臺灣博碩士論文加值系統

動式前端轉換器(Active front-end converter ,AFE)具有可控直流電壓、可控功率因數、雙向電力流控制以及反流器三相交流電流低諧波失真之功能，可達到IEEE 519-1992、IEC 6100-3-2等工業規範，避免因用電環境的非線性負載，導致整體電力系統含有電壓及電流的諧波成分而使電力品質下降，而多階反流器 (multi-level inverter)之架構更降低了系統的總諧波失真以達到更高品質之電力系統。故其架構已漸取代傳統二極體橋式整流器於馬達驅動上的應用。
傳統反流器因體積及濾波器之設計的考量，往往將其切換頻率提高，以縮小其電感器之體積，但在硬切系統中，亦造成切換損增加之缺點。
本篇論文使用了串接H橋式多階主動式前端反流器之架構，針對不同的低載波比(九倍、十五倍、二十一倍)‚探討其總諧波失真及其諧波成分。在此前提下提出調變式低載波比的方法，與傳統弦波脈波寬度調變(SPWM)及空間向量脈波寬度調變(SVPWM)作為比較。

Active Front End converter (AFE) having a controllable DC voltage, controllable power factor, bidirectional power flow control and low harmonic distortion of the phase current, it can achieve requirements of IEEE 519- 1992, IEC 6100-3-2 and other industry specifications to avoid voltage and current drops leaving the power quality when the power system contain non-linear loads. The architecture of multi-level inverter reduce the total harmonic distortion for achieve a higher quality of the power system effectively. So the architecture has gradually replace the traditional diode bridge rectifiers applied to the motor drive on.
Because consideration of traditional inverters size and the design of filter tend to increase its switching frequency to reduce the size of its inductor, but in hard switching system, it’s also resulting in increased switching loss.
This paper uses a cascade H-bridge multi-level active front-end converter architecture with different low carrier ratio (nine times, fifteen times, twenty times), to discuss the total harmonic distortion and harmonics component. The low-carrier ratio modulation method is proposed in this context, and it compare with the traditional Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) and Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM).

目錄
摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 論文架構 2
第二章 文獻回顧 3
2.1　多階反流器(Multilevel Inverter)簡介 3
2.2 多階反流器操作簡介 5
2.3預測型電流控制器簡介 6
2.4 正弦波脈波寬度調變與空間向量脈波寬度調變及調變型三角波簡介 8
2.5結論 11
第三章 數學模型推導與操作原理 12
3.1 前言 12
3.2 數學模型推導 13
3.3直流鏈電壓控制原理簡介 24
3.4 同步旋轉框解耦合控制 25
3.5 總結 26
第四章 實驗與模擬結果 27
4.1 簡介 27
4.2 系統模擬使用SPWM為切換策略於不同載波比 28
4.2.1 使用SPWM為切換策略於各階層系統之總諧波失真分析結果 28
4.2.2 載波比為9之條件下頻譜分析結果 32
4.2.3 載波比為15之條件下頻譜分析結果 34
4.2.4 載波比為21之條件下頻譜分析結果 36
4.3系統模擬使用SVPWM為切換策略於不同載波比 38
4.3.1使用SVPWM為切換策略於各階層系統之總諧波失真分析結果 39
4.3.2 載波比為9之條件下頻譜分析結果 42
4.3.3 載波比為15之條件下頻譜分析結果 44
4.3.4 載波比為21之條件下頻譜分析結果 46
4.4系統模擬及實驗使用SVPWMMC為切換策略 49
4.4.1使用SVPWMMC為切換策略下於各階層總諧波失真分析結果 51
4.4.2使用SVPWMMC為切換策略下頻譜分析結果 52
4.4.3使用SVPWMMC為切換策略與它種切換策略之總諧波失真分析結果 54
4.4.4實現SVPWMMC於七階系統中 57
4.5結論 64
第五章 結論 65
參考文獻 66

