论文总字数：28210字

摘 要

多电平逆变技术在一定程度上克服了功率开关逆变器电压等级的限制，它因为具有输出电压谐波小，电压变化率低等特点，被人们广泛应用于中低压大功率的电机驱动系统中。但是多电平逆变器的上述优点是通过增加开关器数目的方式来实现的，因此，难免会增加开关损耗，提高成本。

为了克服多电平逆变器的缺点，在减少开关器件数目的同时能够获得不俗的输出电压，有学者提出一种基于开绕组电机的双逆变器结构。该结构电压输出能力与三电平逆变器相当，在拥有传统三电平逆变技术优势的同时， 减少了功率开关器的数目。同时，它还具有一定的容错能力，当开关器发生故障时，电路拓扑适用于容错控制，从而保障了系统的稳定性。

本文在分析传统永磁同步电机的基础上，构建了开绕组永磁同步电机的数学模型，并将双逆变器拓扑结构应用到该电机模型中。针对基于双逆变器的开绕组永磁电机，推导其数学方程，如：电压方程，磁链方程，转矩方程等。并对其SVPWM控制策略进行了研究，在理论分析与数学推导的基础上，通过MATLAB/SIMULINK建立了仿真模型，通过仿真验证结论。

关键词：SVPWM；双逆变器；开绕组永磁电机；多电平逆变器

Abstract

The multilevel inverter technology has overcome the limitation of voltage grade of power switch inverter to some degree, it is widely used in the medium and low voltage and high power motor drive system because of its low output voltage harmonic and low voltage change rate. However, it uses the way of increasing the number of switch inverter, so it will inevitably increase the switching loss and improve the cost.

In order to overcome the disadvantages of multilevel inverter and reduce the number of the switch inverter and make the output voltage well at the same time, a double inverter structure based on the open winding motor is proposed. The voltage output capability of the structure is equivalent to three level inverter. It has the advantage of the traditional three level inverter technology, and the number of power switch is reduced at the meanwhile. At the same time, it also has some fault tolerance ability, when the switch inverter gets out of order, the structure is suitable for fault tolerant control, thus ensuring the stability of the system.

The mathematical model of the open winding permanent magnet synchronous motor is constructed based on the analysis of the traditional permanent magnet synchronous motor, and the topology of the dual inverter is applied to the motor model. Based on the open winding permanent magnet motor with double inverter, the mathematical equation is derived, such as: voltage equation, flux linkage equation, torque equation, etc. The mathematical model and the SVPWM control are also studied. And on the basis of theoretical analysis and mathematical derivation, the simulation model will be established to verify the conclusion by means of MATLAB / Simulink.

Key words: SVPWM; double inverter; open winding permanent magnet motor; multilevel inverter

