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正文內(nèi)容

單相三電平spwm整流器的研究與設(shè)計畢業(yè)論文-資料下載頁

2025-06-21 23:02本頁面
  

【正文】 (43)其中, 、 分別為電源電壓的幅值和相角, 、 分別為電源電流的幅值和相角。則交流側(cè)電壓有: (44)由式(41)可得 (45) 如果直流側(cè)兩個電容兩端電壓相等,即,有 (46) 假設(shè)開關(guān)管有理想模型,在換相過程中沒有功率損失和能量儲存,因此交流側(cè)和直流側(cè)瞬時功率應(yīng)當相等,即: (47) 代入式(41)中,則直流側(cè)上、下兩端電流、為: (48) (49) 中點電流為為: (410) 當=1,1,0;并且=1,1,0時,對于、有: (411) (412) 將(411)、(412)代入式(410),得 (413) 進一步,得 (414)其中,k為積分常數(shù),根據(jù)電壓差確定,通常不為0。因此,中點電流導(dǎo)致了電容CC2兩端電壓的不平衡,需要在控制中加以補償。 中點電位平衡控制策略 假設(shè)直流側(cè)兩電容大小相等,對圖三電平主電路中的N點采用基爾霍夫電流定律,可得到t時刻的流入中位點的電流如下: (415) 其中,由主電路可知,有下式成立: (416) 聯(lián)立式(415)和(416)可得 (417)為了消除中點電位不平衡問題,可以假設(shè)經(jīng)過1個開關(guān)周期后,兩電容上的電壓差能夠達到給定值,則有式(418)成立: (418)其中,、分別為、的作用時間,滿足式(419): (419)聯(lián)立式(418)和(419)可得 (420) (421)在開關(guān)周期內(nèi),兩電容誤差的變化量可定義為 (422) 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,兩電容誤差的變化量必須滿足以下控制率: (423) 由于與交流側(cè)電流的方向和大小存在一定的關(guān)系,在本文中,兩電容上的誤差的指令值定義為 (424) 將式(424)分別代入式(420)和(421)中,可得 (425) (426) 其中 1, (427) 1, 當出現(xiàn)電壓不平衡時,通過調(diào)整中的兩個冗余狀態(tài)量的作用時間就可以平衡兩電容上的電壓,為了防止傳感器和A/D采樣輸出的和信號出現(xiàn)丟失或者錯誤導(dǎo)致或大于,作如下修正: 當時,取, 當時,取,第五章 三電平PWM整流器的系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析由于電力電子設(shè)備的高度非線性,理論分析方法有時難以應(yīng)用。這時往往需要做實驗。但實驗研究有時是十分困難、昂貴、費時的。而如果在對裝置的特性不甚了解時就進行實驗,那么就極容易損壞設(shè)備,造成經(jīng)濟損失。尤其是在大功率應(yīng)用場合,損壞設(shè)備的代價是很昂貴的。計算機仿真則是對實驗的非常有效的補充。計算機仿真還具有一些實驗所無法比擬的優(yōu)點:除計算機外,不需要別的硬件設(shè)備。一旦仿真程序編制完成就可以無限的重復(fù)使用。所有的工作是在計算機上用軟件完成,對各種情況和各種控制方式的仿真只需修改程序或程序中的有關(guān)參數(shù),這比改變實際系統(tǒng)要方便得多。 MATLAB/simulink仿真系統(tǒng)的設(shè)計本畢業(yè)設(shè)計仿真基于MATLAB/simulink環(huán)境,simulink仿真環(huán)境不僅提供了方便高效的圖形化建模方式,而且還提供了很多數(shù)學(xué)模型和仿真計算方面常用的標準模塊,能夠簡化編程工作,以直觀易用的圖形方式對電氣系統(tǒng)進行建模描述,因此使得整流器的仿真研究變得簡單方便。 三電平整流器仿真模型的建立為了驗證方法的可行行及正確性,本設(shè)計搭建了單相三電平PWM整流器系統(tǒng)仿真模型。如圖51至5 4所示,它主要包括電源模塊、單相三電平整流橋模塊、雙閉環(huán)控制模塊,其中控制回路主要由SPWM生成模塊模塊以及PI控制器組成。 