【正文】 n 為永磁同步電機(jī)額定電壓 380V， fn為電機(jī)額定頻率 50Hz。 根據(jù)式 (311)可以得到濾波電感 L1 的值為 。 LCL濾波元件參數(shù)設(shè)計(jì) 逆變器側(cè)電感的設(shè)計(jì) 三相 PWM逆變電路側(cè)電感 L1主要用來抑制逆變器側(cè)的紋波電流，根據(jù)定子電流的期望紋波電流值可以計(jì)算出電感 L1。當(dāng)諧振頻率小于轉(zhuǎn)折頻率 ?? 時(shí)，電機(jī)定子電流反而升 高。 L3=L2+L1，可得 Ii(n)與 Ui(n)之間的關(guān)系如下 ? ? )()(1)()(1 1)( 3123132 nUCLLnLLjnnICLnnI iii ??????? ??? (34) 即負(fù)載側(cè)等效諧波阻抗為 ? ? 23131231 1)()( )( ?????????????????r e siie q u nLLCLLnLLnIn nUL ? ??? (35) 由上文中以諧振頻率為約束條件的原則，選取 ?resf fs/2,即， ?res=?*/2,L 與 LCL濾波器想要得到相同的濾波效果，對于 n*次諧波， LCL濾波器負(fù)載側(cè)等效阻抗 ?? ?LLequ ，則有 ? ?31231 31)( LLLLLLr e se q u ?????????? ???????????? ??? ?? (36) 根據(jù)式 (35)可知，當(dāng)滿足相同的抑制諧波標(biāo)準(zhǔn)時(shí)， L濾波器的電感總值近似為 LCL濾波器的三倍，從總電感約束的原則考慮，選取 LCL濾波器更加經(jīng)濟(jì)，需要的電感總值更小。但是無阻尼法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，本問在后面的章節(jié)中對無阻尼的特性進(jìn)行了闡述。因此，在設(shè)計(jì)逆變器側(cè)電感參數(shù)時(shí)，本文本著約束諧振頻率的原則， 使 L1 的取值盡量避免諧振頻率的敏感頻段，設(shè)計(jì)在 fs/2的安全范圍內(nèi)。近年來有許多學(xué)者從各種角度出發(fā)探討這一問題，得到了不同的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)他們的出發(fā)角度，我在本章中詳細(xì)的總結(jié)了 LCL濾波元件的設(shè)計(jì)方法及 設(shè)計(jì)原則。 但是在高開關(guān)頻率場合，一階濾波器就很難滿足濾波的性能要求。本章還基于系統(tǒng)總框圖，分別建立了Ｌ及 LCL濾波電路的數(shù)學(xué)模型。 根據(jù)上式可以得出， LCL濾波電路的傳遞函數(shù)為 ? ? RsLLCsRLsCLLUIsGaa ??????? )(131213312 (216) 由（ 212）式和（ 216）可以看出在 L濾波器中，電機(jī)系統(tǒng)為一階濾波系統(tǒng)，而在 LCL濾波器中，系統(tǒng)由一階變?yōu)槿A，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。在高頻段 ,濾波電路以 20dB/dec的斜率衰減，對定子電流諧波具有一定的抑制作用。其逆變換為 ???????????????????? ???? ?? iiiiqd c o ss in s inc o s (210) 根據(jù)永磁同步電機(jī)的坐標(biāo)變換，還可以得到永磁同步電機(jī) dq軸下的數(shù)學(xué)模型，由于這些數(shù)學(xué)模型主要用于矢量控制中的變量解耦控制，在此不作詳細(xì)的描述。由于各相繞組的匝數(shù)相等，故取消 F中的匝數(shù)表示，直接改用電流。 則可以得到以 下公式 ?????? ?????? ?? CBACBA iiiNiNiNiNiN 212160c o s60c o s 33332 ? (22) ? ?CBCB iiNiNiNiN ???? ?? 3332 2 360s in60s in? (23) 寫成矩陣形式為 ??????????????????????232123210123NNii?? (24) 考慮變換前后功率不變的原則，應(yīng)取 3223 ?NN (25) 代入式 (24)得 ????????????????????????????????CBAiiiii232123210132?? (26) 如果永磁同步電機(jī)的三相繞組是星形聯(lián)結(jié)， 考慮到 0??? CBA iii ，代入式 (26)中得 ?????????????????????????BAiiii221023?? (27) 式 (27)即為 Clarke變換，其逆變換為 ????????????????????????????iiiiBA2161032 (28) （ b） 兩相 兩相旋轉(zhuǎn)變換（ 2s/2r變換） OBαβqdiqidisφsiαiβ 圖 26 3/2變換空間矢量圖 兩相 兩相變換也稱為 Park變換，是兩相靜止坐標(biāo)系 ??, 到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 qd, 之間的變換。αβN2iαN3iAN2iβN3iBN3iC 圖 25 3/2變換圖 圖 25給出了 Clarke變換的原理圖。 （ a） 三相 兩相坐標(biāo)變換（ 3/2變換） 三相 兩相變換也稱為 Clarke變換，是三相靜止坐標(biāo)系 ABC和兩相靜止坐標(biāo)系 α β 之間的變換。 由以上分析可知，三相坐標(biāo)系下 CBA iii , ，與兩相坐標(biāo)系下 ,??ii 以及在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 id、 iq 是等效的。 圖 24 b)所示是兩相靜止繞組，它們在空間上相差 90176。圖 24所示永磁同步電機(jī)繞組物理模型。在上一章永磁同步電機(jī)概述中已經(jīng)提出，通過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，通過坐標(biāo)變換，把永磁同步電機(jī)控制策略等校成控制直流電機(jī)。 數(shù)學(xué)模型 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 首先建立永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖 23所示。 1 0 0 10 20 30 40 50 60 7000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 7 圖 22 三相橋式 PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖 圖 ，縱坐標(biāo)為線電壓諧波幅值。