三相pwm整流器工作原理及数学模型研究论文.doc

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三相pwm整流器工作原理及数学模型研究毕业论文

目录

摘要 I

Abstract II

绪论 1

1三相电压源型PWM整流器工作原理及数学模型 2

1.1PWM整流器工作原理 2

1.1.1PWM整流电路基本特性 2

1.1.2PWM整流电路工作原理 2

1.2PWM整流电路基本特性 5

2三相VSR控制策略及控制系统设计 7

2.1VSR的电流控制方法 7

2.1.1间接电流控制和直接电流控制的比较 7

2.1.2三相VSR在dq坐标系下的直接电流控制 8

2.2三相VSR控制系统的设计 9

2.2.1电流环控制系统设计 9

2.2.2电压外环控制系统设计 11

2.3三相VSR的仿真 12

3硬件设计 17

3.1主电路的设计 17

3.1.1主功率开关器件的选择 17

3.1.2交流侧电感的设计 18

3.1.3直流侧电容的设计 19

3.2基于DSP的控制电路硬件设计 20

3.2.1TMS320F2407芯片的介绍 20

3.2.2IGBT驱动电路 22

3.2.3信号检测电路 23

4软件设计 25

4.1主程序设计 25

4.2中断服务程序设计 25

4.3直流侧电压检测模块 25

4.4交流侧电压检测模块 28

4.5电流指令计算模块 28

4.6网测电流检测模块 29

结束语 31

致谢 32

参考文献 33

附录系统结构图 34

1三相电压源型PWM整流器工作原理及数学模型

1.1PWM整流器原理

1.1.1PWM整流电路基本特性

PWM整流器与以往的整流器相比，具有以下的优良性能：

（1）网侧电流为正弦波；

（2）网侧功率因数可控制（如单位功率因数控制）；（3）电能双向传输：

（4）较快的动态控制响应。

由于PWM整流器电能可双向传输，当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。

所谓单位功率因数是指：

当PWM运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位（正阻特性）；当PWM运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相位（负阻特性）。

进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控制，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等其它一些非整流器应用场合。

由此可见，PWM整流器实际上是一个其交、直流侧可控，可以在四象限运行的变流装置。

图1-1为PWM整流器模型电路，该电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。

其中交流回路包括交流电动势以及网侧电感等，直流回路包括负载电阻及负载电动势等；功率开关管整流电路可由电压型或电流型整流电路组成。

图1-1PWM整流器模型电路图

当不计功率管损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得：

式中：

、——模型电路交流侧电流、电压；

、——模型电路直流侧电流、电压。

由上式不难理解：

通过对模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。

以下从模型电路交流侧入手，来分析PWM整流器的运行状态和控制原理。

1.1.2PWM整流电路工作原理

将普通整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT或MOSFET等自关断器件，并将SPWM技术应用于整流电路，这就形成了PWM整流电路。

通过对PWM整流电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输入电流和电压同相位，功率PWM整流电路由于需要较大的直流储能电感以及交流侧LC滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制复杂化，从而制约了它的应用和研究。

相比之下，电压型PWM整流电路以其结构简单，较低的损耗等优点，电压型PWM整流电路的成功应用更现实鸭故选择电压型PWM整流电路进行研究。

下面分别介绍单相和三相PWM整流电路的拓扑结构和工作原理。

图1-2单相PWM整流电路

图1-2为单相全桥PWM整流电路，交流侧电感包含外接电抗器的电感和交流电源部电感，是电路正常工作所必需的。

电阻包含外接电抗器的电阻和交流电源部电阻。

同SPWM逆变电路控制输出电压相类似，可在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦调制PWM波，中除含有和开关频率有关的高次谐波外，不含低次谐波成分。

由于电感的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流产生很小的脉动。

如果忽略这种脉动，当正弦信号波的频率和电源频率相同时，为频率与电源频率相同的正弦波。

图1-3单相PWM整流电路等效电路

PWM整流电路的单相等效电路如图1-3所示，其中为交流电源电压。

当一定时，的幅值和相位由中基波分量的幅值及其与的相位差决定。

改变中基波分量的幅值和相位，就可以使与同相位。

图1-4给出了单相PWM整流电路的相量图，其中以表示电网电压，表示PWM整流电路输出的交流电压，为连接电抗器的电压，为电网阻的电压；在图1-4a）中，滞后的相角为，与的相位完全相同，电路工作在整路流状态，且功率因数为1。

