【正文】 的高次諧波含量。在 D 點是負(fù)阻性， PWM整流器可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變； CD 段， PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功和容性無功功率； DA段， PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功和感性無功功率。 PWM 整流器的輸入呈純感性。輸入電源、電感、功率管及負(fù)載組成了一個功率回路。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）較快的動態(tài)控制響應(yīng) [9]。 第二章 介紹 PWM 整流器基本工作原理，研究 SPWM 調(diào)制技術(shù)。 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、仿真分析調(diào)試等幾大主要方面，具體工作如下： 1. 前期閱讀國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，構(gòu)建系統(tǒng)框架。在控制策略方面，滯環(huán)比較控制方法，由于其開關(guān)頻率不固定，并在較大范圍內(nèi)變化，使系統(tǒng)設(shè)計、濾波器設(shè)計復(fù)雜化；直接電流控制方法，其輸入電流控制以交流量信號為 參考值，這在調(diào)節(jié)控制過程中，不可避免的會為控制器輸出帶來靜差，并且這個問題在中頻 400Hz 時更為突出。特定結(jié)構(gòu)的靜止變換器可將航空發(fā)電機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）。電壓外環(huán) 用 來保持 直流母線電壓穩(wěn)定，而電流內(nèi)環(huán) 用來 實現(xiàn) 網(wǎng)側(cè) 電流 跟蹤指令電流 ，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化。 針對不同的 用途 ， 對于 PWM 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究 的 側(cè)重點也不同。由于無源性控制是一種本質(zhì)的能量控制，國內(nèi)外學(xué)者開始將無源控制理論應(yīng)用到整流器控制中 [21]。 PWM 整流器的直流電壓受控恒定，可實現(xiàn)電能的“綠色變換”，成為本文變換器輸入級的首選。與地面電源系統(tǒng)不同，采用變頻電源系統(tǒng)的多電飛機對 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）對用電設(shè)備效率、體積和重量要求更高。由于異步電機結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定可靠，飛機的重要電動泵類負(fù)載，如電動燃油泵、電動液壓泵等，多由異步電機驅(qū)動。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、價格高、笨重和可靠性差等缺點；變頻系統(tǒng)無需恒速傳動裝置，電源變換裝置少、工作頻率范圍 寬、系統(tǒng)容量大，但對發(fā)電機輸出調(diào)壓的要求高，而價格低、重量輕、可靠性好、維護(hù)便利，使變頻系統(tǒng)更具優(yōu)勢。這 種廣泛采用電能作為飛機供電系統(tǒng)的二次能源的飛機稱為多電飛機（ More Electric Aircraft， MEA） [1]。以 PWM 整流器為重點，設(shè)計了電壓、電流的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)，通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的前饋解耦控制，實現(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，對變頻輸入的整流器進(jìn)行了仿真分析。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明 確的說明并表示了謝意。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人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫 2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部 分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 畢業(yè)設(shè)計小結(jié) ....................................................... 61 本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 第一章 緒論 研究背景及意義 飛機電源系統(tǒng)的主要功能是產(chǎn)生或存儲機載用電設(shè)備所需的電能，以保證機上各種用電設(shè)備正常工作時電能的供應(yīng) [1]。 此外，多電飛機技術(shù)的快速發(fā)展，使機載用電設(shè)備的數(shù)量和種類日趨龐雜。 