三相电压型PWM整流器设计方法的研究

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三相高功率因数PWM整流器的设计和研究的开题报告

三相高功率因数PWM整流器的设计和研究的开题报告
一、选题背景及意义
随着工业自动化和电力质量的要求不断提高，三相高功率因数PWM整流器成为了电气控制领域研究的热点之一。

它能够通过调节控制器输出的PWM信号来实现整流器电流的精确控制和调节，从而达到提高功率因数、减小谐波、改善电网质量等功效。

本课题的研究目的是设计一种三相高功率因数PWM整流器，以实现对电气系统中的电能转换和电网质量的优化控制，提高电网的可靠性和稳定性，同时减少能源的浪费，
从而为电气控制领域的可持续发展作出贡献。

二、研究内容和方法
本课题的研究内容主要包括：三相高功率因数PWM整流器的电路设计、电源电路设计、控制策略设计等方面。

具体来说，主要包括以下几个方面：
1.研究PWM技术的原理和应用，设计三相全桥电路和LC滤波器电路；
2.研究电源电路选型和设计，选择合适的电源装置，保证整流器的工作稳定性；
3.设计控制系统策略，建立三相电流控制模型和电路模型，设计控制器的参数；
4.使用Matlab/Simulink等软件对整流器进行仿真分析，验证设计的正确性和可
靠性。

三、预期成果与意义
预计通过本课题研究可以设计出一种稳定可靠的三相高功率因数PWM整流器，并基于图形化软件进行模拟和仿真，以验证其性能的正确性和可靠性。

这将为电气控
制领域中的电气转换技术提供新的解决方案，并为解决电能浪费和改善电网质量问题
提供新途径。

同时，本研究的成果还将对电能转换技术、电力电子技术、控制理论等
领域的发展起到积极作用，对提高国家科技水平和推动电气控制领域可持续发展具有
重要的意义和价值。

三相电压型PWM整流器及其控制的设计_毕业论文精品

华东交通大学理工学院Institute of Technology.East China Jiaotong University毕业论文Graduation Thesis（2009 —2013 年）题目：三相电压型PWM整流器及其控制的设计分院：电气与信息工程分院专业：电气工程及其自动化1摘要传统的二极管不可控整流器和晶闸管半控整流器输出的直流电压存在不同程度的波动，需要体积庞大的滤波装置、电网电流畸变率大、谐波含量大等缺点。

直流电压波动太大给负载带来了不良影响、滤波装置体积庞大会导致整流器笨重并且设备占地面积增大、电网电力畸变率大谐波含量高从而需要无功补偿装置，这些都增大了传统整流器的设计与运行成本。

本文从实际出发，首先介绍了三相电压型PWM整流器的发展史，电路的拓扑结构，以及电路的控制策略。

深入的研究了PWM整流器的数学模型，得到了一些有用的结论，重点研究了PWM整流器的控制策略，即SVPWM调制策略，设计了相应的控制器。

在MATLAB中搭建了仿真模型，仿真结果表明了所建立的控制系统是有效的，能够稳定三相电压型PWM整流器直流侧的直流电压，在负载突变后，也能很好的调节的直流电压保持不变，并且电网电流与电压同相，实现了单位功率因数运行。

