【文章內(nèi)容簡介】 交流電轉換為另一種直流或交流電以便供負載使用的電力裝置 。因其高效率、高功率密度、高可靠性和低電磁干擾的優(yōu)點，引起人們越來越多的關注和研究。特定結構的靜止變換器可將航空發(fā)電機輸出的變頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?，再將該直流電轉變?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 負載的供電電源，即變頻轉恒頻電源（ VFCFC）。本文涉及的變頻轉恒頻靜止變流器 VFCFC 采用雙 SPWM 控制的電壓型整流器（ VSR Voltage Source Rectifier）加逆變器（ VSI Voltage Source 本科畢業(yè)設計論文 13 Inverter）拓撲結構。本文僅針對變頻轉恒頻電源中的整流部分，進行理論研究和仿真分析。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。這種控制方法將空間矢量控制與 SPWM 控制相結合，在 dq旋轉坐標系模型下，通過解耦控制，采用兩個獨立的 PI 調(diào)節(jié)器，分別控制有功、無功分 量，產(chǎn)生的指令電壓信號與載波比較得到 SPWM 控制信號 [33][34][35]。 在現(xiàn)行的大、中功率電力系統(tǒng)應用場合，廣泛采用的是三相交流供電系統(tǒng)。本文即針對的航空發(fā)動機供電的三相整流器展開研究，功率等級取為 5kW。 在三相整流器的實現(xiàn)拓撲結構中，三相六開關拓撲，即三相半橋全控器件搭建的整流電路，由于其良好的控制特性、能量雙向流動及功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點而被采用。在控制策略方面，滯環(huán)比較控制方法，由于其開關頻率不固定，并在較大范圍內(nèi)變化，使系統(tǒng)設計、濾波器設計復雜化；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。故本文利用同步旋轉坐標變換，將交流輸入電壓、交流輸入電流變換到同步旋轉坐標系，然后在同步旋轉坐標系對變換后的電壓、電流等效直流量進行調(diào)節(jié)。由于輸入電流的參考值在同步旋轉坐標系是直流量，而調(diào)節(jié)器的直流增益可以近似為無窮大，所以該運用坐標變換的控制方法，可以實現(xiàn)輸入交流電流在幅值和相位上的零靜差控制。 基于以上總結分析得到的控制方法，本文首先對 整流器基本 概念進行總結；隨后，對坐標變換進行了研究和分析，并且，為了 適應本文的整流器控制，對坐標變換進行調(diào)整；然后，在靜止坐標系下，對三相半橋整流器進行了電路建模分析，并變換到 dq 旋轉坐標系下，進行控制結構的設計，據(jù)此完成了主電路及控制電路的設計；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到分析預期的控制效果。 主要技術指標如下： 1. 輸入電壓：三相 115V， 360HZ～ 800Hz。 2. 輸入功率因數(shù)大于 。 3. 輸出電壓 400Vdc。 4. 輸出功率 5kW。 整流器相關工作主要包括：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)外相關文獻資料，構建系統(tǒng)框架。在查閱了文獻和材料的基礎上，對課題研究的背景、 PWM 整流器的發(fā)展現(xiàn)狀、各種 PWM 整流器的主電路拓撲結構、三相 VSR 控制技術、調(diào)制方法、三相 VSR 研究現(xiàn)狀以及 PWM 整流器進一步的研究方向進行了闡述。 2. 系統(tǒng)建模與分析： 本科畢業(yè)設計論文 14 根據(jù)三相 VSR 主電路結構分別推導了基于三相靜止坐標系以及兩相同步旋轉坐標系下的系統(tǒng)模型。并且根據(jù)兩相同步旋轉 dq 坐標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。 3. 對整流器主電路進行設計，包括電路拓撲結構的選擇、參數(shù)設計、器件選型、開關管的驅(qū)動及保護方案等。 4. 根據(jù)整流器控制方案，選用 Synopsys 公司的 Saber 軟件構建了三相 VSR仿真平臺。