總而言之，變頻供電的優(yōu)點在于： (1)相對于恒頻交流發(fā)電而言，變頻發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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）；（ 2）對于很多對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，某些電動機也可以直接由變頻交流電直接驅(qū)動，所以提高了可靠性和系統(tǒng)效率；（ 3）對于現(xiàn)代的飛機來說，很多設(shè)備需要控制器來改善其性能，以便提高整個飛機系統(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)來調(diào)節(jié)客艙壓力滿足乘客的需求。根據(jù)定子電壓方程 ? ? ?1 1 m s N sU E f N k及電機電磁轉(zhuǎn)矩與 m? 近似正比知：定子端交流電壓 1U 恒定時，隨電源頻率 1f 升高，繞組磁通 m? 減小，起 動轉(zhuǎn)矩變小，電機起動能力降低，可能導(dǎo)致電機無法帶載甚至空載起動；若 1f 降低，則 ?m 升高，起動轉(zhuǎn)矩加大，電機起動能力增強。采用電網(wǎng)電動勢前饋、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，可以補償系統(tǒng)諧波（其諧波補償原理是從網(wǎng)側(cè)檢測出諧波電流，然后產(chǎn)生一個與該諧波 電流大小相等極性相反的補償電流，補償電流注入電網(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）。 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題已經(jīng)成為目前電氣工程領(lǐng)域的棘 手問題之一，解決上述問題的主要方法有兩種 :一種是被動的解決方法，如利用有源濾波器 (Active Power Filter APF)或者靜止無功補償器 (Static Var Compensator SVC)等，在網(wǎng)側(cè)對諧波和無功功率進(jìn)行補償 [38][39]。 和 等在時域下建立了較為系統(tǒng)的 PWM 整流器數(shù)學(xué)模型，并將其分解為高頻和低頻兩種。間接電流控制 通過控制整流橋交流側(cè)電壓的幅值來控制交流電流幅值，通過控制整流橋交流側(cè)電壓的相位來控制交流電流相位，因此對網(wǎng)側(cè)電流的控制是間接實 現(xiàn)的，這造成動態(tài)過程中，間接電流控制首先要改變整流橋網(wǎng)側(cè)電壓，然后才能達(dá)到改變網(wǎng)側(cè)電流的目的，電流響應(yīng)速度較慢，同時系統(tǒng)參數(shù)變化通過這個間接過程后，必然使電流控制效果受到影響。應(yīng)用較多的是正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）和空間電壓矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）兩種。選定整流級采用間接電流控制的 SPWM 三相半橋全控電壓型整流器。 基于以上總結(jié)分析得到的控制方法，本文首先對 整流器基本 概念進(jìn)行總結(jié)；隨后，對坐標(biāo)變換進(jìn)行了研究和分析，并且，為了 適應(yīng)本文的整流器控制，對坐標(biāo)變換進(jìn)行調(diào)整；然后，在靜止坐標(biāo)系下，對三相半橋整流器進(jìn)行了電路建模分析，并變換到 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計，據(jù)此完成了主電路及控制電路的設(shè)計；之后，借助 Saber 仿真軟件，在仿真環(huán)境下搭建整流電路完整仿真模型，經(jīng)過仿真實驗，驗證了所選控制方法可以達(dá)到分析預(yù)期的控制效果。并且根據(jù)兩相同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下各電流分量的物理含義，給出了控制無 功電流，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)調(diào)節(jié)的控制方法。 第三章 參照控制目標(biāo)，確定整流器控制方案，進(jìn)行控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計，設(shè)計各環(huán)節(jié)控制器參數(shù)。 所謂的單位功率因數(shù)就是指：當(dāng) PWM 整流器處于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相（正阻特性）；當(dāng) PWM 整流器處于有源逆變工作狀態(tài)時，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相（負(fù)阻特性）。以輸入電動勢 E 合成矢量的正 本科畢業(yè)設(shè)計論文 17 方向為參考方向，通過控制橋側(cè)交流電壓矢量 U 的大小和方向，可實現(xiàn) PWM 整流器在圖 22所示的以 A、 B、 C、 D四點為間隔的四象限運行。整流器輸入呈純?nèi)菪裕划?dāng)矢量 U 端 點在 D時（圖 22d）， I與 E 反向，整流器輸入呈負(fù)阻性。以 PWM 整流器作為電機控制器的輸入級，可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，并可以在電機向直流環(huán)回饋功率時，通過控制使整流器運行于有源逆變模式，將能量饋送至交流側(cè)，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。將上述脈沖序列以相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖和相應(yīng)正弦波段的中點重合，并使矩形脈沖和相應(yīng)正弦波部分的面積（沖量）相等，得到圖 24所示的脈沖序列，這就是 SPWM波形。