三相電壓型可逆PWM整流器設(shè)計(jì)

1、三相電壓型可逆PWM整流器設(shè)計(jì)姓名：*學(xué)號(hào)：*班級(jí)：自動(dòng)化學(xué)校：華中科技大學(xué)三相電壓型PWM整流器一、 三相PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理1、 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三相半橋PWM整流電路圖.1上圖為三相半橋電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其交流側(cè)采用三相對(duì)稱的無中線連接方式，并采用6只功率開關(guān)，這是一種最常用的三相PWM整流器，通常所謂的三相橋式電路即指三相半橋電路。三相半橋VSR較適用于三相電網(wǎng)平衡系統(tǒng)。當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡時(shí)，其控制性能將惡化，甚至使其發(fā)生故障。為克服這一不足可采用三相全橋VSR設(shè)計(jì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。其特點(diǎn)是:公共直流母線上連接了三個(gè)獨(dú)立控制的單相全橋VSR，并通過變壓器聯(lián)接至三相四

2、線制電網(wǎng)。因此，三相全橋VSR實(shí)際上是由三個(gè)獨(dú)立的單相全橋VSR組合而成的，當(dāng)電網(wǎng)不平衡時(shí)，不會(huì)嚴(yán)重影響PWM整流器控制性能，由于三相全橋電路所需的功率管是三相半橋電路的一倍，因而三相全橋電路一般較少采用。三相全橋PWM整流電路圖.22、 工作原理2.1 PWM整流器的模型電路如下：PWM 整流器電路由交流回路、功率開關(guān)管橋路以及直流回路組成。其中交流回路包括交流電動(dòng)勢(shì) e 以及網(wǎng)側(cè)電感 L等；功率開關(guān)管橋路為電壓型橋路組成。當(dāng)不計(jì)功率開關(guān)管橋路損耗時(shí)，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系得：iv=idcvdc通過對(duì)交流側(cè)進(jìn)行控制就可以控制直流側(cè)，PWM整流器的運(yùn)行狀態(tài)以及控制原理如下：穩(wěn)態(tài)時(shí)PWM整流器

3、交流側(cè)的矢量關(guān)系如下，1、純電感特性運(yùn)行2、正阻特性運(yùn)行0'0'C0'C0'CC3、純電容特性運(yùn)行4、負(fù)阻特性運(yùn)行其中：E為交流電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量，V為交流側(cè)電壓矢量，VL為交流側(cè)電感電壓矢量，I為交流側(cè)電流。(1) 電壓矢量 V 端點(diǎn)在圓軌跡 AB 上運(yùn)動(dòng)時(shí)， PWM 整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)。此時(shí)，PWM 整流器需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率，電能將通過 PWM 整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。值得注意得是，當(dāng)PWM 整流器運(yùn)行在 B 點(diǎn)時(shí)，則實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制。而在 A點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，PWM 整流器則不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收感性無功功率。(2) 電壓矢量

4、V 端點(diǎn)在圓軌跡 BC 上運(yùn)動(dòng)時(shí)， PWM 整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)。此時(shí)，PWM 整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過 PWM 整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。當(dāng) PWM 整流器運(yùn)行在 C 點(diǎn)時(shí)，此時(shí) PWM 整流器則不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。(3) 電壓矢量 V 端點(diǎn)在圓軌跡 CD 上運(yùn)動(dòng)時(shí)， PWM 整流器運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)。此時(shí)，PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從 PWM 整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當(dāng) PWM 整流器運(yùn)行至 D 點(diǎn)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變。(4) 電壓矢量 V 端點(diǎn)在圓軌跡 DA 上運(yùn)動(dòng)時(shí)， PWM 整流器運(yùn)行于有源逆

