三相电压型ＰＷＭ整流装置的研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.90M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

1绪论

1.1课题背景与意义

1.2 PWM整流技术研究现状与发展

1.3本课题的目的和任务

2三相VSR系统模型及工作原理分析

2.1电压型PWM整流器的拓扑结构

2.2三相VSR系统模型

2.2.1电压型PWM整流器数学模型分析

2.2.2三相VSR在旋转坐标系(d，q)上的数学模型

2.3三相VSR的调制方法

2.4 PWM整流器常用的控制策略

2.4.1幅值相位控制

2.4.2滞环电流控制

2.4.3双闭环电流解耦控制

3三相VSR的系统设计和PSIM仿真

3.1双闭环控制器的设计

3.1.1电流内环控制器的设计

3.1.2电压外环的设计

3.1.3交流侧电感的设计

3.1.4直流侧电容的设计

3.2三相VSR仿真建模

3.2.1仿真平台PSIM的介绍

3.2.2仿真实验

4三相VSR控制系统的硬件设计与软件设计

4.1三相VSR硬件电路的设计

4.1.1 IGBT的选取

4.1.2 IGBT驱动电路的设计

4.1.3直流侧电压的选定

4.1.4控制电路的设计

4.2三相VSR控制系统软件设计

4.2.1主程序的设计

4.2.2 PI调节的实现

4.2.3空间电压矢量SVPWM的数字化实现

5系统实验及结果分析

5.1三相VSR系统实验波形

5.2实验总结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2今后工作的展望

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文

在校学习期间所获得的奖励

西安理工大学硕士学位论文三相电压型PWM整流装置的研究姓名：蒋耀申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：曾光20080301

摘要论文题目：三相电压型PWM整流装置的研究学科专业：电力电子与电力传动研究生：蒋耀指导教师：曾光教授摘要签名：签名：随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中添加了大量的非线性负载，引起电网电压、电流的畸变，导致电力污染，尤其二极管、晶闸管整流系统作为各类电力电子设备与电网的接口，是最主要的谐波污染源。Pl】IrM整流技术能够使整流器网侧电流正弦化并且运行于单位功率因数状态，消除了传统整流器的弊端，促进了整流技术的长远发展，得到了广泛的研究和工程应用。本文围绕PwM整流中的三相VSR(VoltageSourceRectifier)展开研究，详细分析了三相PWM整流器在输入三相交流平衡电压时的数学模型、工作原理；研究了电感和电容参数设计方法；深入研究了基于旋转坐标系电流解耦控制算法，并用PSIM进行了仿真，验证了算法的准确性，设计了基于SVPll『^I的电压电流双闭环控制器。以TMS320LF2407ADSP为内核搭建硬件电路，对PwM整流器及其控制方法进行了实验验证。实验结果验证了本文所设计的三相PWM整流器控制方案，以及理论分析的正确性。试验结果表明：采用基于旋转坐标系的电流解耦控制算法，能够使三相VSR系统实现高功率因数整流，电网侧相电压、电流基本同相位，电流跟随速度快，具有优良的动态和静态控制特性。关键词：PWM整流器；双闭环控制：DSP；高功率因数：参数设计韭产

西安理工大学硕士学位论文Title：RESEARCHONTHREEPHASEVOLTAGESOURCERECTIFIERMajor：PowerElectronicsandElectricalDriveName：YaoJIANGSupervisor：Prof．GuangZENGAbstractSignature：上∑蛳Signature：Withthedevelopmentofthepowerelectronics，thepowersystemhasmanynonlinearload，whichcauseaberrationofthepowervoltageandcurrent．Especially,alargepartofpowerfacilitiesarecomposedofdiodesandthyristors，whichbringsevereharmonicspollutiontothepowersystem。PWMrectifiercarlworkwithsinusoidalcurrentandinunitpowerfactorstatethateliminatetheshortageoftraditionalrectifier．PWMrectifierenhancesthedevelopmentofrectifiergreatlyandhasbeenconcemedandusedwidely．Inthispaper,thethreephasevoltagePWMrectifierhasbeenstudied．Themathematicalmodel，workingprincipleandcurrentconvertingmodeofPWMrectifierareanalyzedindetailwhenthepowerlineisbalanced．Thedesignmethodofthree-phaseinductorandDCcapacitorisstudied．TheelectriccurrentdecoupledcontrolalgorithmhasbeenanalysisthoroughlyandprovedbythePSIMsimulation．ThevalidityofthecontrolschemeiSverifiedbytheexperimentswithTMS320LF2407ADSP．TheexperimentsresultsvalidatethecontrolsystemofthePWMrectifierandthecorrectnessofthetheoretic．Theexperimentresultsindicatethattheelectricc岍entdecoupledcontrolalgorithmCanmakethePWMrectificationsystemimplementstheunitpowerfactor．ThepowervoltageandcurrenthavethesRmephase'．Thecurrentfollowsveryfast．Thesystemhasfinedynamicandstaticcharacters．Keywords：PWMRectifier；DSP；HighPowerFactor；ParameterDesign

