【正文】 開關頻率獲得了等效的高開關頻率控制，即在降低功率損耗的同時，有效地提高了PWM整流器的電流、電壓波形品質。多電平拓撲結構的PWM整流器主要應用于高壓大容量場合。在小功率應用場合，PWM整流器拓撲結構的研究主要集中在減少功率開關和改進直流輸出特性上。本文的輔電源試驗臺項目對這方面研究做出了有益的嘗試。為此，很多學者提出了解決不平衡控制的理論，比如不平衡條件下，網(wǎng)側電流和直流電壓時域表達式、電感電容設計準則、正負序兩套同步旋轉坐標系獨立控制等。一旦電網(wǎng)不平衡，以三相電網(wǎng)平衡為約束所設計的PWM整流器就會出現(xiàn)不正常的運行狀態(tài)，主要表現(xiàn)在:PWM整流器直流側電壓和網(wǎng)側電流的低次諧波幅值增大，且產(chǎn)生非特性諧波，同時消耗相應增大；PWM整流器網(wǎng)側電流亦不平衡，嚴重時可使PWM整流器發(fā)生故障，甚至燒壞裝置。在三相PWM整流器控制策略研究過程中，一般均假設三相電網(wǎng)是平衡的。其基本思路就是，根據(jù)時間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓，并在動態(tài)過程中降低相應無功分量的響應速度，從而有效的提高了有功分量的動態(tài)響應速度，實現(xiàn)了三相電壓型PWM整流器直流電壓的時間最優(yōu)控制。而有功、無功分量間的動態(tài)禍合和PWM電壓利用率的約束，影響了電壓型PWM整流器有功分量的動態(tài)響應。第二種，PWM整流器的時間最優(yōu)控制。本文將對虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的矢量控制進行控制策略和實驗研究。無電網(wǎng)電動勢傳感器控制方式，其主要實現(xiàn)方案可以分為兩大類：矢量控制(VOC)和直接功率控制(DPC)。為進一步簡化電壓型PWM整流器的信號檢測，Toshi Hiko Noguchi等學者提出了一種無電網(wǎng)電動勢傳感器的PWM整流器控制策略。下面簡單的介紹其中的三種。隨著PWM整流器及其控制策略研究的深入，研究人員展開了多角度多層次的研究工作。 本文并聯(lián)二重化實驗用小功率PWM整流器系統(tǒng)將采用同步PI控制方法本文逆變器試驗臺系統(tǒng)將采用三相獨立調節(jié)電流的預測電流控制算法，可以單獨控制各相電流的不平衡運行。這種控制算法的缺點是需使用微分項，易引入高頻干擾；由于采用滯環(huán)控制方式，開關頻率不固定，要求快速的微處理器來實現(xiàn)。用給定功率和估測功率進行比較，其誤差經(jīng)過比較器和整流器狀態(tài)選擇器，就可以輸出整流器下一次的開關狀態(tài)，達到了直接功率控制的要求。三相PWM整流器的直接功率控(DPC)是一種基于瞬時功率理論的滯環(huán)控制方法。矢量控制可以分為電壓定向控制和虛擬磁鏈定向控制兩種。矢量控制早在20世紀70年代初被提出，當時以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了把交流電動機等效為直流電動機控制的先河。同步PI控制開關頻率固定，采用同步坐標系下控制，可實現(xiàn)有功、無功電流解禍控制，有功、無功功率獨立調節(jié)。滯環(huán)電流控制開關頻率不固定，不利于器件的選取和控制的實現(xiàn)。對于直接電流控制系統(tǒng)，可分為滯環(huán)電流控制、預測電流控制、同步PI控制、直接功率控制等，其中基于空間矢量的PWM控制最為流行。直接電流控制由于具有網(wǎng)側電流閉環(huán)控制，使系統(tǒng)動、靜態(tài)性能得到提高，可以獲得較高品質的電流響應，同時也使網(wǎng)側電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性。間接電流控制由于無需交流電流傳感器，因此系統(tǒng)結構簡單。.001首先提出的間接電流控制策略[6]；引入交流電流反饋的目前占主導地位的直接電流控制策略。根據(jù)有無引人電流反饋可將控制方法分為兩大類：.39。為保證直流側的電壓恒定，控制系統(tǒng)多采用電壓外環(huán)的PI調節(jié)控制。