应用于模块化多电平变频器的电容电压脉动抑制技术综述

模块化多电平变换器因其出色的模块化特性、故障冗余容错能力、良好的谐波性能、单一直流母线等优势,在中高压大功率场合广受关注。但在交流传动系统中,较大的低频电容电压纹波影响了器件的安全运行,并恶化了输出电压波形,阻碍了模块化多电平变频器在交流传动场合的使用。该文总结近年来针对传动场合的模块化多电平变频器电容电压纹波减小和抑制方案,梳理现有纹波抑制技术的主要特点,对其进行分类,对其中一些方案的优劣势进行详细分析和比较;并从工业应用角度对不同场合的最优纹波抑制方案做了判断,就未来研究方向进行探讨。

基于最近电平逼近调制的模块化多电平变换器中高压变频调速系统运行控制

最近电平逼近调制(NLM)是模块化多电平变换器(MMC)中最常用的调制方式。电平数较少时,NLM的输出电压电流谐波严重畸变,使其无法用于电平数较少的变频调速场合。该文通过详细分析NLM下无差拍电流控制的开关过程,指出NLM调制下MMC无差拍电流控制具有滞环特性。定量分析了NLM下MMC无差拍电流控制的滞环环宽,得到了滞环环宽和输出电流波动范围的表达式。同时,设计了MMC背靠背变频调速系统的综合控制方案。与传统方案相比,所提方案具有控制结构简单、开关频率低、环流抑制容易实现和动态特性好等优点。在Matlab/Simulink中搭建了十一电平背靠背MMC中高压变频调速模型,验证了所提控制方案的正确性和有效性。

永磁容错电机及容错驱动结构研究

针对多电飞机电力作动系统,提出永磁容错电机及其容错驱动控制的拓扑结构,探讨系统的电气故障模式,研究防止故障传播的电、磁、热隔离设计,在理论上给出了容错电机相数的选取方法,采用独立的同轴电机组件实现高冗余系统。研究结果表明:电机、功率变换器和供电通道均采用以相为基本单位的模块化拓扑结构,可实现多电飞机对作动系统的高容错要求。

低频率工况下模块化多电平变流器电容电压平衡控制策略

针对应用于高压变频的模块化多电平变流器(MMC)在低频率工况下会出现子模块电容电压波动较大的问题,该文对电容电压波动机理及其抑制控制方法进行了研究。首先,根据MMC的工作原理,设计载波移相调制方法;其次,从理论上分析子模块电容电压波动机理,并在此基础上提出一种适合于低频率工况的电压平衡控制策略;最后,通过仿真验证了控制策略的正确性与有效性。该控制策略可以降低各子模块开关频率,在低频率工况下对子模块电容电压波动有良好的抑制效果。

模块化多电平高压变频技术研究综述

模块化多电平换流器(MMC)作为一种新型高压大功率拓扑结构,不仅在直流输电领域中获得广泛关注,也在高压变频领域颇具应用前景。与传统的高压变频器拓扑相比较,模块化多电平换流器在灵活性、可靠性、电压波形质量、输入变压器设计、电压功率等级等方面均展现出一系列技术优势。为促进中国高压变频技术的发展,对MMC变频器的电路特点、子模块结构、调制方法、电容电压平衡策略、谐波分析、环流抑制、启动预充电、故障容错与可靠性、低频运行等方面的最新研究进展进行详细分析评述,并指出模块化多电平高压变频技术的研究难点与挑战。

基于智能功率模块的步进电机驱动电路

提出了一种三相步进电机驱动电路的设计方案,它包括基于智能功率模块(IPM)的功率驱动输出和单片机构成的脉冲分配器。该电路结构简单,有很好的控制能力。

部分能量输入的三端口六边形MMC功率分析及环流控制

大容量多端口变换器可代替原有多个分立变换器,具有高功率密度、高变换效率、体积重量小和成本低等优势,可应用于电力系统互连、可再生能源汇集、多电机驱动等场景。在两端口六边形模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)结构基础上,通过在3个桥臂的H桥单元中引入有源前端,将这种六边形MMC扩展成一个无高压直流环节的三端口AC/AC/AC结构。根据桥臂功率分析,各个桥臂的功率分布存在差异,通过环流和中性点偏移电压实现功率平衡。通过对变换器进行建模,发现环流和中性点偏移电压存在关系,并基于此提出一种通过中性点偏移电压控制环流进而实现桥臂功率平衡的控制方法。在RT-LAB实时仿真平台上验证了所提结构能够实现桥臂功率平衡和双异步电机驱动。

