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脉宽调制策略对异步牵引电机损耗影响的研究

脉宽调制策略对异步牵引电机损耗影响的研究

作者：孙鹏博大连交通大学

学位级别：硕士

电气化铁道已经成为我国电网的主要谐波源,随着铁路建设的发展,这一问题日趋严重,并越来越受到人们的广泛重视。随着电力电子技术以及电子元器件制造工艺的不断出陈推新,由逆变器控制的异步牵引电机在铁路机车系统中得到了广泛应用。电... 详细信息

电气化铁道已经成为我国电网的主要谐波源,随着铁路建设的发展,这一问题日趋严重,并越来越受到人们的广泛重视。随着电力电子技术以及电子元器件制造工艺的不断出陈推新,由逆变器控制的异步牵引电机在铁路机车系统中得到了广泛应用。电力机车采用变频器供电系统的时候,变频器提供的输出电压通常都是非正弦波,因此会含有大量的谐波成分。这些谐波成分会增加异步牵引电机的无用损耗,使电机效率降低,尤其是增加了定转子内的铁芯损耗以及绕组铜耗,使得电机的温度升高,降低了电机的工作效率。不同的脉宽调制策略下产生的谐波分布也会存在差异,进而对异步牵引电机造成不同的损耗影响。因此研究脉宽调制策略对异步牵引电机损耗的影响,对于节能控制以及如何更好地改善电力机车变频调速有重要意义。本文首先介绍了几种谐波计算和谐波对异步电机损耗的发展与研究现状。并以SVPWM调制技术为主要研究对象,运用数学分析方法,得出逆变器输出线电压的谐波计算表达式,并用MATLAB中的M文件功能进行程序编辑,运行程序得到谐波分布。通过MATLAB/Simulink对逆变器电路进行建模仿真,利用FFT工具箱进行谐波分析,验证上述计算方法的准确性。在此基础上,提出两种基于SVPWM调制的优化调制策略,并通过谐波计算得到相应的谐波含量。介绍了谐波对异步电机损耗的影响,着重阐述了几种目前计算异步电机中谐波损耗的主要方法以及计算公式。通过对异步电机等效电路的理论分析,确定了谐波损耗等效电路模型。并以谐波等效电路为模型,推导出各次谐波含量作为输入电压时的铁耗和铜耗的计算公式。最后,以谐波计算得到的各次谐波含量为输入电压,通过损耗的计算公式,计算各次谐波下的铁耗和铜耗的大小,并利用MATLAB建立谐波等效电路仿真模型,验证数据的准确性。比较数据的关系,从而得出不同脉宽调制策略对异步牵引电机损耗的影响。

关键词：脉宽调制策略谐波分析损耗异步牵引电机

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脉宽调制策略对电力牵引系统效率影响的研究

脉宽调制策略对电力牵引系统效率影响的研究

作者：李美林大连交通大学

学位级别：硕士

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约束,逆变器开关频率不超过1kHz。当载波比较低时,牵引逆变器输出电压波形中不利于电机运行的低次谐波含量显著增加,引起电机谐波损耗增大,同时电机效率下降。此外,牵引逆变器工作... 详细信息