建立整流器數(shù)學模型及相應的仿真模型，進行仿真分析，參考仿真結果，詳細設計控制結構及各部分的控制參數(shù)。 本文的總體結構安排 第一章 緒論 介紹課題的研究背景、現(xiàn)狀及意義，綜述所研究的整流器控制。 第二章 介紹 PWM 整流器基本工作原理，研究 SPWM 調(diào)制技術。確定變頻轉 恒頻變換前提下整流器的主電路拓撲結構，建立其靜止坐標系下數(shù)學模型，根據(jù)三相 VSR 主電路結構分別推導了基于三相靜止坐標系以及兩相同步旋轉坐標系下的系統(tǒng)模型。并且根據(jù)兩相同步旋轉 dq 坐標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，確定整流器控制方案，進行控制系統(tǒng)的詳細設計，設計各環(huán)節(jié)控制器參數(shù)。 第四章 在 Saber 環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型，對前文所進行的理論分析和元器件參數(shù)選定進行仿真驗證；依據(jù)相關標準，對電路不同運行狀態(tài)下動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性進行仿真， 觀察、分析系統(tǒng)運行特性，以期優(yōu)化控制性能。 第五章 總結歸納全篇，總結經(jīng)驗。 本科畢業(yè)設計論文 15 第二章 PWM 整流器工作原理及主電路拓撲結構 整流器基本工作原理 PWM 整流器相對傳統(tǒng)的相控與二極管整流器進行了全面改進。關鍵的改進是用全控型功率開關管取代了半控型功率開關管或二極管，以 PWM 斬控整流取代了相控整流或不控整流。因此， PWM 整流器具有以下優(yōu)良特性：（ 1）網(wǎng)側電流為正弦波（ 2）網(wǎng)側功率因數(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 [9]。 由此可知， PWM 整流器實際上 是一個其交、直流側可控的四象限運行的變流裝置。因為電能的雙向傳輸，當 PWM 整流器從電網(wǎng)吸取電能時，運行于整流工作狀態(tài)；當 PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，運行于有源逆變工作狀態(tài)。 所謂的單位功率因數(shù)就是指：當 PWM 整流器處于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側電壓、電流同相（正阻特性）；當 PWM 整流器處于有源逆變工作狀態(tài)時，其網(wǎng)側電壓、電流反相（負阻特性）。通過進一步的研究表明， 因為 PWM 整流器的網(wǎng)側電流及功率因數(shù)均可控，所以可被推廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦髌鲬脠龊稀? 隨著 PWM 整流技術的發(fā)展 ,已經(jīng)設計出多 種 PWM 整流器 ,并可進行如下所示的分類，它們在主電路結構 PWM 信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點。 本科畢業(yè)設計論文 16 電壓型 按直流儲能形式分類 電流型 單相電路 按電網(wǎng)相數(shù)分類 多相電路 三相電路 硬開關調(diào)制 PWM 整流器 按 PWM 開關調(diào)制分類 軟開關調(diào)制 半橋電路 按橋路結構分類 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，為便于分析 PWM整流原理，可采用圖 21 所示的基波等效電路。 ??LV dcULREUI dcI???C? LE 圖 21 PWM整流電路簡化框圖 簡化后整流電路由交流輸入電動勢 E 、升壓電感 L 、整流橋、直流濾波電容C 和直流負載 LR 、負載電動勢 LE 共同構成。輸入電源、電感、功率管及負載組成了一個功率回路。流過電感的電流 I 為整流橋輸入電流， LU 為電感電壓， U 為整流橋輸入電壓，直流輸出電流 dcI 為流過阻容網(wǎng)絡的電流之和。不計開關和線路損耗，理想情況下，電路輸入輸出滿足功率守恒定律： dc dcEI U I? （ 21） 為便于分析和建模，忽略 PWM 控制的諧波分量，不考慮電感和開關管的寄生參數(shù)，分析整流器在理想工作狀態(tài)下的運行方式。