【文章內容簡介】 8 聯(lián)立式 (23)~(26)，可得： 3 )( cbadcNO SSSuu ??? (27) 將式 (27)代入 (23)、 (24)、 (25)中，可得 ： ?????????????????????????3)2(3)2(3)2(cbadcccreccbadcbbrebcbadcaareaSSSuuiRdtdiLSSSuuiRdtdiLSSSuuiRdtdiL (28) 任何瞬間總有三個開關管導通，對直流側電容正極節(jié)點處應用基爾霍夫電流定律，得： ccbbaadcdc SiSiSiRudtduC ???? 0 (29) 綜合式 (28)和 (29)，以交流側電感電流和直流側濾波電容輸出電壓為狀態(tài)量，可以得到三相靜 止坐標系下的數(shù)學模型為： 03)2(3)2(3)2(RuSiSiSidtduCSSSuiRudtdiLSSSuiRudtdiLSSSuiRudtdiLdcccbbaadccbadccrecccbadcbrebbcbadcareaa??????????????????? (210) 基于兩相旋轉坐標系下的數(shù)學模型 0Uuaducub 圖 22 派克變換坐標系矢量分解圖 在三相靜止坐標系下，由于 au 、 bu 、 cu 之間以及 ai 、 bi 、 ci 是時變交流量， 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 且相互之間存在耦合，系統(tǒng)控制做不到無靜差，因而不利于控制系統(tǒng)的設計。因此，通過派克變換轉變?yōu)閮上嘈D坐標系下的數(shù)學模型。經(jīng)過坐標變換后，三相對稱靜止坐標系中的基波正弦變量將轉化為同步旋轉坐標系中的直流 變量，從而簡化了控制系統(tǒng)的設計。 ??????????????????????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。則有： ???????????????????????????????????????????????????cbadqa bcqdcbadqa bcqdcbadqa bcqdSSSTSSiiiTiiuuuTuu /// , (212) dS 、 qS 為開關函數(shù) S 在 dq 坐標系上的有功分量和無功分量。聯(lián)立 (210)，(212)，可得三相電壓型 SVPWM 整流器在兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型： )(230qqdddcdcdcqdqreqqdcdqdreddSiSiRudtduCuSLiiRudtdiLuSLiiRudtdiL?????????????? (213) 三相電壓型 SVPWM 整流器工作原理 通過對上述主電路結構和數(shù)學模型的分析，三相電壓型整流電路由交流回路、功率開關橋路和直流回路組成。當不計開關管的損耗時，交流和直流側功率達到平衡。通過對交流側的控制可以達到對直流側電壓控制的目的，反之亦然。要實現(xiàn)整流器運行于高功率因數(shù)狀態(tài)，關鍵是對網(wǎng)側電流的控制 [15]。通過對網(wǎng)側電流的直接控制或者通過電壓對電流的間接控制，對電路進行 空間電壓矢量的調制，控制 IGBT 的開關狀態(tài)，改變 ABu 、 BCu 、 CAu 中基波分量的幅值和相位，就可以使得 ia、 ib、 ic 為正弦波且和電壓同相位，從而實現(xiàn)整流側電路的輸入功率因數(shù)為 1 或者近似于 1。 三相電壓型 SVPWM 整流器不同于一般意義上的 AC/DC 變換器，由于能夠實現(xiàn)能量的雙 向傳輸，它有兩種運行狀態(tài)。以 A 相為例，用整流器的矢量圖 23來說明。當整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運行于整流工作狀態(tài)，如圖 23（ a） ，電流矢量和電壓矢量處于同相位，交流側功率因數(shù)為 1，此時整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)正 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 電阻特性，負載從電網(wǎng)吸收有功功率；當整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運行于有源逆變工作狀態(tài)。如圖 23（ b） ，電流矢量和電壓矢量處于平行但反相位，交流側功率因數(shù)為 1，此時整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)負電阻特性，負載從電網(wǎng)釋放有功功率。 iauaω L iaRr eiauA 0iauaω L iauA 0Rr eia (a)電流、電壓矢量同相位 (b)電流、電壓矢量反相位 圖 23 整流器矢量圖 本章小結 本章分析了三相電壓型 SVPWM 整流器的系統(tǒng)模型和工作原理，合理選取主電路拓撲結構及系統(tǒng)模型的構建是研究三相電壓型 SVPWM 整流器的基礎。 ① 分析了三相橋式的主電路拓撲，并從理論上分析了整個電路結構特點及其各個部分對系統(tǒng)的作用；根據(jù)主電路結構推導了在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型，為了方便和簡化控制系統(tǒng)的設計，做到系統(tǒng)控制無靜差，根據(jù) “ 等量 ” 坐標變換原則，通過派克變 換將三相靜止坐標系下的數(shù)學模型轉換為兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型。 ② 分析了三相電壓型 SVPWM 整流器的基本工作原理，通過改變 IGBT 的開關狀態(tài)，間接或者直接控制電流，使網(wǎng)側電流和電壓同相位。電路不僅工作在整流狀態(tài)，而且能使三相輸入電流成為與電壓變化一致的正弦波，從而實現(xiàn)網(wǎng)側輸入功率因數(shù)為 1，對網(wǎng)側不產(chǎn)生諧波；分析了整流器的整流和逆變兩種工作狀態(tài)，能夠實現(xiàn)能量的雙向流動。 