【正文】 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） I 目 錄 第 1 章 概 述 ........................................................ 1 引言 ........................................................ 1 PWM 整流器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ..................................... 2 課題的研究背景 .............................................. 4 本文研究的主要內(nèi)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(jié)構(gòu) ............................ 6 三相電壓型 SVPWM 整流器數(shù)學(xué)模型 .............................. 7 三相電壓型 SVPWM 整流器工作原理 .............................. 9 本章小結(jié) ................................................... 10 第 3 章 三相電壓型 SVPWM 整流器系統(tǒng)設(shè)計 ............................. 11 主電路參數(shù)設(shè)計 ............................................. 11 三相電壓型 SVPWM 整流器雙閉環(huán)控制 ........................... 15 調(diào)節(jié)器的設(shè)計 ............................................... 18 本章小結(jié) ................................................... 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(tǒng)各部分仿真模塊的建立 ................................... 25 仿真結(jié)果分析 ............................................... 33 本章小結(jié) ................................................... 34 結(jié) 論 .............................................................. 35 參考文獻 ........................................................... 36 致 謝 .............................................................. 37 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 概 述 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量的非線性電力電子變流裝置在現(xiàn)代工業(yè)、交通、國防、生活等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如交直流換流設(shè)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(wù)，使得用電設(shè)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(jīng)濟效益。 因此，應(yīng)該開發(fā)將 PWM 控制技術(shù)應(yīng)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(wǎng)或者電源系統(tǒng)既不產(chǎn)生諧波也不消耗無功功率，即輸入功率因數(shù)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(yīng)速度，且容易實現(xiàn) [7]。間接電流控制技術(shù)是通過直接控制交流側(cè)電壓進而達到控制交流側(cè)電流的目的。只不過實現(xiàn)雙閉環(huán)的方法不一樣而已。對于數(shù)字實現(xiàn)，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(tǒng)，也是最常用的方法。然而目前利用 FPGA 來實現(xiàn)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(yīng)用領(lǐng)域拓展到電磁法探測領(lǐng)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(jié)構(gòu)、工作原理，詳細推導(dǎo)基于三相靜止坐標系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下 的 數(shù)學(xué)模型。 au 、 bu 、 cu 分別代表交流側(cè)三相電壓源電壓。直流側(cè)濾波電容 C 是三相 電壓型 SVPWM 整流器的標志。 ④ 開關(guān)頻率遠遠大于電網(wǎng)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第 3 章 三相電壓型 SVPWM 整流器系統(tǒng)設(shè)計 三相電壓型 SVPWM 整流器的系統(tǒng)設(shè)計包括兩部分，一是系統(tǒng)主電路參數(shù)的設(shè)計，從不同出發(fā)點出發(fā)，綜合考慮整個系統(tǒng)的動靜態(tài)性能 ， 穩(wěn)定性及安全性，對 5kW 整流器的參數(shù)進行設(shè)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(tǒng)的成本和體積，降低系統(tǒng)的可靠性和安全性。這是因為網(wǎng)側(cè)電感的大小不僅影響著整個系統(tǒng)的動靜態(tài)性能 ， 而且還對額定輸出功率等其他因素產(chǎn) 生影響。根據(jù)第 2章三相靜止坐標系下的數(shù)學(xué)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(guān)周期為 Ts,可以得到它的增量式： 3 )2( cbadcask SSSuuT iL ?????? (34) 設(shè) 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(lián)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(jù)設(shè)定的 maxdcu? （一般不大于直流側(cè)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(cè)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(chǎn)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(shù)。 根據(jù)式 (212)，當 00?? 時可得： ??? ??0qmdu Uu (318) 通過給定系統(tǒng)有功功率 *P 和無功功率 *Q ，可以得到其所對應(yīng)的電流給定： ?????????????????????????? ?**1**32 QPuuuuiidqqdqd (319) 為了實現(xiàn)整流器的單位功率因數(shù)，給定無功功率 Q* 等于 0。假定給定電壓在 PWM 線形調(diào)制區(qū)內(nèi)沒有飽和， d、 q 軸電流完全被解耦。設(shè)計電流內(nèi)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(tǒng)： )1()( sTsL KKsG sfP W Mpi ?? (326) 由此可以得到電流環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)： 1/(1+Tics) Kpi KPWM/(Tdss+1) 1/(sL+Rre) Kii/s 1/(Tifs+1) 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(jù)二階系統(tǒng)的特征，在阻尼比 ζ= 時，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間比較合適。 在設(shè)計時考慮系統(tǒng)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(shè)計的關(guān)鍵就是確定中頻寬 H。主要設(shè)計了直流輸出電壓的選擇、交流濾波電感、直流側(cè)濾波電容三個參數(shù)。后兩項的仿真往往可以對電力電子器件采用理想的開關(guān)模型。系統(tǒng)還 可以是多采樣頻率的，比如系統(tǒng)的不同部分擁有不同的采樣頻率。 系統(tǒng)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(tǒng)的復(fù)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(tǒng)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(cè)濾波電容與電感值的大小也密切相關(guān)，但研究的相對少，本章提出根據(jù)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(shù)進行設(shè)計的方法。選擇期望特性 G(s)的參數(shù)一般取為： 233213 8 1, TKHTTH ??? ?? (333) 從而系統(tǒng)期望的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 1/(1+Tucs) Kpi 1/(1+Tiss) 1/sC Kiu/s 1/(1+Tufs) 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 )1(8 )41(]1[ )1()( 3223 332 1 sTsT sTsTs sTKsG ???? ?? (334) 聯(lián)立式 (332)和 (334)，可得： ?????????usiupuusiuTKKHTCK28 (335) 中頻區(qū)的寬度，實際經(jīng)驗表明 H 一般在 3~10 之間，三階最佳設(shè)計在工程上取 4。因此， q 軸電流作為電壓環(huán)內(nèi)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(shè)計要求， 1 0/3 0 0/ ??