【正文】 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） I 目 錄 第 1 章 概 述 ........................................................ 1 引言 ........................................................ 1 PWM 整流器國內外發(fā)展現狀 ..................................... 2 課題的研究背景 .............................................. 4 本文研究的主要內容 .......................................... 5 第 2 章 三相電壓型 SVPWM 整流器原理 .................................. 6 三相 電壓型 SVPWM 整流器主電路結構 ............................ 6 三相電壓型 SVPWM 整流器數學模型 .............................. 7 三相電壓型 SVPWM 整流器工作原理 .............................. 9 本章小結 ................................................... 10 第 3 章 三相電壓型 SVPWM 整流器系統設計 ............................. 11 主電路參數設計 ............................................. 11 三相電壓型 SVPWM 整流器雙閉環(huán)控制 ........................... 15 調節(jié)器的設計 ............................................... 18 本章小結 ................................................... 22 第 4 章 三相電壓型 SVPWM 整流器的仿真研 究 ........................... 24 MATLAB 仿真軟件介紹 ......................................... 24 系統各部分仿真模塊的建立 ................................... 25 仿真結果分析 ............................................... 33 本章小結 ................................................... 34 結 論 .............................................................. 35 參考文獻 ........................................................... 36 致 謝 .............................................................. 37 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 概 述 引言 隨著科學技術的迅猛發(fā)展，大量的非線性電力電子變流裝置在現代工業(yè)、交通、國防、生活等領域得到廣泛應用，如交直流換流設備、整流器以及輸入端為整流電路的變頻器和不間斷電源等，它們完成了對電能進行變換處理的任務，使得用電設備處于比較理想的工作狀態(tài)，或者滿足負荷某些特殊的要求，從而獲得最大的經濟效益。 因此，應該開發(fā)將 PWM 控制技術應用到 IGBT、 MOSFET 等全控器件組成的整流電路中，使整流器在工作時對電網或者電源系統既不產生諧波也不消耗無功功率，即輸入功率因數為 1 或者高于 ，成為無諧波污染的 “ 綠色 ” 電力電子變流裝置。相對于電流型整流器而言，電壓型整流器具有更快的響應速度，且容易實現 [7]。間接電流控制技術是通過直接控制交流側電壓進而達到控制交流側電流的目的。只不過實現雙閉環(huán)的方法不一樣而已。對于數字實現，可以分為自然采樣和規(guī)則采樣等。第二種方法是采用 dSPACE 仿真系統，也是最常用的方法。然而目前利用 FPGA 來實現對 PWM 整流器的研究還很少，文獻也只是將 FPGA 作為其他微處理器的附屬器件來完成一些外圍的邏輯功能，沒有完全 發(fā)揮 FPGA 的強大功能?；谌嚯妷盒?SVPWM 整流器的特性，還可以將其應用領域拓展到電磁法探測領域。本文就以三相電壓型 SVPWM 整流器為研究對象，具體工作步驟如下 ： （ 1） 分析三相電壓型 SVPWM 整流器的拓撲結構、工作原理，詳細推導基于三相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系下 的 數學模型。 au 、 bu 、 cu 分別代表交流側三相電壓源電壓。直流側濾波電容 C 是三相 電壓型 SVPWM 整流器的標志。 ④ 開關頻率遠遠大于電網頻率（ 50Hz）。 ??????????????????????212121)120s i n ()120s i n (s i n)120c o s ()120c o s (c o s32/??????????dqabcT (211) 其中， d 軸與 a 軸的夾角 0??? ?? t 0， 0? 為 0?t 時的夾角。以 A 相為例，用整流器的矢量圖 23來說明。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 三相電壓型 SVPWM 整流器系統設計 三相電壓型 SVPWM 整流器的系統設計包括兩部分，一是系統主電路參數的設計，從不同出發(fā)點出發(fā)，綜合考慮整個系統的動靜態(tài)性能 ， 穩(wěn)定性及安全性，對 5kW 整流器的參數進行設計。