發(fā)布時間：2016-08-20 06:23

第1章 緒論 

1.1 課題研究的背景和意義 
在經(jīng)濟全球化的大背景下，社會發(fā)展的內(nèi)生動力得到空前釋放，世界能源消耗總量持續(xù)高速增長。據(jù)英國石油的《世界能源統(tǒng)計年鑒》顯示，2010 年中國首次超過美國成為世界上最大的能源消費國，而全球能源消費增速也達到1973 年以來的最高水平。這份出版物顯示，2010 年中國能源消費量占全球的20．3%，超過了占全球 19%的美國，可見我國有著巨大的能源消費需求。然而我國能源利用率相比于發(fā)達國家仍然處于較低水平[1-3]。在當今能源短缺的大背景下，優(yōu)化產(chǎn)能結構，提高能源利用效能勢在必行，“開源節(jié)流”已逐漸成為人們的共識。 19 世紀 70 年代的第二次工業(yè)革命拉開了人類利用電能的帷幕，自此人類進入了“電氣時代”[4]。電能的發(fā)明和廣泛使用深刻地影響著人們的生活方式。其中，照明和交通方式的改變對于我們生活的影響尤為明顯。由于電能在生產(chǎn)、輸送、分配、管理、控制、使用和能量轉換等方面都極為便利，因而在眾多的能源類型中脫穎而出，成為能源供應的主要形式。另一方面，由于風能、太陽能等其它形式的能源可以通過機電轉換或者光化學反應等方式轉換成電能，并利用成熟的電能處理技術實現(xiàn)功率變換，因此，電能在能源領域的地位得到進一步的鞏固和加強。現(xiàn)在，無論是動力、照明，還是通信、化工，生產(chǎn)生活中的絕大多數(shù)領域都要依賴電力供應，而提高電能的利用效率顯然是提高能源利用率最直接有效的方法。 通過對電能消費結構的分析可知電動機所占比重最大。電動機是電氣傳動的關鍵設備，主要應用于高壓大功率電氣傳動系統(tǒng)中，它們耗電量大，而效率卻普遍較低。原因在于在高壓大功率傳動應用初期，電機大都工作于定速恒頻模式，轉速不受負載變化影響，這對于長期工作在低負荷的傳動系統(tǒng)而言，無異于“大馬拉小車”，耗能現(xiàn)象嚴重。隨著工業(yè)的發(fā)展，人們對調(diào)速的需求日益增加，調(diào)速傳動系統(tǒng)才逐漸發(fā)展起來。當前主流的調(diào)速傳動按應用場合的不同可分為工藝型調(diào)速傳動和節(jié)能型調(diào)速傳動兩大類[5]。工藝型調(diào)速傳動是指生產(chǎn)工藝要求必須進行調(diào)速的傳動，例如軋機、提升機以及化工、煉油工藝流程中用機械閥門控制物料流量等場合，這類傳動應用由于輸出恒定，所以多余出力只能通過能耗的方式消散以實現(xiàn)調(diào)速過程的功率平衡，電能利用率很低[6]。
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1.2 高壓變頻調(diào)速技術的發(fā)展和應用 
自交流電動機誕生起的一個世紀里，高壓大功率變頻調(diào)速一直是人類沒有攻克的難題。上世紀 50 年代末晶閘管的出現(xiàn)為變頻調(diào)速的發(fā)展提供了物質基礎，但在在隨后的 20 年里卻一直處于停滯不前的狀態(tài)。直到上世紀 70 年代，高壓變頻調(diào)速技術才取得一定的進展。1981 年德國西門子公司最先研制出4MW 交—交變頻同步電動機傳動系統(tǒng)，助推了大功率交流調(diào)速系統(tǒng)實用化進程。隨后，日本富士電機成功研制出 2.5MW 交—交變頻同步電動機主傳動系統(tǒng)[10-14]。由于受到當時電力電子器件發(fā)展水平的制約，這一時期生產(chǎn)的變頻調(diào)速裝置均采用晶閘管作為開關器件，由于其可控性不佳，所以系統(tǒng)綜合性能較差，大都應用于軋機等工藝型調(diào)速場合，市場反響一般。 高壓大功率全控型器件門極可關斷晶閘管(GTO)的出現(xiàn)是高壓變頻調(diào)速技術發(fā)展的一個轉折點。由于具有出色的控制性能，所以很快就在大功率交流調(diào)速領域占據(jù)了主導地位。 基于 GTO 的高壓變頻器具有功率因數(shù)高、對電網(wǎng)諧波污染小以及輸出頻率不受限制等諸多優(yōu)點，但也存在著開關損失大、運行效率低、需要水冷和維護困難等問題[15]。而且由于 GTO 為電流驅動型器件，所以驅動功率也較大。因此這一階段的高壓大容量變頻器僅限應用于一些特定行業(yè)和特定負載，市場需求量還不是很大。 高壓變頻調(diào)速技術真正的春天應當是從 20 世紀 90 年代開始的�；�于IGBT 的功率單元串聯(lián)型多電平技術的成功問世，有效解決了現(xiàn)有器件耐壓不足與高壓大功率應用的現(xiàn)實矛盾。由于采用獨立電源供電，所以無需考慮模塊間串聯(lián)均壓的問題。經(jīng)過逾 10 年的發(fā)展，功率單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器產(chǎn)品已成功應用于大部分高壓交流電動機傳動領域，其市場份額呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，受到業(yè)界和用戶的一致好評[16]。 
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第2章 單元串聯(lián)型高壓變頻器矢量控制技術 

