三相PWM整流器研究

1、畢業(yè)設計（論文）題目pwm整流器的設計學院系：專業(yè)班級：學生姓名： 指導教師:學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得 的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包括任何其他個 人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本 人承擔。作者簽名：年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校 保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文 被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士論文評選機構將本學位論文的全部或部 分內容編入有關數據進行檢索，可以采用影印、

2、縮印或掃描等復制手段保存和 匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密口，在10年解密后適用本授權書2、不保密口。（請在以上相應方框內打“p”）作者簽名：年 月 日導師簽名：本科生畢業(yè)設計(論文)任務書專業(yè)班級:工作單位學生姓名:指導教師設計(論文)題目：pwm整流器的設計設計(論文)主要內容：熟悉整流的原理，對整流技術進行綜述、比較，并設計岀整流器硬件電路和 軟件程序。要求完成的主要任務：(1) 外文資料翻譯不少于20000印刷符；(2) 查閱相關文獻資料(中文15篇，英文3篇);(3) 掌握整流的原理；(4) 撰寫開題報告；(5) 熟悉整流技術國內外的研究現狀、目的意義;(6) 對整流技術進行

3、綜述、比較；(7) 計岀整流器硬件電路和軟件程序。；(8) 繪制的電氣圖紙符合國標；(9) 撰寫的畢業(yè)設計(論文)不少于10000漢字。必讀參考書：1 王兆安，黃俊電力電子技術第4版.北京：機械工業(yè)大學出版社，20072 楊蔭福，段善旭，朝澤云電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學出版社，20063 張崇巍，張興.pwm整流器及其控制.北京：機械工業(yè)大學出版社，2003系主任簽名指導教師簽名本科學生畢業(yè)設計（論文）開題報告20世紀90年代發(fā)展起來的智能型功率模塊（ipm）開創(chuàng)了功率半導體開關器 件新的發(fā)展方向。功率半導體開關器件技術的進步，促進了電力電子變流裝置 技術的發(fā)展，出現了以脈寬調制（pw

4、m）控制為基礎的齊類變流裝置，如變頻 器、逆變電源、高頻開關電源以及各類特種變流器等，這些變流裝置在國民經 濟各領域中取得了廣泛的應用。但是，目前這些變流裝置很大一部分需要整流 環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或 晶閘管相控整流電路，因而對電網注入了大量諧波及無功，造成了嚴重的電網 “污染”。治理這種電網“污染”最根本措施就是，要不變流裝置實現網側電流 正弦化，且運行于單位功率因數。pwm控制技術的應用與發(fā)展為整流器性能的改進提供了變革性的思路和手 段，結合pwm控制技術的新型整流器成為pwm整流器。根據能量是否可雙向 流動，派牛出兩類不同拓撲結構的pwm整流

5、器，即可逆pwm整流器和不可逆 pwm整流器。能量可雙向流動的pwm整流器不僅體現出ac/dc變流特性（整流），而 且述可呈現出dc/ac變流特性（有源逆變），因而確切地說，這類pwm整流器 實際上是一種新型的可逆pwm整流器。經過幾十年的研究與發(fā)展，pwm整流器技術已日趨成熟。pwm整流器主 電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；其拓撲結構已 從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓撲電路；pwm開關控制由單純的 硬開關調制發(fā)展到軟開關調制；功率等級從千瓦級發(fā)展到兆瓦級，而在主電路 類型上，既有電壓型整流器（voltage source rectifiervsr）,也有電流

6、型整流 器（current source rectifier一csr）,并且兩者在工業(yè)上均成功地投入了應用。 由于pwm整流器實現了網側電流正弦化，且運行于單位功率因數，其至能量可 雙向傳輸，因而真正實現了 “綠色電能變換”。由于pwm整流器網側呈現出受 控電源特性，因而這一特性使pwm整流器及其控制技術獲得進一步的發(fā)展和拓 寬，并取得了更為廣泛和更為重要的應用，如靜止無功補償（svg）、有源電力 濾波（apf）、統(tǒng)一潮流控制（upfc）、超導儲能（smes）、高壓直流輸電（hvdc）、 電氣傳動（ed）、新型ups、通信電源以及太陽能、風能等可再生能源的并網發(fā) 電等。將pwm控制技術應用于整

7、流器始于20世紀70年代末，但由于當時諧波問 題不突出，加上受電力電子器件發(fā)展水平的制約，pwm整流器沒有引起充分的 重視。進入80年代后，由于自關斷器件的h趨成熟及應用，推動了 pwm技術 的應用與研究o 1982年busse alerfd、holtz joaehim首先提出了基于可關斷器件 的三相全橋pwm整流辭拓撲結構及其網側電流幅相控制策略，并實現了電流型 pwm整流器網側單位功率因數正弦波電流控制。1984年從akgai hiorufmi等提 岀了基于pwm整流器結構的無功補償器裝置，這實際上就是電壓型pwm整流 器的早期設計思想。到20世紀80年代末，隨aw. green等人提出了