关键字：PWM整流；SVPWM调制；仿真；单位功率因数AbstractTraditional controlled rectifier diode and thyristor half controlled rectifier output of the DC voltage varying degrees of volatility, the need for bulky filtering device, grid current distortion, harmonic content and other shortcomings. DC voltage is too volatile to the load brought adverse effects the filtering device bulky lead to rectifier bulky and equipment covers an area of increased, Power Grid distortion rate of high harmonic content and reactive power compensation device, which are increased conventional rectifier design and operating costs.From reality, this paper first introduces the history of the development of the three-phase voltage-type PWM rectifier circuit topology, and circuit control strategy. In-depth study of the mathematical model of PWM rectifier, got some useful conclusions, focus on the PWM rectifier control strategy, SVPWM modulation strategy, design the controller. In MATLAB to build a simulation model, the simulation results show that the established control systems are effective, stable three-phase voltage-type PWM rectifier DC side DC voltage, load mutation, can be well regulated DC voltage remains unchanged and the same phase of the grid current and voltage, to achieve unity power factor operation.Key words: PWM rectifier; SVPWM modulation; simulation; unity power factor3目录中文摘要 (1)英文摘要 (2)目录 (3)第1章绪论 (1)1.1 课题的研究背景与意义 (1)1.1.1 谐波的危害和抑制 (1)1.1.2 功率因数校正技术 (2)1.2 PWM整流器国内外研究现状 (2)1.2.1 PWM整流器的分析与建模 (3)1.2.2 三相PWM整流器控制技术的研究 (3)1.2.3 PWM整流器拓扑结构的研究 (3)1.2.4 PWM整流器系统控制策略的研究 (3)1.3 电压型PWM整流器的控制技术 (4)1.4 本文的主要研究内容和重点 (4)第2章三相PWM整流器的原理及其数学模型 (5)2.1 PWM整流器的基本原理 (5)2.1.1 三相PWM整流器拓扑结构 (5)2.2.1 ABC静止坐标系下的低频数学模型 (7)2.2.2 两相坐标系下的低频数学模型 (9)2.2.3 PWM整流器高频通用数学模型 (11)2.2.4 两相dq坐标系的PWM整流器高频数学模型 (14)第3章三相电压型PWM整流器的控制 (17)3.1电压型PWM整理器的电压空间矢量控制技术 (17)3.2 SVPWM算法在MATLAB中的实现 (17)3.2.1 参考电压矢量所在扇区N的判断 (18)3.2.2 不同扇区两相邻电压空间矢量的作用时间 (22)第4章三相电压型PWM整流器的建模和仿真 (25)4.1 三相VSR直流电压控制 (25)4.2PWM整流器整体仿真 (27)第五章结论与展望 (29)参考文献 (30)第1章绪论1.1 课题的研究背景与意义近十几年来，随着电力电子装置的谐波污染受到愈来愈广泛的重视，随着用电设备谐波标准和电机系统节能工程的推广实施，必将会很大程度上促进对PWM 整流器的发展。

三相PWM整流器控制策略的研究与实现

三相PWM整流器控制策略的探究与实现专业品质权威编制人：______________审核人：______________审批人：______________编制单位：____________编制时间：____________序言下载提示：该文档是本团队精心编制而成，期望大家下载或复制使用后，能够解决实际问题。

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三相高功率因数PWM整流器的设计和研究(精)

陕西科技大学硕士学位论文三相高功率因数PWM整流器的设计和研究姓名：李相锋申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：孟彦京20080401三相高功率因数ＰＷＭ整流器的设计和研究摘要随着现代电力电子技术、微电子技术以及计算机技术的发展，以ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）技术为基础的功率变换装置得到了越来越广泛的应用。

ＰＷＭ整流具有高功率因数、低谐波污染、能量双向流动、小容量储能环节、恒定直流电压控制等优点，在电力系统有源滤波、无功补偿、潮流控制、太阳能发电以及交直流传动系统等领域，具有越来越广阔的应用前景。

因此，三相ＰＷＭ整流器成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。

本文主要研究了三相电压型ＰＷＭ整流器的拓扑结构、数学模型、控制策略、主电路参数的选取与设计以及硬件的实现。

建立数学模型是研究三相ＰＷＭ整流器的重要手段，本文通过在静止坐标系下建立仿真模型，应用电压空间矢量控制策略，对三相ＰＷＭ整流器的特点、性能及电路参数的选取进行了深入的研究口并建立了Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下的仿真模型，对所做控制算法进行了仿真，仿真结果验证了控制算法的正确性和可行性。