主要符号表主要符号表ea，eb，e。——三相交流输入电源相电压：％——桥臂a开关管开关，关断逻辑；％——桥臂b开关管开关，关断逻辑；只——桥臂C开关管开关，关断逻辑；L，R——三相交流输入电感的电感和等效电阻：C-直流侧电容；i-——流过负载的电流；、0、V0、K——整流器交流侧输入电压；i。、．b、i广-整流器交流侧输入电流；％——整流器直流侧电压；％‘——整流器直流参考电压；∽一一电源电压角频率：．岛、％一一d轴电流调节器的比例、积分增益；Kqp、如----d轴电流调节器的比例、积分增益；瓦一一电压环采样时间。V

独创性’．声明秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：i本人所呈交的学位论文是我．{一一．个人在导师指导下进行的研究i作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢，本论文及其相关资料若有不实之处，。由本人承担一切相关责任论文作者签名：。’：．整．：：盟一．，一2．j嘭年，多．月；J‘日学位论文使用授权声明本人蓬：盟：．：；在导师的指导下创作完成毕业论支‘，‘本人已通过论文的答辩，．’。并已经在西安理工大学申请博士／硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：J)已获学位的研究生按学校规定。提交印刷版和电子版学位论文，．学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2)为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、。资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。本人学位论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权西安理工大学研究生部办理。。(保密的学位论文在解密后，．适用本授权说明)论文作者签名：盏：盟喜碲签毫：’二粒年一月日

第l章绪论1绪论1．1课题背景与意义传统的整流器由二极管或晶闸管组成，由于其控制简单，工作可靠，故作为电力电子设备与电网的接口在工业领域得到了广泛的应用。然而这类整流器存在着以下的一些缺点‘1_31：(1)输入电流谐波含量较高，成为电网主要的谐波污染源；(2)从电网吸收无功功率，输入功率因数较低：(3)能量单向传递，只能从交流侧传递到直流侧；在用作交流电机调速系统前端整流部件时，电机减速、制动产生的回馈能量只能够消耗在制动电阻上；(4)直流侧电压不可调。无论是二极管不控整流，还是晶闸管相控整流，其产生的低功率因数和高谐波含量都将导致电网正弦电压畸变，增加配电系统导线与变压器的损耗，增大谐波电流，造成电网上其它用电装置严重的电磁干扰Ⅲ。同时，低功率因数还将降低电源系统的负载能力和可靠性，因此，消除谐波污染并提高功率因数，已成为电力电子技术中的一个重大课题。对电网来说，可以在电力系统中加入补偿器来补偿电网中的谐波，如有源滤波(APF：ActivePowerFiIter)，静止无功补偿(SVC：StaticVarCompensator)等，也可以设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。前者是产生谐波后进行补偿，是一种事后补救的措施；而后者是消除了谐波源，是一种从根本上解决谐波问题的措施。PwM整流器对电网不产生谐波污染，是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。P1】l『M整流器的主要特点有：(1)输入电流高度正弦化，谐波含量少；(2)网侧功率因数控制(如单位功率因数控制)：(3)电能的双向传输：(4)较快的动态响应。因此研制高性能的PwM整流装置具有重要的意义。在中大功率场合特别是需要能量双向传递的场合中，PWM整流电路具有非常广泛的应用前景。1．2PWM整流技术研究现状与发展由于PWM整流器网侧电流正弦化且运行于单位功率因数状态，能量可双向传输，真正实现了“绿色电能变换"，因而近年来受到广泛的关注和研究，经过多年的发展，PYrM整流器主电路已从早期的半控桥发展到如今的全控桥；在主电路类型上既有电压型整流器(VoltageSourceRectifier—VSR)，又有电流型整流器(CurrentSourceRectifier-CSR)；其拓扑结构也已从单相、三相电路发展到多组级联或多电平拓扑电路；PWM控制也由单纯的硬开关调制发展到软开关调制。由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，这一特性

