【正文】 定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù) kS 為 ： ? ?1 ,0kS k a b c??? ????上 橋 臂 導(dǎo) 通 ， 下 橋 臂 關(guān) 斷 ；上 橋 臂 關(guān) 斷 ， 下 橋 臂 開 通 。按 模擬 PID 控制算法的算式 （ 326) ，現(xiàn)已 一 系列的采樣時刻點 kT 代 表 連續(xù)時間 t， 以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似交換： ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?000 , 1 , 21t kjt k T ke t dt T e j Te k T e k tde tdt T?????? ????????? ??????? (035) 式中 T—— 采樣周期。特別是在工業(yè)過程控制中，由于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運用控制理論分析綜合要耗費很大代價，卻不能得到預(yù)期的效果，所以，往往采用 PID 控制器根據(jù)經(jīng)驗在線整定 PID 的參數(shù)，以便 得到滿意的控制效 果 。 表 34 占空比對應(yīng)關(guān)系 扇區(qū) 0U , 60U 300U , 120U 120U , 180U 180U , 240U 240U , 300U 300U , 0U aT aont bont cont cont bont aont bT bont aont aont bont cont cont cT cont cont bont aont aont bont 本文所采用的空間電壓矢量 PWM 調(diào)制方式如 圖 36 所示， 圖 36 是當目標 電壓矢量 outU 在包括 0U 和 60U 的扇區(qū)時的 波 形。 基于正交坐標系 （ ,??)的空間電壓矢量 PWM 算法 由 分析 可 知 ，由 三相電壓型 PWM 整 流器開關(guān)的有限組合所決定的 8 條空 間電壓矢量 如 圖 34 所示。 6 條模為 2 dcv /3 的空間電壓矢量將復(fù)平面均分成六個扇形區(qū)域 IVI。 將 328? 種開關(guān)函數(shù) 代入式 （ 35） ,記得到相應(yīng)的三相電壓型 PWM 整流器交流側(cè)電壓值，如表 31 所示。 如何控制輸入電流，得到理想的功率因數(shù)以及實現(xiàn)直流母 線電壓穩(wěn)定和能量的雙向流動，根本任務(wù)在于得到各功率開關(guān)器件的控制規(guī)律和通斷時間 。 三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計 10 第 3 章 三相電壓型 PWM 整流器的控制方法 與系統(tǒng)仿真的研究 三相電壓型 PWM 整流器的控制方法 對三相 電壓型 PWM 整流器的控制， 旨在穩(wěn)定 直 流 側(cè)電壓 的同時，實現(xiàn)其交流側(cè)在受控功率因數(shù)條件下的 正弦波電流控制。 由 式 (21)和 (22)的運算量 較大并且與主電路參數(shù)相關(guān)聯(lián)，不易實現(xiàn)實時控制，系統(tǒng)存在受主電路參數(shù)影響的局限性。Vamp。由于交流濾波電感等效電阻及開關(guān) 器件損耗等效電阻較小，在忽略交流濾波電感及開關(guān)器件等效電阻的條件下，根據(jù)三相電壓型 PWM 整流電 路拓撲結(jié)構(gòu)，三相電壓型 PWM 整流器的單 相等效電路和相量圖如下所示。 PWM 整流器已對傳統(tǒng)的二 極管及相控整流器進行了全面改進，其關(guān)鍵性的改進在于用全控 型功率開關(guān)器件取代了二極管或半控型功率開關(guān)器件，以 PWM 整 流 器 取代 了不控整流或者相控整流，從而使得 PWM 整流器 具有了網(wǎng)側(cè)電流正弦控制、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制、電能雙向流動及較快的動態(tài)控制響應(yīng)等優(yōu)良性能?？傊@種整流器性能優(yōu)越，可以替代傳 統(tǒng)的整流電路實現(xiàn)裝置的 “ 綠色 ” 運行，有著更為廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究價值。從長遠來看，研究開發(fā)高功率因數(shù)的變流器，則是一種更為 有效和積極的措施 。 研究的目的及意義 眾所周知，電能是現(xiàn)代社會的主要能 源，在各行各業(yè)中有著最廣泛的應(yīng)用，是人類三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計 4 現(xiàn)代文明的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。 三相電壓型 PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類 :一類是間接控制策略；另一類就是目前研究較多的直接電流控制策略。