【正文】 積。這樣的電壓脈沖序列可以減小負(fù)載電流中的高次諧波含量。進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，脈沖序列的占空比按正弦規(guī)律變化。更重要的是，整流器的四象限運(yùn)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(yùn)行，具有重要意義。通過控制使電路穩(wěn)定在 B 點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)單位功率 因數(shù)整流。在 D 點(diǎn)是負(fù)阻性， PWM整流器可實(shí)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。在 A 點(diǎn)時(shí)為純感性，僅吸收感性無功，在 B 點(diǎn)是純阻性，僅吸收有功功率，可實(shí)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(diǎn)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(shè)計(jì)論文 18 性無功功率。取 A、 B、C、 D 作為 PWM 整流器運(yùn)行的特殊工作點(diǎn)，進(jìn)一步分析可以獲得 PWM 整流器在整個(gè)象限運(yùn)行規(guī)律?？芍?I與 E 的方向一致， PWM 整流器的輸入呈純阻性；U 的端點(diǎn)在 C時(shí)（圖 22c）， I 較電動勢矢量 E 超前 90176。 PWM 整流器的輸入呈純感性。 當(dāng)橋側(cè)電壓矢量 U 的端點(diǎn)在 A 時(shí)（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。 ABCDIABCDIABCDIABCDILU( a )( b ) ( c )( d )E E E EU LU LU LUU 圖 22 PWM整流器的四種運(yùn)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(shí)，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(yùn)行時(shí)，橋側(cè)電壓矢量 U 的端點(diǎn)運(yùn)行軌跡，是一個(gè)以 ||LU 為半徑的圓。不計(jì)開關(guān)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(guān)管的寄生參數(shù)，分析整流器在理想工作狀態(tài)下的運(yùn)行方式。輸入電源、電感、功率管及負(fù)載組成了一個(gè)功率回路。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(guān)調(diào)制 PWM 整流器 按 PWM 開關(guān)調(diào)制分類 軟開關(guān)調(diào)制 半橋電路 按橋路結(jié)構(gòu)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(diǎn)，為便于分析 PWM整流原理，可采用圖 21 所示的基波等效電路。通過進(jìn)一步的研究表明， 因?yàn)?PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控，所以可被推廣應(yīng)用于有源電力濾波及無功補(bǔ)償?shù)确钦髌鲬?yīng)用場合。因?yàn)殡娔艿碾p向傳輸，當(dāng) PWM 整流器從電網(wǎng)吸取電能時(shí)，運(yùn)行于整流工作狀態(tài)；當(dāng) PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，運(yùn)行于有源逆變工作狀態(tài)。因此， PWM 整流器具有以下優(yōu)良特性：（ 1）網(wǎng)側(cè)電流為正弦波（ 2）網(wǎng)側(cè)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(yīng) [9]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 第二章 PWM 整流器工作原理及主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 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(jìn)行了全面改進(jìn)。 第四章 在 Saber 環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型，對前文所進(jìn)行的理論分析和元器件參數(shù)選定進(jìn)行仿真驗(yàn)證；依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對電路不同運(yùn)行狀態(tài)下動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行仿真， 觀察、分析系統(tǒng)運(yùn)行特性，以期優(yōu)化控制性能。并且根據(jù)兩相同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下各電流分量的物理含義，給出了控制無功電流，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)調(diào)節(jié)的控制方法。 第二章 介紹 PWM 整流器基本工作原理，研究 SPWM 調(diào)制技術(shù)。建立整流器數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的仿真模型，進(jìn)行仿真分析，參考仿真結(jié)果，詳細(xì)設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)及各部分的控制參數(shù)。 3. 