【正文】 者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用 學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本文設(shè)計(jì)了交 直 交功率變換器的整流級(jí)，實(shí)現(xiàn)在 360Hz～ 800Hz 不同供電頻率下的整流。 在傳統(tǒng)的飛機(jī)能源系統(tǒng)中存在著多種二次能源，如氣壓能源、液壓能源、電能源等，多種二次能源要求飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣上裝配發(fā)電機(jī)，液壓泵、燃料泵和氣壓等機(jī)件，造成安裝空間緊張，維修不便，發(fā)動(dòng)機(jī)迎風(fēng)面積大等難以克服的缺點(diǎn) [3]。當(dāng)今飛機(jī)交流發(fā)電技術(shù)有恒速恒頻、變速恒頻和變頻三種。 在變頻供電系統(tǒng)背景下，飛機(jī)電氣負(fù)載根據(jù)電源頻率對(duì)其影響程度，可分為一般負(fù)載和特殊負(fù)載。傳統(tǒng)變頻器注重逆變級(jí)的結(jié)構(gòu)與控制，而不控整流器作為非線性電氣負(fù)載，將大量諧波電流注入供電系統(tǒng)，導(dǎo)致電壓、電流波形畸變，系統(tǒng)功率因數(shù)降 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 低，干擾嚴(yán)重，供電品質(zhì)下降，引發(fā)的功率損耗還會(huì)造成不必要的發(fā)熱，這在電能和散熱空間有限的航空飛機(jī)上，尤其是變頻供電系統(tǒng)中，情況復(fù)雜，危害嚴(yán)重，不能適應(yīng)多電飛機(jī)技術(shù)的要求。 20 世紀(jì) 90 年代以來， PWM 整流技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)整流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行，不僅輸入電流諧波含量低，且能雙向傳輸功率，甚至按需調(diào)節(jié)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的無功功率優(yōu) 化，成為 PFC 裝置的技術(shù)熱點(diǎn)。而且，利用這種方法 ,可以根據(jù)需要對(duì)其功率因數(shù) 進(jìn)行調(diào)節(jié)，在這兩種方法中，前者是產(chǎn)生諧波后進(jìn)行補(bǔ)償，而后者是消除諧波源，是解決諧波問題的根本措施 [31][32]。 （ 2） PWM 整流 器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ： 根據(jù) 直流 濾波元件 的不同， 分為電壓型 PWM 整流 器和電流型 PWM整流 器。而 直接電流控制的研究 領(lǐng)域 中， SPWM 整流器 和 SVPWM 整流器 的研究最 為 活躍。 研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文的主要研究內(nèi)容 靜止變換器是利用電力電子半導(dǎo)體器件，將一種直流或交流電轉(zhuǎn)換為另一種直流或交流電以便供負(fù)載使用的電力裝置 。本文即針對(duì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)供電的三相整流器展開研究，功率等級(jí)取為 5kW。 3. 輸出電壓 400Vdc。建立整流器數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的仿真模型，進(jìn)行仿真分析，參考仿真結(jié)果，詳細(xì)設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)及各部分的控制參數(shù)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 第二章 PWM 整流器工作原理及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 整流器基本工作原理 PWM 整流器相對(duì)傳統(tǒng)的相控與二極管整流器進(jìn)行了全面改進(jìn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 電壓型 按直流儲(chǔ)能形式分類 電流型 單相電路 按電網(wǎng)相數(shù)分類 多相電路 三相電路 硬開關(guān)調(diào)制 PWM 整流器 按 PWM 開關(guān)調(diào)制分類 軟開關(guān)調(diào)制 半橋電路 按橋路結(jié)構(gòu)分類 全橋電路 二電平電路 按調(diào)制電平分類 三電平電路 多電平電路 本文 PWM整流器，能夠雙向傳輸電能，這也是 PWM 整流電路的最大特點(diǎn)，為便于分析 PWM整流原理，可采用圖 21 所示的基波等效電路。 當(dāng)橋側(cè)電壓矢量 U 的端點(diǎn)在 A 時(shí)（圖 22a），電動(dòng)勢(shì)矢量 E 與電感電壓 LU 平衡，純電感電路中，電感電流滯后于電感電壓 90176。在 A 點(diǎn)時(shí)為純感性，僅吸收感性無功，在 B 點(diǎn)是純阻性，僅吸收有功功率，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流；在 AB 段，整流器從電網(wǎng)吸收有功和感性無功功率； C點(diǎn)是純?nèi)菪?，僅吸收容性無功 ，在 BC 段， PWM 整流器吸收有功和容 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 性無功功率。進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，脈沖序列的占空比按正弦規(guī)律變化。當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。對(duì)于正弦波負(fù)半周，也可用同樣方法得到相應(yīng)的 SPWM波形。用同樣數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，將這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表方式生成 PWM 信號(hào)控制開關(guān)器件通斷，以達(dá)到預(yù)期控制效果。 3. 軟件生成法：微機(jī)技術(shù)發(fā)展使得軟件生成 SPWM波形變得容易，軟件生成法應(yīng)運(yùn)而生。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 0u t00u tDABAt BtDcu rucT2?2??39。線性模式指調(diào)制信號(hào)峰值不大于載波信號(hào)峰值。交流輸入側(cè)電感 L 使電路工作在升壓整流模式，同時(shí)抑制交流電流諧波，其參數(shù)對(duì)整流器的性能影響非常大，而且需要針對(duì)變頻應(yīng)用進(jìn)行 設(shè)計(jì)。 