以輸入電動勢 E 合成矢量的正 本科畢業(yè)設計論文 17 方向為參考方向，通過控制橋側交流電壓矢量 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。 ABCDIABCDIABCDIABCDILU( a )( b ) ( c )( d )E E E EU LU LU LUU 圖 22 PWM整流器的四種運行模式 假定電感為線性理想電感，則電感兩端電壓為： | | | |LU L I?? （ 22） 電路在穩(wěn)態(tài)工作時，電流 I幅值不變，即 ||I 恒定，則 ||LU 也為恒值，若整流器輸入電動勢 E 的大小也固定不變，則由基爾霍夫電壓定律有： LE U U?? （ 23） 四象限運行時，橋側電壓矢量 U 的端點運行軌跡，是一個以 ||LU 為半徑的圓。由整流器輸入電壓與電流矢量的幅值與相位關系可以看出，整流器穩(wěn)態(tài)運行有四種工作模式，主要由橋側電壓的幅值和方向決定其運行象限。 當橋側電壓矢量 U 的端點在 A 時（圖 22a），電動勢矢量 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。，所以電流矢量 I 滯后電動勢 E 相位 90176。， PWM 整流器的輸入呈純感性。當 U 的端點在 B時（圖 22b），電感電流滯后其電壓 90176。，可知 I與 E 的方向一致， PWM 整流器的輸入呈純阻性；U 的端點在 C時（圖 22c）， I 較電動勢矢量 E 超前 90176。，整流器輸入呈純?nèi)菪?；當矢?U 端 點在 D時（圖 22d）， I與 E 反向，整流器輸入呈負阻性。取 A、 B、C、 D 作為 PWM 整流器運行的特殊工作點，進一步分析可以獲得 PWM 整流器在整個象限運行規(guī)律。 當 U 的端點運行在 ABC 段時， PWM 整流器工作在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收有功和無功功率。在 A 點時為純感性，僅吸收感性無功，在 B 點是純阻性，僅吸收有功功率，可實現(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)設計論文 18 性無功功率。當 U 的端點運行在 CDA 段時， PWM 整流器工作在有源逆變狀態(tài)，向電網(wǎng)傳輸有功和無功功率。在 D 點是負阻性， 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。 由 PWM 整流器運行狀態(tài)可知，控制網(wǎng)側電壓 U 即可實現(xiàn)整流器的四象限運行。通過控制使電路穩(wěn)定在 B 點，即可實現(xiàn)單位功率 因數(shù)整流。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，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行。更重要的是，整流器的四象限運行，可以根據(jù)供電系統(tǒng)需要，向電網(wǎng)提供感性或容性無功功率，這對改善供電系統(tǒng)的運行，具有重要意義。 正弦脈寬調(diào)制技術 正弦脈寬調(diào)制 SPWM 脈沖序列中，各脈沖寬度及相互間隔由正弦調(diào)制波和等腰三角載波的交點決定。進行脈寬調(diào)制時，脈沖序列的占空比按正弦規(guī)律變化。當正弦值為最大時，脈沖寬度也最大，脈沖間隔 則最?。环粗?，當正弦值較小時，脈沖寬度也相對小，脈沖間隔則較大。這樣的電壓脈沖序列可以減小負載電流中的高次諧波含量。 SPWM 基本控制原理 采 樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其作用效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。用傅立葉變換對各輸出波形進行分析，其低頻段非常接近，僅高頻段略有差異。例如，圖 23 所示三個不同形狀的窄脈沖，其中圖（ a）為矩形脈沖，圖（ b）為三角形脈沖，圖（ c）為正弦半波脈沖， 它們的面積即沖量都等于 1。當它們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。當窄脈沖變?yōu)閳D 23（ d）的單位脈沖函數(shù) ()t? 時，