【正文】 k a b c? （ 218） 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 VSR 數(shù)學(xué)模型 三相靜止 abc 坐標(biāo)系下的 VSR數(shù)學(xué)模型清晰直觀，但并不適于指導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 aebceLlRabcdciCdcu()b ti LR0 c tti sRsRsRsRsRsR?ll apsansbpbnsscp 圖 27 三相 VSR等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 圖 27中， lR 為交流電感串聯(lián)等效電阻， sR 為開(kāi)關(guān)損耗串聯(lián)等效電阻。 LR 為直流等效負(fù)載。 整流器的數(shù)學(xué)模型 三相靜止坐標(biāo)系下 VSR 數(shù)學(xué)模型 變頻輸入 SPWM 整流器的主電路拓?fù)淙鐖D 26，為三相半橋電壓型整流電路（ VSRvoltage source rectifier） 。整流器的輸入強(qiáng)調(diào)電流波形，因而線性調(diào)制為首選。該方法雖然可以很好地消除指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)很大，而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。? 圖 25 規(guī)則采樣法 設(shè)三角載波的幅值為 1，正弦調(diào)制波公式為 sinrru a t?? （ 24） 其中， a 為調(diào)制度， 01a??； r? 為信號(hào)波角頻率。每個(gè)脈沖中點(diǎn)為相應(yīng)三角波中點(diǎn)，計(jì)算大為簡(jiǎn)化。正弦波在不同相位角的值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度不同。實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成。但存在計(jì)算繁瑣、數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。下面詳細(xì)介紹幾種常用的 SPWM 波形實(shí)現(xiàn)方法，并分析各自的特點(diǎn)。 0u0u t?t? 圖 24 與正弦半波等效的 SPWM波 SPWM波形生成方法 SPWM 波形生成方法分為計(jì)算法和調(diào)制法?？梢钥闯觯髅}沖幅值相等，而寬度按正弦波規(guī)律變化。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 0 0 0 0( a )( b ) ( c ) ( d )()t?ft()ft()ft()ftt t t 圖 23形狀不同而沖量相等的各種窄脈沖 上述原理稱為面積等效原理，是 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。用傅立葉變換對(duì)各輸出波形進(jìn)行分析，其低頻段非常接近，僅高頻段略有差異。這樣的電壓脈沖序列可以減小負(fù)載電流中的高次諧波含量。更重要的是，整流器的四象限運(yùn)行，可以根據(jù)供電系統(tǒng)需要，向電網(wǎng)提供感性或容性無(wú)功功率，這對(duì)改善供電系統(tǒng)的運(yùn)行，具有重要意義。在 D 點(diǎn)是負(fù)阻性， PWM整流器可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變； CD 段， PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功和容性無(wú)功功率； DA段， PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功和感性無(wú)功功率。取 A、 B、C、 D 作為 PWM 整流器運(yùn)行的特殊工作點(diǎn)，進(jìn)一步分析可以獲得 PWM 整流器在整個(gè)象限運(yùn)行規(guī)律。 PWM 整流器的輸入呈純感性。 ABCDIABCDIABCDIABCDILU( a )( b ) ( c )( d )E E E EU LU LU LUU 圖 22 PWM整流器的四種運(yùn)行模式 假定電感為線性理想電感，則電感兩端電壓為： | | | |LU L I?? （ 22） 電路在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電流 I幅值不變，即 ||I 恒定，則 ||LU 也為恒值，若整流器輸入電動(dòng)勢(shì) E 的大小也固定不變，則由基爾霍夫電壓定律有： LE U U?? （ 23） 四象限運(yùn)行時(shí)，橋側(cè)電壓矢量 U 的端點(diǎn)運(yùn)行軌跡，是一個(gè)以 ||LU 為半徑的圓。輸入電源、電感、功率管及負(fù)載組成了一個(gè)功率回路。通過(guò)進(jìn)一步的研究表明， 因?yàn)?PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控，所以可被推廣應(yīng)用于有源電力濾波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)确钦髌鲬?yīng)用場(chǎng)合。因此， PWM 整流器具有以下優(yōu)良特性：（ 1）網(wǎng)側(cè)電流為正弦波（ 2）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制（比如單位功率因數(shù)控制）（ 3）電能雙向傳輸（ 4）較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng) [9]。 第四章 在 Saber 環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)前文所進(jìn)行的理論分析和元器件參數(shù)選定進(jìn)行仿真驗(yàn)證；依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電路不同運(yùn)行狀態(tài)下動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行仿真， 觀察、分析系統(tǒng)運(yùn)行特性，以期優(yōu)化控制性能。 第二章 介紹 PWM 整流器基本工作原理，研究 SPWM 調(diào)制技術(shù)。 3. 對(duì)整流器主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)、器件選型、開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)方案等。 整流器相關(guān)工作主要包括：工作原 理分析、系統(tǒng)模型建立、系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)、仿真分析調(diào)試等幾大主要方面，具體工作如下： 1. 