高壓變頻器以多電平技術為依托，實現(xiàn)高壓大容量電動機的變頻調(diào)速。常規(guī)的多電平方案有中點箝位、飛跨電容和單元串聯(lián)。其中，單元串聯(lián)方案由于采用模塊化的設計思想，不存在直流電容均壓問題，很快就成為專家學者們研究的熱點。雖然在主電路構成和控制技術方面已經(jīng)相對成熟，但是在控制性能、裝置可靠性以及成本控制等方面仍具較大的發(fā)展空間。 

2.1 單元串聯(lián)型高壓變頻器的基本原理 
單元串聯(lián)型高壓變頻器的輸入端與外部高壓電網(wǎng)直接相連，輸出端直接驅動高壓電動機。從結構上來看，屬于典型的高—高型高壓變頻器。圖 2-1 以三相三單元串聯(lián)為例給出單元串聯(lián)型高壓變頻器的基本拓撲結構。不難看出，它是通過功率單元輸出端依序串聯(lián)的方法獲得高電壓輸出的，其主電路由移相變壓器和功率單元兩部分組成。 高壓變頻器內(nèi)前置的移相變壓器是聯(lián)系外部高電壓和內(nèi)部低壓功率單元的紐帶。利用移相變壓器的移相功能可以方便地實現(xiàn)輸入側多脈波整流。該技術具有改善網(wǎng)側電流波形，提高基波因數(shù)，降低設備對電網(wǎng)諧波污染和輸出無功功率的能力，而且整流電壓波動也顯著降低。同時，每個移相變壓器又兼具電氣隔離和降壓功能，可以為對應的功率單元提供合適的交流電壓。 功率單元均采用經(jīng)典的交—直—交結構，由整流和逆變兩部分組成。整流部分通常為三相不可控整流電路，逆變部分則為單相全橋逆變電路，中間通過大容量的支撐電容進行銜接。從外部接口來看，可以將功率單元視作一個三相交流輸入、單相交流輸出的小型低壓交流變頻器。通過采取載波移相的調(diào)制手段，可以使同一相的各個功率單元的輸出電壓間依次相差一定的角度，最后通過層層錯位疊加的方法獲得高壓多電平的相電壓輸出。 
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2.2 永磁同步電機的矢量控制技術 

永磁同步電機是在繞線式同步電機的基礎上發(fā)展起來的[30]。兩者定子結構基本相同，區(qū)別主要體現(xiàn)在轉子的勵磁方式上。傳統(tǒng)的繞線式同步電機采用電勵磁方式，需要復雜的電勵磁系統(tǒng)，效率很低。而永磁同步電機通過永磁體建立轉子磁場，因此該類電機結構簡單，效率和可靠性都很高。正是基于永磁同步電機在體積、重量、效率、可靠性以及控制和維護等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，使其在各類調(diào)速和伺服控制系統(tǒng)中得到廣泛應用。 通常人們根據(jù)永磁體在轉子上分布情況將永磁同步電機分為表貼式、嵌入式和內(nèi)置式三大類。圖 2-5 為這三類永磁同步電機轉子的結構形式示意圖。 由于永磁體與空氣的磁導率幾乎相同，鐵心的磁導率明顯高于空氣的磁導率，所以表貼式轉子又被稱作隱極式轉子，嵌入式轉子和內(nèi)置式轉子又被稱作凸極式轉子。 表貼式轉子是把瓦片狀的永磁體貼合在轉子鐵心的外表面，永磁體的磁場方向為徑向。永磁體的形狀經(jīng)過特殊設計，呈中間厚兩邊薄的拋物線形，使得氣隙磁場為正弦分布。 嵌入式轉子是把瓦片狀的永磁體嵌入到轉子表面的凹槽內(nèi)，為加強機械牢固性，常在永磁體外表面裝設非磁性套筒，或包上無緯玻璃絲帶，起到固定、保護的作用。 內(nèi)置式轉子則是直接將永磁體深埋在轉子鐵心中，所產(chǎn)生的轉子磁場由內(nèi)嵌位置和永磁體形狀兩方面決定。由于永磁體深埋于轉子中，故無需加設額外的保護措施。 當向永磁同步電機的定子繞組通入三相對稱正弦電流時，會在氣隙中產(chǎn)生幅值恒定、勻速旋轉的定子合成磁場，該合成磁場與轉子的永磁磁場相互作用，產(chǎn)生幅值恒定的電磁轉矩，驅動電機轉子旋轉。這就是永磁同步電動機的基本工作原理。 