 
表目錄
表1.1 IEEE 519-1992 電壓失真規範 1
表2.1 H橋式串接型輸出電壓與開關動作 5
表4.1 SPWM於載波比為9，調變指數為0.8時不同階層的諧波成分含量 33
表4.2 SPWM於載波比為9，調變指數為0.4時不同階層的諧波成分含量 34
表4.3 SPWM於載波比為15，調變指數為0.8時不同階層的諧波成分含量 35
表4.4 SPWM於載波比為15，調變指數為0.4時不同階層的諧波成分含量 36
表4.5 SPWM於載波比為21，調變指數為0.8時不同階層的諧波成分含量 37
表4.6 SPWM於載波比為21，調變指數為0.4時不同階層的諧波成分含量 38
表4.7 SVPWM於載波比為9，調變指數為0.8時不同階層的諧波成分含量 43
表4.8 SVPWM於載波比為9，調變指數為0.4時不同階層的諧波成分含量 44
表4.9 SVPWM於載波比為15，調變指數為0.8時不同階層的諧波成分含量 45
表4.10 SVPWM於載波比為15，調變指數為0.4時不同階層的諧波成分含量 46
表4.11 SVPWM於載波比為21，調變指數為0.8時不同階層的諧波成分含量 47
表4.12 SVPWM於載波比為21，調變指數為0.4時不同階層的諧波成分含量 48
表4.13 SVPWMMC於調變指數為0.8時不同階層的諧波成分含量 53
表4.14 SVPWMMC於調變指數為0.4時不同階層的諧波成分含量 54
表4.15 實際於七階平台測試SVPWMMC以不同調變指數的諧波成分含量 64

