1.1 课题研究背景与意义
目前，全球资源环境面临两个难题，那就是能源供应不足和发展导致的环境污染问题。而我国能源结构仍是以煤、石油等常规化石能源为主导，我国未来能源战略指出要实现电能的清洁替代，所以电能的可持续发展已成为我国能源发展战略的基础。近年来，伴随着我国经济社会的快速发展，经济结构转型调整不断深入，对电能的需求急剧增加，发展新型能源成为时代发展要求，国家不断加大对光伏发电、风力发电、电动汽车等新能源领域的投入，同时，对电能的发、输、配、用等提出更高要求，电能的高效利用和可持续开发成为重点。 在当今世界的劳动生产中，电动机的使用已经深入到我们生活的方方面面。有数据显示，在所有的电力设备中，电动机是用电量最多的电气设备[1]。所以对电动机的高效利用是节约电能甚至是节约能源的重要手段。要想实现电动机的高效利用，就必须发展优良的调速策略。电动机的调速策略从早期的直流调速已发展到现在的交流调速，在交流调速中变频器是实现电动机高性能调速的核心，而低压中小容量的电动机的变频调速系统中，两电平逆变器就能取得良好的节能利用。但在中、高压大容量电动机的变频调速系统中，两电平逆变器对电能的节能利用以及对电动机的调速控制显然不足。这是因为，在高压大功率电动机调速场合中，传统两电平逆变器受开关器件耐压、耐流能力的限制，而且，逆变器输出电压变化大，这样会对电动机的绝缘造成很大危害，出现使轴承电流加剧等问题[2]。 在这种情况下，许多学者开始研究多电平逆变器拓扑结构。逆变器拓扑结构的发展也随着电力电子技术的发展得到改进。早期高压大功率领域成功应用的门极可关段晶闸管（GTO），因其开关速度慢、驱动电路复杂、开关效率低等缺陷制约了逆变器的的发展。伴随着电力电子电子技术的发展，新型电力电子器件（IGBT、IGCT）的开发应用也朝着高频化、大容量、低损耗、易驱动的方向发展，使得多电平逆变器的开发利用成为可能[3]。与此同时，电力电子领域中脉宽调制（PWM）技术的发展，改善逆变器输出波形，提高电机利用率。除此之外，多电平逆变器在工作中使开关器件的开关频率降低，从而使开关器件开关损耗得到减小，大大提高了工作效率[4]。
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1.2 多电平逆变器拓扑结构综述
多电平逆变器(Multilevel Inverter)出现于上世纪 80 年代，当时在电力电子技术领域，迫切的需要一种新型的、适合于环保节能应用的逆变器。因为这种逆变器在电力系统直流输电、无功补偿、有源电力滤波、高压大功率交流电动机变频调速等场合应用广泛。而在多电平逆变器的发展中逐渐发展成熟起来的是三电平逆变器。三电平逆变器首次由德国学者 Holtz 提出，这种三电平逆变器主电路仍然采用常规的两电平电路，只是在每相桥臂中使用两个辅助开关器件对中点进行钳位。之后日本长冈科技大学 A.nabae 等人对 Holtz 提出的三电平逆变器进行改进，将钳位作用的开关器件用两个二极管代替，这种逆变器结构被称之为三电平二极管中点钳位型（Neutral Point Clamped，NPC）逆变器[8]。这种三电平逆变器控制容易，每个开关器件分压更低，应用领域广泛。
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2 三电平 NPC 型逆变器模型
2.1 三电平 NPC 型逆变器原理
综合考虑不同类型的逆变器优缺点，本课题选择则应用广泛的三电平二极管中点钳位（NPC）型逆变器构成变频控制主结构，其拓扑结构如图 2.1 所示。从图 2.1 中可以看出该逆变器总共有12 个开关器件，每 4 个开关器件构成一相桥臂、每相桥臂两个钳位二极管，如图 2.1 中 D1、D2……D6。电容 C1和 C2实现对母线电压的分压，供逆变器使用。钳位二极管的存在使得每相输出有 0 电平，此外它也为开关器件提供电流通路，可防止直流侧电容电压短路。三相桥臂各相的工作原理相同，所以只对其中的 A 相桥臂为例进行分析如下：每相有四个开关器件 T1、T2、T3、T4， 每个开关器件反并联续流二极管 DT1、DT2、DT3、DT4，在开关器件 T2、T3上并联一对钳位二极管 D1、D2，可以把与之相连的点钳位到 0电位。若定义开关器件的导通为 1，关断为 0，图 2.2 实黑线给出了不同工作状态下电流流向。 当开关器件 T1、T2、T3、T4工作状态为 1100 时，负载接直流母线的正端 P，记此时 A 相开关状态为 1，即 A 相输出电压为dU 2 。若此时 A 相电流Ai > 0 ，电流由正直流母线经 T1、T2流向负载，流向如图 2.2（a）所示；若 A 相电流Ai < 0 ，电流由负载经 DT2、DT1 流向直流母线正端 P，流向如图 2.2（d）所示。