8、基于坐 標變換的pwm整流器連續(xù)、離散動態(tài)數學模型及控制策略，pwm整流器的研 究發(fā)展到了一個新的高度。進入90年代，三相pfc技術的研究成為電力電子技 術和電能變換領域中最具重要意義的研究方向之一，經過國內外專家學者多年 的研究，pwm整流器在電路拓撲結構，數學模型，控制方法，電網電壓不平衡 等方面取得了豐碩的研究成果。隨著研究的深入，基于pwm整流器拓撲結構及 控制的拓展，相關的應用研究也發(fā)展起來，如有源濾波器、超導儲能、交流傳 動、高壓直流輸電以及統(tǒng)一潮流控制等。這些應用技術的研究，促進了 pwm變 換器及其控制技術的進步和完善。2、基本內容和技術方案2. 1設計任務1）外文資料翻譯不少

9、于15000印刷符;2）撰寫開題報告；3）查閱相關文獻資料4）設計出基于單片機系統(tǒng)結構圖；5）完成基于單片機不間斷電源系統(tǒng)設計；6）繪制的電氣圖紙符合國標；7）撰寫的畢業(yè)設計（論文）不少于10000漢字；2. 2技術方案本設計為pwm整流器的設計。最終是要得到小功率等級電壓源型雙閉環(huán)控 制系統(tǒng)的pwm整流器。主電路采用的是三相半橋型vsr拓撲結構，由于電能 的雙向流動，當pwm整流器從電網吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)；而當 pwm整流器向電網傳輸電能時，其運行于有源逆變工作狀態(tài)。為了使電壓型 pwm整流器網側呈現受控電流源特性，其網側電流控制策略的研究非常重要?！爸苯与娏骺刂啤辈呗杂捎谝?/p>

10、交流電流反饋作為內環(huán)，直流電壓外環(huán)構成整 流器控制系統(tǒng)，既可實現單位功率因數，又可控制直流電壓恒定。本設計采用 的就是固定開關頻率且與電網電動勢前饋結合的spwm控制。其控制系統(tǒng)以 dsp芯片為核心，驅動器件則是以ir2130為主。2. 3系統(tǒng)結構組成系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，軟件和硬件都將按照框圖總系統(tǒng)的設計方 法進行設計。1）硬件部分主要分為兩大部分，即主電路（圖1）和控制電路（圖2）o 而控制電路還可以細化為：智能功率模塊電路（ipm）、dsp芯片作為控制屯路 的處理器、檢測電路（主要有網側三相電壓檢測，電抗器交流電流檢測，肓流 側電容電壓檢測，a相、b相電網電壓同步信號檢測）、驅動電

11、路等。其中dsp 芯片采用tms320lf240, ipm選用三菱公司的ipm50rsa060。2）軟件部分主要通過系統(tǒng)的流程圖描述來對基于f240dsp芯片的vsr 控制系統(tǒng)進行軟件設計，包括了主程序模塊和中斷服務程序模塊。中斷服務程序屮主要有以下幾個模塊構成：直流電壓檢測模塊、交流電壓檢測模塊、電壓 外環(huán)調節(jié)器計算模塊、電流指令計算模塊、電網頻率檢測模塊、電流檢測模塊、 電流內環(huán)調節(jié)器計算模塊，指針計算模塊。圖2控制電路框圖2.4本文主要內容論文結合等離子體位移快控電源的設計，提出基于電壓源型pwm整流器循環(huán)變 流器拓撲的控制方案，為三相電壓源型pwm整流器建立了開關仿真模型，并利 用此開

12、關仿真模型進行仿真設計，進而以ti公司的處理器芯片dsp240為核心 設計控制器，分別對系統(tǒng)的硬件和軟件進行設計，最終實現了小功率等級電壓 源型pwm整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。最后簡單做出了一些結論。2.5技術路線1）收集資料并進行歸納、分析；2）電路連接及分析；3）進行系統(tǒng)集成；4）軟件、硬件設計。2.7設計的技術難點1）主電路的設計；2）控制系統(tǒng)的確定；3）dsp芯片的應用，包括硬件與軟件兩個方面。3、設計的進度安排第1周：英文翻譯第3周：畢業(yè)實習第4周：查閱文獻資料第5周：開題報告第6周：系統(tǒng)的方案設計第7周：硬件屯路設計第10周：系統(tǒng)軟件設計第11周：撰寫論文第13周：論文修改第14周：

13、論文定稿第15周：上交畢業(yè)論文，答辯準備第15周：答辯4、指導教師意見指導教師簽名：年 月 日目錄摘要iabstract ii緒論11三相電壓源型pwm整流器工作原理及數學模型21. 1 pwm整流器工作原理 21. 1. 1 pwm整流電路基本特性 21. 1. 2 pwm整流電路工作原理 21. 2 pwm整流電路基本特性 52三相vsr控制策略及控制系統(tǒng)設計72. 1 vsr的電流控制方法 72. 1. 1間接屯流控制和直接電流控制的比較 72. 1. 2三相vsr在dq坐標系下的直接電流控制 82.2三相vsr控制系統(tǒng)的設計 92.2. 1電流內環(huán)控制系統(tǒng)設計 錯誤！未定義書簽。2.2