目前，這些變流裝置大部分需要整流環(huán)節(jié)以獲得直流電壓，由于 常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不可控整流或晶閘管相控整 流，對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功 功率 ，造成了嚴重的電網(wǎng) “污染”。 傳統(tǒng)晶閘管 (SCR)構(gòu)成的相控整流電路已經(jīng)非常成熟，并獲得了廣泛應(yīng)用，但存在以下幾個主要弊端 : ； ，交流側(cè)功率因數(shù)極低； ； ； 整流電源構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較慢。 二極管整流電路簡單、經(jīng)濟可靠。晶 閘管是一種只能控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷的半控型開關(guān) 器件，其在交流傳動和變頻電源領(lǐng)域中的應(yīng)用受到了一定的限制 。 最后 ,在對三相電壓型 PWM 整流器工作原理及控制方法進行深入分析的基礎(chǔ)上， 進行了 系統(tǒng)的 部分 硬件結(jié)構(gòu)和主電路參數(shù) 設(shè)計。設(shè)計三相電壓型 PWM 整流器，設(shè)計內(nèi)容如下： PWM 整流器控制策略； 輸出電壓可 調(diào)的 PWM 整流器的方案實現(xiàn)； PWM 整流器的建模仿真； 設(shè)計要求： 提出完整的 PWM 整流器控制策略； 有較詳細硬件實現(xiàn)及元器件選擇方案。三相電壓型 PWM 整 流器可以做到高功率因數(shù)，直流電壓輸出穩(wěn)定，具有良好的動 態(tài)性能，并可實現(xiàn)能量的雙向流動。 space voltage vector。功率半導(dǎo)體的進步促進了電力電子變流技術(shù)的迅速發(fā)展，如變頻器、逆變 電源、高頻開關(guān)電源等，這些變流裝置在國民經(jīng)濟中得到廣泛應(yīng)用。 ，發(fā)現(xiàn)輸入電流中含有豐富的低次諧波電流。前者是產(chǎn)生諧波后進行補償，而后者是消除了諧波源，是解決 諧波 問題的根本措施 。 70 年代初，國外就開始了 PWM 整流逆變技術(shù)的基礎(chǔ)研究。 直接電流控制策略以其快速的電流響應(yīng)和魯棒性得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并先后研究出不同的控制方案，主要包括以固定開關(guān)頻率且采用電網(wǎng)電動勢前饋的 PWM 電流控制，以及以快速電流跟蹤為特征的滯環(huán)電流控制等。為了避免諧波的危害，保持高的供電品質(zhì)，許多國家和國際組織出臺了治理措施和相關(guān)標準，對產(chǎn)生電力污染的用電設(shè)備提出了明確的限定。一方面通用變頻器的二極管不可控整流電路對電網(wǎng)注入了大最諧波及無功 功率 ，造成了電網(wǎng)的嚴重污染。 PWM 整流器系統(tǒng)的仿真研究，建立主電路、空間電壓矢量 PWM控制模塊及 PI 控制調(diào)節(jié)器的仿真模型，進行三相電壓型 PWM 整流器系統(tǒng)的仿真。 三個控制電感 L 一端連接 在三相電源，另一端連接在電壓源型整流器的輸入端。 如何控制輸入電流，得到 理 想的功率因數(shù)以及實現(xiàn)能量 的雙向流動，根本任務(wù) 在于得到各功率開關(guān)器件的控制規(guī)律和通斷時間。Eamp。 令 *V =E， 由 式 (23)得 3dcmEV? (04) ae*dcU PI 控制器 ? ?je ??????移 相 空間電壓矢量調(diào)制 直流電壓檢測 abcdq dcUqDua ubbece*ua*ub+三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計 9 依據(jù)式 (24)，根據(jù)電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理，便可 得到與交流電源電壓 幅 值 相等而相位相差 ? 的整 流器網(wǎng)側(cè)控制電壓。 這類控制可以獲得較高品質(zhì)的電流響應(yīng)，但控制結(jié) 構(gòu)和算法十分復(fù)雜。 下面以電壓矢量 U 為例，說明從三相對稱靜止坐標系 (a， b， c) 到兩相正 交靜止坐標系 （ d， q） 的交換。 圖 32 三相電壓型 PWM 整流器空間電壓矢量分布圖 可見，某一開關(guān)組合就對應(yīng)一條空間矢量，該開關(guān)組合時的 aOv 、 bOv 、 cOv 即為該空間矢量在三軸 (a， b， c)上的投影。實際上，由于開關(guān)頻率和矢量組合的限制， *V 的合成矢量只能以某 一 步進速度旋轉(zhuǎn)，從而使矢 量 端點運動軌跡為 一多邊形準圓軌跡。 