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2.2 三电平 NPC 型逆变器数学模型分析
借助于两电平逆变器数学模型分析思想，可将三电平逆变电路看作为一个单刀三掷开关电路，如图 2.4 所示。该开关电路是理想开关电路，不考虑开关器件的导通时间、开关损耗和导通压降等问题，只根据特定的关系导通或关断器件。上述分析充分说明了，大矢量和零矢量作用于逆变器时，不能使直流中点与负载供电形成回路，也就不能为中点电流提供通路，故而对于中点电位的波动也就没有影响。相反中矢量和小矢量作用于逆变器时，会使至少一相负载供电于直流中点形成回路，这就为中点电流形成通路提供条件，使得直流侧电容的间歇性充电、放电，最终导致的中点电位不平衡现象的发生。在充分分析三电平逆变器工作原理的基础上，对 19 个有效矢量作用时产生的中点电流可以归纳为表 2.3 所示。
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3 三电平逆变器直接转矩控制系统 ....... 18
3.1 定子绕组轴系坐标变换 ..... 18
3.2 直接转矩控制基本原理 ..... 19
3.3 滞环比较控制 ..... 22
3.4 电压空间矢量选择 ..... 25
3.5 合成矢量序列的优化 ......... 29
3.6 本章小结 ..... 33
4 三电平直接转矩控制系统仿真 ........... 34
4.1 相关模块建模 ..... 34
4.2 仿真结果分析 ..... 39
4.3 本章小结 ..... 47
5 系统设计 ....... 48
5.1 主电路硬件设计 ......... 49
5.2 控制电路硬件设计 .... 51
5.3 直流电源设计 .... 55
5.4 软件设计 .... 56
5.5 本章小结 .... 60
6 系统调试及实验
6.1 系统调试
在上一章硬件电路设计的完成的基础上，为了验证相关电路设计是否合理，需要对各个模块的硬件电路进行调试运行。调试过程中用到的实验设备有一台单相交流调压器、一个万用表、一台数字示波器、一个 300W1K? 的滑动变阻器、DSP 开发板一块、光电编码器一个、一台三相交流异步电动机、直流电压源若干。在调试电路时，为了安全起见，用调压器实现采样电压从零连续增大，通过观察示波器显示波形可以发现，在如图 5.4 所示的采样电路下，在调节调压器电压时，采样信号经调理电路后，电压幅值总是在 0~3.3V 之间，且随着调压器调压大小的变换，调理后的信号也会动态变化。可见交流采样调理电路设计合理。如图 6.1（a）所示，当调压器电压为 100V 时，调理电路输出波形。图 6.1（b）为当调压器电压为 175V 时，调理电路输出波形。从示波器输出波形总显然看出，不同采样电压下调理输出不同，但是幅值总是在 0~3.3V 之间，满足 DSP 接口电压要求。 在对交流电流电路采样电路调试时，使用调压器对滑动变阻器供电，将电流采样电路串入其中，调节滑动变阻器阻值大小，实现被采样电流的大小变化，再通过示波器观察采样电流调理电路输出波形。如图 6.2 所示，当给定电压下，调节滑动变阻器阻值，调理电路输出信号幅值也会变化，但始终保持在 0~3.3V 之间，从而验证了电路设计的可行性。
结论
本文在研究的课题是三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统。多电平逆变器是目前高压大功率场合应用研究的热点，而异步电动机直接转矩控制系统也是一种优良的控制策略，将三电平逆变器的使用与电动机直接转矩控制系统相结合应用研究是本文研究重点。 首先，通过查阅大量文献资料，了解多电平逆变器研究进展，并掌握了几种三电平逆变器工作原理，最终选择了二极管中点钳位型三电平逆变器作为本课题研究对象，并分析了其数学模型。 其次，在三电平逆变器模型分析的基础上，对三电平直接转矩控制系统进行分析，从矢量坐标变换到直接转矩控制原理，再到电压空间矢量的选择，系统的分析了三电平直接转矩控制系统原理，为系统实验设计打好基础。 在系统实验设计之前，对整个系统进行仿真研究，系统仿真是在 Matlab/Simulink平台上实现，同过对系统仿真模型的建模，仿真结果验证了系统算法的可行性。 最后，为了深入研究课题，对系统硬件和软件相关设计，对硬件电路的调试也都已结束。并对直接转矩控制下的异步电机调速系统进行实验，实验结果说明了直接转矩控制下异步电动机动态性能好，调速性能优越，这种控制策略无疑是一种优良的电动机控制方法。
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参考文献（
