三相电压型PWM整流器空间矢量控制研究及仿真分析
基于空间矢量控制(SVPWM)技术的三相电压型整流器设计
基于空间矢量控制（SVPWM）技术的三相电压型整流器设计作者：佚名来源：本站整理发布时间：2010-9-9 10:54:01 [收藏] [评论]传统的变压整流器和非线性负载的大量使用使电网中电流谐波含量较高，对飞机供电系统和供电质量造成很大影响。
消除电网谐波污染、提高整流器的功率因数是电力电子领域研究的热点。
空间矢量PWM(SVPWM)控制具有直流侧电压利用率高、动态响应快和易于数字化实现的特点。
本文采用空间矢量技术对三相电压型整流器进行研究，使其网侧电压与电流同相位，从而实现高功率因数整流。
1 空间矢量控制技术SVPWM控制技术通过控制不同开关状态的组合，将空间电压矢量V控制为按设定的参数做圆形旋转。
对任意给定的空间电压矢量V均可由这8条空间矢量来合成，如图1所示。
任意扇形区域的电压矢量V均可由组成这个区域的2个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。
这几个矢量的作用时间可以一次施加，也可以在一个采样周期内分多次施加。
也就是说，SVPWM通过控制各个基本空间电压矢量的作用时间，最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转。
主电路功率开关管的开关频率越高，就越逼近圆形旋转磁场。
为了减少开关次数，降低开关损耗，对于三相VSR某一给定的空间电压矢量，采用图2所示的合成方法。
在扇区I中相应开关函数如图3所示。
零矢量均匀地分布在矢量的起、终点上，除零矢量外，由V1、V2、V4合成，且中点截出2个三角形。
一个开关周期中，VSR上桥臂功率开关管共开关4次，由于开关函数波形对称，谐波主要集中在整数倍的开关频率上。
2 直接电流控制策略三相VSR的电流控制策略主要分为直接电流控制和间接电流控制。
直接电流控制采用网侧电流闭环控制，提高了网侧电流的动、静态性能，并增强电流控制系统的鲁棒性。
而在直接控制策略中固定开关频率的PWM电流控制因其算法简单、实现较为方便，得到了较好应用，在三相静止坐标系中，固定开关频率的PWM电流控制电流内环的稳态电流指令是一个正弦波信号，其电流指令的幅值信号来源于直流电压调节器的输出，频率和相位信号来源于电网;PI电流调节器不能实现电流无静差控制，且对有功电流和无功电流的独立控制很难实现。
三相电压型PWM整流器仿真课程设计
第1章绪论1.1PWM整流器概述随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关．如双极型晶体管（BJT）、门极关断晶闸管（GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGcT)、电力场效应晶体管(MOSFET）以及场控晶闸管(McT）等。
而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块（IPM）则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。
功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用.但是,目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压,由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路．因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。
治理这种电网“污染"最根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数。
因此,作为电网主要“污染"源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。
其主要思路就是将PWM 技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。
根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM 整流器和不可逆PWM整流器。
本论文只讨论能量可双向流动的可逆PWM整流器及控制策略，以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器。