對整流器主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)、器件選型、開關(guān)管的驅(qū)動及保護(hù)方案等。 2. 系統(tǒng)建模與分析： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 根據(jù)三相 VSR 主電路結(jié)構(gòu)分別推導(dǎo)了基于三相靜止坐標(biāo)系以及兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的系統(tǒng)模型。 整流器相關(guān)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(shè)計(jì)、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(guān)文獻(xiàn)資料，構(gòu)建系統(tǒng)框架。 3. 輸出電壓 400Vdc。 主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1. 輸入電壓：三相 115V， 360HZ～ 800Hz。由于輸入電流的參考值在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(yùn)用坐標(biāo)變換的控制方法，可以實(shí)現(xiàn)輸入交流電流在幅值和相位上的零靜差控制。在控制策略方面，滯環(huán)比較控制方法，由于其開關(guān)頻率不固定，并在較大范圍內(nèi)變化，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)復(fù)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(gè)問題在中頻 400Hz 時(shí)更為突出。本文即針對的航空發(fā)動機(jī)供電的三相整流器展開研究，功率等級取為 5kW。這種控制方法將空間矢量控制與 SPWM 控制相結(jié)合，在 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型下，通過解耦控制，采用兩個(gè)獨(dú)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]。本文僅針對變頻轉(zhuǎn)恒頻電源中的整流部分，進(jìn)行理論研究和仿真分析。特定結(jié)構(gòu)的靜止變換器可將航空發(fā)電機(jī)輸出的變頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再將該直流電轉(zhuǎn)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(fù)載的供電電源，即變頻轉(zhuǎn)恒頻電源（ VFCFC）。 研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文的主要研究內(nèi)容 靜止變換器是利用電力電子半導(dǎo)體器件，將一種直流或交流電轉(zhuǎn)換為另一種直流或交流電以便供負(fù)載使用的電力裝置 。 國內(nèi)外 PWM 整流技術(shù)的應(yīng)用研究集中在恒頻電力系統(tǒng)，其在變頻電力系統(tǒng)下的研究與應(yīng)用尚不多見 。電壓 矢量控制的關(guān)鍵是 要 通過 對 電網(wǎng)電壓信號的檢測 來取得 同步信號，因此 控制系統(tǒng) 必須要 增加電網(wǎng)電壓傳感器，這 就導(dǎo)致了 控制系統(tǒng)復(fù)雜， 成本增加 ，可靠性降低。電壓外環(huán) 用 來保持 直流母線電壓穩(wěn)定，而電流內(nèi)環(huán) 用來 實(shí)現(xiàn) 網(wǎng)側(cè) 電流 跟蹤指令電流 ，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化。而 直接電流控制的研究 領(lǐng)域 中， SPWM 整流器 和 SVPWM 整流器 的研究最 為 活躍。而直接電流控制的電流動態(tài)響應(yīng)速度快，魯棒性好，因此是目前主要的電流控制策略。 （ 3） PWM 整流器電流控制 方法：常用的有直接電流控制和間接電流控制兩種 。 針對不同的 用途 ， 對于 PWM 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究 的 側(cè)重點(diǎn)也不同。 （ 2） PWM 整流 器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ： 根據(jù) 直流 濾波元件 的不同， 分為電壓型 PWM 整流 器和電流型 PWM整流 器。 和 Chun 則在基于等效電路 [23]的基礎(chǔ)上，給出了 PWM 整流器的低頻變壓器數(shù)學(xué)模型 ，并利用該模型對整流器在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)條件下的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析。 目 前 ，國內(nèi)外 PWM整流器 的主要研究領(lǐng)域有如下幾方面 [22]： （ 1） PWM 整流 器的建模 ：這是 PWM 整流器運(yùn)行原理和控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)。由于無源性控制是一種本質(zhì)的能量控制，國內(nèi)外學(xué)者開始將無源控制理論應(yīng)用到整流器控制中 [21]。而且，利用這種方法 ,可以根據(jù)需要對其功率因數(shù) 進(jìn)行調(diào)節(jié)，在這兩種方法中，前者是產(chǎn)生諧波后進(jìn)行補(bǔ)償，而后者是消除諧波源，是解決諧波問題的根本措施 [31][32]。另一種是主動的解決方法，即將電力電子裝置本身進(jìn)行改造 ,通過改造使裝置輸入側(cè)的電壓和電流實(shí)現(xiàn)同相位，從而不再產(chǎn)生諧波 ,也不再消耗無功功率。 