【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 he VIENNA rectifier 課題研究的主要內(nèi)容本文對(duì) VIENNA 整流器的主電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，從電路的結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)方面，給出了設(shè)計(jì)參考。首先，分析了 VIENNA 整流器的工作原理，利用 dq 變換建立了 VIENNA 整流器的數(shù)學(xué)模型。其次，研究了空間矢量調(diào)制原理 在 VIENNA 整流器中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上編制了仿真程序。再次，從電路模型 入手，本著使功率因數(shù)為一和減小諧波的原則，給出了電感和電容的設(shè)計(jì)方法。 最后，通過(guò)設(shè)計(jì)的 VIENNA 整流器仿真電路模型，檢驗(yàn)了理論分析的正確性， 為進(jìn)一步深入分析奠定了基礎(chǔ)。 5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文本文結(jié)構(gòu)如下：第一章為緒論部分，介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于 PWM 整流器研究現(xiàn)狀及課 題研究的背景和意義。第二章分析了 VIENNA 整流器的工作原理和電路的數(shù)學(xué)模型。 第三章研究了 SVPWM 控制策略，推導(dǎo)了 VIENNA 整流器的相應(yīng)控制方程。 第四章討論了 VIENNA 整流器的諧波、功率因數(shù)和電感、電容的關(guān)系，提出了電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法。第五章首先在 PSPICE 環(huán)境下搭建了仿真電路模型，用 MATLAB 編制了控 制程序，并把控制數(shù)據(jù)輸出給 PSPICE，最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。 6 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 VIENNA 整流器的原理和數(shù)學(xué)模型的建立 VIENNA 整流器工作原理在VIENNA整流器的主電路(圖 12)中交流側(cè)的 LS 為等值電感，用于抑制高次諧波和平衡橋臂終端電壓和電網(wǎng)電壓的作用； RS 為等值電阻，通常情況下較小，可以忽略不計(jì)；C1，C2為濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路，減少直流電壓紋波，同時(shí)還有平衡中點(diǎn)電位的作用。每相有一個(gè)由全控開關(guān)器件 (分別是SA, SB, SC)和四個(gè)二極管組成的雙向開關(guān)，如圖 21 所示，每只開關(guān)將承 擔(dān)直流側(cè)電壓的一半。圖21 VIENNA整流器的雙向開關(guān) Bidirectional switches of the VIENNA rectifier下面介紹VIENNA整流器的工作原理： 設(shè)三相輸入電壓為?ua = U m cos(ωt)??ub = U m cos(ωt ? 2π / 3)(21)??uc = U m cos(ωt + 2π / 3)三相電壓波形如圖 22 所示。以 0 ≤ ωt ≤ π / 6 為例，說(shuō)明三相電壓在整流狀態(tài)時(shí)的工作情況。在這個(gè)區(qū)間A 相的輸入電壓始終為正，B、C 相的輸入電壓始終為負(fù)。設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)為 1， 關(guān)斷時(shí)為 0。則三相開關(guān)有 23 = 8 種狀態(tài)，分別如下：狀態(tài) 0(0,0,0)：開關(guān)管 Sa ， Sb ， Sc 關(guān)斷，電壓 uAO = udc /2 ， uBO = ?udc /2 ,uCO = ?udc /2 正向電流對(duì)電容C1及C2充電。狀態(tài) 1(0,0,1)：開關(guān)管 Sa ， Sb 關(guān)斷 Sc 開通，電壓uAO = udc /2 ，uBO = ?udc /2 ,uCO =0 正向電流對(duì)電容C1充電，C2通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電。 7 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖 22 輸入電壓波形 Input voltage waveforms狀態(tài) 2(0,1,0)：開關(guān)管 Sa ， Sc 關(guān)斷， Sb 開通，電壓 uAO = udc /2 ， uBO =0，uCO = ?udc /2 ，正向電流對(duì)電容C1充電，C2通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電。狀態(tài) 3(0,1,1)：開關(guān)管 Sa 關(guān)斷，Sb ，Sc 開通，電壓uAO = udc /2 ，uBO =0， uCO =0，正向電流對(duì)電容C1充電，C2通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電。狀態(tài) 4(1,0,0)：開關(guān)管 Sa 開通， Sb ， Sc 關(guān)斷，電壓uAO =0， uBO = ?udc /2 ，uCO = ?udc /2 ，C1通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電，正向電流對(duì)電容C2充電。狀態(tài) 5(1,0,1)：開關(guān)管 Sa 開通, Sb 關(guān)斷，Sc開通，電壓uAO =0，uBO = ?udc /2 ，uCO =0，C1通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電，正向電流對(duì)電容C2充電。狀態(tài) 6(1,1,0)：開關(guān)管 Sa ，Sb 開通，Sc 關(guān)斷，電壓uAO =0，uBO =0，uCO = ?udc /2 ，C1通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電，正向電流對(duì)電容C2充電。狀態(tài) 7(1,1,1)：開關(guān)管 Sa ， Sb ， Sc 開通，電壓uAO =0，uBO =0，uCO =0，C1，C2通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電。由上面可推知線電壓uAB 可產(chǎn)生四個(gè)電平： udc ， udc /2 ， ?udc /2 ，0，其絕 對(duì)值是三個(gè)，組成了三電平。uBC ，uCA 也由三電平組成。用這三個(gè)電平合成的 階梯波，接近正弦輸出電壓。其它扇區(qū)可仿照上面推得。建立研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，是深入研究和分析對(duì)象的工作機(jī)理、特性，以及提高系統(tǒng)控制性能的基礎(chǔ)和必要手段。 