的启动和转子位置检测

3．3．2 转子速度检测

3．4 本章小结

第四章 以转子储存动能作为外环的永磁同步电机双闭环矢量控制策略

4．1 以转子储存动能作为外环的矢量控制的数学模型

4．2 以转子储存动能作为外环的矢量控制的控制框图

4．2．1 电流内环的设计

4．2．2 基于转子储存动能反馈的外环设计

4．2．3 负载的影响及负载补偿

4．3 实验结果和分析

4．4 本章小结

第五章 PWM整流器的数学模型及其控制策略

5．1 PWM整流器的数学模型

5．2 PWM整流器的锁相技术

5．2．1 PWM整流器锁相技术概述

5．2．2 开方函数的软件实现

5．2．3 锁相角的矫正问题

5．2．4 电网电压实时锁相法在电网不对称时的应用

5．3 PWM整流器的控制策略

5．3．1 基于电网电压定向的定向规则

5．3．2 基于电网电压定向的矢量控制

5．4 永磁同步电机逆变器与PWM整流器之间的相似性

5．5 本章小结

第六章 基于电容储能反馈和负载功率前馈的PWM整流器的矢量控制

6．1 基于电容储能反馈和负载功率前馈的数学模型

6．1．1 PWM整流器的数学模型

6．1．2 PWM整流器功率模型

6．2 基于直流电容储畿反馈和负载功率前馈矢量控制策略的控制框图

6．2．1 电流内环的设计

6．2．2 电容储能外环的设计

6．2．3 负载功率前馈

6．3 实验结果和分析

6．4 本章小结

第七章 基于能量／功率控制的电机驱动四象限变流器

7．1 电机驱动四象限变流器的基于电压、磁场定向的矢量控制

7．1．1 基于电压、磁场定向的矢量控制

7．1．2 环路的统一设计

7．2 电机驱动四象限变流器的基于能量／功率控制的数学模型及控制框图

7．2．1 基于能量／功率控制的概述

7．2．2 基于能量／功率控制的数学模型

7．2．3 基于能量／功率控制的控制框图

7．3 实验结果和分析

7．4 本章小结

第八章 三相桥式变流器的其它问题

8．1 死区对两电平变流器的影响及补偿方法

8．1．1 死区的产生原因

8．1．2 死区的作用及影响

8．1．3 死区时间对输出电压影响的仿真实验

8．2 逆变器的调制策略分析

8．2．1 空间矢量调制

8．2．2 SPWM与SVPWM的本质联系

8．3 本章小结

第九章 总结与展望

9．1 总结

9．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况