工程中可以用模擬電路構(gòu)成三 本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 角載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，以比較器來確 定它們的交點，在交點時刻對開關(guān)器件進(jìn)行通斷控制，生成 SPWM 電壓波形。常以等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制波為正弦波時，得到的就是 SPWM 波形。自然采樣法中，脈沖中點和三角波單個周期的中點并不重合，規(guī)則采樣法則使二者重合。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開，表示為 ( ) sin ( )nu t a n t??? ? ，首先確定基波分量 1a 的值，令兩個諧波對應(yīng)的幅值 0na? ，就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得各次諧波的幅值 1a ， 2a ， 3a ，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。 本文控制系統(tǒng)可生成與整流電路工作狀態(tài)相對應(yīng)的正弦波，可以此作為調(diào)制波，再結(jié)合控制器提供三角載波，即可調(diào)制得到橋臂通斷所需的 SPWM 開關(guān)信號，因此，本文此選擇由控制系統(tǒng)生成正弦調(diào)制波，由數(shù)字控制器提供等腰三角形的數(shù)字載波，依照規(guī)則采樣法，調(diào)制生成 SPWM 波形的控制方式，完成高功率因數(shù)整流控制。為了便于研究整流器的原理和工作過程，設(shè)計整流器的控制系統(tǒng)，根據(jù)其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用基爾霍夫電路基本定律，建立三相半橋 VSR 的在三相靜止坐標(biāo)系 abc 中的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。通過坐標(biāo)變換矩陣將靜止 abc 坐標(biāo)系下的各電量及方程轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下，即可導(dǎo)出三相 VSR在同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。 由式（ 210）得回路電壓方程： a a a ab b b be i i udLRe i i udt? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ 221） 將（ 221）帶入（ 219）得 123310 a a ab b be i i ui i uddL R L Re i i ui i ud t d t? ? ? ?? ? ? ??? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ????? （ 222） 將（ 222）帶入（ 220）得 c os si nsi n c osdqe i i utt dLRe i i udt ? ? ?? ? ??? ???? ? ? ? ? ? ???? ? ????? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ??? ?? 本科畢業(yè)設(shè)計論文 27 c o s s in c o s s in c o s s ins in c o s s in c o s s in c o si i ut t t t t tdLR i i ut t t t t tdt ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? c os sin c os sinsin c os sin c os ddqqiuiit t t tddL L Rt t t tdt dt????? ? ? ?? ? ? ??? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ????? s in c o sc o s s ind d dq q qi i uittdL L Ri i uidt ????? ?? ? ? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ? ? ????????? ??? ? ? ? ? ? d d dqq q qdi i uidL L Ri i uidt ?? ? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ??????? ? ? ? ? ? （ 223） 其中， du 、 qu 表示輸入 VSR 的三相橋側(cè)電壓對應(yīng)的 dq 軸基波分量，則 dq 坐標(biāo)系中 VSR 的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為： dd d q dqq q d qdie L Ri L i udtdie L Ri L i udt??? ? ? ? ????? ? ? ? ??? （ 224） 取 d 軸正方向為電網(wǎng)電動勢矢量方向，則 d 軸表示有功分量參考軸，而 q 軸表示無功分量參考軸。本文選擇 IGBT 工作在 20kHz。同時，電感偏大，電感電壓變化會影響交流輸入電壓，造成供電不穩(wěn)，影響整流器運行；電感偏小，電流脈動大、畸變率高，控制調(diào)整頻繁，工作不穩(wěn)定，也會造成整流器輸出電壓難以達(dá)到預(yù)期。 取 100rmt ms? ， 20dcuV?? ，得：0 .7 8 4 .2 2m F C m F?