西安理工大学硕士学位论文使PWM整流器控制技术及其应用获得进一步的发展和拓宽，渗透到了其它众多领域，如静止无功补偿(SVG)、有源电力滤波(APF)、统一潮流控制(UPFC)，超导储能(SMES)，高压直流输电(HVDC)、电气传动(ED)、新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。在中大功率场合特别是需要能量双向传递的场合中，PWM整流电路具有非常广泛的应用前景。IGBT等新型电力半导体开关器件的出现和PWM控制技术的发展，极大地促进了PWM整流电路的发展，并使之进入了实用化阶段，目前己将其广泛应用于有源滤波器¨1、超导储能¨1、交流传动n’以及高压直流输电¨，叼等方面。在我国，很多研究人员也展开了对PwM整流电路的研究，像电压型PwM整流器控制策略的研究[10-14]，整流器主电路拓扑的研究n屯19’，电流型整流器控制策略的研究120]但是主要以理论研究和实验室研究为主，虽然取得了一定进展，但是仍然不够完善，与产业化还有较大的距离。从20世纪80年代末开始，国内外对PwM整流器的研究主要集中在数学模型、控制策略、拓扑结构、性能优化等方面，目前的研究重点主要集中在无电流传感器控制，非线性控制等控制策略，以及拓扑结构的改进方面。(1)数学模型的建立和分析A．W．Green等学者首先提出基于坐标变换的PWM整流器数学模型，之后R．Wu，S．B．Dewan基于微分方程的变换建立了时域高频、低频模型122,231，并采用小信号法得到线性化模型。而C．T．Rim，D．Y．Hu等则基于开关电路的变压器等效电路，建立了低频等效电路模型‘241，与上述基于微分方程得到的低频模型实质是相同的。在此基础上，H．C．Mao等又建立了一种降阶小信号模型t251。‘(2)电压型整流器控制策略对于电压型PWM整流器，线性控制策略可以分为间接电流控制，直接电流控制和直接功率控制[25,2710(3)电流型整流器最初提出P1】yM整流器技术是以电流型拓扑提出的，但由于电流型结构所需要的较大的储能大电感，以及控制的复杂性，使得电流型整流器的发展相对比较缓慢，近年来随着超导技术的进展，电流型整流器在超导储能领域得到了较为成功的应用。(4)主电路拓扑结构的研究啷删根据PWM整流器直流侧电能输出环节的不同，可以将PWM整流器分为电压型PWM整流器和电流型PWM整流器，在研究和实际应用都是以电压型PWM整流器为主。电压型PWM整流器的交流侧使用电感滤除系统中的高频电流，直流侧使用电力电容进行储能和滤波，电力电感和电力电容的体积都比较大，增大了整流设备的体积和成本，为了减小这两种功率器件的容量或者完全去除，从而减小整流设备体积及成本，提出了各种控制方法。如直流侧纹波补偿、无直流储能环节等控制方案。直流纹波补偿法利用在直流侧增设小容量电池支路来减小直流侧电容的容量，而无直流储能环节控制研究了应用于逆变器中2

第1章绪论PWM整流电源的控制，结合逆变器的工作及开关状态，相应的控制整流器的工作状态，从而去除了直流侧电容，其主电路拓扑如图1-1所示。为了能够应用于高电压、大电流应用场合，采用整流器串并联、多电平技术、软开关等技术来降低整流器的高频开关损耗。^哪)￡-尺∞)t2Ic幺本名．圭i：c≮【本聿本球迭■弘—潞‘V’-j．．．J．．．JJJ_’…‘(，)圪＼．二^㈣’6、’／EV一’’———o一’吒￡‘一二、—-^^^’f、-，．．巳一÷／＼7”…屹聿’幸1聿]1聿-'1。]萃埠本I卒聿IIlI图卜1应用于逆变器中的无直流环节PwM整流器主电路Fig．1-1TheMainCircuitofPWIvlRectifierWithoutCapacitanceAppliedininverter(5)无传感器技术和输入不平衡的研究．无传感器技术的研究使得整流器系统可以免除输入侧电压或者电流传感器，采用预测算法重构三相输入电压或者电流。而三相输入不平衡状况下整流器控制的研究通过引入正序、负序两套控制结构也已经取得较完善的结果[31,32|。1．3本课题的目的和任务-详细分析三相PWM整流器在输入三相电网电压平衡时的数学模型，控制方案采用空间电压矢量原理，这不仅能够有效地控制开关器件的最高开关频率，而且数字实现简单。仿真和实验结果表明，三相P、啊整流器不仅能够有效地抑制注入电网的谐波，还可以实现单位功率因数控制。具体工作如下：(1)详细分析三相两电平PWM整流器的两种数学模型及其工作原理，分析几种常用的控制策略并比较了它们的优缺点；(2)对网侧电压平衡状态下三相电压型PwM整流器进行理论分析，深入研究基于旋转坐标系下的电流解耦控制算法，并对其在PSIM下进行仿真研究，得出其仿真结果和波形；(3)对主电路模块、．三相交流侧输入电感、直流侧电容进行研究设计，选定实验所使用的器件；(4)以TMS320LF2407ADSP为内核，设计控制电路，包括电压和电流采样电路，DSP内核的控制电路，用选定的IGBT，电容，电感完成主电路，搭建三相两电平PrOd整流器实验平台，使用汇编语言编制软件，对电阻负载进行实验研究，并进行负载突变的实验研究；．(5)完成上述PwM整流器样机的测试和试验，并对试验结果进行分析。3

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