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约束,逆变器开关频率不超过1kHz。当载波比较低时,牵引逆变器输出电压波形中不利于电机运行的低次谐波含量显著增加,引起电机谐波损耗增大,同时电机效率下降。此外,牵引逆变器工作在高电压、大电流的环境下,使得功率器件的损耗增加。不同脉宽调制策略对牵引逆变器和电机损耗的影响不同。本文以牵引逆变器-电机系统为对象,研究脉宽调制策略对系统损耗的影响,采用损耗最小的调制策略,解决系统损耗增加的问题,从而提高系统效率。本文对牵引逆变器-电机系统的两部分损耗展开研究,首先,分析了几种谐波铁耗计算方法及其数学模型,深入研究了电机等效电路与铁耗等值电阻模型,建立了基于谐波等值电路的电机损耗计算模型,并推导出谐波铁耗与铜耗的数学公式。其次,阐述了逆变器损耗的研究现状,在研究两电平逆变器损耗的基础上,给出了开关损耗与通态损耗的计算模型,探讨了影响损耗的主要因素。最后,针对传统空间矢量脉宽调制策略在降低开关损耗方面存在的缺陷,采用零矢量交叉分配法对其进行优化,并对比分析了以降低开关损耗和谐波含量为目的4种优化策略。在Matlab/Simulink软件平台中,搭建了牵引逆变器-电机系统损耗模型,完成了SVPWM优化策略的仿真分析,并验证了理论与开关损耗模型的正确性。通过仿真数据的比较,分析了不同SVPWM调制策略对逆变器开关损耗与电机谐波损耗的影响。此外,在对分段同步调制下分段切换点研究的基础上,设计了几种切换点选取方案。通过仿真实验数据,定量分析了 3种SVPWM调制策略下系统的总损耗。从系统总损耗最优的角度,对不同模式下切换点及调制策略的选取给出建议,以达到提高逆变器与电机能源利用率的目的。

关键词：脉宽调制策略效率牵引逆变器-电机系统损耗模型

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不连续空间矢量脉宽调制策略研究

微电机 2003年第4期36卷 37-40页

作者：程善美王琰夏丽涛万淑芸华中科技大学湖北武汉430074

介绍了空间矢量 PWM的基本原理 ,分析了空间矢量 PWM的特征。在空间矢量 PWM中 ,为了降低功率器件的开关损耗 ,根据零矢量的不同分配。

关键词：三相电压型逆变器空间矢量脉宽调制策略 PWM 电动机

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基于开关电容和飞跨电容的十七电平逆变器

广东电力 2024年第7期37卷 78-87页

作者：陈少俊王其林童斯琦叶远茂深圳供电局有限公司广东深圳518000 广东工业大学自动化学院广东广州510006

为减少在输出电平较多时开关电容多电平逆变器的器件数量,提出一种将开关电容与飞跨电容相结合的十七电平逆变器。结合逆变器工作原理,设计相应的调制策略和电压平衡策略,并优化关键电路参数,对开关电容、飞跨电容等3个电容值进行分析... 详细信息

为减少在输出电平较多时开关电容多电平逆变器的器件数量,提出一种将开关电容与飞跨电容相结合的十七电平逆变器。结合逆变器工作原理,设计相应的调制策略和电压平衡策略,并优化关键电路参数,对开关电容、飞跨电容等3个电容值进行分析设计。该逆变器由开关电容升压单元和T型飞跨电容单元构成,使用3个电容器以及14个开关管实现了十七电平输出和2倍升压,且由单个直流电源供电。与其他十七电平逆变器相比,所提逆变器结构简单,同时避免高压逆变H桥的使用,且在开关数量、总开关电压应力、电容器数量等方面具有较大优势。最后,对该逆变器的稳态和动态性能进行实验验证和仿真验证。验证结果表明,所提拓扑具有较高的转换效率,实验测量范围内最高达到98.4%,且具有较好的并网工作性能。

关键词：多电平逆变器开关电容飞跨电容脉宽调制策略电压平衡

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牵引电机轴承电蚀关键影响因素研究

微特电机 2024年第9期52卷 75-78页

作者：吴冰王建良湖南铁道职业技术学院轨道交通机车车辆学院株洲412001 江苏中车电机有限公司研发中心大丰224100

轴承电蚀一直是困扰电机研发人员的难题之一。对大量发生轴承电蚀的电机进行分析,发现采用变频电源供电的电机最易发生轴承电蚀,经研究发现变流器共模电压是导致轴承电蚀的重要因素之一。基于地铁车辆牵引传动系统搭建仿真模型,从变流... 详细信息