ABC 三相靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的建立基于能量守恒的 PWM 整流器的低頻數(shù)學(xué)模型，反映的是整流器中的各個(gè)物理量，如輸入電壓、電流和輸出電壓、電流等之間的物理關(guān)系，本質(zhì)上是一 8 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文種忽略高次諧波的狀態(tài)平均模型，適于作系統(tǒng)級(jí)的分析和設(shè)計(jì)。而基于開關(guān)函數(shù)的整流器高頻數(shù)學(xué)模型，在基本不做簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上考慮了開關(guān)過(guò)程引入的 高次諧波，是對(duì)實(shí)際的 PWM 調(diào)制過(guò)程的更為精確的描述。如圖 23 所示，為方便，開關(guān)函數(shù)Sij可分為三類Sap，Sao，San；Sbp，Sbo，Sbn；Scp，Sco，S。圖 23 VIENNA 整流器的開關(guān)函數(shù)等效電路圖 The equivalent circuit of switching function定義開關(guān)函數(shù)如下?1 i與j連通( i = a, b, c ； j = p, o, n )Sij = ?0(22)其它?另設(shè) A、B、C 三點(diǎn)的等效開關(guān)函數(shù)為 Sa，Sb，Sc? 1i與p連通i與o連通i與n連通?(23)Si = ?0??1?對(duì)輸入端有等效電路，如圖 24 所示。 9 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖 24 VIENNA 整流器輸入端等效電路圖 Equivalent circuit of the VIENNA rectifier根據(jù)圖 24 所示等效電路，由 Kirchhoff 電壓定律，列出交流側(cè) A,B,C 三相 回路的電壓方程：d ia + R i ? u = ?u?L? u= ?u?SS a aAO ONA Nd t?d ib + R i ? u = ?u?L? u= ?u(24)?SS b bBO ONBNd t??Ld ic + R i ? u = ?u? u= ?u?SS c cCO ONCNd t?式中 LS 是整流器交流輸入側(cè)電感，RS 是整流器交流輸入側(cè)等效電阻。uON 是直流側(cè)中點(diǎn)與電網(wǎng)三相中點(diǎn)的電壓差，ua , ub , uc 是電源三相電壓，uAO , uBO , uCO 為交流輸入端到直流中點(diǎn)間的電壓差，可用開關(guān)函數(shù)表示為：udc?u= S??AO a2udc?u= S(25)??BO b2udc??u= SCO c2?根據(jù)ia + ib + ic = 0 ，由(24)式得uON 的表達(dá)式uAO + uBO + vCOua + ub + ucu=? +(26)ON33從而得到 10 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文Sa + Sb + Sc ) udcua + ub + uc?u= (S ?+?AN a323ua + ub + uc?Sa + Sb + Sc ) udc?u= (S ?+(27)?BN b323ua + ub + uc??Sa + Sb + Sc ) udc= (S ?+u?CN c323?對(duì)于對(duì)稱的三相平衡無(wú)中線系統(tǒng)中，始終有ua + ub + uc = 0(28)uAO + uBO + uCO故u=? (29)ON3Sa + Sb + Sc ) udc?u= (S ???AN a32Sa + Sb + Sc ) udc?u= (S ?(210)??BN b32?Sa + Sb + Sc ) udc= (S ?u?CN c32?把上式代入(24)式中有d ia + R i ? u= ( ?2Sa + Sb + Sc )u?L?SS a adcd t6?d ib + R i ? u= ( Sa ? 2Sb + Sc )u?L(211)?SS b bdcd t6??Ld ic + R i ? u= ( Sa + Sb ? 2Sc )u?SS c cdcd t6?對(duì)圖 23 中直流側(cè)的 P 點(diǎn)，應(yīng)用 Kirchhoff 電流定律，得到??ip = ic1 + iload?(212)??ip = Sapia + Sbpib + Scpicd uc1代入式i = C(213)c1 1d tC d uc1 = (S i + S i + S得到i ) ? i(214)1ap a bp b cp c loadd t 11 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文同理對(duì)圖23中的n點(diǎn)，有：?in = ic 2 ? iload(215)??in = San ia + Sbn ib + S ic d uc2 代入式i = ?C(216)c2 2d t?C d uc2 = (S i + S i + S i ) + i得到(217)2an a bn b c loadd t對(duì)圖23中的O點(diǎn)，有：?iO = ?(ic1 + ic 2 )(218)??iO = SaOia + SbOib + ScOic把式(214)式加(217)得：d uc1 ? Cd uc 2 ) = S i + S i + S i?(C(219)12ao a bo b co cd td t再用(214)式減(217)式得：d uc1 + Cd uc 2 = S i + S i + S i ? 2iC(220)12a a b b c c loadd td t設(shè)uc1 = uc 2 = udc ，C1 = C2 = C 上式可簡(jiǎn)化為：C d udc= S i + S i + S i ? 2i(221)a a b b c c loadd t對(duì)整個(gè)直流側(cè)回路，應(yīng)用 Kirchhoff 電壓定律，有d iloadu + u = iR + L(222)c1 c2 loaddd t綜合式(24)(222)，可以得到整流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，表示為： A d X = BX + CE ，具體如式(223)所示，d t 12 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文d ia? L????????Sd t??2S + S + S?2S ? S ? S? ap bp cp an bn ? ?R000?d bi? LS332San ? Sbn ? Si???? ? a ??Sd t?2S + S + S? ?i?? ap bp cp ?R000d c i? ? b ?? LS3?2Sap + Sbp + Scp32San ? Sbn ? S? ?ic??S??d t? = ?? +? ?u?00?R0d u? ?c1 ???C c1 ?S30013001?S? ?u ??1 c2 d t??SS? ???????C??apbpcpd u?1 ? ??idc??Sc2 ??S?Sanbnd t?????R ???000?Ld idc ?