【正文】 作品名稱： 三相 PWM逆變器 LCL濾波電路的 設(shè)計(jì) 所屬學(xué)院： 電氣工程學(xué)院 摘要 本文主要通過(guò)把三相 PWM逆變器的輸出電流進(jìn)行 LCL濾波設(shè)計(jì)，逆變器負(fù)載連接永磁同步電機(jī)，雖然永磁同步電機(jī)具有定子電感，但是其電感值很小，達(dá)不到理想的電路需要的正弦電流，所以需要進(jìn)一步引進(jìn) LCL濾波電路。本文首先通 過(guò)建立三相 PWM逆變器負(fù)載連接永磁同步電機(jī)的電路模型，以諧振頻率 (fres)，總濾波電感值 (L)以及對(duì)不同的頻率段產(chǎn)生的諧波的抑制能力這三個(gè)方面為設(shè)計(jì)原則，分別對(duì)濾波元件 L（濾波電感）、 C（濾波電容）進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 而后，根據(jù)設(shè)計(jì)出的濾波元件的參數(shù)，進(jìn)行了基于 LCL濾波器的系統(tǒng)的頻域分析，并且與 L 濾波電路進(jìn)行了頻域特性的對(duì)比，通過(guò)伯德圖分析了兩種濾波電路的濾波效果。雖然在濾波效果方面來(lái)講， LCL 濾波電路更優(yōu)于 L濾波電路，但是 LCL濾波電路會(huì)產(chǎn)生諧振，要通過(guò)一定得加入阻尼電阻手段使 LCL濾波電路的諧振點(diǎn)得到抑制 。 根據(jù)三相 PWM逆變器 LCL濾波電路的設(shè)計(jì)模型，本文設(shè)計(jì)了接有永磁同步電機(jī)的電流內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)的 PI控制電路，對(duì) PI調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行了的設(shè)計(jì)。由于三相 PWM逆變器的負(fù)載側(cè)接有永磁同步電機(jī)，需用 SVPWM信號(hào)對(duì)逆變器元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本文通過(guò) MATLAB 軟件程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 最后，本文分別對(duì)濾波電路進(jìn)行了開(kāi)環(huán)仿真和電流內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)仿真。通過(guò)高速永磁同步電機(jī)的輸出定子電流波形圖，進(jìn)一步驗(yàn)證了濾波電路中濾波元件的參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，及控制方法的正確性。同時(shí)還分析了控制電路中 id 坐標(biāo)系中給定電 流為 0A時(shí)， iq 給定電流為 3A時(shí)，高速永磁同步電機(jī) d軸、 q軸最終穩(wěn)定的輸出電流值。以驗(yàn)證仿真模型圖搭建的合理性，也有利于得到理想的仿真波形圖。 關(guān)鍵詞： LCL濾波電路 、 永磁同步電機(jī) 、 頻域分析 、 諧波抑制 第 1章 緒論 課題的背景 課題的來(lái)源 近些年來(lái)，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，因此各種電力電子裝置在我們生活領(lǐng)域的出現(xiàn)日漸普遍，如工業(yè)、家庭、電力系統(tǒng)、交通等眾多領(lǐng)域。但是，由此帶來(lái)的無(wú)功和諧波問(wèn)題也逐漸嚴(yán)重起來(lái)，因此人們也越來(lái)越廣泛的關(guān)注諧波的抑制問(wèn)題。 LCL濾波器和 L濾波器都能夠達(dá)到 抑制諧波的效果，但是 LCL濾波電路的濾波效果比傳統(tǒng)的 L濾波電路的濾波效果更加明顯。雖然如此，由于 LCL濾波電路存在著諧振問(wèn)題，想要得到理想的濾波效果，必須選取正確的控制策略，以及進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，否則會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的問(wèn)題。因?yàn)?LCL濾波問(wèn)題已經(jīng)成為近年來(lái)研究諧波問(wèn)題的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，所以我對(duì)三相 PWM逆變器 LCL濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真進(jìn)行了研究。 課題的意義 20 年來(lái)，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件技術(shù)飛速發(fā)展，各類變流裝置也隨之出現(xiàn)，這些變流裝置以 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制為基礎(chǔ)。 PWM控制技術(shù)也使得電力 電子變流裝置技術(shù)有了快速的發(fā)展。