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错时采样空间矢量调制技术研究

王立乔

  随着大功率自关断器件和智能高速微控制芯片的不断发展,大功率电力电子变流装置的研究越来越深入,在大容量电机驱动、交直流电力传输等场合的应用也越来越广泛。在大功率电力电子变流装置的实现上,一个重要的问题就是大功率器件的工作频率较低,无法应用PWM技术等优秀的调制技术。本文提出的错时采样SVM技术正是解决这一问题的一种新型调制技术。本文提出了错时采样SVM技术(Sampling Time Staggered Space Vector Modulation,下简称STS-SVM)的基本原理及其在组合变流器和级联型多电平变流器上的实现方法,并对该技术在电力有源滤波器和交流变频器上的应用进行了初步的探讨。本文首先介绍了SVM技术的基本原理和调制方法,分析了SVM技术与SPWM技术的内在联系。在借鉴载波相移SPWM技术的基本方法的基础上,提出了STS-SVM技术,并给出了具体的实现方法。通过仿真和实验,研究了STS-SVM组合变流器的输出频谱特性,并与常规SVM技术和载波相移SPWM技术进行了比较分析。通过研究证明,这种技术能够在较低的器件开关频率下实现较高开关频率的效果,通过低次谐波的相互抵消提高等效开关频率而不是简单地将谐波向高次推移,因而具有良好的谐波特性。与载波相移SPWM技术相比,STS-SVM技术具有电压利用率高、开关频率低、直接跟踪电机磁场轨迹而更适合电机应用场合以及易于数字实现等优点。STS-SVM技术是一种高品质的新型调制技术,但由于组合变流器在多数情况下必须通过变压器或电抗器完成变流器单元间的联结,因而在功率提升的问题上遇到了困难。多电平变流器则避免了变压器或电抗器的使用,因而在大功率电力电子装置的发展上有更好的前景。级联型多电平变流器在各种多电平变流器中,具有使用元器件数目最少、直流侧均压容易实现、易于模块化设计和调试等优点。因此,将STS-SVM技术应用于级联型多电平变流器,就可以更加充分地发挥两者的优势。本文给出了STS-SVM技术在级联型多电平变流器上的实现方法,并与当今常用于多电平变流器上的阶梯波脉宽调制技术、多电平SVM技术进行了对比研究。级联型STS-SVM变流器同时具有STS-SVM技术与多电平变流技术的优点,因而有良好的工程应用前景。本文通过仿真研究了级联型STS-SVM多电平变流器在电力有源滤波器和交流电机矢量控制变频调速系统中的应用问题。在并联有源滤波器的应用系统中,由于直流侧不需要提供有功功率,级联型多电平变流器的优势得到了充分的发挥;而STS-SVM技术良好的谐波传输特性也得到了良好的利用。在交流电机矢量控制变频调速系统中,级联型STS-SVM变频器在较低的开关频率下实现了较好的控制效果,减小了系统的EMI。本文最后完成了一台三相三电平桥内STS-SVM变频器的设计,这种变频器是三相级联型STS-SVM多电平变频器的最简形式。以电机专用数字信号处理芯片ADMCF328为控浙江大学博士学位论文摘 要制核心,完成了转速开环、恒压频比控制的交流电机空载调速实验。实验结果验证了理论分析和仿真研究的正确性。……