5、變狀態(tài)。此時(shí)，PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，電能將從 PWM 整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。要實(shí)現(xiàn) PWM 整流器的四象限運(yùn)行，關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè)電流的控制。一方面，可以通過控制 PWM 整流器交流側(cè)電壓，間接控制網(wǎng)側(cè)電流；另一方面，也可通過網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制，直接控制 PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電流。單位功率因數(shù)的整流和逆變僅僅通過控制交流側(cè)電流的幅值大小和方向就可以實(shí)現(xiàn)，這也是較常用的一種直接電流控制方法，而通過控制V的幅值及其與電網(wǎng)電壓E的相位差來控制I則是另一種間接電流控制方法。2.2開關(guān)模式圖.1為常見的三相電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于每相橋臂共有兩種開關(guān)模式，即上橋臂導(dǎo)通或下橋臂

6、導(dǎo)通，因此三相電壓型PWM整流器共有23=8種開關(guān)模式，并可利用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)sj(j=a,b,c)描述，即：,ìï1導(dǎo)通sj=íj=a，b，c ,ïî0i導(dǎo)通二、 PWM整流器常用控制方法對(duì)PWM整流電路控制方法的研究集中在輸出直流電壓控制、輸入交流電流控制和PWM整流器開關(guān)邏輯控制3個(gè)方面。1、 直流電壓控制直流電壓控制目的在于使PWM整流電路的輸出直流電壓隨給定指令變化，達(dá)到穩(wěn)定直流輸出電壓或調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，運(yùn)用反饋控制的原理，將直流電壓的采樣反饋值和給定參考電壓比較，其差值作為電壓調(diào)節(jié)器的輸入，輸出作為交流電流的幅值給定。2

7、、 輸入交流電流控制根據(jù)電流控制器的具體結(jié)構(gòu)和控制對(duì)象不同，PWM整流器的控制技術(shù)可以分為基于電壓矢量和基于虛擬磁鏈?zhǔn)噶績(jī)深惗ㄏ蚩刂啤Ｋ^電壓矢量定向控制,就是根據(jù)電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)矢量的角度作為控制器的參考角度，以確定整個(gè)參考坐標(biāo)系中各矢量的位置，從而對(duì)交流電流的相位進(jìn)行控制"這種控制方案需要獲取電網(wǎng)電壓的準(zhǔn)確相位，獲取的方法可以是通過直接檢測(cè)電網(wǎng)電壓來實(shí)現(xiàn)，也可以根據(jù)無電網(wǎng)電壓傳感器的估算策略對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行估算得到，而虛擬磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚴且环N源于交流電機(jī)控制思想的控制方案，它省去了對(duì)電網(wǎng)電壓的檢測(cè)電路，只需通過虛擬磁鏈估算算法得到該矢量的相位就能夠得到參考坐標(biāo)系中各矢量的位置，從而控制交

8、流電流的相位。其中VOC控制還可以分為間接電流控制和直接電流控制兩種。直接電流控制：直接電流控制的主要特點(diǎn)在于引入電流控制環(huán)對(duì)電流進(jìn)行閉環(huán)控制，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能明顯改善，直接電流控制一般采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，是目前應(yīng)用最廣泛、最實(shí)用化的控制方式。間接電流控制：間接電流控制的數(shù)學(xué)公式為：*ìId=Kp(Ud-U)+1/T(U-Ud)dtdidòï í *u(t)=ua、b、c(t)-IdRsin（wt+2kp/3)-widXLcos(wt+2kp/3)ïîA、B、C間接電流控制也稱為幅值和相位控制

9、，這種方法依據(jù)系統(tǒng)低頻穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，反映穩(wěn)定狀態(tài)下的電壓平衡關(guān)系，整流運(yùn)行和逆變運(yùn)行分別按照矢量關(guān)系來調(diào)節(jié)變流器橋臂中點(diǎn)PWM斬控電壓的幅值和相位，以達(dá)到控制輸入電流的目的，這種控制具有開關(guān)機(jī)理清晰!不需要電流傳感器、控制成本低!靜態(tài)特性好等主要優(yōu)點(diǎn)，但它也存在幾方面的缺陷，一是對(duì)變流器橋臂中點(diǎn)電壓向量的幅值和相位由電壓閉環(huán)和基于穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)運(yùn)算加以控制，這兩個(gè)環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度差別較大，難以保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性;二是從穩(wěn)態(tài)向量關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的電流控制，其前提條件是電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變，而實(shí)際由于電網(wǎng)內(nèi)阻的存在、負(fù)載的變化及各種非線性負(fù)載等擾動(dòng)引起的瞬態(tài)電網(wǎng)波形的畸變，會(huì)直接影響控制系統(tǒng)的效果;三