前期閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，構(gòu)建系統(tǒng)框架。 主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1. 輸入電壓：三相 115V， 360HZ～ 800Hz。在控制策略方面，滯環(huán)比較控制方法，由于其開(kāi)關(guān)頻率不固定，并在較大范圍內(nèi)變化，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)復(fù)雜化；直接電流控制方法，其輸入電流控制以交流量信號(hào)為 參考值，這在調(diào)節(jié)控制過(guò)程中，不可避免的會(huì)為控制器輸出帶來(lái)靜差，并且這個(gè)問(wèn)題在中頻 400Hz 時(shí)更為突出。這種控制方法將空間矢量控制與 SPWM 控制相結(jié)合，在 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型下，通過(guò)解耦控制，采用兩個(gè)獨(dú)立的 PI 調(diào)節(jié)器，分別控制有功、無(wú)功分 量，產(chǎn)生的指令電壓信號(hào)與載波比較得到 SPWM 控制信號(hào) [33][34][35]。特定結(jié)構(gòu)的靜止變換器可將航空發(fā)電機(jī)輸出的變頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡賹⒃撝绷麟娹D(zhuǎn)變?yōu)轭l率固定的交流電，用于航空變頻供電系統(tǒng)，作為特殊 負(fù)載的供電電源，即變頻轉(zhuǎn)恒頻電源（ VFCFC）。 國(guó)內(nèi)外 PWM 整流技術(shù)的應(yīng)用研究集中在恒頻電力系統(tǒng)，其在變頻電力系統(tǒng)下的研究與應(yīng)用尚不多見(jiàn) 。電壓外環(huán) 用 來(lái)保持 直流母線電壓穩(wěn)定，而電流內(nèi)環(huán) 用來(lái) 實(shí)現(xiàn) 網(wǎng)側(cè) 電流 跟蹤指令電流 ，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化。而直接電流控制的電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，魯棒性好，因此是目前主要的電流控制策略。 針對(duì)不同的 用途 ， 對(duì)于 PWM 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究 的 側(cè)重點(diǎn)也不同。 和 Chun 則在基于等效電路 [23]的基礎(chǔ)上，給出了 PWM 整流器的低頻變壓器數(shù)學(xué)模型 ，并利用該模型對(duì)整流器在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析。由于無(wú)源性控制是一種本質(zhì)的能量控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始將無(wú)源控制理論應(yīng)用到整流器控制中 [21]。另一種是主動(dòng)的解決方法，即將電力電子裝置本身進(jìn)行改造 ,通過(guò)改造使裝置輸入側(cè)的電壓和電流實(shí)現(xiàn)同相位，從而不再產(chǎn)生諧波 ,也不再消耗無(wú)功功率。 PWM 整流器的直流電壓受控恒定，可實(shí)現(xiàn)電能的“綠色變換”，成為本文變換器輸入級(jí)的首選。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。與地面電源系統(tǒng)不同，采用變頻電源系統(tǒng)的多電飛機(jī)對(duì) PFC 技術(shù)有著特殊要求：（ 1）輸入電源頻率變化范圍為 360～ 800Hz；（ 2）更為嚴(yán)格的諧波標(biāo)準(zhǔn)；（ 3）對(duì)用電設(shè)備效率、體積和重量要求更高。按額定400Hz設(shè)計(jì)的航空電動(dòng)機(jī)，在電源頻率低于 400Hz時(shí)，起動(dòng)能力較強(qiáng)，超過(guò) 400Hz，起動(dòng)能力隨頻率升高而變差，在電源頻率較高時(shí)，電機(jī)可能無(wú)法起動(dòng)，因而需要為電機(jī)配置電源變換器，將供電系統(tǒng)提供的變頻交流電變換為適合電機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行的交流電 [1]。由于異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，飛機(jī)的重要電動(dòng)泵類負(fù)載，如電動(dòng)燃油泵、電動(dòng)液壓泵等，多由異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電力系統(tǒng)代替其他飛機(jī)二次能源的優(yōu)勢(shì)也體現(xiàn)在其可以方便的傳輸和控制，所以可以根據(jù)飛行狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)備的工作狀態(tài)以節(jié)約飛行成本；（ 4）對(duì)于大容量的飛機(jī)電力系統(tǒng)，主發(fā) 電機(jī)輸出額定電壓為 230V甚至更高，有利于減輕系統(tǒng)重量。恒速恒頻系統(tǒng)的 IDG成本高、體積重量大、維護(hù)難、可靠性差；變速恒頻系統(tǒng)的電力變換與配套裝置也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、笨重和可靠性差等缺點(diǎn)；變頻系統(tǒng)無(wú)需恒速傳動(dòng)裝置，電源變換裝置少、工作頻率范圍 寬、系統(tǒng)容量大，但對(duì)發(fā)電機(jī)輸出調(diào)壓的要求高，而價(jià)格低、重量輕、可靠性好、維護(hù)便利，使變頻系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。各用電設(shè)備對(duì)供電類型和電壓等級(jí)都有不同要求，這對(duì)供電系統(tǒng)的容量和供電質(zhì)量提出了更高要求。這 種廣泛采用電能作為飛機(jī)供電系統(tǒng)的二次能源的飛機(jī)稱為多電飛機(jī)（ More Electric Aircraft， MEA） [1]。目前飛機(jī)電源系統(tǒng)主要包括一次電源、二次電源、輔助電源和應(yīng)急電源。以 PWM 整流器為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電壓、電流的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的前饋解耦控制，實(shí)現(xiàn)整流器的輸入高功率因數(shù)，提高系統(tǒng)效率和直流環(huán)電壓穩(wěn)定性，并適應(yīng)變頻供電；建立了整流器的Saber 軟件仿真模型，對(duì)變頻輸入的整流器進(jìn)行了仿真分析。