基于级联多模块的永磁同步电机驱动系统传导EMI建模与预测

随着半导体器件开关频率的不断提高,采用脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术的电机驱动系统面临着严重的传导电磁干扰问题。在实际应用中,诸如滤波器、电缆、电机及驱动器单元通常处于级联状态,同时系统级的电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)预测无需获得系统内部每个支路/节点的EMI信息。针对上述特点,文中提出一种基于级联T参数的模块化EMI建模方法。所提方法采用基于替换定理的干扰源建模技术以考虑交流电机驱动系统中的PWM开关动作行为。同时,该方法将系统中的各个阻抗单元视为一个二端口网络“黑盒”,并采用T参数进行描述以避免Z参数不能直接应用于级联单元运算的问题。此外,对EMI标准未限制的级联器件单元进行模块化划分,并采用T矩阵运算对其进行简化,该简化过程不存在理论近似。理论分析表明,因EMI优化而增加或改变滤波器等级联模块时,基于级联T矩阵的EMI预测方法只需对涉及的级联单元重新进行划分和阻抗计算即可。最后,以一台永磁电机驱动系统为例进行分析及验证,实验对比结果表明,所提模型具有模块化、复杂度低的特点。

基于Arduino的选择性激光烧结系统设计

目前选择性激光烧结设备均为工业级产品,不仅操作过程复杂,且设备成本高昂,因此设计一种基于Arduino的选择性激光烧结系统。该系统以开源硬件Arduino DUE为控制单元,通过Arduino IDE进行程序编写,下位机可实现读取G代码从而对激光、运动、温度等进行控制实现。结果表明,采用近似于桌面级FDM设备的设计思路,在保证设备功能的前提下大幅度降低了烧结机的设备成本,而且其中的模块化粉箱在缩小设备尺寸的同时也使装卸粉箱工作更加便捷。

低频低压条件下抑制MMC电容电压波动的非对称控制

模块化多电平换流器(MMC)应用于电机低频驱动时会工作于低频低输出电压状态,采用传统的对称控制方式时,因受直流侧高压影响会产生较大的电容电压波动。为此,提出一种非对称控制方式,使一桥臂不产生输出电流,另一桥臂承担几乎所有的输出电流。该方法中MMC不需要任何其他的功率交换技术,例如在低频/低压情况下通常采用的高频注入方法,以抑制电容电压的波动。详细讨论了非对称控制方法的实现过程、桥臂间的功率控制以及该方法的优缺点,仿真及实验结果表明,所提控制方法适用于电机20 Hz以下的驱动状态。

混合背靠背模块化多电平变换器设计

近年来模块化多电平变换器在直流输电和电机驱动领域引起了广泛的关注。然而在电机驱动领域,输出低频时电容电压波动大的问题限制了其应用。提出了一种混合背靠背MMC拓扑,整流侧MMC采用全桥子模块和半桥子模块混合的结构,逆变侧MMC全部采用半桥子模块。分析了采用变直流母线电压的方法时电容电压的波动规律,并给出了系统的控制策略。电机在很大的转速范围内,电容电压波动基本恒定。最后,通过仿真验证了该拓扑结构及其控制策略的有效性。

一种MMC电机拖动系统的低频控制方法

当基于模块化多电平换流器(MMC)的电机拖动系统,带恒转矩负载且运行于较低频率时,它的MMC子模块电容电压波动幅度会过大,甚至整个电机拖动系统将不能稳定运行。根据MMC子模块电容电压波动的影响因素,从增大子模块电容电压波动频率的角度出发,提出了与能量分层控制方法相结合的高频正弦量注入的低频控制策略。该策略求解思路清晰、可实施性强,最后,仿真模型验证了它的正确性和有效性。

基于MMC的电机驱动新型控制方法

针对电机在低频工况下出现的电容电压波动、桥臂环流等问题,提出了一种无权重系数的模块化多电平变换器驱动模型预测控制策略。在假设子模块电容电压均衡的前提下,建立相电流目标函数并求取最优解,通过引入补偿电平数,实现对环流的优化控制。同时为改善传统排序均压控制算法速度较慢的不足,优化了现有SM电容均压控制策略,引入保持因子,并依据理想情况下MMC的电容电压规律,进行归并排序,保证了MMC中各SM电容电压的均衡。通过仿真验证了所提方法能有效实现对电机的控制。