10、是由于交流電流不作為直接的反饋控制量，系統(tǒng)缺乏自身的限流功能，需要專設(shè)過流保護(hù)電路。3、 開關(guān)邏輯控制按照被控變流器或系統(tǒng)的預(yù)期性能，經(jīng)過鎮(zhèn)密的思考和邏輯運(yùn)算所得到的控制信號(hào)，最終都得轉(zhuǎn)化為變流器開關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，解決這一問題的核心技術(shù)可以統(tǒng)稱為開關(guān)邏輯控制，形成PWM開關(guān)邏輯的方法很多，而且正在發(fā)展中，目前主要有電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)、載波調(diào)制控制、指定諧波消除控制和瞬時(shí)電流跟蹤控制等等。三、 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)記：三相電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)為：Emcos(wt)éeaùéùêeú=êEcos(wt-2p/3)ú

11、 êbúêmúêëecúûêëEmcos(wt+2p/3)úû輸入三相基波電流為：Imcos(wt-j)éiaùéùêiú=êIcos(wt-2p/3-j)ú êbúêmúêëicúûêëImcos(wt+2p/3-j)úû其中Em為三相電網(wǎng)輸入電壓幅值，Im為基波電流幅值，w為

12、電網(wǎng)角頻率，j為功率因數(shù)角。三相靜止坐標(biāo)系下的PWM整流器的數(shù)學(xué)模型為： ìdiïLa+Ria=ea-(Vdcsa+vN0)ïdtïdib+Rib=eb-(Vdcsb+vN0)ïLdtïïïdic +Ric=ec-(Vdcsc+vN0)íLïdtïVdcv=-skåïN03k=a,b,cïïdVV-ELïCdcdc=iasa+ibsb+icsc-dcdtRLïî三相靜止坐標(biāo)系到兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系的變換矩陣為：C

13、3s/2réêcoswt=-sinwtê1/êë22ùcos(wt-p)cos(wt+p)ú33ú22ú-sin(wt-p)-sin(wt+p)33úú1/1/úúû則在d-q坐標(biāo)系下，其中軸q與d軸垂直，并超前d軸90°，PWM整流器的數(shù)學(xué)模型為：ìdidïLdt-wLiq+Rid=ed-vdïïdiq-wLid+Riq=eq-vq íLïdtïdVdc3Vdc-ELC=(i

14、s+is)-ïdcqqdddt2RLî功率關(guān)系：3(vdid+vqiq)=vdcidc 2電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，vd,vq的控制方程如下：（前饋解耦控制）KiI*)(iq-iq)-wLid+eqs KiI*vd=-(-KiP+)(id-id)+wLiq+edsvq=-(KiP+代入上式得：KiIédidùéù-R-(K+)/L0*iPêdtúêúéidù1KiIéidùsêú=ê)ê*ú ú

15、êú-(KiP+iKLsêêdiqúêëiqúû0-R-(KiP+iI)/Lúëqûêúêúsûëdtûë得到電流環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)為：abc電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖：i忽略電阻R，并合并小時(shí)間常數(shù)Ts和0.5Ts其中Ts為整流器延時(shí)常數(shù)，為開關(guān)周期，Kip為PI比例系數(shù)，KiI的PI積分系數(shù)按照II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為提高電流響應(yīng)的快速性，取較寬的中頻寬hi(hi=ti/1.5Ts)，可取為5，得：KiPKPWMhi

