具有低开关频率的感应电机无传感器控制

着眼于传统低开关频率控制方法对无感磁链观测带来不利影响的问题,提出了一种具有低开关频率的感应电机无传感器控制方法.使用速度自适应滑模观测器与预测控制方法相结合,构成感应电机无传感器预测控制系统.其可以在较高采样频率下,有效降低开关频率,并保证系统具有较高的动态特性.同时,滑模思想的引入使观测器具有较强的鲁棒性.实验结果表明,所提出的低开关频率无传感器控制策略具有较高的控制精度和较强的抗干扰性能,研究的自适应滑模观测器在稳态和动态实验中均具有良好的观测精度,其中电流环响应时间可以达到1.52 ms,可以实现75 r·min^(–1)及以上转速范围内的稳定观测及运行,且系统最高平均开关频率保持在500 Hz上下,为较低的水平.

矩形边界限定形式的感应电机低开关频率预测控制研究

圆形边界限定形式预测控制对电流畸变的限定在各方向均相同,无法通过增大边界圆半径进一步降低开关频率。因此,该文提出一种矩形边界限定形式的预测控制方法。首先,深入分析感应电机数学模型,发现感应电机转子子系统的低通物理特性,以及励磁电流波动对电磁转矩的影响不显著;其次,利用该特性,将限定边界改为矩形,对转矩电流与励磁电流进行独立约束,适度增加励磁电流畸变允许限值,扩大电流轨迹运动范围,延长开关状态切换时长;再次,探究电流矢量梯度同边界约束间的数学关系,提出该方法下电压矢量筛选与寻优准则,筛选出最优矢量;最终,进行实验对比。实验结果证明,在相同系统动态特性和转矩波动下,相较于圆形边界限定策略,矩形边界限定策略可以进一步降低开关频率。

MMC低开关频率的自适应降损控制策略

针对半桥型模块化多电平换流器(MMC),本文提出了一种低开关频率的自适应降损策略,解决了最近电平逼近调制(NLM)策略和基于排序算法的电容均压控制策略导致的换流阀功率器件开关损耗较高的问题。首先,分析了MMC内部悬浮电容均压效果与其开关频率间的制约关系,明确实际工程应用对子模块电容电压均衡性的要求,为后续低开关频率的自适应降损控制策略提供理论依据。其次,基于所设置子模块电容电压动态限值、流经子模块的电流方向以及子模块工作状态,确定每个周期内子模块投入优先级,从而减少非必要的子模块附加投切动作,降低子模块开关频率。然后,利用线性插值方法,实现不同系统传输功率下子模块电容电压动态限值的自适应调整,进一步降低子模块开关频率。最后,基于在Matlab搭建的MMC仿真模型,验证了本文所提方法。

低开关频率下基于高频方波电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制策略

文章提出了一种永磁同步电机低开关频率下利用注入的高频方波电压在低速工况下估计转子位置的方法。通过注入电压产生的q轴电流变化量获得估算转子位置误差的结论,设计龙贝格状态观测器利用q轴电流变化量估算转子位置,并给出了一种简单的龙贝格状态观测器零极点的设计方法。试验结果表明,文章所提的无位置传感器控制策略在低开关频率下估算转速与转子位置能准确跟踪真实值。

基于改进PWM的低开关频率SPMSM电流纹波抑制

传统SVPWM由于其电压利用率高等优点被广泛应用在电机控制中,然而随着开关频率的降低,输出电流纹波会加剧,其将面临系统损耗增加、输出转矩脉动等问题,对系统稳定性和动态性能带来不利影响。针对这一问题,本文提出了一种基于改进混合PWM的电流纹波抑制策略。通过构建静止坐标系下的电流纹波矢量模型,分析了低开关频率下的纹波加剧的原因。通过分析电压矢量作用时间和顺序与电流纹波之间的关系,选取了两种能够抑制电流纹波的开关序列。通过在线计算不同序列的电流纹波并根据结果切换输出,实现了对低开关频率下电流纹波的有效抑制。搭建了实物实验平台,实践验证了该抑制策略的有效性和可行性。