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第 3 章  混合多電平功率變換技術 .......... 30
3.1  混合多電平變流器概述 ......... 30 
3.1.1 混合多電平變流器的拓撲結構 ...... 30 
3.1.2 混合多電平變流器的調(diào)制技術 ...... 32 
3.2  混合七電平變流器的研究 ..... 32 
3.2.1 混合七電平變流器拓撲結構和工作原理 ...... 32 
3.2.2 混合七電平變流器的調(diào)制原理 ...... 33 
3.3  基于混合七電平變流器的單元串聯(lián)控制 ..... 39 
3.4  基于中性點漂移的故障處理技術 ......... 41 
3.5  本章小結 ......... 48 
第 4 章  基于混合多電平的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)設計 ...... 49 
4.1  系統(tǒng)整體設計方案 ......... 49 
4.2  調(diào)速系統(tǒng)硬件設計 ......... 50
4.3  調(diào)速系統(tǒng)軟件設計 ......... 54
4.4  本章小結 ......... 57 
第 5 章  實驗平臺搭建及實驗結果分析 .......... 58 
5.1  實驗平臺的建立 ..... 58 
5.2  實驗結果分析 ......... 58 
5.3  本章小結 ......... 60 

第5章 實驗平臺搭建及實驗結果分析 

通過前面的理論分析和仿真驗證結果，從理論的角度說明了本文所提出的控制策略的可行性。本章將在完成系統(tǒng)的軟硬件設計的基礎上，從實驗的角度出發(fā)探究混合七電平單元系統(tǒng)的運行性能，，并對實驗結果加以分析討論。 

5.1 實驗平臺的建立 
通過前面的理論分析和仿真驗證結果，完成系統(tǒng)的軟硬件設計，搭建出混合七電平單元串聯(lián)型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的實驗平臺。利用該平臺對系統(tǒng)的性能進行綜合測試。為了保證實驗能夠安全有序完成，實驗過程以低壓模擬方式進行。輸入側由 18 路相互隔離的移相變壓器組成，共分成兩組，變比分別為20:1 和 10:1。輸入電壓為 200V 工頻交流電，通過移相變壓器分別獲得 10V 和20V 的交流低壓，該電壓作為混合功率單元的供電電源。由于整流器為三相不可控整流，所以直流環(huán)電壓分別達到 24V 和 48V，功率單元直流母線等效電壓為 72V，每相串接 3 個混合功率單元后，相電壓最大輸出為 216V，線電壓最大輸出為 374V，滿足低壓電機的驅動需要。混合七電平單元串聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)實驗平臺如圖 5-1 所示。 本章搭建了以 DSP 為控制和運算核心的混合多電平高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺。通過低壓模擬的方式驗證了相關控制算法的正確性，并給出了相關的實驗波形。實驗表明，混合七電平單元串聯(lián)型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較好的控制性能，理論研究正確，實驗結果與仿真結果一致，達到了實驗的預期效果。 
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結論 

本文針對混合多電平高壓變頻調(diào)速及故障處理技術開展相關的研究工作。 全文主要成果如下： 
1．傳統(tǒng)的混合七電平控制方法會出現(xiàn)功率倒灌問題。本文針對該問題提出了一種新型混合載波調(diào)制解決方案。該方案從功率倒灌問題的成因出發(fā)，通過調(diào)整混合七電平輸出電平冗余組合的方法得到新的控制方案。隨后將控制規(guī)律簡化得到適用于傳統(tǒng)七電平拓撲的混合載波調(diào)制方案。 
2．本文提出了一種將混合七電平拓撲與單元串聯(lián)多電平拓撲相結合的新型混合多電平拓撲結構，并給出系統(tǒng)的拓撲實現(xiàn)形式以及相應的載波調(diào)制技術。通過將混合七電平結構模塊化的方式形成新型功率單元，并以該功率單元為基礎，形成新型單元串聯(lián)多電平結構。仿真和實驗結果表明，新型的混合七電平單元串聯(lián)多電平系統(tǒng)兼具混合七電平輸出電平數(shù)多以及單元串聯(lián)多電平拓撲模塊化的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的單元串聯(lián)型拓撲結構相比，功率器件數(shù)目一致時可以生成更多電平數(shù)，輸出質量顯著提高。 
3．本文將混合七電平單元串聯(lián)型拓撲結構應用于高壓變頻調(diào)速領域，并采用改進的中性點漂移技術實現(xiàn)故障處理的功能，仿真結果表明，故障后變頻系統(tǒng)仍可輸出三相平衡的線電壓。 
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參考文獻(略)

本文編號：98684