第2章PWM整流器的拓扑结构及工作原理2.1PWM整流器原理概述从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC／DC变换装置。
整流器的发展经历了由不控整流器(二极管整流)、相控整流器(晶闸管整流)到PWM 整流器（可关断功率开关)的发展历程。
传统的相控整流器,虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用,但仍然存在以下问题:(1）晶闸管换流引起网侧电压波形畸变;（2）网侧谐波电流对电网产生谐波“污染"; ．(3) 深控时网侧功率因数降低；（4）闭环控制时动态响应相对较慢.虽然二极管整流器,改善了整流器网侧功率因数,但仍会产生网侧谐波电流而“污染”电网；另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。
基于空间电压矢量的三相电压型PWM整流器的研究
＝
－
Ｔ 封
２ 空 间电压 矢量 （ Ｖ ＷＭ） 制原 理 ＳＰ 控
斗，
２ １ 扇 区 判 断 ． 由图 １ 根据功率管不同的开通 和关 断状态 ， 整流 器有 ８
，
＝
一
种导通模 式 ， 对应 ８个 空 间 电压矢 量状 态 （ ０ ００—１１ ， １ ） 矢
量 分 布 如 图 ３所 示 。
‰ ＝一
（） ３
分析 Ｐ ＷＭ整流器要从其数学模 型人手 ， 推导整 流器 的数 在 学模 型之前 ， 先作 出以下假设 ： １ ）忽略分布参 数的影响 ；
２ ）三 相 电 源 为 理 想 电 压 源 ；
０
３ ）主回路 等效 电阻和电感相等 ；
４ ）忽略功率器件的导通压降和开关损耗 ；
中图分类号 ：Ｍ ６ Ｔ ４１
文献标识码 ： Ａ
０ 引言
随着电力电子装 置在各个领 域的广泛应用 ， 中大量低 其 功率因数的不控整流设备 只能实现能量的单向传输 ， 并且对 电网的谐波污染 十分严 重 。而新 型 Ｐ ＷＭ 整流 装置具 有高 功率因数 、 输入 电流 波形 为正 弦 、 低谐 波 污染 、 能量双 向流 动、 小容量储能环节和恒定 直流 电压控 制等优点 ， 正实现 真
了“ 色 电能 变 换 ” 在 电 力 系 统 有 源 滤 波 、 功 补 偿 、 阳 绿 ， 无 太 能 发 电 以及 交 直 流传 动系 统 等 领 域 ， 来 越 具 有 广 阔 的 应 用 越 前 景 ０ ， 中 Ｓ Ｐ 其 Ｊ Ｖ ＷＭ （ 间矢 量 调 制 ） 具 有 直 流 电 压 利 空 因
律 ， 以列 写 如 下 方 程 ： 可
三相静 止坐标系 下 的数 学模型物理 意义清 晰、 观 ， 直 但 由于整流器交流侧均为时变交流量 ， 不利于控制系统的设 计 。三 相静止 坐标系到两 相静 止坐标系的变换矩 阵 ｃ ｓ ２ ３／ ｓ ，
基于空间矢量控制的PWM整流器建模与仿真
Vβ 为 V* 在 а 、 β 轴上的坐标值，定义以下变 设Vα、 A=Vα
%
B= 姨 3 Vα-Vβ
%
C=- 姨 3 Vα-Vβ
令H=sgn(A)+2sgn(B)+4sgn(C)， 可以得出H与各扇区的 表1 H与扇区号对应关系 Tab.1 H and sector number corresponding relationship
同步旋转坐标系中电流调节器输出的任意一个 空间电压矢量指令V*， 均可由8条空间电压矢量合成。 * 稳态时， V 在复平面上以某一步进速度旋转，其端点 运动轨迹为一多边形准圆形轨迹， PWM 开关频率越 高， 多边形准圆轨迹就越接近圆， 由于空间电压矢量 不断跟踪V*， 从而使三相桥的输入为等效正弦波， 实 现了电流控制的目的。 2.1 扇区的确定 量：
给控制器设计造成了一定困难。为了实现d、 q轴的独 立控制， 采用前馈解耦控制策略 。 当电流调节器采用 PI调节器时， vd、 vq的控制方程如下： KiI * vd=（Kip+ ） （id-id ） +ωLiq+ed s （3 ） KiI * vq=（Kip+ ） （iq-iq ） -ωLid+eq s
! # # # # # # " # # # # # # $
图4
电压外环控制结构
KiI 为电流内环比例调节增益和积分调节增 式中 Kip、 * * 益； i d、 i q为id、 iq电流指令值。 由于电网电动势矢量定向在 d 轴上， 故 （3 ） 式中 eq=0。电流内环的解耦控制再加上外环的电压控制， 就构成了PWM整流器的双闭环控制系统， 如图2。
矢量控制PWM整流器的建模与仿真
