1、蚌埠学院本科毕业设计（论文） 1毕业设计(论文)三电平变频器的中点电位控制研究蚌埠学院教务处制系 别 ： 机械与电子信息工程系专 业 （ 班 级 ） ：电子信息工程 10 级 1 班作 者 （ 学 号 ） ：罗曦（51001031012）指 导 教 师 ： 涂正宏（）完 成 日 期 ： 2014 年 05 月日罗曦：三电平变频器的中点电位控制研究 2目 录中文摘 要 .1英文摘 要 .21 引言 .32 绪论 .42.1 课题研究背景 .42.2 多电平变频器发展现状 .42.2.1 国内现状 .42.2.2 国外现状 .42.3 课题研究意义 .52.4 论文主要研究内容 .53 多电平变频
2、器的拓扑结构 .63.1 二极管中点箝位型拓扑结构 .63.2 飞跨电容型多电平变频器拓扑结构 .73.3 级联型多电平变频器拓扑结构 .84 多电平变频器的控制方法 .94.1SPWM 调制 .94.2SVPWM 调制 .95 二极管中点箝位 型三电平逆变器的中点电位控制研究 .105.1 二极管中点箝位型三电平逆变器的拓扑结构 .105.2 三电平逆变器的电压空间矢量调制 .125.3 三电平电压空间矢量调制及中点电压不平衡原因 .175.4 中点电压平衡空间电压矢量控制原理及算法 .196MATLAB 仿真设计与结果 .256.1 MATLAB 仿真软件 .256.2 仿真系统结构 .2
3、56.3 仿真结果 .28结论 .30致谢 .31参考文献 .33蚌埠学院本科毕业设计（论文） 3插图清单图 3-1 NPC 型三电平变频 器的拓扑结构 .6图 3-2 NPC 型多电平变频器的拓扑结构 .7图 3-3 多电平飞跨电容型变频器拓扑结构 .7图 3-4 级联型变频器拓扑结构 .8图 5-1 二极管中点箝位型三电平逆变器 .10图 5-2 电压空间矢量图 .12图 5-3 电压矢量合成图 .14图 5-4 电压矢量合成图 .18图 5-5 外部小三角形参考电压矢量合成 .20图 5-6 中部小三角形参考电压矢量合成 .21图 5-7 内部小三角形区域电压矢量合成 .23图 6-1
4、电平逆变器仿真模型 .26图 6-2 扇区判断模块 .26图 6-3 小区域判断模块 .27图 6-4 矢量合成时间计算模块 .27图 6-5 SVPWM 生成模块 .27图 6-6 扇区判断仿真结果 .28图 6-7 小区域判断仿真结果 .28图 6-8 A 相电压仿真结果 .28图 6-9 AB 两相线电压仿真结果 .29图 6-10 负载电压仿真结果 .29图 6-11 未采取中点控制的中点点位波形 .30图 6-12 采取控制后的中点点位波形结论 .30罗曦：三电平变频器的中点电位控制研究 4表格清单表 5-1 三电平（N PC）逆变器 A 相开关状态 .10表 5-2 开关状态 .1
5、2表 5-3 各相开关状态表 .18表 5-4 中点电流 inp 与电压平衡有影响的电压矢量 .19蚌埠学院本科毕业设计（论文） 11三电平变频器的中点电位控制研究摘 要： 在大量阅读了国内和国外的众多参考文献后，对当今国内外高压变频领域的研究和发展状况有了大致的了解。在浏览了相关资料的基础上，对多种多电平变频器的优缺点，优劣势有了一定程度的领悟。中点电位平衡问题一直存在，这在二极管中点箝位三电平变频器的研究中是一个不可忽视的重点问题。分析其产生的原因和可能造成的危害是本课题研究的重要任务之一。借助电压空间矢量脉宽算法，借助其控制思想，可以更好地解决这个问题。在研究本课题所涉及的内容时，借助一
6、定的仿真软件辅助研究是极有必要的，MATLAB 软件，一款在仿真建模和数据计算方面具有强大功能的软件，能够帮助我在课题研究仿真阶段节省大量时间和精力，能够便捷的构建出课题所需要的仿真系统模型，更重要的是能够正确反映出本课题所提出方案的正确性、有效性和可行性。关键词:空间矢量脉宽调制;变频器;中点电位平衡罗曦：三电平变频器的中点电位控制研究 22Research on Neutral-point Potential Control Methods of Three-level InverterAbstract：In a lot of reading a number of domestic an
7、d foreign references , the frequency of the current domestic and foreign high-pressure areas of research and development have a general understanding. In view of the relevant information , based on the advantages and disadvantages of a variety of multi-level inverter , the advantages and disadvantag
8、es of a certain degree of understanding. Midpoint potential balance problem persists, the midpoint of this study in the diode clamp three-level inverter is one of the key issues can not be ignored . Analyze the causes and possible harm which produces one of the important tasks of this research . Wit
9、h space vector pulse width algorithm , with its control thought , can better solve this problem.In examining the contents of the issues involved , with some simulation software assisted research is extremely necessary , MATLAB software , a powerful software with simulation modeling and data computin