圖51 MATLAB仿真主電路模型 圖52為計算調(diào)制信號Uab的雙閉環(huán)控制圖,電壓外環(huán)采用直流輸出電壓的實際值與給定值的誤差信號進行PI調(diào)節(jié),用于保證直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定,并減少直流電壓的波動,電流內(nèi)環(huán)主要使實際的網(wǎng)側(cè)電流跟蹤給定的,其輸出為調(diào)制信號,以提高系統(tǒng)對負載變化的動態(tài)響應(yīng);圖53為雙閉環(huán)控制方法計算出的調(diào)制信號與三角載波相比較產(chǎn)生的SPWM波的simulink仿真實現(xiàn)圖,載波取的是相對于X軸對稱的雙三角波。 圖52 計算調(diào)制波的simulink仿真模塊 圖53 生成SPWM的simulink仿真模塊 PI控制器設(shè)計系統(tǒng)的PI參數(shù)的獲取是設(shè)計的主要任務(wù)之一,合適的參數(shù)會使整個系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性,并滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。本系統(tǒng)仿真的PI參數(shù)主要是采用試湊法得來的,試湊法是通過模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運行情況、觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線,然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)的響應(yīng)的大致影響,反復(fù)試湊參數(shù)。一般在實踐中總結(jié)的規(guī)律是,增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng),減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào),并產(chǎn)生振蕩,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差;積分時間的增大有利于減小超調(diào),減小振蕩,但穩(wěn)態(tài)誤差的消除將隨之減慢。掌握了上述規(guī)律就方便了系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)。比如,在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)過大而且系統(tǒng)振蕩,可以適當減小比例,同時增加積分時間,通過類似這樣的調(diào)節(jié),來達到系統(tǒng)良好的控制品質(zhì)。最終通過反復(fù)試湊得出電壓外環(huán)PI控制的參數(shù)為:=10,=25;由于電流內(nèi)環(huán)的兩個控制環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本一樣,所以兩個PI參數(shù)也取值一樣,具體值為:=,=1。系統(tǒng)其它的仿真參數(shù)如下:交流側(cè)電動勢為頻率為50HZ、幅值220V的電壓源,電感值為2mH,直流側(cè)電容為4700uF,直流母線電壓給定為400v,功率模塊選用的是MOSFET,MOSFET的開關(guān)頻率為10kHz,負載R可變。 穩(wěn)態(tài)情況下的系統(tǒng)仿真結(jié)果分析穩(wěn)態(tài)情況意思是在負載電流不變的情況下,閉環(huán)仿真系統(tǒng)的運行狀態(tài)。圖55和56分別為為整流器系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果(大負載100和小負載10兩種情況)。直流電壓均穩(wěn)定在500V附近,中間電壓穩(wěn)態(tài)波動范圍很小,在整流器處于供電狀態(tài)時,交流側(cè)電流和電壓完全同相。 圖54 大負載(100)時的仿真結(jié)果(a)直流側(cè)電壓波形 (b)輸入端電壓電流波形 (c) 交流側(cè)橋臂輸入電壓波形圖55 小負載(10)時的仿真結(jié)果(a)直流側(cè)電壓波形 (b)輸入端電壓電流波形 (c)交流側(cè)橋臂輸入電壓波形 動態(tài)情況下的系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 動態(tài)仿真實驗結(jié)果如圖56和57。在負載突加、突減情況下,系統(tǒng)動態(tài)性能較好,網(wǎng)側(cè)電流仍然接近正弦。