基于NPC型三电平逆变器的永磁同步电机容错控制方法研究

论文总字数：26146字

摘 要

本文针对基于NPC型三电平逆变器的永磁同步电机的控制提出了容错控制方法，对元件的拓扑结构、工作原理以及容错优化进行了介绍。论文的主要内容从以下几个方面来进行阐述：

1、介绍了NPC型三电平逆变器的拓扑结构以及工作原理，对其的优缺点进行了归纳总结，对逆变器PWM调制的种类和原理进行了介绍，着重介绍了载波层叠调制和空间矢量调制；对永磁同步电机进行了介绍，详细介绍了永磁同步电机矢量控制的原理；

2、分析了NPC型三电平逆变器中点电压不平衡的产生原因，提出了诸多解决方法，提出了中点电压平衡的滞环控制方法。介绍了单相不对称五电平逆变器的拓扑结构演化过程，提出了一种有容错机制的NPC型逆变器，对其拓扑结构和容错机理进行了阐述；

3、在matlab2017b/simulink环境下搭建了模型，通过仿真实验证明了容错方法的可行性。

论文通过对逆变器结构原理的分析，对NPC型三电平逆变器的容错方法进行了优化，通过使用冗余的备用桥臂和逆变器中点电压滞环控制实现了容错控制。

关键词：三电平逆变器；载波层叠；中点电位平衡；容错

Abstract

In this paper, the fault-tolerant control method is proposed for the control ofpermanent magnet synchronous motor based on three-level NPCinverter.The topology structure, working principle and fault tolerance optimization of components are also introduced in this paper.The main contents of this paper include the following aspects:

1.This thesis introduces topology structure and working principle of the NPC type three level inverter.The type and principle of PWM are also introduced, focused on SPWM and SVPWM.

2.The principle of PMSM vector control is introduced in this paper.

3.The reasons and solutions of neutral-point unbalance of three-level NPC inverter are analyzed in this thesis. The evolution process of the topological structure of the single-phase asymmetric five-level inverter is also introduced, and an NPC type inverter with tolerance mechanism is proposed, and its topological structure and fault tolerance mechanism are described.

4.The model was built in matlab2017b/simulink environment, and the feasibility of fault tolerance method was proved by simulation experiment.

Based on analysis of the principle of the inverter structure, this type of NPC three-level inverter fault-tolerant method is optimized.By using the emergency arm bridge and mid-point voltage hysteresis control, fault-tolerant control of the inverter is realized.

Key words: three-level inverter; Carrier cascade modulation; Neutral potential balance; Fault tolerance

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2多电平逆变器研究现状 2

第二章 三电平逆变器永磁同步电机驱动系统 3

2.1系统结构框图 3

2.2 NPC三电平逆变器的拓扑结构 3

2.3 三电平逆变器稳态工作原理 4

2.4 三电平逆变器优缺点 8

2.5三电平逆变器数学模型 8

2.6三电平逆变器PWM控制方法 12

2.6.1 载波调制法 13

2.6.2 空间矢量调制法 14

2.7 永磁同步电机矢量控制简介 19

2.7.1永磁同步电机简介 19

2.7.2矢量控制原理 19

2.7.3坐标变换简介 20

2.8本章小结 21

第三章 三电平逆变器中点电压平衡控制 22

3.1 NPC三电平逆变器中点电压不平衡问题 22

3.2解决中点电压不平衡问题的滞环控制方法 24

3.3滞环控制中三相电压调节上下限的算法 26

3.4仿真结果 28

3.5本章小结 31

第四章 三电平逆变器故障模式下的容错控制方法 32

4.1 NPC三电平逆变器故障类型 32

4.2 单相不对称五电平逆变器拓扑结构 32

4.3解决单相断路故障的NPC逆变器拓扑结构 33

4.4仿真结果 36

4.4.1正常情况下仿真结果 38

4.4.2故障下容错仿真结果 40

4.4.3仿真总结 44

4.5本章小结 45

第五章 研究总结与展望 46

5.1研究总结 46

5.2研究展望 46

参考文献 47

第一章 绪论

1.1研究背景

随着人类科技文明的飞速发展和化石燃料的逐渐枯竭，环境污染和能源紧缺渐渐成为了人类共同面临的难题。而与之相对的，近年来，我国汽车工业发展十分迅猛，据有关部门的统计，截至2017年6月底，我国机动车保有量已经达到了3.10亿辆，可以预见的是，在未来的10年时间里，我国势必将成为世界上最大的汽车消费国。如此庞大的汽车保有量使我国无法依赖任何一种单一能源，尤其是石油，这一种不可再生的化石能源，同时，汽车尾气的排放也在加剧环境的恶化。在这种背景下，大力发展新能源汽车，使用电能来代替石油，已经成为解决我国环境污染问题和能源紧缺问题的必然选择。

而对于电动汽车来说，只有很好地实现电机控制与节约能耗的目标，才可以在目前燃油汽车盛行的年代争得一席之地。因此，为了实现这些目标，与之配套的电力电子装置和电机必须具有大功率、高效率的性能，这就对传统的电力电子装置和电机提出了更高的要求。

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