三相电压型PWM变换器调制方法及电流纹波研究

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目前三相电压型PWM功率变换器广泛应用于电机变频驱动、并网变流器等领域。由PWM调制产生的高频电流纹波需要限制在一定范围以内以减少电机转子损耗发热或并网变流器高频谐波。增大开关频率可减小纹波幅值,但会造成额外的开关损耗;而增大并网变流器的滤波电感会降低系统功率密度。如何通过改进调制方式,实现在减小PWM电流纹波的同时保持低开关损耗是近年来国际上的研究热点。一方面目前最为有效的方法[1-3]是基于电流纹波有效值最小化原则,对矢量空间细分,在子区间选用不同的矢量序列。但是此套方法的调制算法的实现较为困难,且其引入的额外开关损耗在低载波比运行条件下(如高基频电机或低开关频率运行的并网变流器)会十分突出。另一方面,该领域的研究目前局限于三相系统交直轴电感相等的情况;对于交直轴电感不等的情况,如新能源汽车的内嵌式永磁同步驱动电机等,则尚无研究。本文针对该领域研究存在的问题,提出了电流纹波在时域的定量计算分析方法,并在此基础上直观地提出了新型调制方法。与目前的调制方法相比,该方法能够在不增加开关频率与损耗的情况下减小电流纹波,并可应用于低载波比的运行条件。同时该方法可进一步推广应用于交直轴电感不等的情况,且易于DSP实现。首先,本文详细分析了目前电流纹波定量计算的方法,并针对交直轴电感相等的情况(表贴式永磁同步电机、感应电机、电网负载),提出了基于矢量空间投影的电流纹波定量计算的统一简化模型和时域分析方法,并将该计算方法由两电平推广至三电平。然后,搭建了表贴式永磁同步电机的MATLAB模型进行仿真,并在并网逆变器实验平台进行了实验验证。结果表明,本文提出的电流纹波计算方法在低载波比条件下依然能够保持很高的准确性。其次,基于本文提出的时域分析新方法,直观地提出了新型调制方法,及其简便易行的DSP实现方法。经仿真和实验验证,新方法能够在低载波比条件下,减小电流纹波的幅值和电流的总谐波畸变率,且不提高开关频率或增加开关损耗。最后,针对交直轴电感不等的情况,本文提出了其电流纹波的计算模型,并将新型调制方法应用于该情况。经MATLAB仿真和内嵌式永磁同步电机驱动系统实验验证,该电流纹波计算模型具有很高的准确性,而新型调制方法能够明显减小电流纹波的幅值和电流的总谐波畸变率。
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