14、.2電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設計 112. 3三相vsr的仿真123硬件設計173. 1主電路的設計173. 1. 1主功率開關器件的選擇 173. 1.2交流側電感的設計 183. 1. 3直流側電容的設計 193.2基于dsp的控制電路硬件設計 203. 2. 1 tms320f2407 芯片的介紹 203. 2. 2 igbt驅動電路錯誤！未定義書簽。3.2.3信號檢測電路 錯誤！未定義書簽。4軟件設計254. 1主程序設計254.2屮斷服務程序設計254. 3直流側電壓檢測模塊254.4交流側電壓檢測模塊284.5電流指令計算模塊284.6網測電流檢測模塊29結束語錯誤!未定義書簽。致謝25參

15、考文獻33附錄系統(tǒng)結構圖錯誤!未定義書簽。摘要隨著綠色能源技術的快速發(fā)展，pwm整流器技術己成為電力電子技術研究的熱 點和亮點。puw整流器可成為用電設備或電網與其它電氣設備的理想接口，因為它 可以實現網側電流正弦化和功率因數可調整。本文介紹一種基于tms320f2407dsp芯片控制的三相電壓型pwm整流器的控制 系統(tǒng)，完成了從系統(tǒng)結構、硬件、軟件到控制策略等方而的設計。本文首先分析了 pwm整流器的基本原理，然后根據三相電壓源型pwm整流器各 相電壓電流之間的關系和橋路的工作狀態(tài)建立了它的數學模型，給出系統(tǒng)在三相 abc坐標系和兩相dq坐標系中的數學模型，利用電流反饋解耦控制，以及系統(tǒng)的基

16、 本控制框圖。并設計了電壓環(huán)和電流環(huán)數字化pi調節(jié)器，結合理論分析和實際對 其參數進行了優(yōu)化整定。然后在mat lab的集成仿真環(huán)境simulink下搭建了仿真模 型，通過仿真，驗證了理論的可行性。根據以上控制思想，設計了以數字信號處理器(dsp)tms320f240為核心的數字 化的三相電壓型pwm整流器的硬件和軟件。論文最后對全文所作的工作進行了總結，并指出了未來的研究方向。關鍵詞：三相電壓型pwm整流器數學模型dsp matlababstractwith the fast developing technology of green energy, an ever-enhanced at

17、tention has been focused to the pwm rectifier in the field of power electronics- pwm rectifier might become an ideal electric appliance or a linkage between grid-line and other electric facilities, characterized of nearly sinusoidal current and adjustable power factor.this dissertation is devoted to

18、 the theory and application of three-phased voltagc-sourccd pwm rectifier， which is controlled by the dsp chip tms320f2407,and the design of the system structure, the hardware and the software is discussed.this paper analyses the basic principe of the pwm rectifier. based on the relations between th

19、e voltages and currents in accordance with the states of the rectifier topology, the switching function model was first established. it presents mathematical model for the system both in abc coordinate and d/q coordinate. and then it also analyses the decoupling control of voltage feed-forward and c

20、urrent feedback of system in d/q coordinate. based of the theory mentioned above, control block diagram of system is deducted. also designs the current loop and voltage loop digital pi regulators, adjusts the parameters based on theoretical analysis and practical test. the theory is feasible through

21、 simulation with software matlab.based a control scheme above, it introduces the design of hardware and software for fully digital three-phased voltage-sourced pwm rectifier based on the dsp chip tms320f2407.eventually,the conclusion of the research work in this dissertation is made and the future r

22、esearch directions ale also given out.keywords: three-phased voltage-sourced pwm rectifier mathematical modeldspmatlab緒論隨著屯力電子技術的發(fā)展，電力電子變流技術也得以迅速發(fā)展，出現了以脈 寬調制（pwm）控制為基礎的各類變流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關電源以 及各類特種變流器，這些變流裝置在國民經濟各領域中取得了廣泛的應用。但是， 目前這些變流裝置很大一部分需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于常規(guī)整流環(huán) 節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對電網注入了

23、大 量諧波及無功，造成了嚴重的電網“污染”。治理這種電網“污染”最根本措施就 是要求交流裝置實現網側電流正弦化，且運行于單位功率因數。因此，作為電網 主要“污染”源的整流器，首先受到了學術界的關注，并展開了大量的研究工作。 其主要思路是將pwm技術引入整流器的控制中，使整流器網側電流正弦化，且可 運行于單位功率因數。經過多年的研究和發(fā)展，pwm整流器的主電路己從早期的半控型器件橋路發(fā)展 到如今的全控型器件橋路；其拓撲結構已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多 電平拓撲電路；pwm開關控制由單純的硬開關調制發(fā)展到軟開關調制；控制策略從 間接電流控制發(fā)展到了直接電流控制；而主電路類型上，既有電壓型整

24、流器，也 有電流型整流器。自20世紀90年代以來，pwm整流器的研究主要集屮在以下幾個方面：pwm整 流器的建模與分析；電壓型pwm整流器的電流控制；主電路拓撲結構研究；系統(tǒng) 控制策略研究；電流型pwm整流器研究。由于pwm整流器網側呈現出受控電流源 特性，因而這一特性使得pwm整流器及其控制技術獲得進一步的發(fā)展和拓寬，并 取得了更為廣泛和更為重要的應用，如靜止無功補償、有源電力濾波、統(tǒng)一潮流 控制、超導儲能、高壓直流輸電、電氣傳動、新型ups以及太陽能、風能等再生 能源的并網發(fā)電等。木課題的研究對象是三相電壓型pwm整流器及其控制策略。第一章分析了 pwm 整流器的基本原理，并且討論了三相電