同时，这种控制算法亦能使整流系统的能量双向流动，实现能量再生，且具有控制算法简单。

随着大规模集成电路技术及计算机技术的发展，采用微处理器作为硬件控制核心的微机控制器将成为今后整流器的发展方向。

随着控制方法的不断改进与发展，对微机整流控制器的运算速度提出了非常高的要求。

本文根据这种要求，以ＤＳＰ（数字信号处理器）作为控制核心，研究并设计了基于ＤＳＰ的ＰＷＭ整流器。

文章分别从控制电路、测量电路、整流主电路、ＳＶＰＷＭ硬件实现等几个方面论述了基于ＤＳＰ的ＰＷＭ整流器的硬件设计以及主要实时软件的流程图和实现方法。

文中还介绍了ＩＰＭ（功率智能模块）的使用，并基于此设计了系统的主电路。

由于采用了这些先进技术，使得本文中的ＰＷＭ整流器结构简单、性能可靠、操作方便。

三相电压型PWM整流器控制策略及应用研究

三相电压型PWM整流器控制策略及应用研究一、概述随着电力电子技术的快速发展，三相电压型PWM（脉冲宽度调制）整流器作为一种高效、可靠的电能转换装置，在电力系统中得到了广泛应用。

其不仅能够实现AC（交流）到DC（直流）的高效转换，还具有功率因数高、谐波污染小等优点，对于改善电网质量、提高能源利用效率具有重要意义。

对三相电压型PWM整流器的控制策略及应用进行深入研究，对于推动电力电子技术的发展和电力系统的优化升级具有重要意义。

三相电压型PWM整流器的控制策略是实现其高效稳定运行的关键。

目前，常用的控制策略包括基于电压矢量控制的直接电流控制、基于空间矢量脉宽调制的间接电流控制等。

这些控制策略各有优缺点，适用于不同的应用场景。

需要根据实际应用需求，选择合适的控制策略，并进行相应的优化和改进。

在实际应用中，三相电压型PWM整流器被广泛应用于风力发电、太阳能发电、电动汽车充电站等领域。

在这些领域中，整流器的稳定性和效率对于保证整个系统的正常运行和提高能源利用效率具有至关重要的作用。

对三相电压型PWM整流器的控制策略及应用进行研究，不仅有助于推动电力电子技术的发展，还有助于提高能源利用效率、促进可再生能源的发展和应用。

本文将对三相电压型PWM整流器的控制策略及应用进行深入研究。

介绍三相电压型PWM整流器的基本原理和常用控制策略分析不同控制策略的优缺点及适用场景结合实际应用案例，探讨三相电压型PWM整流器的优化改进方法和发展趋势。

通过本文的研究，旨在为三相电压型PWM整流器的设计、优化和应用提供理论支持和实践指导。

1. 研究背景与意义随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，可再生能源的利用与开发已成为世界各国关注的焦点。

作为清洁、可再生的能源形式，电能在现代社会中发挥着至关重要的作用。

传统的电能转换和利用方式存在能量转换效率低、谐波污染严重等问题，严重影响了电力系统的稳定性和电能质量。

研究高效、环保的电能转换技术具有重要意义。

三相高功率因数PWM整流器的研究与设计初探

三相高功率因数PWM整流器的研究与设计初探【摘要】本文对三相高功率因数PWM整流器进行了研究与设计初探。

在分析了研究背景、研究意义和研究目的。

在深入探讨了三相高功率因数PWM整流器的工作原理、电力电子技术在功率因数校正中的应用、关键技术、性能优化设计以及实验验证与结果分析。

结论部分总结了整流器的设计经验，并提出未来研究方向。

通过本文的研究，为三相高功率因数PWM整流器的设计提供了参考，为提高电力系统效率和节能减排做出了贡献。

【关键词】电力电子技术、三相高功率因数PWM整流器、功率因数校正、整流器设计、优化设计、实验验证、结果分析、研究总结、未来研究方向1. 引言1.1 研究背景三相高功率因数PWM整流器是一种在电力电子领域具有重要意义的装置，其研究与设计对提高电能利用效率、降低能源消耗具有重要意义。