其中圖56為三電平整流器直流側(cè)負載由50歐姆增加到100歐姆的過渡過程,可以看出入端電流和入端電壓是同相位的,;圖58為負載由200歐姆減小到100歐姆的過渡過程。 負載突增情況 圖56 負載突增時(50100)的仿真結(jié)果 (a)直流輸出變化(b)輸入端電流變化 負載突減情況 圖57 負載突減時(200100)的仿真結(jié)果 (a)直流輸出變化(b)輸入端電流變化最終從仿真的結(jié)果來看,本文采用的PWM整流器控制策略能夠很好地控制網(wǎng)側(cè)電流,使其諧波含量少,功率因數(shù)近似為1,大大減小了對電網(wǎng)的污染。同時這種方法有效的控制了直流母線的電壓,使直流母線電壓波紋很小,響應(yīng)速度快,具有一定的抗負載波動能力。 總結(jié)本論文對單相三電平PWM整流器進行了較為系統(tǒng)的研究,根據(jù)單相三電平PWM整流器的主電路拓撲結(jié)構(gòu),闡述了單相PWM整流器的基本工作原理,介紹了二極管箝位型三電平整流器的開關(guān)工作模態(tài)。通過對其數(shù)學(xué)模型的分析建立,采用雙閉環(huán)SPWM的控制策略,分析本論文所采用的SPWM方法和中點電位平衡控制問題,并利用MATLAB/Simulink建立了仿真模型,仿真結(jié)果表明理論分析正確,實現(xiàn)了三電平整流器的直流側(cè)輸出電壓恒定、輸入電流低諧波、單位功率因數(shù)、直流側(cè)中點電壓平衡的目的。本畢業(yè)設(shè)計研究內(nèi)容總結(jié)如下:(1) 通過查閱大量的文獻、文章和書籍對單相三電平整流器的工作原理、開關(guān)模態(tài)及系統(tǒng)拓撲進行了分析,在此基礎(chǔ)上建立了二極管箝位型主電路數(shù)學(xué)的數(shù)學(xué)模型,然后運用雙閉環(huán)SPWM控制算法在MATLAB/Simulink中進行仿真實驗。仿真結(jié)果包括穩(wěn)態(tài)結(jié)果和動態(tài)結(jié)果,即負載不變和負載突變的入端電流和直流側(cè)電壓的變化情況,仿真結(jié)果比較滿意。(2) 對于三電平整流器電路固有的直流側(cè)電容電壓不平衡問題,即中點電位不平衡問題,研究了一些國內(nèi)外相關(guān)文章,最終采用了一種中點電位的滯環(huán)控制方法,該方法通過滯環(huán)比較得出中點電壓偏差,再根據(jù)中點電流方向來判斷當前的PWM組合對中點電位的作用,將當前的PWM組合中可以實現(xiàn)中點電位平衡的組合重新分配使之有利于中點電位的平衡,并通過MATLAB仿真驗證了此控制方法的有效性。(3)盡管三電平PWM整流器電路比傳統(tǒng)的兩電平電路雖然主電路結(jié)構(gòu)和控制均較為復(fù)雜,但在理論分析和試驗結(jié)論的基礎(chǔ)上,本研究驗證了前者所具有后者沒有的優(yōu)越性能,三電平整流器可以有效的減少電網(wǎng)的諧波污染,提高系統(tǒng)的功率因數(shù),并能夠達到節(jié)能的目的。因此,三電平PWM整流器真正實現(xiàn)了電力電子裝置的“綠色電能變換”,受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,并在UPS、EPS、交流傳動、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,成為當前電力電子領(lǐng)域研究的熱點課題之一。參考文獻[1] 張崇魏,張興 PWM整流器及其控制[M] 北京:高等教育出版社 2003[2] 王兆安,黃俊 電力電子技術(shù)[M] 機械工業(yè)出版社 2009[3] 李正軍 計算機控制系統(tǒng)[M] 機械工業(yè)出版社 2008[4] 何湘寧,陳阿蓮 多電平變換器的理論和應(yīng)用技術(shù)[M] 機械工業(yè)出版社 [5] 王小峰,鄧焰,何湘寧 三相三電平二極管箝位型整流器的單載波調(diào)制和中點平衡控制策略研究[J] 中國電機工程學(xué)報 [6] 鄒仁 四象限變流器瞬態(tài)電流控制的仿真研究[J] 機車電傳動 [7] 王瑩 對三電平整流器主電路建模的研究[J] 船電技術(shù) 2006[8] 徐騰 電力機車單相電壓型PWM整流器研究[D][碩士學(xué)位論文] 武漢:華中科技大學(xué) [9] 尹發(fā)根 電流滯環(huán)比較PWM控制方法探析[J] 高新技術(shù) 2009[10] 宋文勝,馮曉云 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