25、壓型pwm整流器的數學模型，包括在abc 坐標系下的數學模型和在dq同步旋轉坐標系下的數學模型。第二章討論了三相電 壓型pwm整流器的控制策略，在其雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上建立電路，并作了仿 真。第三章著重于系統(tǒng)的硬件設計，包括主電路的設計和基于dsp芯片 tms320lf2407的控制系統(tǒng)硬件設計。第四章通過程序流程圖的方式，對系統(tǒng)的軟 件設計做了詳細分析。1三相電壓源型pwm整流器工作原理及數學模型1.1 pwm整流器原理1.1. 1 pwm整流電路基本特性pwm整流器與以往的整流器相比，具有以下的優(yōu)良性能：（1）網側電流為正弦 波；（2）網側功率因數可控制（如單位功率因數控制）；（3）電能

26、雙向傳輸：（4）較快 的動態(tài)控制響應。由于pwm整流器電能可雙向傳輸，當pwm整流器從電網吸收屯能 吋，其運行于整流工作狀態(tài)；而當pwm整流器向電網傳輸電能吋，其運行于有源逆 變狀態(tài)。所謂單位功率因數是指：當pwm運行于整流狀態(tài)時，網側電壓、電流同相 位（止阻特性）；當pwm運行于有源逆變狀態(tài)時，其網側電壓、電流反相位（負阻特 性）。進一步研究表明，由于pwm整流器其網側電流及功率因數均可控制，因而可 被推廣應用于有源電力濾波及無功補償等其它一些非整流器應用場合。由此可見, pu5整流器實際上是一個其交、直流側可控，可以在四象限運行的變流裝置。圖1-1 為pwm整流器模型電路，該電路由交流回路

27、、功率開關橋路以及直流回路組成。其 中交流冋路包括交流電動勢w以及網側電感厶等，直流冋路包括負載電阻他及負載 電動勢丘等；功率開關管整流電路可由電壓型或電流型整流電路組成。圖1-1 1呱1整流器模型電路圖當不計功率管損耗時，由交、直流側功率平衡關系得：= dcdc（1-1）式中：i、v 模型電路交流側電流、電壓；idc. vdc模型電路直流側電流、電壓。由上式不難理解：通過對模型電路交流側的控制，就可以控制其直流側，反之亦 然。以下從模型電路交流側入手，來分析pwm整流器的運行狀態(tài)和控制原理。1.1.2 pwm整流電路工作原理將普通整流電路中的二極管或晶閘管換成igbt或mosfet等自關斷器

28、件，并將 spwm技術應用于整流電路，這就形成了 pwm整流電路。通過對pwm整流電路的適當 控制，不僅可以使輸入電流非常接近正弦波，而口還可以使輸入電流和電壓同相 位，功率pwm整流電路由于需要較大的直流儲能電感以及交流側lc濾波環(huán)節(jié)所導致 的電流畸變、振蕩等問題，使其結構和控制復雜化，從而制約了它的應用和研究。 相比之下，電壓型pwm整流電路以其結構簡單，較低的損耗等優(yōu)點，電壓型pwm整 流電路的成功應用更現實鴨故選擇電壓型pwm整流電路進行研究。下面分別介紹單 相和三相pwm整流電路的拓撲結構和工作原理。圖1-2為單相全橋pwm整流電路，交流側電感&包含外接電抗器的電感和交流 電

29、源內部電感，是電路正常工作所必需的。電阻心包含外接電抗器的電阻和交流 電源內部電阻。同spwm逆變電路控制輸出電壓相類似，可在pwm整流電路的交流輸 入端ab產生一個正弦調制pwm波心，比刖中除含有和開關頻率有關的高次諧波外， 不含低次諧波成分。由于電感厶的濾波作用，這些高次諧波電壓只會使交流電流 產牛很小的脈動。如果忽略這種脈動，當正弦信號波的頻率和電源頻率相同時，必 為頻率與電源頻率相同的正弦波。is is rs圖1-3單相pwm整流電路等效電路pwm整流電路的單相等效電路如圖1-3所示，其中以為交流電源電壓。當冷一 定時，的幅值和相位由u朋中基波分量的幅值及其與冷的相位差決定。改變心中

30、基波分量的幅值和相位，就可以使必與冷同相位。圖1-4給出了單相pwm整流電路的 相量圖，其屮以s表示電網電壓，u初表示pwm整流電路輸出的交流電壓，匕為連 接電抗器&的電壓，匕為電網內阻尺的電壓；在圖1-4a）中，ua 滯后/的相角 為0, i占u,的相位完全相同，電路工作在整路流狀態(tài)，且功率因數為1。在圖1-4b）中，（/初超前/的相角為0,人與/的相位相反，電路工作在逆變狀態(tài)。這說明pu5整流電路可以實現能量正反兩個方向的流動，既可以運行在整流狀態(tài)，從交流 側向直流側輸送能量；也可以運行在逆變狀態(tài)，從直流側向交流側輸送能量。而 且這兩種方式都可在單位功率因數下運行。圖1-4 pwm