首先 ，對(duì)開關(guān)信號(hào) ks 定義如下： 0 T 1 T 41 T 4 T 1? ???aS功 率 管 導(dǎo) 通 ， 功 率 管 關(guān) 斷功 率 管 導(dǎo) 通 ， 功 率 管 關(guān) 斷 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 b0 T 3 T 61 T 6 T 3? ???S 功 率 管 導(dǎo) 通 ， 功 率 管 關(guān) 斷功 率 管 導(dǎo) 通 ， 功 率 管 關(guān) 斷 c0 T 5 T 21 T 2 T 5? ???S 功 率 管 導(dǎo) 通 ， 功 率 管 關(guān) 斷功 率 管 導(dǎo) 通 ， 功 率 管 關(guān) 斷 即： 1,0,ks ?? ?? 上 橋 臂 導(dǎo) 通 ， 下 橋 臂 關(guān) 斷上 橋 臂 關(guān) 斷 ， 下 橋 臂 導(dǎo) 通 ， 其中 ( , , )k a b c? （ 29） 將三相 VSR 開關(guān)損耗等效電阻 sR 同濾波 電感 L 的等效電阻 lR 合并，用 R 表示，即 slR R R??。三相對(duì)稱系統(tǒng)中，由兩相電量可確定另外一相電量，故可選擇 ae 和 be 做變換，以減少交流電壓檢測(cè)電路，節(jié)省軟硬件資源。 為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制，整流橋和逆變橋選擇了同類型功率器件。 串聯(lián)電感不僅能降低交流電流脈動(dòng)，對(duì)整流器電流環(huán)的 動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性也有重要影響，而且制約著 VSR 的輸入功率因數(shù)、直流電壓幅值及穩(wěn)定性、電路輸出功率和帶載能力等。 直流側(cè)輸出電容 作為電壓型 PWM 整流器的標(biāo)志，直流側(cè)輸出電容對(duì)整流器的影響主要是：（ 1）穩(wěn)定整流器輸出電壓；（ 2）抑制直流電壓脈動(dòng)；（ 3）減小輸入紋波（直流母線上的 n 次諧波經(jīng)過 PWM 調(diào)制后會(huì)在網(wǎng)側(cè)輸入電流中產(chǎn)生 1n? 次諧波，增大輸出電容使得直流側(cè)電壓 諧波含量減小，從而減小輸入側(cè)電流諧波含量）；（ 4）為交流側(cè)與直流側(cè)的負(fù)載進(jìn)行能量交換提供緩沖空間；（ 5）輸出電容增大，抗負(fù)載擾動(dòng)能力變強(qiáng)，但其響應(yīng)速度也越慢 [8][9][12]。綜合以上因素，選擇 3300uF/450V 的電解電容作為直流電容。詳細(xì)闡述了規(guī)則采樣法和異步調(diào)制方式的特點(diǎn)，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了整流級(jí)在靜止 abc 和旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。從滿足電壓外環(huán)控制的跟隨性指標(biāo)來看，直流側(cè)的電容應(yīng)盡量小，以確保直流側(cè)電壓的快速跟蹤控制；而從滿足電壓外環(huán)控制的抗擾性指標(biāo)分析，直流側(cè)電容應(yīng)盡量大，以限制負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的直流電壓動(dòng)態(tài)降落 [29]。 考慮電流控制的快速性時(shí)，有 [29]： 23 dcmUL I ?? （ 229） 考慮電流波形品質(zhì)即畸變率時(shí)，有： m a x( 2 3 )2dc m m sdcU E E TL Ui?? ? （ 230） 即： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 m a x( 2 3 ) 223dc m m s dcdc mU E E T ULU i I ?? ??? 其中， dcU 為直流電壓， mE 為輸入相電壓峰值， mI 為輸入相電流基波峰值，sT 為 PWM 開關(guān)周期， maxi? 為電流脈動(dòng)最大允許量，取為峰值電流的 20%， ? 為交流電源角頻率，得整流器輸入 360Hz 時(shí)，可使系統(tǒng)性 能滿足要求的電感取值為：0 .7 7 4 5 .7 5m H L m H??。 該模塊包含兩只功率 IGBT，內(nèi)置反并聯(lián)續(xù)流二極管，可作為半橋一路橋臂，開關(guān)頻率高達(dá) 50kHz。本文選用了等值坐標(biāo)變換，即變換前后需保持電壓合成矢量的幅值不變，因而變換矩陣出現(xiàn)調(diào)整系數(shù) 2/3。故 aN dc au u s? ，式（ 210）可改寫為 0()a a a d c a NdiL R i e u s udt ? ? ? ? （ 211） 同理，可得 CB、 相電壓回路方程： 0()b b b d c b NdiL R i e u s udt ? ? ? ? （ 212） 0()c c c d c c NdiL R i e u s udt ? ? ? ? （ 213） 對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，有： 00a b ca b ce e ei i i? ? ??? ? ? ?? （ 214） 聯(lián)立（ 211） ～ （ 214）式，得： 0 ,3dcNki a b cuus??? ? （ 215） 圖 27中，任意時(shí)刻總有三個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，其開關(guān)模式共有 328? 種，直流側(cè)電流 dci 可描述為： dc a a b b c ci i s i s i s? ? ? （ 216） 另外，對(duì)直流側(cè)電容正極點(diǎn)處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，得： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 d c d c d cd c a a b b c cLLd u u uC i i s i s i sd t R R? ? ? ? ? ? （ 217） 因此， abc 靜止坐標(biāo)系下，三相 VSR 的數(shù)學(xué)模型為： , , , ,1()30dck k dck a b ckk k dc k jj a b ckkk a b c k a b cduC i s idtdiL Ri e u s sdtei????? ?????? ? ? ???? ???????? ( , , )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)。 LR 為直流等效負(fù)載。整流器的輸入強(qiáng)調(diào)電流波形，因而線性調(diào)制為首選。? 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。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。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)。 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。 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)。這樣的電壓脈沖序列可以減小負(fù)載電流中