轴承电蚀一直是困扰电机研发人员的难题之一。对大量发生轴承电蚀的电机进行分析,发现采用变频电源供电的电机最易发生轴承电蚀,经研究发现变流器共模电压是导致轴承电蚀的重要因素之一。基于地铁车辆牵引传动系统搭建仿真模型,从变流器主电路拓扑结构和脉宽调制策略两个方面,深入分析了变流器共模电压对轴承电蚀的影响机理。研究结果可为制定轴承电蚀抑制方案提供有力的理论支撑。

关键词：轴承电蚀共模电压变流器主电路拓扑结构脉宽调制策略

六相同步风力发电机矢量控制系统调制策略分析

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高电压技术 2014年第11期40卷 3597-3605页

作者：霍现旭胡书举吕佃顺许洪华中国科学院电工研究所北京100190 北京科诺伟业科技股份有限公司北京100083

为了确定六相同步风力发电系统最优的调制策略,对参考电压为正弦波情况下3种连续脉宽调制(PWM)策略的性能进行了分析。对正弦脉宽调制(SPWM)、双三相空间矢量脉宽调制(D3SVPWM)、最大四矢量六相空间矢量脉宽调制(6SVPWM)3种连续调制策... 详细信息

为了确定六相同步风力发电系统最优的调制策略,对参考电压为正弦波情况下3种连续脉宽调制(PWM)策略的性能进行了分析。对正弦脉宽调制(SPWM)、双三相空间矢量脉宽调制(D3SVPWM)、最大四矢量六相空间矢量脉宽调制(6SVPWM)3种连续调制策略的开关电压矢量分布与作用时间进行分析,得到了单基波周期开关次数与最大调制比的性能对比结果;通过数值推导与图论相结合的方式,对3种调制策略的电流脉动特性进行了对比分析。分析结果显示,相同采样频率下,SPWM与D3SVPWM的开关频率约为6SVPWM的1/2倍;D3SVPWM与6SVPWM的直流电压利用率是SPWM的1.155倍;在2个平面等效电感比值kz1z2≤10的条件下D3SVPWM电流脉动最小。综合几种性能分析结果可知,采用D3SVPWM的调制性能最优,仿真和实验结果也证实了分析结果的正确性。

关键词：六相同步风力发电机矢量控制脉宽调制策略电流脉动数值分析磁链脉动调制性能

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三电平变流器多目标混合调制策略研究

三电平变流器多目标混合调制策略研究

作者：桂在毅合肥工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着电力电子技术的快速发展,三电平变流器在电能变换中有着广泛的应用。本文针对中点钳位型三电平变流器,分析了多种调制策略,旨在研究中点电压平衡、开关损耗和共模电压等方面的问题,实现多目标混合调制。首先,本文介绍了三电... 详细信息

近年来,随着电力电子技术的快速发展,三电平变流器在电能变换中有着广泛的应用。本文针对中点钳位型三电平变流器,分析了多种调制策略,旨在研究中点电压平衡、开关损耗和共模电压等方面的问题,实现多目标混合调制。首先,本文介绍了三电平变流器的发展历程及应用,以及典型的电路拓扑和调制策略,引出了三电平变流器需解决的问题。针对本文研究的中点钳位型三电平变流器,从主电路拓扑、运行原理和数学模型三个方面具体分析了其工作原理。然后,深入介绍了四种典型的三电平变流器脉宽调制策略的基本工作原理和占空比计算方法,并对其在中点电压平衡、开关损耗和共模电压等方面的性能进行了分析,指出了典型脉宽调制策略在这些方面的存在的优点及不足。最后,本文针对中点电压平衡、开关损耗和共模电压这些控制目标,采用了两种多目标混合控制的调制策略,分别是最近点钳位脉宽调制策略（Closest Clamping Mode PWM,CCMDPWM）和降低共模电压的虚拟空间矢量调制策略（Reduced common mode voltage VSVPWM,RCMV＿VSVPWM）。CCMDPWM建立在规划零序电压注入的脉宽调制策略（Planning Zero Sequence Voltage Injection PWM,PZIPWM）的基础上,通过注入特定的零序电压形成不连续脉宽调制,在一定程度上牺牲了中点电压的控制能力,但实现了中点电压平衡和降低开关损耗的多目标混合控制。RCMV＿VSVPWM通过弃用高共模电压选取低共模电压的矢量,得到了一组新的虚拟电压矢量,该方法具有一个开关周期内中点电流平均值为零和共模电压较低的特点,实现了降低共模电压和保持中点电压平衡的目标混合控制。最后通过对这两种方法进行实验,验证了其有效性。