31、整流電路兩種運行方式向量圖a）整流運行b）逆變運行三相pwm整流電路主要結構如圖1-5所示，其工作原理和單相pwm整流電路類似。通過對電路進行spwm控制，就可以在橋的交流輸入端abc產生一個正弦調制pwm 波ua , uc o,對各相電壓按圖1-4&）的向量圖進行控制，就可使各相電流a ,l，b為正弦波且和電壓相位相同，功率因數為1。1.2三相電壓型pwm整流器數學模型系統(tǒng)模型是分析和設計三相電壓型整流器的基礎，從不同角度出發(fā)可以建立 不同形式的系統(tǒng)模型，而且不同模型往往適合的控制方法也不盡相同。1）在abc坐標系下的數學模型：所謂三相電壓型整流器（vsr）在abc坐標系 下的一般模

32、型是根據三相vsr拓撲結構，在三相abc靜止坐標系中，利用電路基本 定律對其建立的一般數學描述。針對三相vsr般數學模型的建立，通常作以下假設：（1）電網電動勢韋三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢；（2）網側濾波電感l(wèi)是線性的，而且不考慮飽和；（3）開關器件為理想開關，沒有過渡過程，其通斷狀態(tài)由開關函數描述；（4）開關頻率遠大于電網頻率。定義單極性二值邏輯開關函數為:(1-2)(1.2)1上橋臂導通，下橋臂關斷0上橋臂關斷，下橋臂導通 '工利用開關函數模型得到三相vsr在abc坐標系下的一般數學模型為l+ rib = eh -(vdcsh -r 工)at3 k=gb,cl 牛+心=耳-(

33、7;_¥ z) c 警1 = iasa + hsb + lcse -匚 at2）在dq坐標系下的數學模型：雖然vsr在abc坐標系下一般數學模型具有 物理意義清晰、直觀等特點，但是在這種模型中，vsr交流側均具有一定頻率、幅 值和相角的正弦時變交流量。一般的vsr采用電壓電流雙閉環(huán)控制，當電流內環(huán)采 用pi調節(jié)器時，三相靜止坐標系中的pi調節(jié)器無法實現電流無靜差控制。通過坐 標變換將三相abc靜止坐標系轉換成以電網基波頻率同步旋轉的dq坐標系。通過這 樣的變換，靜止坐標系中的基波正弦量將轉化成同步旋轉坐標系中的直流量，對 直流給定pi調節(jié)器則可以實現無靜差控制，從而提高穩(wěn)態(tài)電流控制精

34、度。而且旋 轉坐標系中存在有功電流和無功電流的解耦，有利于實現vsr的控制。三相vsr在兩相dq同步旋轉坐標系下的數學模型為l 葺- ®liq + rid = ed - vdcsd di0-4)厶才 + eg + 嘰=eq - vdesd2三相vsr控制策略及控制系統(tǒng)設計2. 1 vsr的電流控制方法vsr的工作原理分析表明，當其正常工作時，能在穩(wěn)定直流側電壓的同時，實 現網側正弦波形電流控制。另一方面，當vsr應用于注入有源電力濾波器等領域時, 其網測電流的控制性能決定了系統(tǒng)性能指標的優(yōu)劣。因此，vsr的電流控制策略是 十分重要的。2. 1. 1間接電流控制和直接電流控制的比較為了

35、使pwm整流電路在工作時功率因數近似為1,即要求輸入電流為正弦波且 和電源電壓同相位，可以有多種控制方法，根據有沒有引入電流反饋可以將這些 控制方法分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，引入交流電流 反饋的稱為直接電流控制。間接電流控制也稱為相位和幅值控制，其實質是，通過pwm控制，在vsr橋路 交流側生成幅值、相位受控的正弦pwm電壓。該pwm電壓與電網電動勢共同作用于 vsr交流側，并在vsr交流側形成正弦基波電流，而諧波電流則由vsr交流側電感濾 除。由于這種vsr電流控制方案通過直接控制vsr交流側電壓進而達到控制vsr交流 側電流的目的，因而是一種間接電流控制方式。這種間

36、接電流控制由于無需設置 交流電流傳感器以構成電流閉環(huán)控制，因而是一種usr簡單控制方案。間接電流控 制的優(yōu)點在于控制簡單，一般無需電流反饋控制。另外，間接電流控制還可分為 穩(wěn)態(tài)間接電流控制和動態(tài)間接電流控制。間接電流控制的主要問題在于，vsr電流 動態(tài)響應不夠快，甚至交流側電流中含有直流分量，且對系統(tǒng)參數波動較敏感， 因而常適合于對vsr動態(tài)響應要求不高且控制結構要求簡單的應用場合。相對于間接電流控制，直接電流控制以快速電流反饋控制為特征。在這種控 制方法屮，通過運算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對交 流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。這種直接電流控制與間接電流控制在 結