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà) 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 3）其它 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 IV 摘要 多電飛機(jī)技術(shù)使機(jī)載用電設(shè)備的種類和數(shù)量顯著增加，對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和功率密度等提出了更高要求。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明 確的說(shuō)明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě) 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部 分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。針對(duì)變頻供電，分析了整流器的性能需求，確定了整流 器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié) ....................................................... 61 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 第一章 緒論 研究背景及意義 飛機(jī)電源系統(tǒng)的主要功能是產(chǎn)生或存儲(chǔ)機(jī)載用電設(shè)備所需的電能，以保證機(jī)上各種用電設(shè)備正常工作時(shí)電能的供應(yīng) [1]。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能不斷提高，在一些應(yīng)用中逐漸取代了液壓和氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu) [2][3]。 此外，多電飛機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使機(jī)載用電設(shè)備的數(shù)量和種類日趨龐雜。其中，恒速恒頻系統(tǒng)通過(guò)將恒速傳動(dòng)裝置（ CSD）與發(fā)電機(jī)整合，形成組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)（ IDG）來(lái)實(shí)現(xiàn)；變速恒頻系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)直接連到發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱，發(fā)電機(jī)輸出通過(guò)電源變換裝置，得到 400Hz恒頻輸出；變頻系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)直接連到發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱，發(fā)電機(jī)輸出頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。 總而言之，變頻供電的優(yōu)點(diǎn)在于： (1)相對(duì)于恒頻交流發(fā)電而言，變頻發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積重量小，電能轉(zhuǎn)換率高（可達(dá) 90%），系統(tǒng)可靠性好（ MTBF可達(dá) 3500飛 行小時(shí)）；（ 2）對(duì)于很多對(duì)電源頻率不敏感的設(shè)備，如燈、純阻性負(fù)載等，其所需要的電能中間不需要進(jìn)行任何變換就直接利用，某些電動(dòng)機(jī)也可以直接由變頻交流電直接驅(qū)動(dòng)，所以提高了可靠性和系統(tǒng)效率；（ 3）對(duì)于現(xiàn)代的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，很多設(shè)備需要控制器來(lái)改善其性能，以便提高整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的效率和飛行舒適性，如環(huán)控系統(tǒng)在飛行中可以根據(jù)不同的飛行狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)客艙壓力滿足乘客的需求。一般負(fù)載指對(duì)供電頻率變化不敏感的用電設(shè)備，包括照明、客艙加溫、除冰設(shè)備、無(wú)刷直流電機(jī)等；特殊負(fù)載指對(duì)供電頻率變化比較敏感的用電設(shè)備，如交流電機(jī)、變壓器、風(fēng)扇和一些電子控制設(shè)備。根據(jù)定子電壓方程 ? ? ?1 1 m s N sU E f N k及電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與 m? 近似正比知：定子端交流電壓 1U 恒定時(shí)，隨電源頻率 1f 升高，繞組磁通 m? 減小，起 動(dòng)轉(zhuǎn)矩變小，電機(jī)起動(dòng)能力降低，可能導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法帶載甚至空載起動(dòng)；若 1f 降低，則 ?m 升高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩加大，電機(jī)起動(dòng)能力增強(qiáng)。為降低諧波影響，功率因數(shù)校正（ PFC）技術(shù)受到重點(diǎn)關(guān)注。采用電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)前饋、直接電流控制的電壓型整流器作為變頻轉(zhuǎn)恒頻電源（ VFCFC）的整流級(jí)，可以補(bǔ)償系統(tǒng)諧波（其諧波補(bǔ)償原理是從網(wǎng)側(cè)檢測(cè)出諧波電流，然后產(chǎn)生一個(gè)與該諧波 電流大小相等極性相反的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)以抵消諧波電流的影響，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量）。本文的電源變換器，為了能夠適應(yīng)飛機(jī)電力系統(tǒng)的對(duì)諧波和功率因數(shù)等的要求，輸入整流電路需要采用合適的諧波抑制措施，提高交流功率因數(shù)，改善整流級(jí)輸入特性，這也是本文的工作重點(diǎn)。 隨著這類非線性負(fù)載應(yīng)用的普及和容量的增大 ,電力電子裝置的諧波污染問(wèn)題已經(jīng)成