PWM整流器主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路；PWM開關控制由單純的硬開關調制發(fā)展到軟開關調制；功率等級從千瓦級發(fā)展到兆瓦級，而在主電路類型上，既有電壓型整流器(Voltage Source RectifierVSR)，也有電流型整流器(Current SourceRectifierCSR，并且兩者在工業(yè)上均成功地投入了應用。這些應用研究，又促進了PWM整流器及其控制技術的進步和完善。 20世紀90年代以來，PWM整流器一直是學術界關注和研究的熱點課題。1984年Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓撲結構的無功補償器控制策略[4]這實際上就是電壓型PWM整流器早期的設計思想。 PWM整流器的研究始于20世紀80年代，這一時期由于全控器件的日益成熟和應用，推動了PWM技術的應用與研究。作為電網(wǎng)主要“污染”源的整流器，首先受到了學術界的關注，并開展了大量研究工作[12]。 三相PWM整流器的國內(nèi)外發(fā)展狀況 變頻器、逆變電源、高頻開關電源以及各類特種變流器等裝置很大一部分都需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓。 獲得高功率因數(shù)，消除諧波的方法主要有兩種:一種是被動法，即在諧波和無功產(chǎn)生的情況下采用補償裝置，補償其諧波和無功功率；二是主動法，即對傳統(tǒng)整流裝置本身進行改進，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且不消耗無功功率或根據(jù)需要對其功率因數(shù)進行控制:兩者比較，采用改進傳統(tǒng)整流裝置的方法改善功率因數(shù)和實現(xiàn)諧波抑制更為有效，也就是開發(fā)輸入電流為正弦、諧波含量低且功率因數(shù)接近于1的高性能二相整流器。(2)輸入電流諧波含量高，諧波除了降低了發(fā)電、輸電設備的利用率外，還會影響設備的正常工作，產(chǎn)生不希望的機械震動和噪音；諧波還容易引起某些繼電器、接觸器的誤動作，造成事故；同時，諧波也對周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，影響通訊設備的正常工作等。傳統(tǒng)整流裝置主要是指由二極管組成的非線性電路或由晶閘管組成的相控電路，它們主要存在以下缺點：(1)網(wǎng)側功率因數(shù)低，對電網(wǎng)造成了無功增加，危害電網(wǎng)質量。而我國對高功率因數(shù)PWM整流器的研究起步較晚，對PWM整流技術的工程應用研究還有待繼續(xù)深入。因此，消除諧波污染并提高功率因數(shù)，己經(jīng)成為電力電子技術中的一個重大課題。各種電力電子裝置的使用對公用電網(wǎng)所造成的諧波污染問題受到了人們的關注?；贒SP的PWM整流器設計與原理畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 1 三相PWM整流器的國內(nèi)外發(fā)展狀況 2 2 PWM整流器的研究狀況 5 PWM整流器控制技術研究方向 7 8第二章 PWM整流器的工作原理、拓撲結構及數(shù)學模型 9 PWM整流器的工作原理 9 PWM整流器電路拓撲 11 11 14 14 17第三章 整流器主電路參數(shù)的選擇 20 20 20 21 22第四章 PWM整流器的硬件設計 23 23 23 24 25 26 27 27 28 30 31 31 32 33 DIPIPM緩沖電路設計 34第五章 基于DSP的空間電壓矢量脈寬調制的實現(xiàn) 35 35 38 39 40第六章 軟件設計 42 42 42 42 43 43 43 45 45 PID控制子程序 45 46 46結論 49致謝 50參考文獻 51II長學春工業(yè)大學士學位論文第一章 緒論 近20年來隨著電力電子裝置的廣泛使用，由此引起的諧波污染問題日益嚴重，逐漸受到了人們的重視。