16、+1，可以解得： =tiL2ti2KiP=(hi+1)L6L=2tiKPWM15TsKPWMKiP6LKiI=ti112.5Ts2KPWM其中tm為最大降落時(shí)間，tv為恢復(fù)時(shí)間 電壓環(huán)設(shè)計(jì)：Emcos(wt)éeaùéùêúêú電網(wǎng)電壓基波電動(dòng)勢(shì)：eb=Emcos(wt-2p/3)，當(dāng)開關(guān)頻率足夠高時(shí)，可以忽êúêúêëecúûêëEmcos(wt+2p/3)úû略PWM的諧波分量，即考慮開關(guān)函數(shù)

17、sk(k=a,b,c)的基波分量，則：ìsa»0.5mcos(wt-q)+0.5ïísb»0.5mcos(wt-q-2p/3)+0.5ïs»0.5mcos(wt-q+2p/3)+0.5îc為開關(guān)函數(shù)基波初始相角，m為PWM調(diào)制比。電壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖：V*0.75Kv(Tvs+1)CTvs2(Tcvs+1) 開環(huán)傳遞函數(shù)： G(s)=其中：Tcv=tv+3TsKVPTK電壓環(huán)中頻寬hv為：hv=v=VI TcvTcv按照II型系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)得：0.75KVI0.75Kvh+1=v22，其中頻寬度為CdcCdcTv2hvTc

18、vhv=Tv/Tcv=5，代入上式得到PI參數(shù)為：ìT=5Tcv=5(tv+3Ts)ïïv í4CïKv=5(tv+3Ts)ïî得KVP和KVI分別為：KVP=Cdc(hv+1)4Cdc =1.5hvTcv5TcvCdc(hv+1)4Cdc =2221.5hvTcv25TcvKVI=四、 SVPWM：SVPWM算法實(shí)現(xiàn)步驟如下;1、根據(jù)參考電壓，判斷合成電壓矢量所處的扇區(qū)；2、計(jì)算合成電壓矢量所在扇區(qū)的兩個(gè)相鄰電壓矢量的作用時(shí)間，并判斷是否成立，若不成立則必須做飽和處理；3、計(jì)算插入零矢量的時(shí)間；4、按照電壓矢量變化只改變一

19、相開關(guān)狀態(tài)的原則安排開關(guān)矢量的作用次序，產(chǎn)生SVPWM波形。V4phase參考向量Us的合成：1、 參考電壓矢量Uref所處扇區(qū)N的判斷為區(qū)別六種狀態(tài)，定義：N=A+2B+4C則上式化簡(jiǎn)可以得到：若Ub>0，則A=1，否則A=01a-Ub>0，則B=1，否則B=0 21a-Ub>0,則C=1，否則C=0 2若A, B, C之間共有八種組合，但由判斷扇區(qū)的公式可知A, B, C不會(huì)同時(shí)為1或同時(shí)為0，所以實(shí)際的組合是六種，A, B, C組合取不同的值對(duì)應(yīng)著不同的扇區(qū)，并且是一一對(duì)應(yīng)的，因此完全可以由A, B, C的組合判斷所在的扇區(qū)。根據(jù)Ua和Ub的值，可求得各矢量作用時(shí)間，

20、定義:X=3UbTs/UdY=(3Ua+Ub)Ts/Ud223Z=(-Ua+Ub)Ts/Ud22通過上述方法得到TX,TY后，定義：Ta=(Ts-TX-TY)/4Tb=Ta+Tx/2Tc=Tb+Ty/2（2-6）則在不同的扇區(qū)內(nèi)A，B，C三相對(duì)應(yīng)的開關(guān)時(shí)間Ta,Tb,Tc根據(jù)表2-3進(jìn)行賦值。切換點(diǎn)Ta,Tb,Tc的賦值表五、仿真：參數(shù)計(jì)算：電流環(huán)Kp=24，Ki=32000電壓環(huán)Kp=6，Ki=3000電感：L=2.9mH13.7mH電容：C=476.2uF2702.7uF最后搭建的Simulink仿真模型如下：311sin(wt+90)311cos(wt)éuaù