因此要對 dcu 要有一定的限制，從控制輸入電流方面來考慮， dcu 過低會使電感中的電流發(fā)生畸變且不可控； dcu 過高，會增加系統的成本和體積，降低系統的可靠性和安全性。這是因為網側電感的大小不僅影響著整個系統的動靜態(tài)性能 ， 而且還對額定輸出功率等其他因素產 生影響。根據第 2章三相靜止坐標系下的數學模型分析，以 A 相電壓方程分析，可得： 3 )2( cbadcaarea SSSuuiRdtdiL ?????? (33) 忽略電感的寄生電阻影響， PWM 的開關周期為 Ts,可以得到它的增量式： 3 )2( cbadcask SSSuuT iL ?????? (34) 設 A相電壓值表達式為 tUu sa ?sin2? 。 32 dcsk uTiL ?? (38) 另外 A 相的標準正弦電流 tIi ma ?sin? ，那么 )sin( smk TIi ??? 。而瞬態(tài)過程中功率偏差引起的能量偏差將全部積累在直流電容上。聯立 (312)、 (313)，可得最小直流電壓 mindcu ： 220m i n)32()3 2(32(23 dcmdcmmdcUURUU PCLUu ?????? (314) 那么可以得到最大直流電壓變化量為： ))32()32(32(23 2200m a x dcmdcmdcdc UURUCPCLUuu ???????? (315) 根據設定的 maxdcu? （一般不大于直流側電壓 dcU 的 5%）和額定功率時的電阻值 PUR dc /0 ? ，可以得到電容的變化范 圍： ])32()23(94[3)3 2(222m a x2dcmdcmdcdcmUUuUUUPUPLC??????? (316) 給定最大直流電壓變化量 maxdcu? =10V， Udc=300V， L=6mH， Um=2Us=將其代入公式 (316)可得： C≥1200uF 本文選擇直流側電容值 C=2200uF。其控制原理圖如圖 31 所示。 圖 31 三相靜止坐標系下的控制方案 可見，電壓外環(huán)產生的電流指令 *saI 、 *sbI 、 *scI ，其幅值表明傳輸功率的大小，符號決定整流器的功率流向，相位決定著能量傳遞的功率因數。 根據式 (212)，當 00?? 時可得： ??? ??0qmdu Uu (318) 通過給定系統有功功率 *P 和無功功率 *Q ，可以得到其所對應的電流給定： ?????????????????????????? ?**1**32 QPuuuuiidqqdqd (319) 為了實現整流器的單位功率因數，給定無功功率 Q* 等于 0。假定給定電壓在 PWM 線形調制區(qū)內沒有飽和， d、 q 軸電流完全被解耦。設計電流內環(huán)的控制方案圖 34。那么可將 (324)簡化為一個典型 Ⅰ型系統： )1()( sTsL KKsG sfP W Mpi ?? (326) 由此可以得到電流環(huán)系統的閉環(huán)傳遞函數： 1/(1+Tics) Kpi KPWM/(Tdss+1) 1/(sL+Rre) Kii/s 1/(Tifs+1) 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 2222 2/)/(/)(1 )()(nnnsfP W MpisfsfP W Mpi ssTKKsTLs TKKsG sGs ????? ???????? (327) 其中，sfP W MpisfP W Mpin TKK LTKK 4, ?? ?? 根據二階系統的特征，在阻尼比 ζ= 時，系統的超調量和調節(jié)時間比較合適。 在設計時考慮系統處于穩(wěn)態(tài)運行，無功電流分量 iq 等于 0，而且由于電流閉環(huán)作用，動態(tài) iq 變化很小。電壓外環(huán)設計的關鍵就是確定中頻寬 H。主要設計了直流輸出電壓的選擇、交流濾波電感、直流側濾波電容三個參數。后兩項的仿真往往可以對電力電子器件采用理想的開關模型。系統還 可以是多采樣頻率的，比如系統的不同部分擁有不同的采樣頻率。 系統各部分仿真模。通過圖形界面，可以象用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。 MATLAB 仿真軟件介紹 MATLAB 介紹 為了準確地把一個控制系統的復雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真， 1990 年 MathWorks 軟件公司為 MATLAB 提供了新的控制系統模型圖形輸入與仿真工具，并定名為 SIMULAB，該工具很快在控制界得到了廣泛的使用。直流側濾波電容與電感值的大小也密切相關，但研究的相對少，本章提出根據有功電流最大上升速率和直流電壓最大下降速率對電容參數進行設計的方法。選擇期望特性 G(s)的參數一般取為： 233213 8 1, TKHTTH ??? ?? (333) 從而系統期望的開環(huán)傳遞函數為： 1/(1+Tucs) Kpi 1/(1+Tiss) 1/sC Kiu/s 1/(1+Tufs) 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 22 )1(8 )41(]1[ )1()( 3223 332 1 sTsT sTsTs sTKsG ???? ?? (334) 聯立式 (332)和 (334)，可得： ?????????usiupuusiuTKKHTCK28 (335) 中頻區(qū)的寬度，實際經驗表明 H 一般在 3~10 之間，三階最佳設計在工程上取 4。因此， q 軸電流作為電壓環(huán)內的擾動處理，暫不考慮 q 軸電流的影響。 ?????????pireiisfP W MpiKLRKTKLK24? (328) 按照 5kW 整流器的設計要求， 1 0/3 0 0/ ??