低开关频率下五电平逆变器双波段特定谐波消除方法

针对低开关频率下传统方法在求解多电平逆变器特定谐波消除(Selective harmonic elimination pulse width modulation,SHEPWM)的非线性方程组时存在初始值选取困难、非线性方程组转化复杂、容易得到局部最优解问题,提出一种新的求解方法。首先利用三角函数公式变换非线性方程组,其次通过设定约束条件将非线性方程组转化为线性方程组进行求解。以五电平U型逆变器(Modified packed U-cells,MPUC)为研究对象,将拓宽调制度的双波段SHEPWM控制方法与新方法结合得到调制度在[0,1.15]的精确解,并将新方法求解与智能算法求解进行对比。对比显示新方法在低调制度下具有更好的总谐波畸变率(Total harmonic distortion,THD)。最后以仿真和试验证明新方法可以有效消除五电平逆变器的五次谐波。

低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术

降低开关频率造成地铁牵引电机定子磁链谐波较大,无法保证其安全稳定运行。为此,在低开关频率约束下,提出基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制技术。计算旋转磁场和转子的转速差,利用定子电阻、电角速率等参数创建牵引电机等效电路,明确牵引电机运行情况;将定子静止坐标系中的电流与磁链视作变量创建滑模观测器,获得定子磁链当前观测值;运用间接定子量控制法增强牵引电机低速控制能力,推导定子磁链与电磁转矩在静止坐标系中的空间向量;面对中高速运行电机速率,采用连续多磁链控制策略,将磁链轨迹从圆形平滑过渡到多边形,完成平滑的定子磁链闭环控制。实验结果表明,所提方法很好地控制了转矩波动与电流冲击,提高了牵引电机系统的整体控制能力,在长时间工作下依旧能保证地铁可靠运行。

一种低开关频率PWM整流器的满意预测控制策略

结合满意控制和模型预测控制两者的优点,提出一种三电平脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流器的满意预测复合控制方案,实现了低开关频率下PWM整流器的高效运行,进而降低开关损耗、抑制电磁干扰。给出三电平PWM整流器的离散数学模型,分析其模型预测控制的实现方法,着重探讨满意预测控制器的设计,并给出PWM整流器隶属度的模糊判决方案。针对三电平拓扑存在的高du/dt冲击问题,给出其对应优化开关序列,消除du/dt冲击的同时,降低了系统计算耗时。仿真和实验结果表明,系统在低开关频率下运行时能有效抑制输入电流畸变,保证较高的功率因数,并保持良好的动稳态性能。

基于复矢量调节器的低开关频率同步电机控制

为提高中压大功率变频器出力,需要降低器件的开关频率,这会导致脉宽调制(pulse width modulation,PWM)响应滞后,影响定子电流磁化分量和转矩分量间的动态解耦效果。受低开关频率制约,常规的比例积分(proportionalintegral,PI)及前馈补偿PI调节器难以满足系统要求。为改善这一问题,在对电励磁同步电机进行复矢量信号建模的基础上,充分考虑信号采样的延迟和开关器件在低开关频率下的惯性特性,结合经典的控制理论分析方法,设计了一种新颖的基于复矢量的电流调节器。该调节器能在低开关频率下实现对定子电流磁化分量和转矩分量的有效解耦,动稳态性能良好。Matlab仿真及DSP实验验证了该调节器的有效性与可行性。

中高功率交流电机逆变器的低开关频率控制策略综述

为了降低开关损耗,中高功率逆变器运行的开关频率都比较低,通常只有几千Hz有时甚至只有几百Hz,载波调制或是常规的SVPWM在降低开关频率之后会产生严重的电流畸变,需要使用特殊的开关策略控制逆变器。目前,适用于中高功率逆变器的控制策略主要有最优脉宽调制以及预测控制两大类。最优脉宽调制策略基于调制的思想,是一类较为成熟的逆变器低开关频率控制策略,应用广泛,但其计算量大、动态特性差的问题逐渐被学者们发现。预测控制虽然早在1983年就被提出,但由于当时控制器的硬件限制,一直没有引起重视,直至近年来才受到国内外学者的关注,并掀起了研究热潮。该文对最优脉宽调制以及预测控制进行了回顾,剖析了它们的设计思想,总结了近几年的研究成果,分析了各类方法的特点和局限,对待研究的问题进行了阐述,对未来的研究方向进行了展望。