比如逆變電路，脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制技術(shù)對(duì)其的影響非常深刻很大，它在逆變電路中的應(yīng)用也最為普遍。而今大量的逆變電路中，絕大部分都是 PWM型逆變電路 [1]。PWM控制技術(shù)也正有賴于此，逐漸走向成熟。 目前，大多是使用 IGBT 作為 PWM 逆變裝置的功率開(kāi)關(guān)器件， IGBT功率開(kāi)關(guān)器件能夠?qū)崿F(xiàn)很高的開(kāi)關(guān)頻率。然而高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生諧波，輸入電網(wǎng)和用電設(shè)備中，會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生危害。比如諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波耗損，降低輸電、發(fā)電、用電設(shè)備的效率 [1]。諧波還影響電氣設(shè)備的正常工作， 如使電機(jī)發(fā)生噪聲、機(jī)械振動(dòng)、過(guò)熱等 [1]。使自動(dòng)裝置、繼 電保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)作等。因此，必須采用濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行有效的抑制。 同時(shí)，永磁同步電機(jī)定子電感是非常小，從產(chǎn)生的積極影響來(lái)說(shuō)，這種微小的電感雖然可以提高定子電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度，但在電機(jī)控制系統(tǒng)帶來(lái)了很多不利因素。用上面所講的高開(kāi)關(guān)頻率的三相 PWM逆變電路對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，會(huì)引起定子繞組電流的畸變，在電機(jī)的定子電流包含諧波，從而提高了繞組銅損和鐵損，便會(huì)引起很大的噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，高速永磁同步電機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性受到威脅。因此，我們也必須采用濾波裝置對(duì) 永磁同步電機(jī)定子電流諧波進(jìn)行有效的抑制。 L濾波器作為傳統(tǒng)的濾波裝置，接在負(fù)載與電壓源型逆變器之間，稱之為 L 濾波電路。而高開(kāi)關(guān)頻率不僅可以獲得高動(dòng)態(tài)性能，而且通過(guò)脈沖寬度調(diào)制 (PWM)方法使諧波獲得足夠的衰減。相比之下， LCL 形式的濾波器可以在較高的開(kāi)關(guān)頻率下使諧波性能得到改進(jìn)，這是在高功率應(yīng)用的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。然而， LCL 濾波器系統(tǒng)是三階的，他們需要更復(fù)雜的控制策略和參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及由于諧振和低諧波阻抗引起電流畸變的危害。針對(duì)以上問(wèn)題，研究三相 PWM逆變器 LCL濾波電路的問(wèn)題具有很大的實(shí)際意 義。 課題的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 PWM技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 如今，逆變電路已經(jīng)廣泛普遍的應(yīng)用。在眾多的直流電源中，如現(xiàn)在非常熱門的太陽(yáng)能電池，若想要給交流負(fù)載供電，就需要逆變技術(shù)。目前，三相 PWM逆變器已經(jīng)非常普遍的應(yīng)用，幾乎一些小功率的逆變電路全部采用了 PWM調(diào)制技術(shù) [2]。 PWM技術(shù)思想的形成先后經(jīng)歷了三相電流型 PWM變換器， 1982 年科研人員給出了其全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略；電壓型 PWM變換器， 1984 年科研人員提出無(wú)功補(bǔ)償器控制方法；以坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)的三相 PWM變換器的數(shù)學(xué)模型，三個(gè) 階段。 PWM的產(chǎn)生方法主要有計(jì)算法和規(guī)則采樣法，計(jì)數(shù)法非常繁瑣，那以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，一般采用電壓空間矢量法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的 PWM。同時(shí)， PWM控制技術(shù)在整流裝置中也逐漸應(yīng)用起來(lái)， PWM技術(shù)越來(lái)越凸顯出它的優(yōu)越性。 