在过去的几十年里，随着电力电子技术的不断发展和普及，三相高功率因数PWM整流器逐渐成为工业生产中广泛应用的装置之一。

在传统的电力系统中，电能是通过整流器进行转换，但传统整流器由于存在许多缺点，如功率因数低、谐波失真严重等问题，这些问题严重影响了整个电力系统的效率和稳定性。

研究如何设计一种高功率因数的PWM整流器，成为当前电力电子技术研究的重要方向之一。

通过对三相高功率因数PWM整流器的研究，可以进一步优化电力系统的性能，提高能源利用效率，降低能源消耗，从而更好地适应未来社会对于清洁能源和能源效率的要求。

研究三相高功率因数PWM整流器具有重要的理论和实际意义。

1.2 研究意义三相高功率因数PWM整流器作为电力系统中重要的装置，具有很高的研究意义。

随着现代工业的发展，电力供应系统对功率因数的要求越来越高。

传统的整流器存在着功率因数较低的问题，而三相高功率因数PWM整流器可以有效地提高整流器的功率因数，降低谐波污染，提高电力系统的稳定性和效率。

随着可再生能源的快速发展，对于电力负载的要求也越来越高。

三相高功率因数PWM整流器可以灵活地控制电流和电压的波形，适应性强，能够更好地适应不同负载的需求，从而实现能源的高效利用。

三相PWM整流器的研制

图１电压型ＰＷＭ整流器拓扑结构图
的直接电流控制方式，具有快速的动、静态调整性能及较高的直流电压利用率等优点，正成为ＰＷＭ
在三相静止对称坐标系（，ｂ，ｃ）中，ＰＷＭ整
流器开关函数模型
三相ＰＷＭ整流器的研制
赵武玲彭树文王伟强姚广
（核工业理化工程研究院，天津３００１８０）
摘要本文提出了一种基于空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）的直接电流控制策略的三相电压型ＰＷＭ整流器，给出了它的拓扑结构及数学模型。为了提高系统的可靠性，优化了主电路结构设计及控制系统软硬件设计，并搭建了样机进行试验。试验结果表明三相ＰＷＭ整流器带负载运行效果良好，所设计的控制系统具有很好的稳态和动态性能。关键词：整流器；状态空间矢量脉宽调制；抗干扰
ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＰＷＭＲｅｃｔｉｉｅｆｒ
ＺｈａｏＷｕｌｉｎｇＰｅｎｇＳｈｕｗｅｎＷａｎｇＷｅｉｑｉａｎｇＹａｏＧｕａｎｇ
传统变频器其整流器部分多采用二极管整流或可控硅整流方式，输入电流谐波大，对电网造成很大污染，工程应用中需要另外加装功率因数补偿装置，成本高，体积大。随着绿色能源的快速发展，
脉宽调制（ＰｗＭ）整流器技术以其能够实现网侧单

三相电压型大功率PWM整流器研究和系统设计

三相电压型大功率PWM整流器研究和系统设计近年来，随着电力电子器件的发展和现代控制理论的应用，PWM整流器因具有交流侧可单位功率因数运行，能量可以双向流动等优点，而成为电力电子领域的研究热点，并且在风力并网发电，有源电力滤波方面得到了大力的应用。

本文以三相电压型PWM整流器为研究对象，在广泛研究了PWM整流器的研究热点和应用现状上，建立了基于开关函数的数学模型，深入分析了三相电压型PWM整流器的换流过程和工作原理。

在对比了PWM整流器现行的各种控制策略优缺点后，采用直接电流控制策略，在MATLAB中建立了基于直接电流控制策略的PWM整流器仿真模型，通过仿真，分析了PWM整流器中电感，电容参数变化，负载变化时对系统性能的影响，提出一种PWM整流器交流侧电感计算方法。

针对传统直接电流控制策略中PWM整流器交流侧电流总谐波畸变率大等问题，提出基于参数自整定模糊PI控制算法，来代替直流电流控制中普通的PI 控制器。

针对PWM整流器的直流电压超调量大，过渡时间较长等问题，将滑模变结构控制理论应用于PWM整流器中，建立了基于PWM整流器传递函数的电压外环滑模控制器，在N砂汀LAB/simuhnk中验证了上述改进措施的正确性。