低开关频率下SVPWM同步调制策略比较研究

在大功率牵引传动系统中,由于受到开关损耗和散热条件等的限制,逆变器最高开关频率通常比较低,一般只有几百赫兹,此时为了提高系统的输出特性,通常采用多模式调制策略。该文对空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)脉冲生成规律进行了归纳和总结,介绍了5种满足半波奇对称、四分之一周期偶对称和三相对称要求的SVPWM同步调制策略。通过对比分析5种调制方法的谐波特性,提出了一套适用于大功率牵引传动系统低开关频率条件下的多模式SVPWM调制策略,并分析了不同调制模式之间的切换原则。通过仿真和实验结果,验证了多模式调制策略的正确性和可行性,实现了不同调制模式之间的平滑切换。

基于复矢量调节器的低开关频率PWM整流器研究

为了提高中压大功率PWM整流器出力,需要降低PWM开关频率,但将造成PWM整流器id、iq电流分量耦合严重的现象。为解决这一问题,在对两电平PWM整流器进行复矢量信号建模的基础上,设计新颖的基于复矢量的电流调节器,该调节器能在低开关频率下实现对网侧电流d、q分量的有效解耦。Matlab仿真及DSP实验结果验证了本设计方法的可行性。

低开关频率下SHEPWM和SVPWM同步调制策略比较研究

在大功率牵引传动系统中,由于受到开关损耗和散热条件等限制,逆变器最高开关频率通常比较低,只有几百赫兹,因此在高速运行区需要采用同步调制技术。针对铁路系统大功率低开关频率的特点,本文对SHEPWM和SVPWM两种同步调制技术的基本原理进行了深入的分析与研究,总结了SHEPWM开关角的计算方法,介绍了五种常用的SVPWM同步调制策略。为了直观地比较SHEPWM和SVPWM的整体性能,本文从磁链轨迹、线电压谐波分布、线电压谐波畸变因数以及DSP数字化实现的难易程度等几个方面对两种调制方法进行了详细的对比分析,得出当载波比较高时(通常载波比不小于7),SHEPWM整体谐波性能较好,而当载波比较低时,SVPWM具有更大谐波优势;同时SVPWM具有算法简单,更易于数字化实现等优点。

低开关频率下PWM调制方法研究

在交直交电力机车等大功率牵引传动系统中,受到逆变器开关频率的限制,通常采用多模式PWM方法.本文中分析了低开关频率下多模式PWM的实现方法.在低载波比条件下采用了一种中间60°调制方法,并研究了不同模式PWM之间的切换条件,实现了异步调制、同步调制和中间60°调制之间的平滑过渡,并通过仿真和实验验证了分析的正确性.

低开关频率下双三相感应电机矢量控制策略

双三相感应电机以其自身特有的优点,特别适用于轨道交通等低压、大功率、可靠性要求高的应用场合。在大功率牵引传动系统中,因开关损耗和散热条件等限制,逆变器的最高开关频率通常不超过1kHz。根据多模式调制的特点,提出低开关频率条件下双三相感应电机矢量控制策略,主要包括磁链观测、基波(αβ)平面电流调节器、谐波(xy)平面电流调节器、相位调节器以及磁场定向校正策略。此外,针对方波工况下电压幅值无法调节问题,提出方波工况下的改进型矢量控制策略。通过仿真系统和小功率实验平台,验证了所提出的低开关频率下矢量控制策略的正确性和可行性。