PWM技術(shù)一直是科研的熱點(diǎn)問(wèn)題。 20 世紀(jì) 70 年代，全控型器件急迅發(fā)展，主要代表有 GTO，PowerMOSFET[1]。 20世紀(jì) 80年代，出現(xiàn)了以 IGBT為代表的復(fù)合型器件，IGBT屬于全控型器件，它集結(jié)了 MOSFET（電力場(chǎng)效應(yīng)管）和 BJT（電力雙極型晶體管）的優(yōu)越性，逐漸替代其他開(kāi)關(guān)器件，成為現(xiàn)代電 子技術(shù)的主導(dǎo)型器件。本文所研究的三相 PWM 逆變電路所用的開(kāi)關(guān)器件就選用IGBT。 濾波電路的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 三相逆變電路通過(guò)脈沖寬度調(diào)制 (PWM)方法，可以輸出接近于正弦波的電壓、電流，使三相逆變電路諧波獲得足夠的衰減，這也是 PWM控制方法的優(yōu)越性。但在高開(kāi)關(guān)頻率領(lǐng)域，三相逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率一般在220kHz左右，此基礎(chǔ)上的諧波衰減是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在開(kāi)關(guān)頻率的整數(shù)倍范圍內(nèi)仍存在著諧波分量，必須采用濾波裝置來(lái)減少這些電流諧波帶來(lái)的危害，減少電能的損耗。 現(xiàn)在，電力電子鄰域常用的抑制電流諧波的措施主 要有兩種：一種是采用平波電抗器，即在電路中串聯(lián)單 L濾波器，但是傳統(tǒng)的 L濾波電路，在大容量的變換器中，其開(kāi)關(guān)頻率非常低，如要得到理想的諧波抑制效果，需要的電感值也是很大的，這樣體積大、成本高的平波電抗器濾波電路是不可行的。而且會(huì)影響系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。另一種是采用 LCL濾波電路，它首先是在 1995 年由科研工作者提出的。 LCL是三階濾波器，在高頻段，以 60dB/dec的斜率衰減諧波。 LCL濾波電路需要更小的電感值就能達(dá)到與L濾波電路相同的濾波效果，這樣不僅能夠有效地抑制電流諧波，而且有利于減小裝置的重量和體積， 減小成本，適合應(yīng)用與大功率的裝置中。 從有利的一面講， LCL 較 L濾波電路有優(yōu)越的濾波性能。但是， LCL濾波電路的參數(shù)設(shè)計(jì)卻非常復(fù)雜， 2020 年科研工作者率先提出的參數(shù)設(shè)計(jì)的方案，準(zhǔn)確度不高。而后又有科研工作者提出了粒子群算法等參數(shù)設(shè)計(jì)方案這些方案取得了比較好的效果。針對(duì) LCL濾波器所存在的諧振問(wèn)題，目前有兩種控制方案，即有源阻尼法和無(wú)源阻尼法。無(wú)源阻尼控制策略是通過(guò)在濾波電容側(cè)串聯(lián)或者并聯(lián)電阻，以此來(lái)消除諧振的方法也帶來(lái)了功率損耗。有源阻尼法又使系統(tǒng)算法變得復(fù)雜，現(xiàn)在有源阻尼的控制策略也成為了研究的重點(diǎn)?，F(xiàn) 在，無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)又成為 PWM控制技術(shù)發(fā)展方向之一。 永磁同步電機(jī)概述 永磁同步電機(jī)用永磁體取代直流勵(lì)磁，以產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。定子繞組呈三相正弦分布。三相對(duì)稱交流電，輸入永磁同步電機(jī)后，電機(jī)產(chǎn)生恒定不變的電磁轉(zhuǎn)矩，定子繞組產(chǎn)生正弦反電動(dòng)勢(shì)。永磁同步電機(jī)體積小，運(yùn)行可靠。 文獻(xiàn) [3]提出了永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的控制策略，永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的控制策略主要有兩種，一種是按氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制策略，另一種是直接轉(zhuǎn)矩控制策略。矢量控制策略將永磁同步電機(jī)定子電流分解成相互垂直的兩個(gè)分量，控制電樞電流的直軸分量恒定為 0，通過(guò)坐標(biāo)變換，把永磁同步電機(jī)控制策略等校成控制他勵(lì)直流電機(jī)。矢量控制策略優(yōu)越性好，其使同步電機(jī)動(dòng)態(tài)特性可以與直流電機(jī)系統(tǒng)相媲美。并且控制算法簡(jiǎn)單，電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，提高了電機(jī)的運(yùn)行效率。 另一種直接轉(zhuǎn)矩控制策略，通過(guò)定子磁鏈控制電磁轉(zhuǎn)矩。在定子坐標(biāo)系下，檢測(cè)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，并將檢測(cè)值與給給定值相比較，從而得到電機(jī)的控制信號(hào) [4]。