中压变频调速技术在大功率风机和泵、大功率电力机车牵引、大型船舶的电力推进系统以及轧钢工业等方面有着广阔的应用前景。在这些场合,中压变频调速的应用不仅可以节能,还可以显著改善电机运行性能。随着新型电力电子器件向高电压、大电流方向快速发展,多电平拓扑逆变器成为中压变频调速主电路的首选方案,而多相电机由于可以使相同容量电机在不增加相电压的情况下大大减小相电流,同时提高系统的冗余性等诸多优点受到越来越多的关注。本文首先对用于中压逆变的拓扑结构、控制方法以及大功率器件等方面进行综述,在此基础上,着重研究了NPC多电平的控制方法、六相同步电机的矢量控制技术、多电平六相调速装置的系统集成问题等。论文主要包括以下内容:
1.本文研究了多电平SVPWM及相关技术。提出将三电平SVPWM分解为两个两电平载波调制,并利用DSP内部集成的两电平载波调制单元实现。在此基础上进一步研究多电平SVPWM,指出了多电平SVPWM与载波调制的区别所在,并提出了基于三电平SVPWM波的多电平调制方法,该方法使逆变器输出电压谐波含量少于载波调制,又避免了多电平SVPWM复杂的计算。在NPC三电平的中点平衡问题上,本文研究和分析了几种适合三电平SVPWM的中点平衡方法,从SVPWM中点电位BANG-BANG控制的基础上,提出了适合非固定开关周期PWM调制的三电平中点电位滞环控制技术。并在SHEPWM调制的三电平逆变器上进行仿真和实验验证。
2.本文研究了六相同步电机气隙磁通定向的矢量控制方法的数字化实现。在MATLAB元件库中三相同步电机模型的基础上,扩展成六相同步电机的仿真模型,并进行了六相同步电机矢量控制的仿真研究。建立了六相同步电机的电压、电流混合模型磁链观测方法,并针对电机参数随环境因素漂移问题,提出根据同步电机定子电压、电流自适应调整电机参数的方法。本文着重研究了六相同步电机矢量控制的数字化实现,针对电流环受数字采样和DSP计算延迟影响大的问题,设计了全阶观测器对电流采样信号延迟进行补偿;针对速度环难以对负载转矩扰动进行及时调节的问题,设计了负载转矩的前馈环节来进行动态转矩补偿。
3.本文研究了多相多电平调速装置的系统集成问题。对多相多电平逆变器主电路进行模块化研究,设计NPC多电平主电路的一相桥臂作为装置的基本功率单元,通过这些基本单元可以选择组成单相,三相和多相的中压逆变装置。着重对多相多电平调速装置的数控系统进行分层研究,按照控制系统功能模块将控制系统分为3层,包括硬件级管理、应用级管理和系统级管理。根据各层速度响应要求对层间通讯进行设计,重点研究了硬件级一应用级通讯方式,提出了一种基于旋转坐标系的交流信号通讯方式,以补偿交流信号通讯过程中的相位延迟。
5.本文结合多项新技术设计开发了“690V/200kW六相三电平同步电机调速系统”,并进行大量的装置实验研究,取得了满意的成果。