目前，大部分的電力電子裝置所使用的直流電源是通過不可控流或相控整流得到的，這些傳統(tǒng)的設備在運行中對電網(wǎng)注入了大量的諧波和無功，因此造成了嚴重的電網(wǎng)污染。據(jù)日本電氣協(xié)會1992年發(fā)表的一項關于諧波源的調查報告表明，到2001年，AC/%，通訊設備配套用AC/DC開關電源增長率超過15%，全球開關電源市場規(guī)模從92年的82億增加到99年的166億美元，平均年增長率為10%，到09年全球開關電源規(guī)模超過488億美元。同時，為了保證電網(wǎng)和用電設備的安全經(jīng)濟運行，目前許多工業(yè)國家和組織都制定了相應的諧波標準，如國際電工委員會(IEO制定的IEEE5552標準對用電裝置的功率因數(shù)和波形失真度作了具體的限制，歐洲也制定了相應的IEC100032標準，我國國家技術監(jiān)督局也于1993年頒布了《電能質量公用電網(wǎng)諧波》標準(GB/1454993)，并于1994年3月1日起正式執(zhí)行。鑒于國際標準的要求、國內(nèi)研究現(xiàn)狀及AC/DC電源行業(yè)的巨大市場需求，本課題顯得尤為貼近實際。同時，無功的副作用還表現(xiàn)為降低了發(fā)電、輸電設備的利用率，增加了線路損耗。(3)交流側電網(wǎng)電壓波形畸變，污染電網(wǎng)。三相PWM高功率整流器與傳統(tǒng)的整流裝置相比，具有交流側輸入、輸出電流諧波小，功率因數(shù)可調，直流側電壓波動小，能量能雙向流動等優(yōu)點，因而其控制的策略研究成為目前電力電子領域中的一個熱點。由于常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因而對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功，造成了嚴重的電網(wǎng)“污染”。其主要思路就是將PWM技術引入整流器的控制中，使整流器網(wǎng)側電流正弦化，可運行于單位功率因數(shù)，這就是PWM整流器。1982年Busse Alfred, oltz Joachim首先提出了基于可關斷器件的三相全橋PWM整流器拓撲結構及其網(wǎng)側電流幅相控制策略，并實現(xiàn)了電流型PWM整流器網(wǎng)側單位功率因數(shù)正弦波電流控制。到20世紀80年代末，、離散動態(tài)數(shù)學模型及控制策略，PWM整流器的研究發(fā)展到一個新的高度[15]。隨著研究的深入，基于PWM整流器拓撲結構及控制的拓展，相關的應用研究也發(fā)展起來。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，PWM整流器技術己日趨成熟?？刂萍夹g是PWM整流器發(fā)展的關鍵。為了使電壓型PWM整流器工作時達到單位功率因數(shù)，網(wǎng)側呈現(xiàn)受控電流源特性，其網(wǎng)側電流控制策略的研究顯得十分重要。I39。間接電流控制技術為電流開環(huán)控制，如早期采用的相位幅值控制，通過PWM整流方法在整流器橋臂中點輸出幅值和相位受控的正弦PWM電壓，該電壓與電網(wǎng)電壓共同作用，可在整流器交流側形成所需的正弦基波電流，而諧波電流則由交流電感濾除。但動態(tài)響應慢，無限流功能，穩(wěn)定性很差等缺點影響了它的廣泛應用，己經(jīng)逐漸被直接電流控制取代。當然，直接電流控制的控制結構和算法較間接電流控制復雜。早期PWM整流器多采用滯環(huán)電流控制[8]，近期多采用預測電流控制和同步PI控制[9]等控制算法。預測電流控制保持滯環(huán)電流控制響應速度快的特點，實際電流能夠在一個開關周期內(nèi)跟蹤上指令電流，而且控制周期和器件開關頻率固定，整個控制系統(tǒng)中只有電壓環(huán)一個PI調節(jié)器，參數(shù)整定比較簡單。采用PI調節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差調節(jié)，能夠獲得較好的動靜態(tài)特性。根據(jù)磁場等效的基本原理，三相靜止坐標、兩相靜止坐標和兩相旋轉坐標系之間可以進行相互轉換，這樣就可以把對交流量的控制轉變成對直流量的控制，使系統(tǒng)得到較好的動靜態(tài)性能[10]。