最后，本文完成了以TMS32OF2812DSP为核心的PWM整流器系统设计。

完成主电路参数的计算，开关管的选型，完成了PWM整流器交流侧电压电流，直流侧电压检测电路设计以及驱动电路设计对PWM整流器软件设计进行概要介绍。

关键词PWM整流器，模糊控制，电感参数计算，滑模控制AB5TRACT AsthedevelopmentofPowerelectroniedevieesandmodemeontroltheory，Three PhaseV oltage SourcePWMReetifier(VSR)15widelyused. It15usefulinindustrialaPPlieationssuchasactivePowerfiiter，variable sPeeddrives.Three 一PhaseVSR15capableofbi一direetionalPowerflow，unityPowerfaetoroPerationandinPutcurrentwithlowhannonicCofltCllt.InthisPaper，theThree一PhaseVSRMathematiesmodebasedonswitehingfunctionareseParatelysetteduPinthree一Phasestationaryeoordinateandtwo一Phasesynehronouslyrotatingcoordinate，anddireetcurrenteontrolschemeforthree一PhaseVSR15studiedandsimulated.Fromtheresultsofsimulation，thisPaPeranalysisedThree一PhaseVSRdynamicPerformaneeandrobustnesswhenitsinduetance，caPaeitaneeandloadareehanged，thenanewmethodaboutinductanceealculateinghasbeenProPosed.ConsideringhighhannoniecontenteharaeteristicoftheinPuteurrent，afuzZylogiceurrentregulatorbaseondeePlyanalyzingtheadvantagesoffuzZyPleontrolwasProPosed.ThefuzZylogiceurrentregulator15usedtoredueetheTHDofinPutcurrentsandaccommodationtimeofvoltage.InordertoimProvetherobustnessanddynamieresPonseofoutPutvoltage，anewsliding一modevoltageconirolregulatoralgorithm basedontransferfunctionwasProPosed.TheabovetwomethodshasbeenstudiedbysimulationinMATLABsoftwareandeomParedwithPlcontrol.SimulationresultsinN LAB/simulinkshowtheadvantagesoftwoProposedmethods.AtthelastofthisPaper，aresolvingstrategybasedonTMS320F281215ProPosed，ineludingthePowersystemdesignandthecontrolsystemdesign.KEYWORDSPwmreetifier，fuzZy一Pid，silding一modeeontrol目录摘要........……，…，，....................................……!ABS丁RACT (11)第一章绪论................，. (1)1.1课题的背景和研究意义 (1)1.2国内外发展水平和动向................， (2)1.2.1交流侧电流控制策略 (2)1.2.2无传感器控制................................， (4)1.2.3主电路的拓扑结构 (4)1.2.4智能控制在PWM整流器中的应用 (5)1.3本课题研究的主要内容 (5)第二章PWM整流器的运行基本原理..........................， (7)2.1PWM整流器的数学模型 (7)2.2PWM整流器运行的基本原理.............................，.. (9)2.2.1PWM整流器四象限运行的原理 (9)2.2.2直接电流控制基本原理......................……，................................. n2.2.3SVPWM技术在PWM整流器的应用 (16)2.3不同LC参数对系统性能的影响 (20)2.3.1仿真模型的建立 (20)2.3.2交流电感对系统性能的影响 (24)2.3.3直流电容对系统性能影响 (26)2.3.4负载变化对系统性能的影响 (27)2.4本章小结 (28)第三章改善PWM整流器的性能研究 (29)3.1改善PWM整流器性能的两种途径 (29)3.2电流内环的模糊PI控制 (29)3.2.1选择模糊PI控制算法的原因 (29)3.2.2模糊控制的基本原理 (29)3.2.3电流内环模糊自适应PI控制器的设计..............................................……303.2.4PWM整流器的电流内环模糊PI仿真...............................................……333.3PWM整流器的滑模变结构控制.....................................................................363，3.1选择滑模控制的原因及其在PWM整流器上的应用现状 (36)3.3.2滑模变结构控制基本原理...................................................................……373.3.3滑模控制的抖振问题..........................................................................……403.3.4PWM整流器电压环的滑模控制器设计.............................................……413.3.5减弱PWM整流器滑模控制抖振措施 (44)3.4本章小结......................................................................................................， (45)第四章PWM整流器的系统设计.......................，.. (47)4.1主电路参数设计 (47)4.1.1开关管参数选择.........................................................................， (47)4.1.2开关管缓冲电路设计....................................................................， (48)4.1.3交流侧电感直流侧电容设计...............................................................……494.2控制电路设计.............，..............................................................，.. (49)4.2.1DSP上电模块.......................................................................................……494.2.2交流电压直流电压检测模块...............................................................……504.2.3交流电流检测模块......................................................................……，.……534.2.4驱动电路..............................................................................................……544.2.5同步信号检测电路...........................................................，. (57)4.2.6散热系统..............................................................................................……574.3软件设计概述 (57)4.3.1主程序模块...........................................................................................……574.3.2外部中断程序......................................................................................……584.3.3Tl中断程序模块..................................................................................……594.4本章小结 (59)结论与展望 (60)参考文献.........，...，.. (62)附录 1.......................................................，.. (66)致谢................................，....................， (69)攻读硕士学位期间发表的论文..................................……70中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论课题的背景和研究意义能源是国民经济飞速发展的重要因素，如何合理开发和高效利用能源是大力提倡低碳经济的今天迫切需要解决的问题。