在图1-4b）中，超前的相角为，与的相位相反，电路工作在逆变状态。

这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。

而且这两种方式都可在单位功率因数下运行。

图1-4PWM整流电路两种运行方式向量图

a）整流运行b）逆变运行

图1-5三相PWM整流电路

三相PWM整流电路主要结构如图1-5所示，其工作原理和单相PWM整流电路类似。

通过对电路进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端ABC产生一个正弦调制PWM波，，。

，对各相电压按图1-4a）的向量图进行控制，就可使各相电流，，为正弦波且和电压相位相同，功率因数为1。

1.2三相电压型PWM整流器数学模型

系统模型是分析和设计三相电压型整流器的基础，从不同角度出发可以建立不同形式的系统模型，而且不同模型往往适合的控制方法也不尽相同。

1）在abc坐标系下的数学模型：

所谓三相电压型整流器（VSR）在abc坐标系下的一般模型是根据三相VSR拓扑结构，在三相abc静止坐标系中，利用电路基本定律对其建立的一般数学描述。

针对三相VSR一般数学模型的建立，通常作以下假设：

（1）电网电动势韦三相平稳的纯正弦波电动势；

（2）网侧滤波电感L是线性的，而且不考虑饱和；

（3）开关器件为理想开关，没有过渡过程，其通断状态由开关函数描述；

（4）开关频率远大于电网频率。

定义单极性二值逻辑开关函数为：

利用开关函数模型得到三相VSR在abc坐标系下的一般数学模型为

2）在dq坐标系下的数学模型：

虽然VSR在abc坐标系下一般数学模型具有物理意义清晰、直观等特点，但是在这种模型中，VSR交流侧均具有一定频率、幅值和相角的正弦时变交流量。

一般的VSR采用电压电流双闭环控制，当电流环采用PI调节器时，三相静止坐标系中的PI调节器无法实现电流无静差控制。

通过坐标变换将三相abc静止坐标系转换成以电网基波频率同步旋转的dq坐标系。

通过这样的变换，静止坐标系中的基波正弦量将转化成同步旋转坐标系中的直流量，对直流给定PI调节器则可以实现无静差控制，从而提高稳态电流控制精度。

而且旋转坐标系中存在有功电流和无功电流的解耦，有利于实现VSR的控制。

三相VSR在两相dq同步旋转坐标系下的数学模型为

2三相VSR控制策略及控制系统设计

2.1VSR的电流控制方法

VSR的工作原理分析表明，当其正常工作时，能在稳定直流侧电压的同时，实现网侧正弦波形电流控制。

另一方面，当VSR应用于注入有源电力滤波器等领域时，其王测电流的控制性能决定了系统性能指标的优劣。

因此，VSR的电流控制策略是十分重要的。

2.1.1间接电流控制和直接电流控制的比较

为了使PWM整流电路在工作时功率因数近似为1，即要求输入电流为正弦波且和电源电压同相位，可以有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种，没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，引入交流电流反馈的称为直接电流控制。

间接电流控制也称为相位和幅值控制，其实质是，通过PWM控制，在VSR桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压。

该PWM电压与电网电动势共同作用于VSR交流侧，并在VSR交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由VSR交流侧电感滤除。

由于这种VSR电流控制方案通过直接控制VSR交流侧电压进而达到控制VSR交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。

这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种VSR简单控制方案。

间接电流控制的优点在于控制简单，一般无需电流反馈控制。

另外，间接电流控制还可分为稳态间接电流控制和动态间接电流控制。

间接电流控制的主要问题在于，VSR电流动态响应不够快，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常适合于对VSR动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合。

相对于间接电流控制，直接电流控制以快速电流反馈控制为特征。

在这种控制方法中，通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。

这种直接电流控制与间接电流控制在结构上的主要差别在于：

前者具有网侧电流闭环控制，而后者则无网侧电流闭环控制。

由于采用网侧电流闭环控制，使VSR网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。

直接电流控制可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法较间接电流控制复杂。

直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法，常用的有：

固定开关频率PWM电流控制、滞环PWM电流控制、空间矢量PWM电流控制等，这些电流控制方案各有其优缺点。

本文主要研究基于（d，q）坐标系的固定开关频率PWM电流控制策略：

1）固定开关频率PWM电流控制算法简单，物理意义清晰。

且实现较方便。

2）由于开关频率固定，因而网侧变压器及滤波电感设计较容易，并且有利于

限制功率开关损耗。

3）两相同步旋转坐标系（d，q）中的指令电流为直流时不变信号。

4）在两相同步旋转坐标系（d，q）中，电流控制方案易于有功和无功电流的

解耦控制。

2.1.2三相VSR在dq坐标系下的直接电流控制

对于dq同步旋转坐标系，不考虑前馈解耦时的三相VSR固定开关频率PWM电流控制原理如图2-1所示。

图2-1dq坐标系下三相VSR直接电流控制原理图

显然，电流指令来自电压外环PI调节器输出，而且表示三相电流的有共分两；而电流指令则表示三相电流的无功分量，且可以独立给定，若是要求单位功率因数运行，则可以将其给定设为0。

在dq同步坐标系中，指令电流是直流信号；其电流环PI调节器可以实现无静差控制，稳态性能好；在两相dq同步旋转坐标系中，易于有功电流和无功电流的独立控制，也即解耦控制。

2.2三相VSR控制系统的设计

在三相VSR控制系统设计中，一般采用双环控制，即电压外环和电流环。

电压外环作用主要是控制三相VSR直流侧电压，而电流环作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。

2.2.1电流环控制系统设计

1）电流环的简化

由前面叙述可以知道，三相VSR的dq模型可以描述为

式中，、——电网电动势矢量的、分量；

、——三相VSR交流侧电压矢量的、分量；

、——三相VSR交流侧电流矢量的的、分量。

从三相VSR的dq模型方程式（2-1）可以看出。

由于VSR的d、q轴变量相互耦合，因此给控制器的设计造成一定困难。

为此，可以采用前馈解耦控制策略。

当电流调节器采用PI调节器时，则、的控制方程如下：

式中，、——电流环比例调节增益和积分调节增