三电平四象限PWM整流器的研究
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摘要
近年来，随着电力电子技术的发展，中压变频器得到了迅速的发展，中压变频器一般采用三电平结构，本课题针对三电平中压变频器的开发研究，设计三电平四象限PWM整流器。三电平PWM整流器与常规的整流器相比，具有以下优点：每一个功率开关器件所承受的电压仅为直流侧电压的一半，这样在同等情况下，功率器件相同直流母线电压就可以提高一倍，容量也可以提高一倍，故它比较适用于高电压、大容量功率应用场合。
本文采用空间电压矢量法对三电平PWM整流器进行控制，将ABC坐标系中的三相正弦电压可合成一旋转空间电压矢量，采用空间电压矢量法，对整流器交流侧电压进行控制。将交流电源电压通过三相到二相坐标变换，可以确定电源电压矢量的相位角，从而可以实现对整流器的功率因数的控制。
本文完成了整个控制系统的硬件和软件部分的设计，整流功率单元采用IGBT，整个控制系统采用PIC18F458单片机来实现的。并且通过实验验证了调制策略和控制方法的正确性。
Recently, with the development of Power Electronics Technology, it is possible to improve the medium voltage frequency inverter technology. Thus, it is important to design three-level PWM rectifier. The main advantages of three-level PWM rectifier are allowing high voltage intensity of IGBT, reducing the ratio of voltage ascension, and achieving lower harmonic distortion than two-level rectifier at the same switch frequency.
In this paper, the principle of three-level rectifier is firstly introduced. Then, the three-level space voltage vector control method is analyzed. Three-phase voltage can synthesize a rotational space voltage vector. By adjusting the time of three-phase voltage vector in one section, the magnitude and direction of the rotational voltage vector can be controlled.
Secondly, the main-circuit of three-level rectifier, the protection and drive technology about IGBT and control system based on PIC18F458 microprocessor are designed, and a set of low power three-level rectifier is accomplished for the experiment. Finally, the software of control system and the result of the experiments are proposed.
本文采用空间电压矢量法对三电平PWM整流器进行控制，将ABC坐标系中的三相正弦电压可合成一旋转空间电压矢量，采用空间电压矢量法，对整流器交流侧电压进行控制。将交流电源电压通过三相到二相坐标变换，可以确定电源电压矢量的相位角，从而可以实现对整流器的功率因数的控制。
本文完成了整个控制系统的硬件和软件部分的设计，整流功率单元采用IGBT，整个控制系统采用PIC18F458单片机来实现的。并且通过实验验证了调制策略和控制方法的正确性。
Recently, with the development of Power Electronics Technology, it is possible to improve the medium voltage frequency inverter technology. Thus, it is important to design three-level PWM rectifier. The main advantages of three-level PWM rectifier are allowing high voltage intensity of IGBT, reducing the ratio of voltage ascension, and achieving lower harmonic distortion than two-level rectifier at the same switch frequency.
In this paper, the principle of three-level rectifier is firstly introduced. Then, the three-level space voltage vector control method is analyzed. Three-phase voltage can synthesize a rotational space voltage vector. By adjusting the time of three-phase voltage vector in one section, the magnitude and direction of the rotational voltage vector can be controlled.
Secondly, the main-circuit of three-level rectifier, the protection and drive technology about IGBT and control system based on PIC18F458 microprocessor are designed, and a set of low power three-level rectifier is accomplished for the experiment. Finally, the software of control system and the result of the experiments are proposed.
引文
[1] 张崇巍 张兴，《PWM整流器及其控制》，机械工业出版社，2003．10。
[2] 詹长江等，基于电压空间矢量PWM脉宽调制方式的新型三电平高频整流器研究，电工技术学报，1999．4。
[3] 詹长江等，三电子脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析，中国电机工程学报，1999．7。
[4] 姚为正、王兆安，三相大功率PWM整流电路的研究，湖南工程学院学报，2001．6。
[5] 杨德刚等，三相高功率因数整流器的建模及闭环控制，电力电子技术，1999．5。
[6] 詹长江等，基于空间矢量SPWM控制的高频整流器，电力电子技术，1997．2。
[7] Allen G. Morinec, Analysis of the PWM Boost Type Rectifier under Unbalanced Input Voltage Conditions.
