【導(dǎo)讀】工作及取得的研究成果；得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；掌握整流器的類型和控制方法。設(shè)計(jì)三相電壓型PWM整流器，設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：。基于正交坐標(biāo)系（,??

　　

【正文】 U , 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(dāng)目標(biāo) 電壓矢量 outU 在包括 0U 和 60U 的扇區(qū)時的 波 形。 圖 36 空間電壓矢量 PWM 調(diào)制方式圖 SVPWM 與 SPWM 控制的比較 常規(guī)的 SPWM 控制是將三角載波和對稱的三相 正 弦調(diào)制波比較生 成 PWM 波形，這實(shí)際上是一種相電 壓 控制方式。當(dāng)調(diào)制比 m=1 時， 三 相電壓 型 PWM 整 流器 相電壓峰值為 2dcv ， 而線電壓峰值為 3 2dcv 。 對于三相 電壓型 PWM 整流器空間 電壓矢量 PWM(SVPWM)控制 ， 當(dāng)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(jì) 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(dāng) 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 %。 依次變動 *V 所在區(qū)間，所得結(jié)論不變。因 而，與常規(guī)的 SPWM 控制相比 ， SVPWM 控制具有電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 PI 控制器的設(shè)計(jì)與數(shù)字化實(shí)現(xiàn) 按閉環(huán)系統(tǒng)誤差信號的比例、積分、微分進(jìn)行控制的控制器 (簡稱為 PID 調(diào) 節(jié)器 )，它 是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的 一 種控制器。它的結(jié)構(gòu)簡單， 參數(shù)易于調(diào)整，在長期應(yīng)用中己積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。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(yùn)用控制理論分析綜合要耗費(fèi)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(yàn)在線整定 PID 的參數(shù)，以便 得到滿意的控制效 果 。 PID 控制原理 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖 37所示，系統(tǒng) 由 模擬 PID 控制 器 和被 控 對 象組成PID 控制器是 一 種線性控制 器 ，它根據(jù)給定值 ??rt 與實(shí)際輸出值 ??ct 構(gòu)成控 制偏差： ? ? ? ? ? ?e t r t c t? (032) 將偏差的比例 （ P） 、積分 （ I） 和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制 量 ，對被控 對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器 。 其控制規(guī)律為 三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 20 ? ? ? ? ? ? ? ?01 t DpIT d e tu t K e t e t d tT d t??? ? ?????? (033) 或?qū)懗蓚鬟f 函數(shù) 形式 ? ? ? ?? ? 11pDIUsG s K T sE s T s??? ? ? ????? (034) 圖 37 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 式中 pK —— 比例系數(shù) ； IT —— 積分時間常數(shù) ； DT —— 微分時間常數(shù)。 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(qiáng)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。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。增大 IT 將減慢消除靜 差的過程，但可減少超調(diào)，提高穩(wěn) 定性。 3. 微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正 信號，從而減小超調(diào)， 克服振蕩 ，加快系統(tǒng)的動作速 度，減小調(diào)節(jié)時間，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 比例 積分 微分 被控對象 ()rt ()et ()ut ()ct++++三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 21 PID 控制器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn) 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量，因此，式 (326)中的積分和微分項(xiàng)不能 直 接使用，需要 進(jìn) 行離散化處理。按 模擬 PID 控制算法的算式 （ 326) ，現(xiàn)已 一 系列的采樣時刻點(diǎn) 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。 顯然，上述離散化過程中，采樣周期 T 必須足夠短，才能保證有足夠的精 度。將 ? ?ekT簡化表示成 ??ek等，即省去 T。將式 （ 328） 代入式 （ 326） ， 可得離 散的 PID 表 達(dá)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(jì)算機(jī)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? 。 由式 （ 330） 可得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?101 1 1 2kp I Dju k K e k K e j K e k e k??? ? ? ? ? ? ? ?????? (038) 由式（ 330） 和（ 331） 可得三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 1 2 1 2p I Du k u k K e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? (039) 所以 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 ( ) ( 2 ) 1 2p I D p D Du k u k K K K e k K K e k K e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (040) 三相電壓型 PWM 整流器的 PI 控制器的設(shè)計(jì) 在三相電壓型 PWM 整流 器 的過程啟動、結(jié)束或大幅度增減負(fù)載時，短時 間內(nèi)系統(tǒng)的輸出有很大的偏差，會造成算得的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的震蕩，這是絕對不允許的。本文采用積分分離和變參數(shù) PI 控制算法進(jìn)行 PI 控制器的 設(shè)計(jì)，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，具有較好的控制性能。 具體實(shí)現(xiàn) 如下 : ，設(shè)定 一 閥值 ? 0； ??ek? 時，也即偏差值 ??ek 比較大時，為了避免過大的 超調(diào) ，又使 系統(tǒng)有 較快的響應(yīng)，采用比例控制，比例系數(shù)取為 1pK ， 控制輸出為 ? ? ? ?1pu k K e k? (041) ??ek ?? 時， 也即偏 差 信號比較小時 ， 采用 PI 控制，比例系數(shù)取為 2pK ， 且有1pK 2pK 。在這種條件下，設(shè)定一閥值 max 0u??，當(dāng) maxkuu? ?? 時， PI 控制輸出為 ? ? ? ? m a x1u k u k A u? ? ? ? (042) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2211k p I pu u k u k K K e k K e k? ? ? ? ? ? ? ? (043) 在這里 ， A 按下來取 **11dc dcdc dcUUAUU? ??? ?????當(dāng)當(dāng) (044) 當(dāng) maxkuu? ?? 時，由式 (333) ，可得 PI 控 制的輸出為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2211p I pu k u k K K e k K e k? ? ? ? ? ? (045) 三相電壓型 PWM 整流器系統(tǒng)仿真的研究 三相電壓現(xiàn) PWM 整流器主電路的仿真模型 針對三相電壓型 PWM 整流器 ，建立采用開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型，首先 作以下假三相電壓型 PWM 整流器設(shè)計(jì) 23 設(shè)： AOu 、 BOu 、 COu 為 三 相平穩(wěn)的純正弦波電動勢 ； ，且不考慮飽和 ； sR 同 交流濾波電感等效電阻 lR 合并，且令slR R R??。 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 。 (046) 由圖 21， 忽略開關(guān) 器 件的開關(guān)延時、死區(qū)時間，控制系統(tǒng)緩 沖 時間，根據(jù) 霍爾效應(yīng)電壓定律，三相電壓型 PWM 整 流器 a 相回路方程為 ： ? ?aa a o a N N OdiL R i u v vdt ? ? ? ? (047) 當(dāng) aK 導(dǎo)通 ,而 aK? 關(guān)斷時 , 1aS? ，且 aN dcvv? 。當(dāng) aK 關(guān)斷 ,而 aK? 導(dǎo)通 時，開關(guān) 函數(shù)0aS? ，且 0aNv ? 。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(dāng)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(jì) 24 , j jN dc dcj a b c i v i v? ?? (054) 又因?yàn)? 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(fù)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(diǎn) 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(dá)式為 : X AX BE?? (059) 其中