現(xiàn)定義 X Y Z、 、 如下式 ? ?? ?1 321 32XUY U UZ U U????????? ????? ? ? ?? (026) 則當 outU 在包括了 0U 和 60U 的扇 形時 ， 1tZ?? ， 2tX? , outU 在包括了 60U 和 120U 的扇區(qū)內(nèi)時， 1tZ? , 2tY? 。 對于三相 電壓型 PWM 整流器空間 電壓矢量 PWM(SVPWM)控制 ， 當參考 矢量 *V 位cTbTaT1PWM2PWM3PWMcontbontaontttttsT0V 1V 1V2V 2V 0V7V 7V0,74T 12T 0,74T 0,74T22T 0,74T22T 12T三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計 19 于 I區(qū) 間 時，由式 (314)、 (315)分析易得 SVPWM 線性調(diào)制時的約 束條件為 12sT T T?? (029) 將式 (314)、 (315)代入，得 *3 co s 6dcVV ??? （ ） (030) 若對于任意的 ? 值，式 (323)帶入均成立， 則 *3dcVV ? (031) 當 采用 SVPWM 控制時， 三相 電壓型 PWM 整流器 相 電壓峰值的最大值為 3dcV，與SPWM 控制時的最大相電壓峰值 2dcV 相比 ， SVPWM 控制將電壓 利用率提高 %。 簡單說來， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 ： 1. 比例環(huán)節(jié) 對于偏差 ??et是即時反應(yīng)的 ， 偏 差 一旦出現(xiàn) ， 控制器立即產(chǎn)生控制作用， 使控制量向減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù) pK ； 主要用于消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的無差度。將式 （ 328） 代入式 （ 326） ， 可得離 散的 PID 表 達式為 ： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 1k Dp jI TTu k K e k e j e k e kTT???? ? ? ?????????? (036) 或者 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 1kp I Dju k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?????? (037) 式中 k — 采樣序號， k = 1,2,3,… ； ??uk— 第 k 次 采 樣時刻的計算機輸出值 ； ??ek— 第 k 次 采 樣時刻的輸入偏差值 ； ? ?1ek? — 第 (k l)次 采 樣時刻的輸入偏 差 值 ； IK — 積分系數(shù)， pI IKTK T? ； DK — 微分系數(shù) , DDpTKKT? 。則 aN dc av v S? ， 式 (340)可改寫成 ； ? ?aa A O d c a N OdiL R i u v S vdt ? ? ? ? (048) 同理，可得 b 相、 c 相方程如下： ? ?bb B O d c b N OdiL R i u v S vdt ? ? ? ? (049) ? ?cc C O d c c N OdiL R i u v S vdt ? ? ? ? (050) 若考慮三相對稱系統(tǒng)，則 0A O B O C Ou u u? ? ? (051) 又有 0a b ci i i? ? ? (052) 聯(lián)立式 （ 341） （ 343） 得 ,3dcN O kk a b cvvS??? ? (053) 當忽略橋路損耗 時，其交、直流側(cè)的功率平衡關(guān)系為 ： 三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計 24 , j jN dc dcj a b c i v i v? ?? (054) 又因為 jN j dcv S v? (055) 聯(lián)立式 （ 346） 、 （ 348） 并化簡，得 d c a a b b c cbi i S i S i Si? ? ? (056) 另外，直流側(cè)負載自電阻 LR 和一個電流源 SI 并聯(lián)組成，對 直 流側(cè)電容 正 極節(jié)點 處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，得 d c d ca a b b c c sLd v vC i S i S i S id t R??? ? ? ? ????? (057) 聯(lián)立式 （ 341） 、 （ 342） 、 （ 343） 和 （ 350） ，并引入狀態(tài)變量 X，且有 ? ? Ta b c d cX i i i v? 　 　 　 (058) 則采用單極性二 極 邏輯開關(guān)函數(shù)描述的 三相電壓 PWM整流器 的一般數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)變 量表 達式為 : X AX BE?? (059) 其中