三相双PWM变频电源的研究与设计图文精Word文件下载.docx
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变频电源能实现交流电压幅值、频率和相数的改变,并能改善电能质量,在实际中得到非常广泛的应用。
但常见的变频电源,由于其整流环节不可控,存在网侧功率因数低、谐波含量高等缺点,因而限制了它的应用范围。
双PWM变频电源采用全控型功率开关器件,并引入PWM控制技术实现对整流部分的控制,能有效地消除变频装置对电网的谐波污染,提高功率因数,实现再生能量向电网回馈。
三相双PWM变频电源可分为PWM整流器和PWM逆变器两部分。
本文在双PWM变频电源拓扑结构的基础上,重点分析三相PWM整流器结构及其控制方法。
分析了PWM整流器能运行在整流和逆变状态的原理,得出关键在于网侧电流控制的结论。
采用开关函数进行数学建模,并通过坐标变换得到PWM整流器在d-q同步旋转坐标系下的数学模型。
在此模型的基础上,根据系统控制目标,采用电压、电流双闭环控制结构对PWM整流器进行控制。
PWM逆变器采用矢量控制方案实现电机的调速和转矩控制目标,控制结构由速度外环和电流内环构成。
速度外环实现外部给定电机转速值的控制,电流内环实现电机转矩控制。
在理论分析的基础上,利用MATLAB仿真工具箱搭建双PWM变频电源的系统仿真模型,并进行了系统仿真。
仿真结果表明能对PWM整流器输出直流电压和网侧输入交流电流进行有效控制,PWM逆变器的性能也能满足要求。
关键词:
双PWM;
PWM整流器;
PWM逆变器;
双闭环控制
三相双PWM变频电源的研究与设计
Abstract
Thevariable-frequencypowersourcecanchangevoltage’smagnitude,frequencyandphaseandthequalityofpowercanbeimproved.Butthecommonvariable-frequencypowersourcethatusesuncontrolledrectifierleadslowpowerfactor,highharmonicanditsapplicationislimited.DoublePWMvariable-frequencypowersourceusescontrollablevalvedeviceandtherectifieriscontrolledbyPWMtechnology,sotheharmonicpollutiontopowersystemisdecreasedandthepowerfactorisimproved.Andtheregenerationpowercanbecarriedtothepowersystem.
Thethree-phasedoublePWMvariable-frequencypowersourcecanbedividedintothePWMrectifierandthePWMinversiontwoparts.Inthisarticlethethree-phasePWMrectifierstructureanditscontrolmethodisanalyzeddeeplybasedontheintroductionofthedoublePWMvariable-frequencypowersourcetopology.TheprinciplehowthePWMrectifierisabletoworkintherectificationandthecontrastisanalyzedandthekeytocontrolthenetsideelectriccurrentisobtained.TheswitchingfunctionsareusedtocarryonmathematicsmodelingandthemathematicmoduleofthePWMrectifierind-qsynchronizationreferenceframeisobtainedthroughthecoordinatetransformation.Thenaccordingtothesystemscontrolgoal,thevoltageandelectriccurrentdoubleclosed-loopcontrolstructureisusedtocarryonthecontroltothePWMrectifier.ThePWMinversionusesthevectorcontroltorealizetheelectricalmachineryvelocitymodulationandthetorquecontrol.Thecontrolstructureconstitutesbythespeedouterringandtheelectriccurrentinnerrim.Thespeedouterringisusedtocontrolthespeedandtheelectriccurrentinnerrimisusedtocontroltheelectricalmachinery’storquecontrol.
Inthetheoreticalanalysisfoundation,thedoublePWMvariable-frequencypowersourcesystemsimulationmodelisbuiltbytheMATLABsimulationtoolboxandmanysimulationexperimentsaredone.ThesimulationresultsshowthattheoutputDCvoltageandthenetsideinputalternatingcurrentcanbecontrolledeffectively.AndperformanceofPWMinverterisacceptable.
Keywords:
doublePWM,PWMrectifier,PWMinverter,doubleclosed-loop
湖南大学
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√
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I
第1章绪论
1.1背景介绍
通用变频电源大多为电压型的交-直-交型,一般都是通过二极管不可控的整流电路得到直流,然后通过电容的滤波稳压,最后经过逆变输出电压频率可变的交流电。
这类变频器的效率和精度较高,调速范围宽,在工业领域得到广泛应用。
但是对于需要能再生发电的场合,通用变频电源就不能满足有关要求。
因为电机处于四象限运行状态,当电机减速,制动或带有位能的重物下放时,电机处于再生发电状态。
由于二极管整流桥能量传输不可逆,产生的再生电能传输到直流侧的滤波电容上,产生泵升电压,而一般的全控型的电力电子开关器件如IGBT等的耐压比较低,过高的泵升电压很容易损坏开关器件、滤波电容,甚至会破坏电机的绝缘,因此限制了通用变频电源的应用范围[1,2,3,4]。
为了解决电机处于再生发电时所产生的能源的再利用的问题,国内中小型功率的电机一般采用能耗制动,实现电机的四象限运行,但是如果电机负载很重或者起动,制动频繁,那么能耗电阻就必须设计得足够大,这样大功率的电阻,不但能源浪费严重,而且所产生的热量会影响系统的其他部分的正常运行。
而国外几个知名公司已经推出了电机四象限运行的变频器,但是国外的此类装置的价格昂贵。