37、構上的主要差別在于：前者具有網側電流閉環(huán)控制，而后者則無網側電流閉環(huán) 控制。由于采用網側電流閉環(huán)控制，使vsr網側電流動、靜態(tài)性能得到了提高，同 時也使網側電流控制對系統(tǒng)參數不敏感，從而增強了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。直 接電流控制可以獲得較高品質的屯流響應，但控制結構和算法較間接電流控制復 雜。直接電流控制中有不同的電流跟蹤控制方法，常用的有：固定開關頻率pwm電 流控制、滯環(huán)pwm電流控制、空間矢量pwm電流控制等，這些電流控制方案各有其 優(yōu)缺點。本文主要研究基于（d, q）坐標系的固定開關頻率pwm電流控制策略：1）固定開關頻率pwm電流控制算法簡單，物理意義清晰。且實現較方便。2）由于開關

38、頻率固定，因而網側變壓器及濾波電感設計較容易，并且有利于 限制功率開關損耗。3）兩相同步旋轉坐標系（d, q）屮的指令屯流為直流時不變信號。4）在兩相同步旋轉坐標系（d, q）中，電流控制方案易于有功和無功電流的 解耦控制。2.1.2三相vsr在dq坐標系下的直接電流控制對于dq同步旋轉坐標系，不考慮前饋解耦時的三相vsr固定開關頻率pwm電流 控制原理如圖2-1所示。l圖2-1 dq坐標系下三相vsr直接電流控制原理圖顯然，電流指令石來自電壓外環(huán)pi調節(jié)器輸出，而且表示三相電流的有共分兩；而 電流指令i;則表示三相電流的無功分量，且可以獨立給定，若是要求單位功率因數 運行，則可以將其給定設為

39、0。在dq同步坐標系中，指令電流是直流信號；其電流 內環(huán)pi調節(jié)器可以實現無靜差控制，穩(wěn)態(tài)性能好；在兩相dq同步旋轉坐標系中， 易于有功電流和無功電流的獨立控制，也即解耦控制。2.2三相vsr控制系統(tǒng)的設計在三相vsr控制系統(tǒng)設計中，一般采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內環(huán)。電 壓外環(huán)作用主要是控制三相vsr直流側電壓，而電流內環(huán)作用主要是按電壓外環(huán)輸 岀的電流指令進行電流控制。2.2.1電流內環(huán)控制系統(tǒng)設計1）電流內環(huán)的簡化r di/ .由前面敘述可以知道，三相vsr的dq模型可以描述為(2-1)式中，ed > eq電網電動勢矢量edq的d、g分量；耳、v.三相vsr交流側電壓矢量匕血的

40、、g分量；-、iq三相vsr交流側電流矢量的幾的、q分量。從三相vsr的dq模型方程式（2-1）可以看出。由于vsr的d、q軸變量相互耦合, 因此給控制器的設計造成一定困難。為此，可以采用前饋解耦控制策略。當電流 調節(jié)器采用pi調節(jié)器時，則匕八比的控制方程如下：(2-3)(2-2)vd = _(k,p + )(c _(/) + ®liq + ed式中，kq ku一一電流內環(huán)比例調節(jié)增益和積分調節(jié)增益;i；、ciq和h的電流指令值。由此可以畫岀電流內環(huán)的解耦控制結構，如圖2-2。eq+ed圖2-2三相vsr電流內壞解耦控制結構2）電流調節(jié)器設計由于兩電流內環(huán)的對稱性，因而下而以控制為例

41、討論電流調節(jié)器的設計?？?慮電流內環(huán)采樣信號的延遲和pwm控制的小慣性特性，已經解耦的電流內環(huán)結構如 圖2-3所示。圖2-3電流環(huán)結構圖2-3中，7；為電流內環(huán)電流采樣周期，kp網為橋路pwm等效增益。 析，且將pi調節(jié)器傳遞函數寫成零極點形式，即k沁心詁卩寧，k訂st：s為簡化分(2-4)十圖2-4無擾動且忽略r時的近似電流內環(huán)結構將小時間常數人/2、7；合并，得到簡化的電流環(huán)結構。如圖2-4所示。由此可以按照典型ii型系統(tǒng)設計電流內環(huán)調節(jié)器，從圖2-4得到電流內環(huán)開環(huán)傳遞 函數為pwmtjs +1(1.57> + 1)(2-5)為了盡量提高電流響應的快速性，對典型ii型系統(tǒng)而言，可設

42、計適當的中頻寬 也,工程上常取也=5八5乙=5。按照典型i型系統(tǒng)參數設計關系有(2 - 6)kjpkpwm 二勺 +1tjl2r；解得k©+1)厶56l15tskpwm6l(2-7)"112.57；2.2.2電壓外環(huán)控制系統(tǒng)設計三相vsr的電壓環(huán)簡化結構如圖2-5所示。+圖2-5三相vsr電壓壞簡化結構結構由于電壓外環(huán)的主要控制作用是穩(wěn)定三相vsr直流電壓，故其控制系統(tǒng)整定 時，應著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能。ii型系統(tǒng)設計對恒值給定可以實現無靜差跟 蹤，顯然，同樣可按典型ii型系統(tǒng)設計電壓調節(jié)器，由圖2-5得屯壓環(huán)開環(huán)傳遞函 數為(2-8)0.75位(7> + 1) 川