直接轉(zhuǎn)矩控制策略無(wú)需復(fù)雜的坐標(biāo)變換，不用將同步電機(jī)與直流電機(jī)等效，模型簡(jiǎn)單，在實(shí)際工程中發(fā)展前景很好。 本文給出了永磁同步電機(jī)矢量控制策略的結(jié)構(gòu)如圖 11所示。 S V P W M三 相逆 變器P IP IP Inr e fniq r e f+++MiaibicP a r k 逆 變 換dqαβUα r e fUβ r e fToUdP a r k 變 換 C l a r k e 變 換iαiβidiqαβa b c αβdq 圖 11 永磁同步電機(jī)矢量控制策略的結(jié)構(gòu)圖 本文研究?jī)?nèi)容 本文主要闡述了 L及 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)負(fù)載側(cè)是永磁同步電機(jī)的濾波電路控制系統(tǒng)做了詳細(xì)的探討，同時(shí)搭建了三相逆變電路的仿真模型，具體內(nèi)容如下： PWM逆變器濾波電路的整體結(jié)構(gòu)圖，建立數(shù)學(xué)模型，分析PWM逆變電路的諧波，給出三相橋式 PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。 L及 LCL濾波器對(duì)永磁同步電機(jī)定子電流諧波進(jìn)行抑制，并設(shè)計(jì)濾波元件參數(shù)。其中重點(diǎn)分析了負(fù)載側(cè)電感的選取方法。在 此基礎(chǔ)上，分析了兩種濾波電路頻域特性?？紤]到 LCL濾波電路的諧振問(wèn)題，給出了解決方案。 —工程設(shè)計(jì)法，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)系統(tǒng)給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。 ACR（電流調(diào)節(jié)器）、 ASR（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器）的參數(shù)設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)仿真提供了參數(shù)依據(jù)。 4. 基于 MATLAB，搭建基于 L濾波器和 LCL濾波器的三相 PWM逆變器帶動(dòng)永磁同步電機(jī)的仿真模型，進(jìn)行仿真結(jié)果對(duì)比。驗(yàn)證濾波參數(shù)選取及控制策略設(shè)計(jì)的正確性。通過(guò)仿真波形圖，對(duì)比 LCL濾波電路較 L濾波電路的優(yōu)越性。 第 2章 三相 PWM逆變器 LCL濾波電路的數(shù)學(xué)模型 引言 本文采用永磁同步電機(jī)作為三相 PWM逆變電路的負(fù)載，并在驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載之間加入了 LCL濾波電路對(duì)電流諧波進(jìn)行抑制，在此基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 系統(tǒng)總體電路圖 L 1 L 2CM+U d cU a ’U b ’I aI cI a ’I b ’I c ’U c ’V T 1V T 3V T 5V T 4V T 6V T 2I b 圖 21 三相 PWM逆變器 LCL濾波電路系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖 PWM逆變器側(cè)直流電壓既可以選取 Buck電路（降壓斬波電路），也可以選取復(fù)合型斬波電路。本文為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，直接給出直流側(cè)為 300V的逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖中 L1為逆變 器側(cè)濾波電感， L2為負(fù)載側(cè)濾波電感， C為濾波電容， aU? 、bU? 、 cU? 分別為逆變電路側(cè)輸出的三相電壓， aI? 、 bI? 、 cI? 分別為逆變電路側(cè)輸出三相電流， aI 、 bI 、 cI 分別為三相定子電流。 諧波分析 為了方便對(duì)濾波電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，必須對(duì)三相逆變器的輸出電壓諧波進(jìn)行分析。根據(jù)電力電子技術(shù)的知識(shí)可知，三相 PWM逆變電路輸出接近于正弦波的電壓、電流。但是因?yàn)?PWM控制技術(shù)需要使用載波調(diào)制，通過(guò)對(duì)正弦信號(hào)波的調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生和載波相關(guān)的諧波分量 [1]。本文只分析異步調(diào)制，同步調(diào)制可以看成異步調(diào)整的特例。 信號(hào)波周期不同，產(chǎn)生的 PWM波形也不同，因此以信號(hào)波周期為基準(zhǔn) 對(duì)諧波進(jìn)行傅里 葉分