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式中 : Em 是网侧电动势峰值 ;Δimax 是最大允许谐波电流脉动量 , 一般取 Δimax = 20 % Im , Im 为网侧电流的峰值。
3. 1. 2 电感上限值的确定
从电流跟踪瞬态过程可看出 ,三相 V SR 交流电流过零时的电流变化率最大 ,此时电感应足够小 ,以
第 3 期张爱玲等 : 三相电压型 PWM 整流器设计方法的研究
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太原理工大学学报第 39 卷
侧三相电压、电流 ; L 为网侧滤波电感 ; C 为直流侧滤波电容 ;V dc 为直流侧电压 ; ed , eq 为电网电动势矢量的 d 、 q 分量 ; i d , i q 为三相 V SR 交流侧电流的 d , q 分量 ;V d , V q 为三相 V SR 交流侧电压矢量的 d , q 分量。采用以电网基波频率 ω同步旋转的 dq 坐标系研究三相 V SR 系统比较方便。 dq 旋转坐标系下整流器的数学模型[ 2 ] 如式 ( 1) 所示。 ed id Vd Lp + R - ω L = + . ( 1) ω L L p + R iq eq Vq 式中 : R 为三相 V SR 功率开关管损耗等效电阻和网侧滤波电感电阻之和 ; p 为微分算子。网侧电流 i a , i b , ic 经过 3 s/ 2 r 坐标变换后成为直流电流 i d , i q , 由式 ( 1 ) 可见 i d , i q 除受控制量 V d , V q 的控制外 , 还受到交叉耦合电压 ω L i d ,ω L i q 和电网电压 e d , eq 的扰动 , 所以引入电流状态反馈解耦以及电网电压作为前馈补偿 , 两电流即可实现 V d , V q 分别独立控制。解耦控制见图 1 中虚线框内部分所示。然后 V d , V q 通过 SV PWM 调制算法 [ 10 ] , 即可生成相应 6 路脉冲控制三相桥功率开关的导通和关断 , 从而合成 V d , V q 对应的整流器交流侧电压矢量 , 间接地控制网侧电流。
3. 1 主电路电感的选择
在三相 V SR 的设计中 ,交流侧电感的设计至关重要 ,这是因为三相 V SR 网侧电感对三相 V SR 系统的影响是综合性的 , 其取值不仅影响系统的动静态性能 ,而且还会对三相 V SR 的额定输出功率等其它因素产生影响。增大电感值 , 可以抑制系统输入电流的谐波 ,减小整流器对电网的污染 ,但是系统所能够提供给负载的最大功率就会下降[ 7 ] 。文献 [ 2 ,
KiP = KiI =
果也相异 ,且参数的上、下限取值相差数十倍 , 给电感的选择带来了困难 , 笔者在大量计算和仿真的基础上给出了电感参数上、下限值的计算方法。
3. 1. 1 电感下限值的确定
6L , 15 T s KPWM
( 2) ( 3)
6L . 1121 5 T2 s KPWM
其传递函数为
W oV ( s) =
01 75 KV ( TV s + 1 ) . 2 CT V s ( T eV s + 1)
( 4)
图2 三相 VSR 电压外环简化结构
工程上一般取中频宽 hV = TV / TeV = 5 , 由典型 Ⅱ 型系统控制器参数整定关系得 [ 1 ]
01 75 KV
础上 ,给出了瞬态时间的估算方法 ,进而得出电容的设计公式如式 ( 9) 所示。其中 ΔV dc 是电容电压的波动量 ,co sφ是网侧功率因数。
C ≥
2 4 PL
3 V dcΔV dc Em co sφ
2 V dc - Em 3
.
( 9)
4 实例计算与仿真结果