電網(wǎng)中的電力電子設(shè)備是電力系統(tǒng)諧波的主要來源之一，而各種整流裝置在這些設(shè)備中所占的比例最大，常用的整流裝置大多采用二極管不控整流或晶閘管相控整流 ,其電路簡單，經(jīng)濟(jì)可靠，但是這種不控或是半控型整流器的功率因數(shù)低，網(wǎng)側(cè)電流波形畸變并含有大量低次諧波，消耗大量的無功功率，影響供電質(zhì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 量，而且對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，這種整流器的單向?qū)щ娦韵拗屏穗姍C(jī)制動能量向電網(wǎng)的回饋，造成大量的能源浪費(fèi)。 PWM 整流器的直流電壓受控恒定，可實(shí)現(xiàn)電能的“綠色變換”，成為本文變換器輸入級的首選。 20 世紀(jì) 90 年代以來， PWM 整流技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)整流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行，不僅輸入電流諧波含量低，且能雙向傳輸功率，甚至按需調(diào)節(jié)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的無功功率優(yōu) 化，成為 PFC 裝置的技術(shù)熱點(diǎn)。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。 此外，隨著新型飛機(jī)變頻電源系統(tǒng)對恒頻電源系統(tǒng)的取代，傳統(tǒng)的電力有源濾波和無功補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足新型航空電源變頻系統(tǒng)的要求，迫切需要一種適合于變頻電源系統(tǒng)的有源濾波和無功補(bǔ)償器。與地面電源系統(tǒng)不同，采用變頻電源系統(tǒng)的多電飛機(jī)對 PFC 技術(shù)有著特殊要求：（ 1）輸入電源頻率變化范圍為 360～ 800Hz；（ 2）更為嚴(yán)格的諧波標(biāo)準(zhǔn)；（ 3）對用電設(shè)備效率、體積和重量要求更高。傳統(tǒng)變頻器注重逆變級的結(jié)構(gòu)與控制，而不控整流器作為非線性電氣負(fù)載，將大量諧波電流注入供電系統(tǒng)，導(dǎo)致電壓、電流波形畸變，系統(tǒng)功率因數(shù)降 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 低，干擾嚴(yán)重，供電品質(zhì)下降，引發(fā)的功率損耗還會造成不必要的發(fā)熱，這在電能和散熱空間有限的航空飛機(jī)上，尤其是變頻供電系統(tǒng)中，情況復(fù)雜，危害嚴(yán)重，不能適應(yīng)多電飛機(jī)技術(shù)的要求。按額定400Hz設(shè)計(jì)的航空電動機(jī)，在電源頻率低于 400Hz時(shí)，起動能力較強(qiáng)，超過 400Hz，起動能力隨頻率升高而變差，在電源頻率較高時(shí)，電機(jī)可能無法起動，因而需要為電機(jī)配置電源變換器，將供電系統(tǒng)提供的變頻交流電變換為適合電機(jī)起動和運(yùn)行的交流電 [1]。由 115V/360Hz～ 800Hz飛機(jī)變頻電源直接驅(qū)動的異步電機(jī)，工作在變頻恒壓輸入狀態(tài)。由于異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，飛機(jī)的重要電動泵類負(fù)載，如電動燃油泵、電動液壓泵等，多由異步電機(jī)驅(qū)動。 在變頻供電系統(tǒng)背景下，飛機(jī)電氣負(fù)載根據(jù)電源頻率對其影響程度，可分為一般負(fù)載和特殊負(fù)載。電力系統(tǒng)代替其他飛機(jī)二次能源的優(yōu)勢也體現(xiàn)在其可以方便的傳輸和控制，所以可以根據(jù)飛行狀態(tài)來調(diào)節(jié)設(shè)備的工作狀態(tài)以節(jié)約飛行成本；（ 4）對于大容量的飛機(jī)電力系統(tǒng)，主發(fā) 電機(jī)輸出額定電壓為 230V甚至更高，有利于減輕系統(tǒng)重量。諸多實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)證明了變頻供電系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢，目前，國內(nèi)也在積極將變頻供電系統(tǒng)付諸實(shí)踐 [6]。恒速恒頻系統(tǒng)的 IDG成本高、體積重量大、維護(hù)難、可靠性差；變速恒頻系統(tǒng)的電力變換與配套裝置也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、笨重和可靠性差等缺點(diǎn)；變頻系統(tǒng)無需恒速傳動裝置，電源變換裝置少、工作頻率范圍 寬、系統(tǒng)容量大，但對發(fā)電機(jī)輸出調(diào)壓的要求高，而價(jià)格低、重量輕、可靠性好、維護(hù)便利，使變頻系統(tǒng)更具優(yōu)勢。當(dāng)今飛機(jī)交流發(fā)電技術(shù)有恒速恒頻、變速恒頻和變頻三種。各用電設(shè)備對供電類型和電壓等級都有不同要求，這對供電系統(tǒng)的容量和供電質(zhì)量提出了更高要求。多電技術(shù)的應(yīng)用不僅大大降低了飛機(jī)的成本與重量，而且提高了飛機(jī)的可靠性和維護(hù)性。這 種廣泛采用電能作為飛機(jī)供電系統(tǒng)的二次能源的飛機(jī)稱為多電飛機(jī)（ More Electric Aircraft， MEA） [1]。 在傳統(tǒng)的飛機(jī)能源系統(tǒng)中存在著多種二次能源，如氣壓能源、液壓能源、電能源等，多種二次能源要求飛機(jī)發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣上裝配發(fā)電機(jī)