Quasi-Z源逆变器的混合调制控制及其在永磁同步电机驱动系统中的应用

摘要

永磁同步电机具有效率高、体积小和功率因数高等特点，而且随着稀土永磁材料、电力电子技术、永磁电机设计制造技术和微处理技术等的不断发展，永磁同步电机调速系统的应用也越来越广泛。近年Quasi-Z源逆变器受到广泛研究，主要采用SPWM调制方法。但是，传统SPWM调制下的Quasi-Z源逆变器所需的电感、电容很大，而且降低了系统的效率。为此，本文研究一种混合调制方法，将Quasi-Z源逆变器应用于永磁同步电机驱动系统中，以改善系统的效率，降低电感和电容值。
　　混合调制方法相对于传统SPWM调制方法的优势在于:混合调制方法可以降低系统的开关次数和开关损耗，从而提高系统的效率。采用传统SPWM调制方法时，逆变器中至少有三个开关器件在零矢量阶段插入直通矢量，导致插入直通矢量的开关管的开关频率增加，系统的开关损耗增加。但是，混合调制下Quasi-Z源逆变器工作时，在每个控制扇区内，只有一个桥臂的开关管进行开关动作，其余桥臂的四个开关管保持特定的状态。此外，混合调制方法还可以减小Z源网络的电容和电感值，使得系统的体积和重量减小，具有更强的经济性。传统SPWM调制方法为抑制六倍频的电压和电流谐波，增大Z源网络的电容和电感值来保证输出质量。但在采用混合调制方法时，允许直流母线侧有六倍频的脉动，降低了Z源网络无源元件的数值。因此，混合调制控制的Quasi-Z源逆变器在永磁同步电机驱动系统中不仅解决了上述传统SPWM调制方法出现的问题，还带来了诸多优势。
　　本文首先介绍了传统SPWM调制方法及其存在的问题，在此基础上提出和分析了混合调制方法，并通过仿真验证了混合调制方法在各种负载条件下Quasi-Z源逆变器的工作性能。其次，通过与传统SPWM调制下Z网络参数的对比，验证了混合调制方法下Quasi-Z源逆变器有更低的Z网络参数。通过两种调制方法下电机空载和电机四象限运行的仿真对比结果，验证了混合调制下的永磁同步电机驱动系统有与传统SPWM调制方法同样良好的性能，且混合调制具有更低的Z网络参数。再次，对采用混合调制方法和传统SPWM调制方法的Quasi-Z源逆变器的工作状态均进行了详细分析，给出了相应的损耗计算方法。通过两种调制方法下的损耗对比分析，验证了在相同的运行条件下，混合调制方法下Quasi-Z源逆变器具有更高的效率。最后，设计主功率电路和软件编程，验证混合调制方法。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 永磁同步电机驱动系统的研究现状

1．2 Quasi-Z源永磁同步电机驱动系统

1．2．2 传统方法调制的Quasi-Z源永磁同步电机驱动系统

1．3 本文选题的意义与主要工作

1．3．1 本文选题的意义

1．3．2 本文主要工作

2 三相Quasi-Z源逆变器的混合调制

2．1．1 三相Quasi-Z源逆变器的基本工作原理

2．1．2 传统SPWM调制方法及其存在的问题

2．2 三相Quasi-Z源逆变器的混合调制

2．2．1 混合调制方法的工作原理

2．2．2 Quasi-Z源网络电容、电感参数设计

2．2．3 混合调制Quasi-Z源逆变器的仿真验证

2．3 本章小结

3 基于混合调制的Quasi-Z源永磁同步电机驱动系统

3．1 混合调制下的永磁同步电机驱动系统

3．2 与传统SPWM调制方法下的Z网络参数的对比

3．3 永磁同步电机矢量控制的仿真验证与对比分析

3．3．1 传统SPWM调制下的系统

3．3．2 混合调制下的系统

3．4 本章小结

4 三相Quasi-Z源逆变器的损耗及效率的对比分析

4．1 工作状态分析

4．1．1 三相Quasi-Z源逆变器的开关器件导通电流

4．1．2 Quasi-Z源网络各器件的导通电流

4．2 三相Quasi-Z源逆变器的损耗

4．2．1 逆变器开关器件的损耗

4．2．2 Quasi-Z源网络的损耗

4．3 传统SPWM调制下三相Quasi-Z源逆变器的对比分析

4．3．2 Quasi-Z源网络的损耗

4．4 两种调制方法下的三相Quasi-Z源逆变器的效率对比分析

4．5 本章小结

5 三相Quasi-Z源逆变器的设计及实验验证

5．1 主功率电路设计

5．1．2 Quasi-Z源网络电容、电感设计

5．1．3 驱动电路设计

5．2 软件设计

5．3 混合调制信号实验

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

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