4. 1 实例计算
利用笔者所述方法 ,设计了一台功率为 3. 6 kW 的 PWM 整流器 ,交流侧输入电压有效值为 220 V , π ,电压直流电压给定取 600 V ,电源角频率ω为 100 环采样周期为 700 μs , 电流环采样周期为 100 μs 。由式 ( 7) 得 L ≥ 4 m H , 由式 ( 8 ) 得 L ≤191 1 m H , 综合考虑取电感 10 m H 。电容由式 ( 9 ) 得 C ≥4 338 μF ,取 4 700 μF/ 450 V 的电容。当采用 SV PWM 控制时 KPWM 取 1 ,因此由式 ( 2) 和式 ( 3) 得电流环 PI 调节器参数为 : KiP = 40 , KiI = 53 333 , 由式 ( 4 ) 得电压环 PI 调节器参数为 : KV = 31 76 , TV = 01 005 。 5. 2 仿真结果在 Matlab 下所搭建的系统仿真结构图如图 3 所示。各参数取值如上。利用该系统进行了整流、逆变及调压等不同运行状态的计算。其中图 4 是系统在 0. 2 s 突加负载 ,0. 3 s 从整流切换到逆变运行状态的计算结果。
由全控型器件构成的三相 PWM 整流器 , 因具有输入电流为正弦波 ,功率因数接近于 1 , 且能量可双向传输的优点而成为研究的热点。其中电压型 PWM 整流器 ( 简称 V SR) 因其结构简单、损耗低、控制方便等一系列优点 , 成为 PWM 整流器研究的重点。三相 V SR 的控制方法有间接电流控制和直接电流控制两种 ,其中直接电流控制由于采用网侧电流闭环控制 ,使 V SR 网侧电流波动小、静态性能得到了提高 ,同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感 ,从而增强了电流控制系统的鲁棒性 [ 2 ] ,成为目前实用化的方案。采用直接电流控制的三相 V SR 主电路及控制器参数的设计方法是目前的研究内容之一 , 各种文献 [ 2 ,5 ,6 ,7 ] 给出了不同的计算方法 , 但结果相差甚大 , 不便于工程应用。笔者在查阅大量文献的基础上 , 给出了比较准确和实用的计算方法。仿真结果表明 ,按照该方法计算的参数在整流和逆变两种运行状态均适用 ,且具有良好的静态、动态性能。
快的电流响应 ,且电流跟踪动态偏差由滞环宽度确定 ,不随电流变化率变化而变动等优点 ,但开关频率随电流变化率变化而波动 , 这样网侧滤波电感设计困难 ,功率模块应力及开关损耗增大 [ 2 ] 。本文研究中采用了前者。在三相 V SR 控制系统设计中一般采用以电压反馈作外环加上以电流反馈作内环的双闭环控制结构 [ 3 ] 。其控制结构框图如图 1 所示。其中电压外环用于控制整流器的输出电压 , 而电流内环则实现整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。方法如公式 ( 7) 所示。
L ≥ ( 2V dc - 3 Em ) Em T s . 2V dcΔimax ( 7)
根据文献 [ 2 ,4 ] 计算得到的电压外环 PI 调节器参数误差太大 ,笔者在文献 [ 2 ] 的基础上推导出计算 PI 调节器参数的公式。由文献 [ 2 ] 可得三相 V SR 电压外环简化结构如图 2 所示。图中 KV 、 TV 为电压外环 PI 调节器参数 ; TeV 为电压采样小惯性时间常数τ V 与电流内环等效小时间常数 3 T s 的合并。
第 39 卷第3期 2008 年 5 月
3
太原理工大学学报 J OU RNAL O F TA IYUAN UN IV ERSIT Y O F TEC HNOLO GY
Vol. 39 No . 3 May 2008