[8] Juan W. Dixon, A Fuzzy-Controlled Active Front-End Rectifier with Current Harmonic Filtering Charateristics and Minimum Sensing Variables, IEEE TRANSACTION ON POWER ELECTRONICS, VIL.14,NO.4,JULY 1999.
[9] Using Hybrid Gate Drivers and Gate Drive Power Supplies, Mitsubishi Electric, Step. 1998.
[10] 吴守箴臧英杰 《电气传动的脉宽调制控制技术》 机械工业出版社 2002
[11] 王兆安黄俊 《电力电子变流技术》 机械工业出版社 2000
[12] Tadros,Y.et al., Three Level IGBT Inverter, PESC'92 Record, pp.46-52
[13] Masato Koyama et al., Space Voltage Vector based New PWM Method for Large Capacity Three-Level GTO Inverter, PESC'91 Record, pp.71-276,1991
[14] 赵良炳 《现代电力电子技术基础》 清华大学出版社 1995
[15] 张立 赵永健 《现代电力电子技术——器件、电路及应用》 科学出版社 1995
[16] 陈伯时 陈敏逊 《交流调速系统》 机械工业出版社 1998
[17] 韩安荣 《通用变频器及其应用》 机械工业出版社 2002
[18] 李永东 脉宽调制(PWM)技术——回顾、现状及展望 电气传动 1996．4
[19] 陶生桂 IGBT三点式逆变器控制方式与实践 铁道学报 1997．2
[20] An Improved Voltage Vector Control Method for Neutral-point-clamped Inverters IEEE vd.6 NO.6'.95
[21] Satess:dgasawava, etc. A Vector control system using a Neutral-point-clamped voltage source PWM Inverters. IEEE. 1991
[22] 崔俊国 陶生桂 高压大功率三点式逆变器抑制中点电位偏移方法的仿真分析．CAVD99
[23] 崔俊国 陶生桂 IGBT三点式逆变器电压空间矢量控制方法的研究．同济大学学报 2001．2
[24] 钟彦儒 高永军 曾光 采用空间电压矢量PWM方法三电平逆变器研究 电力电子技术 2001．1
[25] 吴茂彬 GTO牵引变流器高效吸收电路分析 机车电传动 1995．6
[26] 李永东 倚鹏 大功率高性能逆变器技术发展综述 电气传动 2000．6
[27] Nabae A.et al. A New Neutral-clamped PWM Inverter. IAS'80:761-766
[28] Walczyna A M,Hill R J. Space Vector PWM Strategy for 3-level Inverters with Direct Self-Control. Control in Power Electronics IEE Conference Publication 4
[29] 黄立培 浦志勇 大容量PWM逆变器对交流电机的轴电压和轴电流的影响 电工电能新技术 2000．4
[30] 吴学智 刘亚东 黄立培 三电平电压型逆变器空间电压矢量调制算法的研究 电工电能新技术 2002．4
[31] 程泓生 8098单片机实现电压空间矢量脉宽调制变频调速控制 机车电传动 1994．5
[32] Heing Willi Van Der Broeck,Hans Shdstoph Skudelny. Analysis and relegation of a pulse width modulator based on voltage space vector. IEEE Trans.LA,1998;24(1)
[33] 陈伯时 《电力拖动自动控制系统》 机械工业出版社 2002
[34] 2001 Microehip Technology Inc. PIC18FXX8 Data Sheet
[35] 刘和平 黄开长等 《PIC16F87X数据手册》 北京航空航天大学出版社 2001
[36] PIC18FXX8 Data Sheet, Microchip Technology Inc, 2003.
[37] Fuji Electric Co. Ltd. Fuji Power Transistors Applieatign Manual. Japan:1991
[38] 佟纯厚 《近代交流调速》 冶金工业出版社 1995
[39] 天津电气传动设计研究所 《电气传动自动化技术手册》 机械工业出版社 1992
[40] 北京ABB电气传动有限公司 ACS600变频器安装及启动手册 1998
[41] 赵正毅 杨潮 赵良炳 对三电平IGBT变流器两种缓冲电路的研究 中国电机工程学报 2000．12
[42] 马小亮 《大功率交-交变频调速及矢量控制技术》 机械工业出版社 1998
[43] 朱德恒 严璋 《高电压绝缘》 清华大学出版社 1998
[44] 王兴贵 近代交流传动发展综述 电气传动自动化 1998．2
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