本章是研究三相電壓型 SVPWM 整流器的理論基礎，具體的控制策略和調制方法將在后幾章進行詳細的研究。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 三相電壓型 SVPWM 整流器系統(tǒng)設計 三相電壓型 SVPWM 整流器的系統(tǒng)設計包括兩部分，一是系統(tǒng)主電路參數(shù)的設計，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)進行設計。二是控制系統(tǒng)設計 ， 控制技術是三相電壓型SVPWM 整流器的關鍵。對整流器的控制，旨在穩(wěn)定直流側輸出電壓的同時實現(xiàn)其交流側輸入電流正弦波與電壓同相位的控制，達到輸入單位功率因數(shù)的目的。 主電路參數(shù)設計 三相電壓型 SVPWM 整流器的系統(tǒng)性能取決于系統(tǒng)結構、主電路參數(shù)、 PI控制器參數(shù)，而控制器參數(shù)又依賴于主電路參數(shù)。所以主電路參數(shù)的設計非常重要，是對整個控制系統(tǒng)設計的基礎，保證系統(tǒng)正常工作的必要條件。通過對三相電壓型 SVPWM 整流器穩(wěn)態(tài)特性分析及前人所做工作的基礎上，提出了一套主電路參數(shù)的設計方法。本文設計的三相電壓型 SVPWM 整流器的裝置容量為P=5kW,交流側輸入電壓為 Us=100V。 直流側電壓的設計 在三相電壓型 SVPWM 整流器中，對于直流電壓 dcu 的選擇，一方面既要滿足負載的要求；另一方面要滿足交流側電流波形的需要。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。 三相 SVPWM 整流器要正常工作，要求其主電路直流側電壓必須大于交 流側輸入電壓的峰值。由于整流器交流側輸入端的線電壓都是幅值為 dcu 的 PWM波，只要 dcu 大于交流側基波峰值電壓，那么整流器輸入端的線電壓就不含與PWM 開關頻率無關的低次諧波，電感電流就不會發(fā)生畸變。由 dcu 產(chǎn)生的三相橋輸入電壓的基波峰值為 2/3 dcu ，交流側三相對稱電壓合成矢量幅值為 2/3 mU ，因此有： 2323 mdc Uu ? (31) 此方法可以確定直流側電壓的最小值，以確保輸入側的線電壓中不含有低次諧波，同時在考慮系統(tǒng)的成本和體積，可以適當?shù)倪x擇直流側電壓。 從電壓矢量 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 時間占空比進行了詳細的分析，但是涉及電感這個重 要的未知參量，需要反復對比已確定合適值，但是這樣會給系統(tǒng)的設計帶來更多的麻煩。 綜合考慮還是按 (31)大致確定一個直流側電壓值，再去分析更重要的電感參數(shù)比較妥當。因此由 (31)可得， 26911066 ???? sdc uu V，可選擇直流側濾波電容輸出電壓給定為 Udc=300V。 交流側電感的設計 在三相電壓型整流器實際系統(tǒng)設計中，交流側電感的設計至關重要。這是因為網(wǎng)側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。電感對整個三相 SVPWM 整流器系統(tǒng)的影響是綜合性的，故應從不同的出發(fā)點考慮，一方面從穩(wěn)態(tài)功率滿足功率守恒定律；另一方面從濾除諧波電流和實際的電流跟蹤速度出發(fā)，找出電流最大脈動量與電感的關系。 ①基于穩(wěn)態(tài)條件下滿足功率指標設計電感 假設三相電壓 型 SVPWM 整流器的輸出功率為 P， 電壓源的有效值為 US，電流的有效值為 IS， 考慮到電感本身和開關功率管的損耗等，那么交流側輸入功率必須大于直流側的輸出功率。可得公式： PIU SS ?3 。流經(jīng)電感的電壓值為：sL Liu ?? 。設計時應使電感上的壓降盡可能小，一般不大于電源額定電壓的 30%，即電感電壓 SL Uu %30? 。根據(jù)上述分析，在不計損耗情況下，輸出最大功率SSIUP 3? 可得到電感的一個上限值： pUL S? ? (32) ②基于瞬態(tài)電流跟蹤指標的電感設計 瞬態(tài)電流跟蹤指標要從兩個方面來考慮。一方面從抑制電流諧波角度來講，電感不應該太??；另一方面從電流的跟蹤速度上講，電感盡可能的小。根據(jù)第 2章三相靜止坐標系下的數(shù)學模型分析，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 的開關周期為 Ts,可以得到它的增量式： 3 )2( cbadcask SSSuuT iL ?????? (34) 設 A相電壓值表達式為 tUu sa ?sin2? 。在一個 PWM周期內 ， 021 TTTTs ??? ，忽略零矢量，相鄰兩個周期內電流變化相等，則 2/1 sTT? 。在 1T 時間內電流由負峰值上升到正峰值，以電流過零點為分界，此時 0?aS , 0?bS , 1?cS ，當2?sf KHz 時， ss TT ?? ?)sin( 。根據(jù)式 (34)，可得： 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 13 323s i n2 11 dcsdcsk uTUutUT iL ????? ?? (35) 由式 (35)可得，電流的總脈動量為： L TuTui dcSk11 )32(2 ??? ? (36) 在電流跟蹤的過程中，為了抑制紋波電流較大的脈動，每個 PWM 開關周期內電流的幅值 ki? 應小于電流波動的最大峰值 maxki? 。在一個開關周期內，交流側電流最大超調量盡可能小，一般不超過交流側額定電流的 10%。所以電流的最大脈動量 sk Ii ?? 。結合式 (36)，可得電感下 限值： PTuTUUL sdcsss )642(15 2 ?? ? (37) 在電流跟蹤過程中，電流的跟蹤速度應該滿足電流變化率的需要。當電流在過零附近時，電流的變化率最大。 32 dcsk uTiL ??