43、07>譏$ + 1)(2-9)由此，得電壓環(huán)中頻寬九為tev由典型i【型系統(tǒng)控制器參數整定關系，得(2-10)0.75&,二代,+ 1ct "2/ix綜合考慮電壓環(huán)控制系統(tǒng)的抗擾性和跟隨性，取hv=tv/tev=5,計算出電壓環(huán) pi調節(jié)器參數為(2-11)7； =5： =5(匚+37；)< =竺=4cv 5©,5億+37；)2.3三相vsr的仿真基于前述分析在s1mu11nk7. 0軟件中，對三相vsr的pwm整流器建立仿真電路, 如圖2-6所示。powergui380v10mva>om15kw圖2-6三相vsr主電路模塊結構其中，控制模塊里封裝

44、著dq與abc之間坐標變換電路、電壓電流雙閉環(huán)電路、 pwm牛成電路等。圖2-8 abc-dq變換電路模塊圖2-9電流內環(huán)結構圖2-10電壓外環(huán)結構按照前述計算給予電路相應的參數，給定直流側電壓為750v,仿真時間為0. iso得到仿真波形圖如下。圖2-11網側電壓波形圖2-12網測電流波形圖2-13直流側電壓波形根據仿真結果可以看出，輸入電流和輸入電壓相位差不大，能達到較高的功 率因數。從電流波形看。其動態(tài)調節(jié)過程比較快，能夠迅速跟蹤網側電壓。直流 側輸出平均電壓為750v,與給定保持一致。3硬件設計三相電壓型pwm整流器的結構框圖如圖3-1所示?？刂葡到y(tǒng)檢測三相交流側電 源信號和直流側電壓

45、信號，這些信號經過信號調理電路轉換成dsp的a/d接口接受 范圍內的模擬信號，dsp完成輸入電壓信號的a/d轉換、坐標變換、pi調節(jié)、spwm 調制等控制任務,dsp輸出的spwm信號經過ipm驅動電路后送至ipmo圖3-1三相電壓型pwm整流電路整體硬件圖3. 1主電路的設計3.1.1主功率開關器件的選擇在大功率電力電子器件的應用中，igbt已取代gtr或者m0sfet成為應用的主 流。igbt的優(yōu)點在于輸入阻抗高、開關損耗小、飽和壓降低、開關速度快、熱穩(wěn) 定性能好、驅動電路簡單等。目前，由igbt單元構成的功率模塊在智能化方面得 到迅速發(fā)展，智能功率模塊1pm (intelligent p

46、ower module)不僅包括基本組合 單元和驅動電路，還具有保護盒報警功能，以其完善的功能和較高的可靠性為我 們創(chuàng)造了很好的應用條件，簡化了電路設計。本文設計的三相電壓型pwm整流器功率為15kw,三相交流輸入電壓相電壓有 效值為220v,主功率開關器件采用ipm來實現。假設效率為90%,則每相輸入額 定電流有效值為15000220x3x90%= 25.25a(3-1)則網側電流峰值為lnm =25.25x0 = 35.71/1（3 - 2）考慮2倍安全系數，取ipm的電流額定為looao 最大反向電壓t/加為5腫 2"（3-3）在式（3-3）屮，匕是電源線電壓的振幅值，當電源相

47、電壓為220v時% =2xv2xv3x220 = 1077.58v（3-4）選/騒=1200v o綜合以上分析，選取額定電壓為1200v,額定電流為100a的igbt模塊。3. 1. 2交流側電感的設計下面從穩(wěn)態(tài)條件下滿足功率指標要求和電流波形品質指標兩方面討論交流側 電感的設計。1）滿足功率指標要求的電感設計當三相電壓型pwm整流器在最大功率輸出運行吋，交流側電壓矢量與電網電 動勢矢量相位差兀/6,此時，交流側電感上的電壓值為(3-5)則流經屯感的電流值為a)l2exsin-12a)l(3-6)則每相電網電動勢發(fā)出或者吸收的有功功率為71(3 - 7)p = exl. xcosl 12e22

48、a)l將式（3-6）帶入（3-7）得(3-8)則三相電網電動勢發(fā)出或者吸收的有功功率為木文設計的三相電壓型pwm整流器功率為15kw,為了滿足功率指標要求，有3e22(ol>15000(3-9)d式（3- 9）得(3-10)l<30000x69將e = 220v > 0 = 100龍代入式（3-10）計算得l<15.41mh（3-11）2）滿足瞬態(tài)屯流跟蹤指標時的電感設計除了考慮功率指標外，電感設計還需要考慮滿足瞬態(tài)電流跟蹤指標的要求， 既要抑制紋波電流，也要快速跟蹤電流。為了抑制諧波電流較大的脈動，此時電 感應足夠大，以滿足抑制諧波電流要求；另一方面，當電流過零時，其

49、變化率最 大，此時電感足夠小，以滿足快速跟蹤電流的要求。由于此原理較為復雜，再次 不再贅述。查閱相關資料得到滿足瞬態(tài)電流跟蹤指標時的電感取值范圍為也厶n丄厶（3_12）31 ”3 6a/max式（3-12）中，t,為pwm開關周期，耳喚為最大允許諧波電流脈動量。欲使上式成 立，需要滿足(3 13)綜上所述，根據大致計算，不妨設l = l0mho3. 1. 3直流側電容的設計電壓型pwm整流器直流側電容主要有以下作用：1）緩沖vsr交流側與直流側的無功能量交換；2）抑制直流側電壓紋波；3）當負載發(fā)生變化時，支撐直流側電壓，限定直流電壓的波動。一般而言，從滿足電壓環(huán)控制的跟隨性指標看，vsr直流側