低开关频率下混合脉宽调制方法研究

大功率轨道牵引传动系统的开关频率较低,而调速范围较宽,导致了载波比变化范围大,需要设计混合脉宽调制策略以满足要求.本文分析了一种低开关频率下SVPWM和特定谐波消除PWM(Selective Harmonic Eliminate PWM,SHEPWM)混合脉宽调制方法,即在低频阶段采用异步调制的SVPWM,在高频阶段采用不同载波比的SHEPWM,最后转入方波工况.研究了它们之间的切换条件,实现了异步调制的SVPWM、不同载波比的SHEPWM和方波之间的平滑切换.仿真和实验结果证实了本文的混合调制方法具有较好的谐波特性和SVPWM,以及不同载波比SHEPWM间切换方法的正确性,减小了电流冲击.

异步电机低开关频率的模型预测磁链轨迹跟踪控制

提出一种采用优化脉宽调制(pulse width modulation,PWM)的模型预测磁链轨迹跟踪控制方法,不需要实时估计定子磁链和电压的基波分量,实现了异步电机低开关频率下的优化PWM高性能闭环控制。通过将控制问题构造为一个带边界线性约束的二次目标函数型最优化问题,即二次规划(quadratic programming,QP)问题,采用有效集法实现其数值求解,将模型预测滚动优化策略结合到磁链轨迹跟踪控制器,在尽可能小地修正优化PWM开关角的同时消除跟踪磁链偏差,实现基于优化PWM的磁链轨迹跟踪控制。所提出的新型闭环控制系统在低开关频率下基于优化PWM获得较小的谐波畸变,同时通过磁链轨迹跟踪获得快速的动态响应。针对4k W小功率和1.6MW大功率的异步电机驱动系统的仿真结果表明,两组驱动系统获得的动静态性能相一致,充分验证了所提控制方案的有效性。

低开关频率下双定子感应电机SVPWM同步调制策略研究

在铁路等大功率牵引传动系统中,由于开关损耗和散热条件等因素的限制,逆变器的最高开关频率通常受到严格的限制,此时需要采用多模式调制技术。在分析现有24扇区空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)技术的基础上,提出了3种具有不同脉冲数的SVPWM同步调制策略,这些调制方法适用于两电平六相电压型逆变器供电的不对称双定子感应电机。通过对比分析3种调制策略的谐波特性,提出了一套适用于大功率牵引传动系统在低开关频率条件下的多模式SVPWM调制策略;同时,也提出了多模式调制的切换策略。通过仿真和实验,对提出的多模式SVPWM调制策略进行了验证,并实现了不同调制模式之间的平滑切换。

低开关频率下三相PWM整流器电流解耦控制研究

在中高压大功率PWM整流器中,功率器件工作在较低开关频率下,这造成了PWM发波和采样延时增加,使得控制时dq轴电流分量交叉耦合严重,不利于系统控制。为解决这一问题,基于传递函数阵模型,定义耦合度函数对系统耦合进行分析。分析表明,随着开关频率的降低,系统耦合愈加严重,传统解耦控制已无法适用。结合串联解耦和状态反馈,提出一种新型的解耦控制策略。该策略在不同的开关频率下,均能有效地消除系统的交叉耦合,实现dq轴电流的独立控制。同时,解耦后系统得到了简化,利于控制器设计,提高系统的控制性能。实验结果验证了理论分析的正确性与所提解耦控制策略的可行性。

低开关频率下三电平逆变器的中点电位控制

为减少大功率变换器功耗,需降低器件开关频率,但将造成输出侧电流谐波含量显著增加,影响三电平逆变器中点电位控制精度。为解决这一问题,以二极管箝位型三电平逆变器为对象,在分析低开关频率对中点电位影响的基础上,明确了三电平逆变器低开关频率分段调制的理论分界点。针对低调制度区域所采用的常规SVPWM算法,提出了一种基于桥臂优化选取的中点电位控制方法,该方法只需判断中点电位差,无需引入输出侧电流,从而避免了低开关频率下电流畸变严重对电流极性的影响,有效保证了中点电位平衡。仿真及实验验证了该中点控制方案在开关频率500 Hz时,仍能保持较好的中点电位误差在1%Vdc之内。