三相双PWM变频电源的研究与设计图文精Word文件下载.docx

1、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

2、 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

3、 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

4、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AbstractThe variable-frequency power source can change voltages magni

5、tude, frequency and phase and the quality of power can be improved. But the common variable-frequency power source that uses uncontrolled rectifier leads low power factor, high harmonic and its application is limited. Double PWM variable-frequency power source uses controllable valve device and the

6、rectifier is controlled by PWM technology, so the harmonic pollution to power system is decreased and the power factor is improved. And the regeneration power can be carried to the power system.The three-phase double PWM variable-frequency power source can be divided into the PWM rectifier and the P

7、WM inversion two parts. In this article the three-phase PWM rectifier structure and its control method is analyzed deeply based on the introduction of the double PWM variable-frequency power source topology. The principle how the PWM rectifier is able to work in the rectification and the contrast is

8、 analyzed and the key to control the net side electric current is obtained. The switching functions are used to carry on mathematics modeling and the mathematic module of the PWM rectifier in d-q synchronization reference frame is obtained through the coordinate transformation. Then according to the

9、 systems control goal, the voltage and electric current double closed-loop control structure is used to carry on the control to the PWM rectifier. The PWM inversion uses the vector control to realize the electrical machinery velocity modulation and the torque control. The control structure constitut

10、es by the speed outer ring and the electric current inner rim. The speed outer ring is used to control the speed and the electric current inner rim is used to control the electrical machinerys torque control.In the theoretical analysis foundation, the double PWM variable-frequency power source syste

11、m simulation model is built by the MATLAB simulation toolbox and many simulation experiments are done. The simulation results show that the output DC voltage and the net side input alternating current can be controlled effectively. And performance of PWM inverter is acceptable.Keywords: double PWM,

12、PWM rectifier, PWM inverter, double closed-loop湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外, 本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体, 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。作者签名:日期:年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查 阅

13、和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索, 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。本学位论文属于1、保密,在 _年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“” 导师签名: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

14、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

15、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

16、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

17、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 ,

18、 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

19、 ; 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

20、 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,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 ,

21、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

22、 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

23、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

24、 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

25、 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 Chun T.Rim和 Dong Y.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 , Hengchun Mao等 人 又 建

26、 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

27、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

28、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

29、 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 , Hasan Komurcugil等 学 者 提 出 了 基 于 Lapunov 稳 定 性 理

30、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

31、 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-Woo choi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

32、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