多电机耦合驱动式仿人机械臂设计与传动特性分析

针对传统仿人机械臂载荷与自重比低的问题,提出一种多电机耦合驱动式仿人机械臂。根据人臂的运动特性,确定串联结构下的仿人机械臂构型,并将机械臂划分为肩关节模块、肘关节模块和腕关节模块。分析单电机驱动单关节的绳索传动特性,推导该模型下电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。研究各模块中多电机耦合驱动多关节的电机布局和绳索绕线方式,解释各模块中多电机耦合后的工作原理,推导各模块中电机与关节的扭矩映射关系和转角映射关系。并通过实验验证各模块中映射关系的正确性,以及各模块关节的承载能力。结果表明:多电机耦合驱动方式在保证质量的前提下,可以有效提高各关节的承载力,为仿人机械臂的设计提供理论依据。

MMC中压电机驱动系统全转速范围电容轻量化研究

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)应用于中压电机驱动系统时存在子模块电容尺寸过大的问题,在电机低速运行时尤其明显。文中提出一种基于横向子模块互联的低容值MMC(low capacitance MMC,LC-MMC)电机驱动系统,利用拓扑特点实现了系统在电机全转速范围内的电容轻量化。LC-MMC基于横向子模块输入波动电流的三相对称性,在互联通道中实现了他们的相互抵消,从而大幅减小了子模块电容尺寸,并且不受电机运行频率的影响。文中从传统MMC电机驱动系统出发,分析其对子模块电容的具体需求;对所提LC-MMC实现全转速范围内的电容轻量化方案进行详细介绍;然后,对两种MMC电机驱动系统进行对比评估,并分析LC-MMC的共模电压自然抑制特性;最后,对所提LC-MMC方案进行仿真与实验验证。

全地形特种车辆电驱动平台化研究及技术展望

论文分析以汽油、燃气和柴油为燃料的特种全地形车动力系统技术升级改造难点问题,提出了特种全地形车的一种电驱动系统。通过电驱动单元模块深度融合进行技术迭代,达成硬件平台化、模块化高度集成技术,从而降低产品成本以及提升电驱动效率,为探索未来特种全地形车电驱动技术的发展提供研究方向。

标准地铁列车驱动装置统型研究

目前国内地铁车辆转向架的种类繁多,各主机厂都在进行平台化、模块化技术研究。由于存在多个国内外牵引电机、齿轮箱供货商,且牵引电机、齿轮箱的性能参数和接口尺寸完全不同,导致地铁车辆转向架构架的结构设计无法实现模块化设计,且易损易耗件种类繁多。针对这些问题,通过系列化中国标准地铁列车项目转向架的研发工作,已经完成驱动装置模块化平台的搭建。新驱动装置平台模块不仅解决了同一技术平台的性能参数和接口统型,也确保了与其他平台之间的互换性,对检修必换件、易损易耗件等进行通用化设计,减少了备品备件种类。这些工作对国内城市轨道交通车辆的发展有着积极贡献。

模块化高转矩密度高可靠性直驱轮毂电机设计

针对高转矩密度、高可靠性直驱轮毂电机性能需求,设计了一种多单元模块化直驱轮毂电机。通过理论分析、有限元仿真等方法研究了不同极槽配比、定子结构、永磁体充磁类型、磁钢固定方式等对电机电磁性能的影响,探索了适用于实现高转矩密度的电磁结构方案,并通过有限元仿真及台架试验验证了该设计方案及相关技术的有效性。

中压电机驱动系统前端并网MMC共模电压抑制

为最大程度地保护基于模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)无变压器背靠背中压电机驱动系统中的中压电机免受非对称电网故障和开关动作的影响,设计了前端无变压器配置并网MMC共模电压最小化控制策略。其中非对称电网故障引起的共模电压可由MMC生成对消电压消除,而MMC开关动作引起的开关纹波可由通过端到端布置桥臂电压脉冲来抑制;分析MMC共模电压抑制对单相功率偏差的影响,并据此提出了前馈控制;使用并网MMC样机系统开展测试。实验结果验证了在所提出控制策略作用下,并网系统在严重非对称电网条件下的最大共模电压可降至原来的1/3N(N为桥臂子模块数),同时还实现了单位功率因数、恒定直流电压和平衡单相功率。

双绕组永磁同步电机的模块化对等控制

无人飞行器对电机的驱动提出了很高的可靠性要求,采用具有冗余容错结构的双绕组电机是一个有效的保障手段。当驱动器发生故障时,电机的可靠控制受到影响。因此提出以三相绕组为单元的模块化对等控制策略,为每台单元电机分别配备独立的控制器,构成控制器和电机绕组双冗余的结构。利用转速下垂控制实现控制模块的协调工作,并可以调节斜率实现不同单元电机输出功率的分配。为了提高转速控制精度和功率分配精度,采用二次调节控制方法。通过对下垂控制和二次调节系统的模型进行分析,验证了系统的稳定性。利用仿真和实验验证所提方法的有效性,实现两台单元电机协同运行,完成转速调节和功率分配。