 
圖目錄
圖2.1 H橋式串接型架構示意圖 3
圖2.2電容嵌位型架構示意圖 4
圖2.3二極體嵌位型架構示意圖 4
圖2.4 三相主動式前端反流器架構示意圖 5
圖2.5 三相主動前端轉換器系統控制圖[1] 7
圖2.6 SPWM及SVPWM在mf=9下，作用(a)2階(b)3階(c)5階(d)7階的關係圖 9
圖2.7 電壓命令與實際輸出與載波之關係圖 10
圖2.8單相二階系統中調變型載波與命令之關係圖 10
圖3.1 五階主動式前端轉換器系統圖 12
圖3.2 五階主動式前端轉換器系統等效電路 13
圖3.3 靜止框轉換至同步旋轉框之關係圖 14
圖3.4 系統閉迴路控制方塊圖 23
圖3.5直流鏈電壓控制器於同步旋轉框下之控制方塊圖 24
圖3.6 主動式前端轉換器於同旋轉框下之實際電路架構方塊圖與控制方塊圖 26
圖3.7主動式前端轉換器系統控制方塊圖 26
圖4.1五階主動式前端轉換器系統圖。 27
圖4.2切換頻率為9倍基頻，SPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23th、25th、29th) 28
圖4.3切換頻率為15倍基頻，SPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23th、25th、29th) 29
圖4.4切換頻率為21倍基頻，SPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23th、25th、29th) 29
圖4.5切換頻率為9倍基頻，SPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th) 30
圖4.6切換頻率為15倍基頻，SPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th) 30
圖4.7切換頻率為21倍基頻，SPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23rd) 31
圖4.8 SPWM的頻譜分析，切換頻率為9倍基頻，調變指數為0.8 32
圖4.9 SPWM的頻譜分析，切換頻率為9倍基頻，調變指數為0.4 33
圖4.10 SPWM頻譜分析，切換頻率為15倍基頻，調變指數為0.8 34
圖4.11 SPWM頻譜分析，切換頻率為15倍基頻，調變指數為0.4 35
圖4.12 SPWM頻譜分析，切換頻率為21倍基頻，調變指數為0.8 36
圖4.13 SPWM頻譜分析，切換頻率為21倍頻，調變指數為0.4 37
圖4.14切換頻率為9倍基頻，SVPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23th、25th、29th) 39
圖4.15切換頻率為15倍基頻，SVPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23th、25th、29th) 40
圖4.16切換頻率為21倍基頻，SVPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23th、25th、29th) 40
圖4.17到圖4.19為僅考慮為切頻部分之諧波所生成之THD係數，觀察其走向及分布即可方便後續設計濾波器所需設定之頻寬限制。 41
圖4.17為在9倍載波比下所得知的THD曲線圖，圖4.18為15倍載波比，圖4.19為21倍載波比，在前述的條件下，得以達到規格限制之THD係數僅於15倍(3、5、7階)及21倍載波比下之(5、7階)有達到要求。 41
圖4.17切換頻率為9倍基頻，SVPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th) 41
圖4.18切換頻率為15倍基頻，SVPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th) 41
圖4.19 切換頻率為21倍基頻，SVPWM之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23rd) 42
圖4.20 SVPWM頻譜分析，切換頻率為9倍基頻，調變指數為0.8 43
圖4.21 SVPWM頻譜分析，切換頻率為9倍基頻，調變指數為0.4 44
圖4.22 SVPWM頻譜分析，切換頻率為15倍基頻，調變指數為0.8 45
圖4.23 SVPWM頻譜分析，切換頻率為15倍基頻，調變指數為0.4 46
圖4.24 SVPWM頻譜分析，切換頻率為21倍基頻，調變指數為0.8 47
圖4.25 SVPWM頻譜分析，切換頻率為21倍基頻，調變指數為0.4 48
圖4.26二階系統中使用SVPWMMC切換策略時三相命令搭配三相載波關係圖 49
圖4.27 三階系統中使用SVPWMMC切換策略時命令與載波關係圖 50
圖4.28 五階系統中使用SVPWMMC切換策略時命令與載波關係圖 50
圖4.29 七階系統中使用SVPWMMC切換策略時命令與載波關係圖 50
圖4.30 SVPWMMC之THD分佈圖(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23th、25th、29th) 51
圖4.31使用調變型載波SVPWM(SVPWMMC)的THD曲線(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th) 52
圖4.32 SVPWMMC頻譜分析，調變指數為0.8 52
圖4.33 SVPWMMC頻譜分析，調變指數為0.4 53
圖4.34二階系統，SVPWMMC與SPWM,SVPWM於切換頻率為9及15之總諧波失真曲線(諧波成分包含5th、7th) 55
圖4.35三階系統，SVPWMMC與SPWM,SVPWM於切換頻率為9及15之總諧波失真曲線(諧波成分包含5th、7th) 55
圖4.36五階系統，SVPWMMC與SPWM,SVPWM於切換頻率為9及15之總諧波失真曲線(諧波成分包含5th、7th) 56
圖4.37七階系統，SVPWMMC與SPWM,SVPWM於切換頻率為9及15之總諧波失真曲線(諧波成分包含5th、7th) 56
圖4.38使用SVPWMMC加入低通濾波器之總諧波失真曲線(諧波成分包含5th、7th、11th、13th、17th、19th、23th、25th、29th) 57
圖4.39使用多工器產生調變型載波 57
圖4.40合成調變型載波之時序圖 58
圖4.41使用SVPWMMC於調變指數為1之三相電壓 59
圖4.42使用SVPWMMC於調變指數為0.95之三相電壓 59
圖4.43使用SVPWMMC於調變指數為0.9之三相電壓 60
圖4.44使用SVPWMMC於調變指數為0.85之三相電壓 60
圖4.45使用SVPWMMC於調變指數為0.8之三相電壓 61
圖4.46使用SVPWMMC於調變指數為1之頻譜分析 61
圖4.47使用SVPWMMC於調變指數為0.95之頻譜分析 62
圖4.48使用SVPWMMC於調變指數為9之頻譜分析 62
圖4.49使用SVPWMMC於調變指數為0.85之頻譜分析 63
圖4.50使用SVPWMMC於調變指數為0.8之頻譜分析 63

參考文獻
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