文章编号 :100729432 ( 2008) 0320311205
1 三相 V SR 的控制策略
直接电流控制的三相 V SR 的控制方法有多种 , 如固定开关频率 PWM 电流控制 [ 8 ] 、滞环 PWM 电流控制[ 9 ] 等。固定开关频率 PWM 电流控制算法简单 ,物理意义清晰 , 实现方便且由于开关频率固定 , 所以网侧变压器及滤波电感设计较容易 , 而且有利于限制功率开关损耗。滞环 PWM 电流控制具有较
三相电压型 PWM 整流器设计方法的研究
张爱玲 ,牛维
( 太原理工大学电气与动力工程学院 ,山西太原 030024)
摘要 : 选择固定开关频率电流控制策略 ,给出了三相电压型 PWM 整流器的双闭环结构 , 按此方法确定了电压、电流 PI 调解器的设计方法 ,同时给出了交流侧电感和直流侧电容的计算方法。在 MA TL AB/ SIMUL IN K 环境下建立其仿真模型 ,仿真结果表明 ,该方法使主电路参数的取值范围大大缩小 ,且保证了系统的动态和静态性能 ,为实际工程中确定主电路参数和系统设计提供了可靠依据 ,对三相 PWM 整流器系统设计有实际意义。关键词 : 三相电压型 PWM 整流器 ; PI 调解器 ; 主电路 ; 参数设计中图分类号 : TM344 文献标识码 :A
5 ,6 ,7 ] 给出的主电路参数的计算方法不同 , 计算结
2 P I 调节器设计
2. 1 电流 P I 调节器设计
对于电流内环 , 它的主要作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制 , 如实现单位功率因数正弦电流控制 , 因此电流调节器一般采用 PI 调节器。文献 [ 2 ]给出了 PI 调节器参数的设计方法如公式 ( 2) , ( 3) 所示。
由文献 [ 2 ] 可知为抑制谐波电流 , 电感应足够大。因为谐波电流脉动最严重情况发生在正弦波电流峰值处 ,所以考虑电流峰值处 (ωt =π / 2) 附近一个
PWM 开关周期 T s 中的电流跟踪瞬态过程 ,可得电
式中 : KiP , KiI 是电流内环比例、积分增益 ; T s 为电流内环电流采样周期 ( 即亦为 PWM 开关周期 ) ; KPWM 为桥路 PWM 等效增益。
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确保电流响应的快速性。文献 [ 7 ] 从 V SR 网侧输入正弦电流在过零处最大变化率与其所能承受最大功率的关系出发 , 分析在电流过零处一个 PWM 采样周期内输入电流变化率与各开关导通时间的关系 , 提出了一种 PWM 整流器网侧电感上限值的设计方法 ,如下式所示。 EmωT s 2V dc + 3 Em 2 15 3 ( 8) L ≤ . 2 PLω 其中 , PL 是系统给定功率。设计和仿真结果表明上述电感参数上、下限的确定方法大大缩小了参数的取值范围。 3. 2 电容的设计直流侧电容 C 的计算是三相 V SR 功率电路设计中的一个重要环节 , 其取值直接影响系统的特性及安全性。文献 [ 2 ] 给出的设计方法提出电容的设计要满足直流电压跟随性指标和满足直流电压抗扰性能指标 ,但两者经常矛盾 ,这就给电容的取值带来了困难。文献 [ 6 ] 提出的设计方法是以电容电压波动量为设计的出发点 , 认为引起电压波动的原因是由于负载变化引起的瞬态过程中输入及输出的功率不平衡 ,特别是当系统工作模式由最大功率整流到最大功率逆变突变时 ( 或反之) , 输入输出功率偏差最大 ,且瞬态过程最长 ,而瞬态过程中功率偏差引起电容上较大的电压波动 , 规定了电容电压波动的上限后得到电容的计算公式。文献 [ 5 ] 在文献 [ 6 ] 的基