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景及研究的目的与意义 1

1.2 永磁电机的优势及其发展历程 1

1.3基于双逆变器的开绕组永磁同步电机研究现状 4

1.4 本文的主要研究内容 4

第二章 开绕组永磁同步电机数学建模及双逆变器拓扑 6

2.1 引言 6

2.2 传统永磁同步电机的工作原理与等效模型 6

2.2.1三相坐标系下传统永磁同步电机数学模型 7

2.2.2 dq坐标系下传统永磁同步电机的数学模型 8

2.3 开绕组永磁同步电机数学模型 9

2.3.1 三相静止abc坐标系下开绕组永磁同步电机的数学模型 10

2.3.2 dq坐标下开绕组永磁同步电机的数学模型 11

2.4双逆变器拓扑 12

2.5小结 13

第三章 双逆变器SVPWM控制 14

3.1引言 14

3.2电压空间矢量分布 14

3.3双逆变器SVPWM控制的实现 17

3.3.1扇区判断 17

3.3.2基本电压矢量作用时间 18

3.3.3电压空间矢量切换点的计算 20

3.4 双逆变器的SVPWM控制仿真 24

3.5小结 27

结 论 28

致 谢 29

参考文献： 30

第一章 绪论

1.1课题背景及研究的目的与意义

能源，是当今人类社会赖以生存和发展的核心，它在人类社会发展的历史进程中始终占据主角地位，而能源的利用也是伴随着社会的进步而进步。当今社会，电能由于其便捷性，环保性，转换效率相对其他能源是最高的等优点逐渐成为能源体系的核心，得到了人们的广泛使用。可以预见，在很长一段时间内，电能将是未来研究与利用的重点与核心。随着社会的进步，各行各业机械化规模的逐步提高，对能源的需求量也越来越大。对于目前的严峻的能源形势，如何合理利用有限的能源，这是目前摆在世界各国面前的一大问题。我国由于是耗能大国，早在“十二五”期间，就已经把“节能减排”提上章程，以保证我国经济和社会的可持续发展。

电机目前是社会各行各业的主要动力源，同时也会消耗大量的能源。据权威部门统计，我国全年的发电量中，大概有60%被电动机消耗，而其中的90%则被交流电动机消耗^[1]。我国目前广泛使用的各种电机，基本上都是由电网电压直接驱动的，电机的转速与实际需求有时无法同步，造成供电与耗电不对等，往往就会浪费大量的电能。因此，对于电机的研究与改善，控制策略的优化，可以为我国节省大量的电能，从而达到节能减排的目的。

在20世纪80年代，出于高压大功率交流电动机变频调速、各式电机的进步和节约能源的需求，一种新的逆变技术开始登上历史舞台，即多电平逆变技术。早期，多电平逆变器技术主要应用于高压系统，逆变器一端接直流电源，另一端接在交流母线上，从而克服了电压等级的限制。经过这么多年来的研究发展，多电平逆变器的应用领域已经从高压领域到中低压领域，并形成几种固有拓扑结构，如：箝位型，级联型，层叠式和多重叠加式。这些结构的共有如下优点：输出电压谐波含量随着逆变器数目增加而增加；逆变器的开关损耗小，更加节能。

多电平逆变器与传统功率开关器件相比，没有电压等级的限制，因此在电力系统中，多电平逆变技术开始被广泛应用于中压，大功率的电机驱动系统中，用来提高电机系统的稳定性，改善电机的输出能力。但是，上述所说的这些优点，都是在增加开关器件的数目的基础上实现的。因此，高的电压等级就往往需要很多的开关器件，增加了系统成本，开关损耗，也会使系统结构趋于复杂。

虽然多电平逆变器有着许多的优点，但是它的缺点也十分明显，在有些场合，多电平逆变技术并不适用。为了克服它的缺点，有学者提出一种双逆变器拓扑。这种双逆变器拓扑建立在开绕组电机的基础上。开绕组电机，顾名思义，即将电机定子绕组的中性点拆开，绕组两端分别接在两套逆变器上。相较于普通的供电系统，双逆变器拓扑减少了开关器件，大幅度地减少开关损耗。与此同时，双逆变器拓扑还具有与三电平逆变器相当的电压等级。更难为可贵的是，它在拥有传统三电平逆变技术优势的同时，还具有不错的容错能力，当开关器发生故障时，电路拓扑适用于容错控制，从而保障了系统的稳定性。

但是就目前的研究现状，学者主要将双逆变器与在感应电机联合起来进行研究，而与永磁电机的结合却显得很少。永磁电机虽然结构上与感应电机有些差异，但是永磁电机与双逆变器的结合并非是不可能的，它在也有着广阔的研发空间，值得我们进行深入的研究。

1.2 永磁电机的优势及其发展历程

永磁电机的历史比较久远。早在19世纪20年代，世界上第一台永磁电机就已经诞生了。永磁同步电机采用永磁体来建立磁场，无需励磁绕组和励磁电源，也摒弃了电刷，集电环等装置，所以使得电机结构变得相当简洁。所以永磁电机有着许多其他电机无可比拟的优势：