別外一種是直接功率控制困PC[3]。它根據(jù)有功和無功功率與開關狀態(tài)的簡單對應關系，由整流器的開關狀態(tài)來估計有功和無功功率。直接功率控制在本質上是對輸入電流進行控制，能夠有效改善電流波形的畸變，獲得高功率因數(shù)；控制系統(tǒng)中沒有電流內(nèi)環(huán)控制和PWM調制模塊，控制方便，算法簡單由整流器的交流側電流、直流側電壓和功率器件的開關狀態(tài)來估算有功、無功功率和電網(wǎng)電壓。直接功率控制也可以分為電壓定向控制和虛擬磁鏈定向控制兩種。第5章將詳細介紹同步PI控制和新型預測電流控制算法。為了解決PWM整流器在應用中的既有缺點和障礙，一些較為新穎的系統(tǒng)控制策略相繼被提出。首先，出現(xiàn)了對無電網(wǎng)電壓傳感器控制及無電網(wǎng)電流傳感器控制的研究。[14]。他們分別是虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制(VFOC)和虛擬電網(wǎng)磁鏈定向直接功率控制(VFDPC)。另外，從而為無電網(wǎng)電流傳感器的PWM整流器研究奠定了基礎。常規(guī)的基于dq模型的電壓型PWM整流器控制，一般通過前饋解禍控制，并采用兩個獨立的PI調節(jié)器，分別控制相應的有功無功分量。針對這一問題，Jong Woo choi等學者利用最優(yōu)控制理論，提出了確保直流電壓響應的時間最優(yōu)控制。第三種，很多學者專注于電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制策略研究。而實際上，三相電網(wǎng)常處于不平衡狀態(tài)，即三相電網(wǎng)電壓的幅值、相位不對稱。為了使PWM整流器在電網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運行，必須提出相應的控制策略。這方面控制策略仍有待更進一步的研究。對于不同功率等級以及不同的用途，人們研究了各種不同的PWM整流器拓撲結構。對于大功率PWM整流器，其拓撲結構的研究主要集中在多電平拓撲結構、變流器多重化以及軟開關技術上。而對于大電流應用場合，常采用變流器并聯(lián)多重化。 PWM整流器的研究狀況當前對PWM整流器的研究主要是以下幾個方面:(1)關于PWM整流器的建模研究 PWM整流器數(shù)學模型的研究是PWM整流器及其控制技術研究的基礎。而Chun Y Hu等則利用局部電路的dq坐標變換建立了PWM整流器基于變壓器的低頻等效模型電路，并給出了穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性分析。(2)關于PWM整流器拓撲結構的研究 PWM整流器拓撲結構可分為電流型和電壓型兩大類。電流型PWM整流器(CSR)直流側則是采用大電感進行電流儲能，使得CSR直流側呈高阻抗的電流源特性。而電流型 PWM整流器由于需要較大的直流儲能電感，以及交流側LC濾波問題，制約了電流型PWM整流器地發(fā)展。 在小功率場合，PWM整流器拓撲結構的研究集中在減少功率開關和改進直流輸出性能上。對于大功率PWM整流器，其拓撲結構的研究主要集中在多電平、變流器組合以及軟開關技術上。而對大電流應用場合，則常采用變流器組合拓撲結構，即將獨立的電流型PWM整流器進行并聯(lián)組合。同樣，可以將電壓型PWM整流器串聯(lián)組合，以適應高壓大容量的應用場合。(3)關于電壓型PWM整流器的電流控制策略研究 為了使電壓型PWM整流器網(wǎng)側呈現(xiàn)受控電流源特性，其網(wǎng)側電流控制策略的研究顯得十分重要。間接電流控制實際上就是所謂的“幅相”電流控制，即通過控制電壓型PWM整流器的交流側電壓基波幅值、相位，進而間接控制其網(wǎng)側電流。直接電流控制以其快速的電流響應和魯棒性受到了重視，出現(xiàn)了不同的控制方案，主要包括以固定開關頻率且采用電網(wǎng)電動勢前饋的SPWM控制，以及滯環(huán)電流控制。目前電壓型PWM整流器網(wǎng)側電流控制己開始將固定開關頻率、滯環(huán)及空間矢量控制相結合，以使其在大功率有源濾波等需快速電流響應場合獲得優(yōu)越的性能。