50、電容應盡量小，以 確保vsr直流側電壓的快速跟蹤控制；而從滿足電壓環(huán)控制的抗擾性指標分析， vsr直流側電容應盡量大，以限制負載擾動吋的直流電壓動態(tài)降落。但是，當滿足 直流電壓跟隨性能指標時通常不滿足直流電壓抗擾性能指標，反之亦然。這就要 求在三相vsr電容參數設計過程中，需要根據實際需要，綜合考慮直流電壓跟隨 性和抗擾性性能指標，并遵循以下一些準則：1）直流側電容的選取應使直流電壓保持穩(wěn)定，峰.峰波動值不超過允許值；2）所選擇的電容器的參數不會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；3）負載變化的暫態(tài)過程中應能盡量減小電壓調節(jié)的超調量和過渡時間；4）中間回路的損耗應保持最小。對于參數計算，此處不作多的敘述，取

51、電容c = 6mf即可。3.2基于dsp的控制電路硬件設計系統(tǒng)控制主電路采用tms320lf2407a為核心處理器，再加外圍器件組成。dsp 用來完成輸入電壓，輸入電流和輸岀電壓的采集，三相abc坐標系到dq旋轉坐標系 的轉換，spwm算法的實現，生成pwm控制波等作用。外圍器件包括兩個外部可讀寫 存儲器is61l、，6416,負責存儲輸入/輸出電流及電壓的歷史數據存儲：dsp供電 電壓的轉換，負責將外圍集成供電的5v電壓轉換為dsp的3. 3v供電電壓；dsp仿真 器接口 jtag；與計算機串口進行通信的max232o3. 2. 1 tms320f2407芯片的介紹選擇定點dsp芯片tms3

52、20f2407作為控制電路的處理器，主要是由其專門應用 于控制的硬件結構和外設資源決定的。tms320系列dsp芯片的基木結構包括：1）哈佛結構：哈佛結構是不同于傳統(tǒng)的馮諾曼結構的并行體系結構，其主 要特點是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是 兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應 的是系統(tǒng)中設置了程序總線和數據總線兩條總線，從而使數據的吞吐率提高了一 倍。而馮諾曼結構則是將指令、數據、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址， 依靠指令計數器提供的地址來區(qū)分是指令、數據還是地址。取指令和取數據都訪 問同一存儲器，數據吞吐率低。2）流水線操作

53、：與哈佛結構相關，dsp芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時 間，從而增強了處理器的處理能力。tms320系列處理器的流水線深度。在三級流 水線操作中，取指、譯碼和執(zhí)行操作可以獨立地處理，這可使指令執(zhí)行能完全重 疊。在每個指令周期內，三個不同的指令處于激活狀態(tài)，每個指令處于不同的階 段。例如，在第n個指令取指時，前一個指令即第n1個指令正在譯碼，而第n 2 個指令則正在執(zhí)行。一般來說，流水線對用戶是透明的。3）專用的硬件乘法器：在一般形式的fir濾波器中，乘法是dsp的重要組成部 分。對每個濾波器抽頭，必須做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，dsp處理器 的性能就越高。在通用的微處理器中，乘法指

54、令是由一系列加法來實現的。故需 許多個指令周期來完成。相比而言，dsp芯片的特征就是有一個專用的硬件乘法器。 在tms320系列屮，由于具有專用的硬件乘法器，乘法可在一個指令周期內完成。4）特殊的dsp指令：dsp芯片的另一個特征是采用特殊的指令。例如：dmov就 是一個特殊的dsp指令，它完成數據移位功能。在數字信號處理中，延遲操作非常 重要，這個延遲就是由dmov來實現的。5) 快速的指令周期：哈佛結構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的dsp 指令再加上集成電路的優(yōu)化設計，可使dsp芯片的指令周期在200ns以下。tms320 系列處理器的指令周期己經從第一代的200ns降低至現在的2

55、0ns以下?？焖俚闹噶?周期使得dsp芯片能夠實時實現許多dsp應用。dsp以上這些優(yōu)點可以滿足實時、快 速地完成有三相整流器的控制和采樣計算的要求，論文采用的ti公司生產的 tms320f2407芯片指令周期為50ns,此外，dsp芯片作為控制器還有強大的外設功 能，tms320f2407的外設庫包括：事件管理器模塊、雙10位模一數轉換模塊、串行 通信接口模塊、串行外設模塊、看門狗和實時中斷模塊、內部flash存儲器模塊、 外部存儲器接口、數字i/o端口、pll時鐘模塊。在外設庫中事件管理模塊和雙十 位模一數轉換模塊在生成驅動三相整流器的pwm波形中至關重要。事件管理模塊為用戶提供了一整套用于運動控制和電機控制的功能和特性， 這同樣非常'適用于電壓型整流器的pwm控制實現.事件管理模塊主要由以下幾個部分構成：1) 三個通用定時器：事件管理器模塊的三個通用定時器在應用時可以獨立使 用，作為控制系統(tǒng)中的捕獲周期的發(fā)生，為正交編碼器脈沖電路和捕獲單元提供