10、g can help me in the research phase simulation save a lot of time and effort , can easily build simulation model of the system needed to issue more important to be able to accurately reflect the correctness of the program, the effectiveness and feasibility of the proposed topic .Key words : space ve
11、ctor pulse width modulation(SVPWM);inverter; neutral point balancing control蚌埠学院本科毕业设计（论文） 331 引言自上世纪 50 年代从第一个晶闸管出现起，电力、电气及电子技术进入了高速发展的黄金时期。上世纪 90 年代至今的 20 多年中，电力电子技术、计算机技术、自动控制技术走上了高速发展的轨道，一场历史性的变革在电气传动技术领域展开。在石油、化工、矿业、交通等关系到国民经济和人民生活的领域，交流调速技术发挥着极其重要的作用。新的调速技术带来的是对节能环保等新理念的贯彻和实施，也是提升产品质量、改善流程工艺、推
12、动技术发展的重要手段。变频调速因为具有优秀的调速和起制动性能，已经作为国内外公认的最具发展潜力的调速方式而备受业内关注。同时其具有的高效率、高功率因数、节电效果好、适用范围大等杰出特点也被国内外各大公司所推崇。罗曦：三电平变频器的中点电位控制研究 442 绪论2.1 课题研究背景这些年来，变频技术的发展伴随着自动控制技术、电气自动化、电力电子技术等一系列相关技术学科的发展研究向前迈出了一大步，多电平变频器是目前变频技术研究中的热门。由于多电平变频器中每个元器件所承受的电压较低，使得变频器器件的耐压水平不需要很高，较低的开关频率使开关损耗也得到降低，多电平数使得输出波形变得良好。基于以上各种优点
13、，石油化工、矿业开采、交通运输等各个领域广泛的应用到了高压大功率变频器。再加上由于国外在高压变频技术上并没有发展到垄断的局面，国内在高压变频器的研究方面和国外基本处在相同的阶段，国家和国内许多高校都在高压变频技术上加强了研究，进行了较为深入的研究，取得了一些显著的成果，这表明在技术方面的投资是必要的极为有利的。因此，包括高压大功率变频器在内的变频器技术在国内有着极为惊人的市场和广大的发展前景。由于高压多电平变频器在新能源的开发利用中具有极为重要的作用，近年来，快且高效地制造和研究高压变频器显得愈发的迫切和重要，在众多变频器技术的科研项目中，国家在资源、资金、人员上的大力投入显示出进一步推动变频
14、技术发展的强大决心，同时也期待在与国外相关技术的竞争中取得较为领先的地位。多电平变频器的结构很多，由于NPC型逆变器的拓扑结构和控制方式具有简易、灵便、牢靠的特点，显而易见地成为了多电平大功率逆变器的主要研究方向。2.2 多电平变频器发展现状2.2.1 国内现状这些年来，多电平变频器的研究已经渐渐变成了一个热点，相应的产品也在逐渐投入实际应用。国内中高压变频调速市场具有极为深厚的潜力和及其宽广的市场，拥有极为广泛的应用前景，这吸引了国内的众多公司和研究所进入这个领域。大量人才和资金的涌入带来的是中高压变频技术的高速迅猛的发展，也象征着该领域光明的前景。2.2.2 国外现状目前，国际上很多著名的
15、电气公司，包括西门子、ABB、GE、三菱、三星等公司都推出成熟产品。这些大公司都采用先进的功率器件，新的拓扑结构，新的控制策略去追求更快的响应速度，更简单便捷的控制方法和更加优秀良好的调速性能。蚌埠学院本科毕业设计（论文） 552.3 课题研究意义近年来，变频器的应用越来越广泛的存在于生产和生活中，特别是其在交通运输，石油、采矿和电力系统中发挥着不可或缺的巨大作用，特别是在电力变换和交流电机驱动方面，有着不断增长的需求即对高电压和高功率逆变器的结构和性能有更高的要求。变频装置的使用可以节省能源，例如风机这一类负载，有功功率损耗大，残留动态扭矩转换功率损失基本上在非额定负荷下造成了很多不必要的电
16、能损耗。同样，面对例如风机这一类负载，我们就可以用变频调速装置，根据需要通过调节阀门开度或者挡板开度来调转速、调流量，这次过程中一部分损失也是不可避免的。此外，当今社会，能源消耗日益严重，世界各国都在竭尽全力打造低耗生活，力图减少环境污染，积极发展低碳节能经济，在这样的大前景下，采用更为先进的技术，即采用多电平变频器技术也当仁不让的成为了我们的第一选择。在传统的两电平逆变器的高压功率器件的驱动装置是很难直接向高电压变换，这是因为逆变装置能承受高压有限。在这种情况下，多电平逆变器已显示出其明显的优势,逆变器的总线电压变低：变频器中随着电平的数量的增加，每个器件的电压将降低，由于输出电平数的增加，
17、优化了电压和电流波形，波形接近正弦波，谐波失真变量显著降低，功率因数提高；为了提高输出功率，降低输出频率，有效地减少逆变器器件的开关损耗，提高了整个控制系统的效率。在此基础上，深入研究多电平，尤其是三电平是具有及其重要的意义的。本课题着重介绍并研究二极管箝位型三电平逆变器这一常见而又受到广泛运用的逆变器，针对其拓扑结构，分析了它的优缺点，并且结合其拓扑结构分析了器工作原理。该种逆变器的中点电位控制一直是受到广泛研究和讨论的话题，结合电压空间矢量脉宽调制算法对中点点位控制算法进行了进一步的优化。2.4 论文主要研究内容本文主要做了以下工作:分析了 NPC 型三电平变频器的拓扑结构和工作原理研究了 NPC 型三电平变频器的控制算法。利用 MATLAB 仿真工具，SVPWM 控制中点电位平衡算法，通过计算机仿真验证了控制算法的有效性。罗曦：三电平变频器的中点电位控制研究 663 多电平变频器的拓扑结构随着对变频技术的研究的深入，很多多电频变频器的拓扑结构被陆续提出并投入应用。最常用的拓扑结构有以下几种：3.1 二极管中点箝位型拓扑结构这种类型的转换器拓扑结构是由两个在中间直流母线中点引线二极管，一般称为钳位二极管，通过二极管箝位增加，可以实现多电平输出，其结构如图 1-1、图 1-2所示。图 3-1 NPC 型三电平变频器的拓扑结构