同時(shí)，調(diào)制度 a(調(diào)制度是調(diào)制波信號幅值與載波信號幅值之比 )不同，得到的輸出電壓頻譜圖是不同的。但是因?yàn)?PWM控制技術(shù)需要使用載波調(diào)制，通過對正弦信號波的調(diào)制，會產(chǎn)生和載波相關(guān)的諧波分量 [1]。本文為簡單起見，直接給出直流側(cè)為 300V的逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。驗(yàn)證濾波參數(shù)選取及控制策略設(shè)計(jì)的正確性?？紤]到 LCL濾波電路的諧振問題，給出了解決方案。 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 本文研究內(nèi)容 本文主要闡述了 L及 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)，對負(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。 另一種直接轉(zhuǎn)矩控制策略，通過定子磁鏈控制電磁轉(zhuǎn)矩。 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，一種是按氣隙磁場定向的矢量控制策略，另一種是直接轉(zhuǎn)矩控制策略。 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。針對 LCL濾波器所存在的諧振問題，目前有兩種控制方案，即有源阻尼法和無源阻尼法。 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。 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。 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，逐漸替代其他開關(guān)器件，成為現(xiàn)代電 子技術(shù)的主導(dǎo)型器件?，F(xiàn)在，一般采用電壓空間矢量法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的 PWM。在眾多的直流電源中，如現(xiàn)在非常熱門的太陽能電池，若想要給交流負(fù)載供電，就需要逆變技術(shù)。相比之下， LCL 形式的濾波器可以在較高的開關(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。用上面所講的高開關(guān)頻率的三相 PWM逆變電路對永磁電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，會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，便會引起很大的噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動，高速永磁同步電機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性受到威脅。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、過熱等 [1]。PWM控制技術(shù)也正有賴于此，逐漸走向成熟。 課題的意義 20 年來，功率半導(dǎo)體開關(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)。但是，由此帶來的無功和諧波問題也逐漸嚴(yán)重起來，因此人們也越來越廣泛的關(guān)注諧波的抑制問題。通過高速永磁同步電機(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。 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 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行了的設(shè)計(jì)。 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。雖然在濾波效果方面來講， LCL 濾波電路更優(yōu)于 L濾波電路，但是 LCL濾波電路會產(chǎn)生諧振，要通過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 。 最后，本文分別對濾波電路進(jìn)行了開環(huán)仿真和電流內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)仿真。 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 課題的來源 近些年來，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。因?yàn)?LCL濾波問題已經(jīng)成為近年來研究諧波問題的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，所以我對三相 PWM逆變器 LCL濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真進(jìn)行了研究。而今大量的逆變電路中，絕大部分都是 PWM型逆變電路 [1]。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]。 同時(shí)，永磁同步電機(jī)定子電感是非常小，從產(chǎn)生的積極影響來說，這種微小的電感雖然可以提高定子電流動態(tài)響應(yīng)的速度，但在電機(jī)控制系統(tǒng)帶來了很多不利因素。而高開關(guān)頻率不僅可以獲得高動態(tài)性能，而且通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM)方法使諧波獲得足夠的衰減。 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。 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)。 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]。但在高開關(guān)頻率領(lǐng)域，三相逆變電路的開關(guān)頻率一般在220kHz左右，此基礎(chǔ)上的諧波衰減是遠(yuǎn)遠(yuǎn)