【正文】 級(jí) PWM 整流使控制器穩(wěn)態(tài)輸入功率因數(shù)達(dá)到 以上，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和可行性。 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié) ....................................................... 61 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 第一章 緒論 研究背景及意義 飛機(jī)電源系統(tǒng)的主要功能是產(chǎn)生或存儲(chǔ)機(jī)載用電設(shè)備所需的電能，以保證機(jī)上各種用電設(shè)備正常工作時(shí)電能的供應(yīng) [1]。一次電源是直接由航空發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)及其控制保護(hù)器組成；二次電源是將飛機(jī)上主電源的能量轉(zhuǎn)換為另一種或者多種形式的電能，以滿足機(jī) 載用電設(shè)備對(duì)電能形式的多樣化需求；輔助電源主要由輔助動(dòng)力裝置組成；應(yīng)急電源是一個(gè)獨(dú)立的電源，在主電源都發(fā)生故障時(shí)，向飛機(jī)重要用電設(shè)備供電，可采用蓄電池或應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電 [2][3]。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能不斷提高，在一些應(yīng)用中逐漸取代了液壓和氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu) [2][3]。多電飛機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展優(yōu)化了飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，進(jìn)而優(yōu)化了飛機(jī)系統(tǒng)的性能，為飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)帶來了歷史性的變化。 此外，多電飛機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使機(jī)載用電設(shè)備的數(shù)量和種類日趨龐雜?？煽糠€(wěn)定、高功率密度、低噪聲等，成為多電飛機(jī)電力系統(tǒng)的 發(fā)展方向。其中，恒速恒頻系統(tǒng)通過將恒速傳動(dòng)裝置（ CSD）與發(fā)電機(jī)整合，形成組合傳動(dòng)發(fā)電機(jī)（ IDG）來實(shí)現(xiàn)；變速恒頻系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)直接連到發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱，發(fā)電機(jī)輸出通過電源變換裝置，得到 400Hz恒頻輸出；變頻系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)直接連到發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱，發(fā)電機(jī)輸出頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。 20世紀(jì) 80年代，變頻技術(shù)首先 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 應(yīng)用于轉(zhuǎn)速范圍較小的渦輪螺旋槳飛機(jī)，隨后空客 A380飛機(jī)選用了 TRW公司的變頻發(fā)電技術(shù)，波音 B787飛機(jī)也采用了變頻發(fā)電系統(tǒng)。 總而言之，變頻供電的優(yōu)點(diǎn)在于： (1)相對(duì)于恒頻交流發(fā)電而言，變頻發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積重量小，電能轉(zhuǎn)換率高（可達(dá) 90%），系統(tǒng)可靠性好（ MTBF可達(dá) 3500飛 行小時(shí)）；（ 2）對(duì)于很多對(duì)電源頻率不敏感的設(shè)備，如燈、純阻性負(fù)載等，其所需要的電能中間不需要進(jìn)行任何變換就直接利用，某些電動(dòng)機(jī)也可以直接由變頻交流電直接驅(qū)動(dòng)，所以提高了可靠性和系統(tǒng)效率；（ 3）對(duì)于現(xiàn)代的飛機(jī)來說，很多設(shè)備需要控制器來改善其性能，以便提高整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的效率和飛行舒適性，如環(huán)控系統(tǒng)在飛行中可以根據(jù)不同的飛行狀態(tài)來調(diào)節(jié)客艙壓力滿足乘客的需求。因此，鑒于多電飛機(jī)供電系統(tǒng)大容量特點(diǎn)變頻供電體制具有明顯優(yōu)勢(shì) [4]。一般負(fù)載指對(duì)供電頻率變化不敏感的用電設(shè)備，包括照明、客艙加溫、除冰設(shè)備、無刷直流電機(jī)等；特殊負(fù)載指對(duì)供電頻率變化比較敏感的用電設(shè)備，如交流電機(jī)、變壓器、風(fēng)扇和一些電子控制設(shè)備。然而，異步電機(jī)由變 頻供電與恒頻供電相比，結(jié)構(gòu)和起動(dòng)、運(yùn)行特性都有所不同。根據(jù)定子電壓方程 ? ? ?1 1 m s N sU E f N k及電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與 m? 近似正比知：定子端交流電壓 1U 恒定時(shí)，隨電源頻率 1f 升高，繞組磁通 m? 減小，起 動(dòng)轉(zhuǎn)矩變小，電機(jī)起動(dòng)能力降低，可能導(dǎo)致電機(jī)無法帶載甚至空載起動(dòng)；若 1f 降低，則 ?m 升高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩加大，電機(jī)起動(dòng)能力增強(qiáng)。 上述電源變換器，本質(zhì)上為電力變頻器，最常 用的結(jié)構(gòu)是不控整流與變頻逆變級(jí)聯(lián)。為降低諧波影響，功率因數(shù)校正（ PFC）技術(shù)受到重點(diǎn)關(guān)注。因此，航空 PFC中需要解決的關(guān)鍵問題，可歸納為變頻率輸入條件下的高效率、高性能、高密度 [7]。采用電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)前饋、直接電流控制的電壓型整流器作為變頻轉(zhuǎn)恒頻電源（ VFCFC）的整流級(jí)，可以補(bǔ)償系統(tǒng)諧波（其諧波補(bǔ)償原理是從網(wǎng)側(cè)檢測(cè)出諧波電流，然后產(chǎn)生一個(gè)與該諧波 電流大小相等極性相反的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)以抵消諧波電流的影響，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量）。