矢量控制PWM 整流器的建模与仿真王旭,黄凯征,阎士杰,张化光(东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004) 摘要:从三相电压型PWM 整流器(VSR )主电路拓扑结构出发,建立了基于两相同步旋转坐标系下的系统模型。
在系统模型分析的基础上,阐述了三相VSR 电压型控制外环和电流控制内环的双闭环控制的基本原理和设计方法,采用一种空间矢量PWM 的简化算法,在Matalb/Simulink 环境中建立了仿真模型。
仿真结果表明:所设计整流器具有优良的稳态性能和快速的动态响应,实现简单,具有一定的实用价值。
关键词:电压型PWM 整流器;双闭环;空间矢量PWM 中图分类号:TM461 文献标识码:AModeling and Simulation of PWM R ectif ier B ased on the Space V ector ModulationWAN G Xu ,HUAN G Kai 2zheng ,YAN Shi 2jie ,ZHAN G Hua 2guang(College of Inf ormation Science and Engineering ,N ortheastern University ,S henyang 110004,L iaoning ,China )Abstract :The system model of three 2phase voltage source rectifier (VSR )in the two 2phase synchronous rotating coordinate system was deduced with analysis from the point of the topology of the main circuit.The dual 2close 2loop control schemes combining the internal current control loop and external voltage control loop were discussed.A simplified algorithm was proposed for space vector PWM (SV PWM )rectifier.The whole system was modeled and simulated by using the toolbox of Matlab/Simulink.Simulation results show that the PWM model proposed has satisfactory steady 2state characteristics and fast transient response.The simulation illustrates that this design scheme has some value for practical operation due to its simple implement.K ey w ords :voltage source rectifier ;dual 2close 2loop ;space vector PWM (SVPWM ) 基金项目:国家“863”专项计划基金(2006AA04Z183) 作者简介:王旭(1956-),男,教授,Email :icestoryxo @1 引言目前,各类电力电子变换器的输入整流电路输入功率级一般采用不可控整流或相控整流电路。
电压型PWM整流器电流空间矢量控制研究
电压 型 Ｐ Ｗ Ｍ 整 流器 电流 空 间矢 量控 制研 究
张祥 ，晋 建厂
（ １ ．中国舰船 研 究设 计 中心 ，武汉 ４ １ ０ ０ ７ ４ ；２ ．海军 装备 部 ，北京 １ ０ ０ ０ ７ １ ） 摘 要 ：针对 如 何提 高 电压 源 型三相 Ｐ ＷＭ 整流 器 交流侧 电流 的控 制速 度 问题 ， 本 文提 出 了控 制和 调 制相 结
Ｔｗｏ － ｓ ｐａ ｃ ｅ Ｖｅ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｃｕｒ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｃｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｉ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ
Ｔｈｒ ｅ ｅ — ｐｈａ ｓ ｅ Ｖｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ Ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ＰＷ Ｍ Ｒｅ ｃ ｔ ｉ ｉｅ ｆ ｒ
制 技 术 的 发 展 ，Ｐ ＷＭ 整 流 器 越 来 越 被 各 种 工 矿
企 业所 接 受 。 这 种 整 流 器 虽然 控 制 方 面 相 对 复 杂 ， 但 是其 动 态 响应 速 度 比 较 快 ，储 能 器件 体 积 相 对
数 的设 计 和 其 性 能 严 格 地 依 赖 于 系 统 的 各 个 电量 参 数 ；还 有 一 些 文 献 中利 用 变 量 反 馈 线 性化 方 法 将 整 流 器 的数 学 模 型 线 性 化 并 利用 极 点配 置 的方 法设计控制器【 ４ Ｊ ，或 者 利 用 李 亚 普 诺 夫 函数 设计 控制器Ｌ ５ Ｉ ｏ Ｊ ， 然 而 这 些 非 线 性 控 制策 略 数 学 处理 及 计 算 比较 复 杂 实 现 起 来 相对 比较 困难 ；滞 环 控 制
合 的两 种 控制 策 略 ，即 电流 的空 间矢 量滞 环控 制策 略 和优化 的电流 空 间矢量 控制 策 略 。本文 分别 对这 两种
三相电压型PWM整流器的基本原理与建模分析
第三章三相电压型PWM整流器的基本原理与建模分析本文蓄电池充电装置是采用可逆PWM整流器的智能充电装置，PWM整流器既可工作于整流状态又可工作于逆变状态，从而实现能量再生和提高网侧功率因数，降低对电网的谐波污染;并采用馈能放电，将蓄电池电能回馈到电网，节省电能。
三相电压型PWM整流器是本系统研究的基础，担负着为蓄电池充电时提供直流电源及放电时向电网馈电的功能。
本章给出了三相电压型PWM整流器的基本原理及建模仿真。
1.1 PWM整流器基本原理概论PWM整流器是一个可工作在四象限的、交流侧和直流侧全控型的电流变换装置。
首先通过PWM整流器的模型电路来阐述其基本原理。
图3-1图3-1为PWM变流器模型电路。
PWM变流器模型电路由主要由三部分构成:交流网络、桥式功率开关管电路以及直流网络。
其中交流网络可以等效为交流电动势E和网侧电感L的串联;直流网络可以等效为负载电阻RL和负载电动势eL串联;桥式功率开关管电路可以是电压型桥路也可以使电流型桥路。
忽略功率开关管桥路的损耗，根据交流侧和直流侧功率平衡关系可得1.1式（3-1）式中:V , I 一交流侧电压、电流;Vdc, ldc一直流侧电压、电流。
由式(1.1)可知:模型电路的的交，直流两侧相互制约。
下面通过分析模型电路的交流侧电压电流来研究PWM变流器的运行原理。
为简化分析，忽略PWM的谐波分量，只考虑基波，稳态运行时，PWM交流侧电压电流矢量关系如图1.2所示。
以E为参考矢量，控制V，可实现四象限运行。
如不变，则也不变，V的运行轨迹便成了以为半径的圆。
在V分别抵达A, B, C, D四个特殊点时，PWM整流器分别呈现纯电感特性、正电阻特性、纯电容特性和负电阻特性。
A)纯电感特性运行 B)正电阻特性运行 C)纯电容特性运行 D)负电阻特性运行图1.2PWM变流器交流侧稳态矢量关系图E一交流电网电动势矢量 V一交流侧电压矢量VL-交流侧电感电压矢量 I一交流侧电流矢量对PWM整流器在四个特殊点间的运行规律详细分析如下:1.电压矢量v端点在圆轨迹弧AB上运动时，PWM整流器运行于整流状态。
三相pwm整流器讲课教案
三相p w m整流器空间矢量的广义仿真与实验研究三相电压源逆变器的脉宽调制技术文摘调速驱动系统需要可变电压和频率总是从三相获得供应电压源逆变器(VSI)。
一定数量的脉冲宽度调制(PWM)用于获取可变电压和方案从一个逆变器频率供应。
最广泛使用的三相逆变器是舰载正弦脉宽调制方案脉宽调制和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。
有增加趋势,利用空间矢量PWM(SVPWM)因为他们的简单数字的认识和更好的直流总线利用率。
然而,一个合适的仿真模型还没有可用的文学。
因此,本文在一步一步的发展SVPWM紧随其后的MATLAB / SIMULINK仿真模型实验的实现。
首先讨论了三相逆变器的模型基于空间向量表示。
下一个简单和灵活的仿真模型的SVPWM的方法,使用MATLAB / SIMULINK开发。
发达模型一般自然,因为它可以利用来实现连续和不连续空间矢量。
论文的新颖性依赖提议的灵活和通用SVPWM的Matlab / Simulink仿真模型。
实验及仿真结果验证该模式关键词:空间矢量PWM 不连续PWM电压源逆变器1.介绍三相电压源逆变器广泛应用于变速交流电动机驱动应用程序因为他们提供变量电压和通过脉冲宽度调制控制变频输出。