1）效率高、更加省电：

永磁同步电机通过永磁体来建立磁场，不需要采用电励磁装置，也就没有励磁电流导致的励磁损耗，铜耗就会比较小。

现实生活中，电机在驱动负载时，设计者不会使电机经常处于满载状态，这是多方面的原因造成的。一方面，我们在选用电机的时候，很少会使电机处于最大运行状态，一般是依据负载的最大运行状态来确定电机的功率，同时，为防止烧损电机，用户也会进一步给电机留下充足的富裕量。另一方面，人们在制作电机时，为了使电机可以安全，稳定地运行，通常会在负载需求的功率的基础上，再留出一定的功率裕量。这样往往就会导致在现实生活中，大约有超过90%的电机运行时会留下大量富裕量，大概只工作在70%额定功率左右的。其中，特别是在驱动风机或泵类负载，富裕量往往会更多。所以，现实生产中，电机通常都是工作在轻载区，很少满载运行。

而由永磁同步电机的外特性效率曲线可知，永磁同步电机在轻载时效率很高。与之相反的是，从异步电机的外特性效率曲线来看，异步电机在轻载时的效率很低，而永磁同步电机在轻载区，仍能保持较高的效率。相比之下，永磁同步电机在轻载时的效率比起异步电机最起码要高20%^[2]。因此，在节能方面，异步电机比起永磁同步电机，劣势显得十分明显。

永磁同步电机的系统参数往往不受电机极数的影响，特别是功率因数，我们甚至可以将永磁电机的功率因数设计为1。因此，永磁同步电机往往都会设计成多极电机，极数甚至可以到达100极以上。相比传统的电机，它需要通过减速箱来驱动负载，永磁同步电机可以直接驱动，不需要减速箱驱动，从而可以提高传动效率。同时，由于永磁同步电机的功率因数可以设计的比较高，与异步电机相比，同等情况下，永磁同步电机中流过的电流更小，相应地电机中的绕组损耗也会相对比较小，效率也就更高。

2）功率因数高：

从永磁同步电机的工作原理可知，永磁同步电机的系统参数往往不受电机极数的影响，特别是功率因数，与极对数完全无关，我们甚至可以将永磁电机的功率因数设计为1。至于异步电机的功率因数则与极对数密切相关。根据以往经验可知，随着异步电机中极数的增加，其功率因数必然会随之降低，如极对数为4的异步电机，其功率因数通常在0.85左右。即使是极对数为1的异步电机，虽然它的功率因数是最高的，但是其功率因数往往也不会高于0.95，这一点与永磁同步电机相比，相去甚远。而这是由异步电机的电励磁特性所决定的，无法从原理上解决这个问题。这是永磁同步电机比起异步电机的另一个巨大优势。永磁同步电机的功率因数高，往往就会有以下几个优势：

功率因数高，同等负载下，永磁同步电机中流过的电流比异步电机中流过的电流更小，所以电机绕组上的定子铜耗比较小，更加节约电能；

功率因数高，同样的负载情况下，与永磁同步电机相连接的电源所需的容量也就更小。因为电源容量的减小，其他装置如开关，电缆等设备的规格可以相应地小一点，建造该系统的成本也就更加低廉。

永磁同步电机的功率因数不受电机极数的影响，我们可以将永磁同步电机的极数设计的很高。因此在电气系统以及现在制作工艺允许的情况下，我们可以将电机的体积设计的尽可能的小，也就可以减少制作电机的材料成本。

3）电机结构简单灵活：

异步电机的机构一般比较复杂，这是因为异步电机的转子比较复杂，需要安装导条、端环或转子绕组，这些装置都大大限制了异步电机简洁性。而永磁同步电机利用永磁体励磁，所以转子结构可以设计更加简单。

异步电机驱动负载时，由于电机参数受到极对数的影响，往往需要安装减速箱。而永磁同步电机变频调速时则不受极对数的限制，因此可以由永磁同步电机直接驱动负载，不需要额外的辅助装置，使得驱动系统更加简洁。

4）可靠性高：

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