关键词：三电平变流器中点电压平衡开关损耗共模电压脉宽调制策略

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不平衡中点电压下的三电平逆变器调制策略

电器与能效管理技术 2019年第8期 38-42,59页

作者：牛学洲王力张逢雪徐珂王明同国网山东省电力公司菏泽供电公司山东菏泽274000

提出了一种在不平衡中点电压下,基于通用调制模型(GMMPWM)的三电平逆变器的脉宽调制策略。GMMPWM由线电压与各电平之间存在的内在联系获得,并采用线电压和上下电容电压计算三相各个电平的持续时间,实现线性调制范围的扩展。避免了基于... 详细信息

提出了一种在不平衡中点电压下,基于通用调制模型(GMMPWM)的三电平逆变器的脉宽调制策略。GMMPWM由线电压与各电平之间存在的内在联系获得,并采用线电压和上下电容电压计算三相各个电平的持续时间,实现线性调制范围的扩展。避免了基于空间矢量脉宽调制策略的几何计算和基于载波脉宽调制策略的零序电压计算,可以实现高质量的输出线电压、最大化的线性调制范围和不平衡中点电压的控制。最后,通过仿真和试验结果验证了所提出方法的有效性。

关键词：通用调制模型脉宽调制策略三电平不平衡中点电压

轨道交通永磁同步牵引系统发展概况与关键技术综述

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交通运输工程学报 2021年第6期21卷 63-77页

作者：张济民苏辉任乔李伟周和超同济大学铁道与城市轨道交通研究院上海201804

为系统分析和总结轨道车辆永磁牵引系统控制技术研究与发展趋势,介绍了永磁同步电机作为牵引电机应用于轨道交通领域的优缺点和国内外永磁同步牵引系统的应用情况;回顾了大功率牵引逆变器在低开关频率下的控制技术和永磁同步电机牵引控... 详细信息

为系统分析和总结轨道车辆永磁牵引系统控制技术研究与发展趋势,介绍了永磁同步电机作为牵引电机应用于轨道交通领域的优缺点和国内外永磁同步牵引系统的应用情况;回顾了大功率牵引逆变器在低开关频率下的控制技术和永磁同步电机牵引控制技术,分析了脉宽调制策略、弱磁控制等关键技术的设计思想、研究方法等;总结了近几年国内外研究成果,讨论了各类控制方法的优点和局限,并展望了永磁同步电机在轨道交通牵引领域的发展前景和面对的挑战。研究结果表明:内置式永磁同步电机适用于直驱系统,具有体积小、效率高等优势;牵引逆变器通常采用混合脉宽调制策略,低频段采用异步调制,中频段为同步调制,方波工况下采用单脉冲调制,其中特殊同步调制下系统动态性能的提升和不同调制方法之间的平滑切换是牵引逆变器脉宽调制技术的难点;电机控制策略主要针对基于双电流调节器、电压矢量角弱磁控制和方波工况下弱磁控制这3种高速运行区的弱磁控制方法进行研究;在前期研究的基础上,应进一步考虑永磁同步电机的无位置传感器技术、故障在线诊断与预测和高精度参数辨识问题;牵引传动系统的机电耦合特性和短路故障处理是今后重点关注的研究方向。

关键词：车辆工程永磁同步电机轨道交通牵引系统脉宽调制策略弱磁控制