持续改进和高成本开关频率的功率半导体器件和机器控制算法的发展导致越来越感兴趣更精确的PWM技术。
的工作已经在这个方向进行,评估的流行技术提出了由霍尔兹(1992)和霍尔兹(1994)。
使用最广泛的是舰载sine-triangle PWM脉宽调制方法由于简单的实现方法在模拟和数字实现。
在此方法中,然而,直流总线利用率低,直流5 V,这导致了客观的调查其他技术改善直流总线利用率。
它是Houdsworth和格兰特(1984)发现注入零序(第三次谐波)扩展了范围的操作调制器15.5%。
与大功率传动的应用程序相关的主要问题是高在逆变器开关的损失。
来降低切换损失称为不连续PWM脉宽调制技术(DPWM)是由Depenbrock(1977)和Kolar et al。
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三相电压型PWM整流器空间矢量控制研究
及仿真分析
传统的PWM控制技术多用于两电平电路的驱动控制,其主要方法是
正弦脉宽调制(SPWM),调制波为正弦波,依靠三角载波和调制波的比
较得出交点实施控制,其电压利用率低,谐波含量大。而随着微处理器
技术的发展和多电平电路的出现,涌现出很多新的控制方法,像优化
PWM方式、滞环电流控制方式、电压空间矢量控制方式等[1]。其中,
空间电压矢量控制通过合理地选择、安排开关状态的转换顺序和通断
持续时间,改变多个脉冲宽度调制电压的波形宽度及其组合,达到较好
的控制效果。相对SPWM控制,电压空间矢量控制方法电压利用率高、
谐波含量小、大大改善了系统的静态和动态性能,具有结构简单、实
现容易、控制精度高等特点。本文采用空间矢量控制策略,并对整流
电路采用电压外环PI和电流内环PI相结合的控制方法,建立三相电压
型PWM矢量控制方案的仿真模型,并对其进行分析研究。1 三相电压
型PWM整流器控制方案图1为三相电压型PWM整流器空间矢量控
制方案图。它是由主电路和控制回路两部分组成,其中,控制回路主要
由输入电流和输出电压检测、坐标变换、PI控制器和SVPWM脉冲
产生等几部分组成。其原理如下:三相交流电通过三相电压型整流电
路变为稳定的直流电压。同时,控制回路对主电路的输入交流电流和
输出直流电压进行检测,一方面,将检测值u0与给定值u0*进行比较后
送入PI控制调节器,输出值与电流id比较并将其输出送入PI控制器
变为电压信号,再经坐标变换送入SVPWM脉冲产生单元,完成电压闭
环控制;另一方面,将检测的输入电流经坐标变换与给定电流iq*比较,
送入PI控制器变为电压信号,再经坐标变换送入SVPWM脉冲产生单
元,完成电流的闭环控制。矢量控制单元通过矢量运算,生成所需要的
PWM波,控制双向变换器,达到输出电压的稳定和输入侧交流电流的
正弦化。 控制系统方案图中的PI控制模块、坐标变换模块和矢量控
制模块的工作原理参考文献1,其具体参数需要在仿真中确定。2 空间
矢量控制的PWM整流器仿真模型建立及分析2.1 仿真模型的建立利
用Matlab/Simulink软件包,根据控制方案图建立其仿真模型,其仿真模
型主要包括主电路模型、控制电路模型和功率因数计算模型等。(1)
主电路模型主电路仿真模型如图2所示。它主要由输入电源模块、三
相整流器模块和一些电压、电流测量单元组成。 (2)控制电路模型控
制电路仿真模型如图3所示。它主要由PI控制器模型、坐标变换模
型以及矢量控制器模型等部分组成。其中,坐标变换和矢量控制器仿
真模型的建立主要根据矢量控制原理搭建而成[2],其仿真模型如图4
所示。 (3)功率因数计算模型(见图5) 2.2 仿真结果根据上面搭建的
仿真模型,给定仿真参数假定如下:交流输入侧为三相260V交流电压,
交流侧电感取3.4mH,直流侧滤波电容为1000μF,给定直流输出电
压为650V,开关频率为10kHz,负载电阻为40Ω。在t=0.05s时,
突加负载使负载电阻由40Ω变为20Ω。3 结束语根据
电压空间矢量控制的基本概念和控制方案图,建立三相电压型PWM
整流器空间矢量控制的仿真模型,并对每个模块进行详细分析。从图
6～图8中可以看出采用这种控制方案输出直流电压响应速度快,输入
交流侧电流波形为正弦波且与输入交流电压相位相同,基本实现了单
位功率因数。另外从图9和图10可以看出,当突加负载时,整流器输入
侧电流幅值变大并有少许的波动,但很快就恢复为正弦波,同时输出侧
直流电压降低,但很快也恢复到给定的650V直流电压。通过仿真结果
可以看出采用空间矢量控制的整流器具有很好的动态特性和稳定性。