除了国外的一些产品,国内在这方面的研究还处于实验室阶段,而且有的对电网的要求比较高,应用起来不方便。
传统的由二极管整流电路和相控电路组成的变频电源还有一些严重的缺陷,主要体现在以下几个方面[5,6,7]:
（1产生很大的电流谐波,对公共电网造成污染。
一般的相控整流电路在额定工作状态下,如果没有输入滤波器,输入的电流的谐波的含量将达到28%以上,严重干扰附近的用电设备。
（2整流器处于深度相控状态时,功率因数很低,与电网交换大量的无功功率,降低了发电和输电设备的利用率,同时产生了大量的附加损耗。
（3输出侧需要较大的平波电抗和滤波电容以滤除纹波,造成装置体积增大,损耗有也随之上升。
（4相控滤波器的调节周期长,响应速度慢,在一些场合难以满足用
电设备的要求。
由变频电源整流电路引起的电网谐波,使电能产生、传输和利用的效率降低;
使电气设备过热,产生振动和噪声,并使其绝缘老化,使用寿命降低,甚至发生故障或烧毁;
谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。
谐波还会引起继电器保护和自动装置误动作,对通信设备和电子设备产生严重干扰。
因此各国纷纷出台治理措施和相关标准,对产生电力污染的设备提出明确的限制。
IEEE-519-1992就是应这样的需要而制定的。
标准规定在耦合点处,单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的3%。
我国1993年颁布实施了GB/T14549-1993<
<
电能质量.公用电网谐波>
>
规定电压奇次谐波畸变率<
4%,偶次谐波畸变率<
4%;
注入电网的谐波电流<
38A（3次,<
61A（5次,<
43A（7次等。
以前变频电源的用量不多,谐波和功率因数的问题没有引起足够的重视,近年来由于变频电源的用量急剧增多,由此引起的谐波问题也越来越受到人们的重视,所以研制高功率因数,低输入谐波的高品质变频电源变流器成为电力电子行业的一个重要的研究方向。
其主要思路就是采用全控型功率开关管,并将PWM技术引入变频电源整流器的控制中,使整流器网侧电流正弦化,并可运行于单位功率因数。
三相双PWM变频电源引入PWM控制技术分别实现对整流部分和逆变部分的双PWM控制,由PWM整流器和PWM逆变器实现交流-直流-交流变换,具有以下优点:
一是整流器的电流波形可以控制,理想状态时输入电流是和输入电压同相的正弦波,此时输入电流的功率因数接近1,输入电流的谐波含量接近0。
二是能够对直流输出电压进行调整,使之稳定在一定的设定值,在负载变化时,具有比较快的响应速度。
三是整流器能运行在整流和逆变两种状态,实现能量的双向传输,有效利用再生能量,提高电源工作的性能。
三相双PWM变频电源可以广泛用于电气传动、新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等领域,对它的研究有重要的理论和实际应用价值。
1.2课题研究现状
对PWM整流器的研究始于自20世纪80年代,到90年代末都一直是学术界关注和研究的热点。
PWM整流器的建模与分析、电压型PWM整流器的电流控制、主电路拓扑结构、系统控制策略等是几个主要研究
方面
在PWM整流器的建模研究方面,自从A.W.Green等提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型后,各国学者以不同方法从各个方面对PWM整流器的数学模型进行了深入仔细的研究,其中R.Wu、S.B.Dewan等较为系统地建立了PWM整流器时域模型,并将时域模型分解成高频、低频模型,且给出了时域解。
而ChunT.Rim和DongY.Hu等则利用局部电路的dq坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路[8],并给出了稳态、动态特性分析。
在此基础上,HengchunMao等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型,从而简化了PWM整流器的数学模型及其特性分析[9]。
在电压型PWM整流器的电流控制策略方面,占主导地位的是直接电流控制策略,主要包括固定开关频率且采用电网电动势前馈的SPWM控制、以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制[10]。
为了提高电压利用率并降低损耗,基于空间矢量的PWM控制也取得了广泛应用。
目前,PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势,在具体的控制策略上还相继提出了状态反馈控制等[11]。
关于PWM整流器拓扑结构的研究,主要是根据不同功率等级及不同用途,研究各种不同的PWM整流器拓扑结构。
在小功率应用场合,对拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。
对大功率PWM整流器,其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、变流器组合以及软开关技术上。
此外,在大功率PWM整流器设计上,还研究了基于软开关控制的拓扑结构和相应的控制策略,这一技术还有待进一步完善和改善。
至于对PWM整流器系统控制策略的研究,研究人员相继提出了一些较为新颖的系统控制策略:
（1无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制。
（2基于Lyapunov稳定性理论的PWM整流器控制。
由于电压型PWM整流器具有非线性和多变量耦合的特性,常规的控制策略及其控制器设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性化整定方案,这种方案不足之处在于无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。
为此,HasanKomurcugil等学者提出了基于Lapunov稳定性理论的控制策略[12]。
这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了Lapunov函数,并由三相PWM整流器的DQ模型以及相应的空间矢量PWM约束条件,推导出相关的控制算法。
从相关实验结果来看,这一方案较好地解决了PWM整流器的大范围稳定性控制问题。
（3PWM整流器的时间最优控制。
常规的基于DQ模型的电压型PWM整流器控制,一般通过前馈解耦控制,并采用两个独立的PI调节器,分别控制相应的有功、无功分量。
而有功、无功分量间的动态耦合和PWM利用率的约束,影响了电压型PWM整流器有功分量（直流电压的动态响应。
针对这一问题,Jong-Woochoi等学者利用最优控制理论,提出了确保直流电压响应的时间最优控制[13],其基本思路就是,根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压,并在动态过程中降低相应无功分量的响应速度,从而有效地提高了有功分量的动态响应速度,实现了三相电压型PWM整流器直流电压的时间最优控制。
20世纪90年代,国外开始了基于PWM整流器的交流传动应用系统研究,即双PWM变频调速系统的研究,并且已经有双PWM变频调速系统产品问世.特别是近几年,ABB、GE、富士电机等公司相继都有产品问世,其中GE公司的INNOVATION系列中压变频器在四象限运行方面
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