21、33;ùéùêúêúêú參數(shù)說明，三相電壓源為ub=311sin(wt-2p/3+90)=311cos(wt-2p/3)êúêúêúêëucúûêë311sin(wt+2p/3+90)úûêë311cos(wt+2p/3)úû 電源頻率為50Hz，電感為6.0mH，負(fù)載50，電容為3000uF，PWM整流模式為SVPWM，開關(guān)頻

22、率為Ts=1/(10kHz)，電流環(huán)PI參數(shù)為Kp=15，Ki=300，電壓環(huán)PI參數(shù)為Kp=0.25，Ki=7.6，電流環(huán)和電壓環(huán)的PI表達(dá)式為 Kp+Ki s仿真設(shè)置：固定步長(zhǎng)，ode3(Bogaki-Shapine)，仿真步長(zhǎng)為1e-6，采樣時(shí)間為1e-6，仿真時(shí)間為0.5s四象限運(yùn)行，無功功率用Y軸表示，變流方向用X軸表示，那么四象限分別描述整流器的四個(gè)運(yùn)行狀1、單位功率因數(shù)整流狀態(tài)當(dāng)輸入Vdc=700V，iq=0，負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)為0時(shí)，仿真結(jié)果為：輸出直流電壓Udc：直流電壓波動(dòng)情況：網(wǎng)側(cè)輸入三相電流Ia,Ib,Ic：功率因數(shù)ea,ia：網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波（Ia）：THD=1.71%輸入

23、有功電流和無功電流：2、單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)當(dāng)輸入Vdc=700V，iq=0，負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)為1000V時(shí)，仿真結(jié)果為： 輸出直流電壓Udc：網(wǎng)側(cè)輸入三相電流Ia,Ib,Ic：功率因數(shù)ea,ia:網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波（Ia）：THD=3.98%輸入有功電流和無功電流：3、非單位功率因數(shù)的整流狀態(tài)：j=arctan記功率因數(shù)角為j，則有：iqidiq，idl=cosj=cosarctan當(dāng)負(fù)載為50，直流為Vdc=700V時(shí)， U2根據(jù)id=dc/Em，其中Em=311V/=380.9V，得到： R7002id=/380.9=25.73A 50如果功率因數(shù)角為正，且l=0.8，得iq=idgtanar

24、ccosj=19.3A輸入Vdc=700，iq=19.33A，負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)為0V，仿真后的結(jié)果如下：輸出直流電壓Udc：網(wǎng)側(cè)輸入三相電流Ia,Ib,Ic：功率因數(shù)ea,ia:網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波（Ia）：THD=1.40%輸入有功電流和無功電流：如果功率因數(shù)角為負(fù)，且l=0.8，得iq=idgtanarccosj=-19.3A 輸入Vdc=700，iq=19.33A，負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)為0V，仿真后的結(jié)果如下：輸出直流電壓Udc：網(wǎng)側(cè)輸入三相電流Ia,Ib,Ic：功率因數(shù)ea,ia:網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波（Ia）：THD=1.30%輸入有功電流和無功電流：4、非單位功率因數(shù)的逆變狀態(tài)：j=arctan設(shè)負(fù)載反

25、電動(dòng)勢(shì)為1000V，記功率因數(shù)角為j，則有：iqidiq，idl=cosj=cosarctan當(dāng)負(fù)載為50，直流電壓為Vdc=700V時(shí)， 根據(jù)id=(Udc-1000V)gUdc/Em，其中Em=311V/=380.9V，得到： Rid=(700-1000)Vg700V/380.9V=-11.03A 50Woo如果功率因數(shù)角為180<j<270，在逆變狀態(tài)下，如果取l=0.8，得j=arccosl+180o=216.87oiq=idgtanj=-8.273A 輸入Vdc=700，iq=-8.273A，仿真后的結(jié)果如下：輸出直流電壓Udc：網(wǎng)側(cè)輸入三相電流Ia,Ib,Ic：功率因數(shù)ea,ia:網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波（Ia）：THD=3.17%輸入有功電流和無功電流：如果功率因數(shù)角90o<j<180o，在逆變狀態(tài)下，如果取l=0.8，得