還可以根據(jù)實(shí)際需要，將網(wǎng)側(cè)電壓電流分解為有功和無功分量，通過一定的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的功率因數(shù)可調(diào)，為無功負(fù)載提供所需的無功功率。本文的電源變換器，為了能夠適應(yīng)飛機(jī)電力系統(tǒng)的對(duì)諧波和功率因數(shù)等的要求，輸入整流電路需要采用合適的諧波抑制措施，提高交流功率因數(shù)，改善整流級(jí)輸入特性，這也是本文的工作重點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著電力電子裝置在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合的不斷擴(kuò)大以及電力變換器的大功率化，諧波污染，無功功率損耗等問題越來越引起人們的重視 ,為了降低成本，節(jié)約能源 ,減少污染 ,在越來越多的電氣設(shè)備應(yīng)用中，對(duì)電能的品質(zhì) 提出了新的要求。 隨著這類非線性負(fù)載應(yīng)用的普及和容量的增大 ,電力電子裝置的諧波污染問題已經(jīng)成為目前電氣工程領(lǐng)域的棘 手問題之一，解決上述問題的主要方法有兩種 :一種是被動(dòng)的解決方法，如利用有源濾波器 (Active Power Filter APF)或者靜止無功補(bǔ)償器 (Static Var Compensator SVC)等，在網(wǎng)側(cè)對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償 [38][39]。實(shí)質(zhì)上，這種方法對(duì)電力電子裝置進(jìn)行了功率因數(shù)校正，使其實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)輸入。 PWM 整流器控制策略有多種，常用的控制策略主要有電流控制 [16]、功率控制[17]、精確反饋線性化 [18]、基于 Lyapunov 穩(wěn)定理論 [19]，以上策略各有其優(yōu)缺點(diǎn) [20]，不能使整流器達(dá)到理想性能。整流器無源控制基于系統(tǒng)的歐拉 拉格朗日 EL（ Euler Lagrange）模型，采用阻尼注入方法 [19]設(shè)計(jì)控制器，與其它控制策略相比，整流器性能雖有改進(jìn)，但當(dāng)負(fù)載變化、電源波動(dòng)和不平衡時(shí)存在直流電壓穩(wěn)態(tài)誤差較大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度不理想等問題 [35][36]。 和 等在時(shí)域下建立了較為系統(tǒng)的 PWM 整流器數(shù)學(xué)模型，并將其分解為高頻和低頻兩種。 Hengchun Mao 等人則在前人的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行降階后，得到了一種新穎的 PWM 整流器小信號(hào)數(shù)學(xué)模型，使得 PWM 整流器的特性分析大為簡(jiǎn)化。 二者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 PWM波調(diào)制方式、系統(tǒng)的整體控制策略均不相同。小功率應(yīng)用場(chǎng)合 ，一般專注于減少成本和改善輸出性能等方面，因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)集中于如 何能利用更少的開關(guān)管來得到更好的輸出性能； 而大功率場(chǎng)合 一般伴隨著高電壓、大電流，對(duì)開關(guān)器件的耐壓和耐流提出了更高要求，因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究集中于如何使器件僅需承受較低電壓和較小電流，多電平技術(shù)、多變流器拓?fù)浣M合和軟開關(guān)技術(shù)是主要研究方向， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗小，控制方便 的 電壓 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 型 PWM 整流 器成為 了 研究熱點(diǎn) 。間接電流控制 通過控制整流橋交流側(cè)電壓的幅值來控制交流電流幅值，通過控制整流橋交流側(cè)電壓的相位來控制交流電流相位，因此對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的控制是間接實(shí) 現(xiàn)的，這造成動(dòng)態(tài)過程中，間接電流控制首先要改變整流橋網(wǎng)側(cè)電壓，然后才能達(dá)到改變網(wǎng)側(cè)電流的目的，電流響應(yīng)速度較慢，同時(shí)系統(tǒng)參數(shù)變化通過這個(gè)間接過程后，必然使電流控制效果受到影響。直接電流控制主要包括滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率控制以及空間矢量電流控制等等。 （ 4） PWM整流器系統(tǒng)控制策略 ： PWM 整流 器通常采用 外環(huán) 電壓 、內(nèi)環(huán) 電流 的雙閉環(huán)控制策略 [24]。 在 PWM 整流 器 的 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，基于電網(wǎng)電壓定向的 空間 矢量控制是目前 主流 的電壓型 PWM 整流 器控制策略 [25]。應(yīng)用較多的是正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）和空間電壓矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）兩種。本文采用固定開關(guān)頻率的直接電流控制方法設(shè)計(jì)變頻輸入 SPWM 整流器控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)較好的電流波形、功率因數(shù)控制和變頻輸入下的整流工作特性 [8]。因其高效率、高功率密度、高可靠性和低電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注和研究。本文涉及的變頻轉(zhuǎn)恒頻靜止變流器 VFCFC 采用雙 SPWM 控制的電壓型整流器（ VSR Voltage Source Rectifier）加逆變器（ VSI Voltage Source 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 Inverter）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。選定整流級(jí)采用間接電流控制的 SPWM 三相半橋全控電壓型整流器。 在現(xiàn)行的大、中功率電力系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合，廣泛采用的是三相交流供電系統(tǒng)。 在三相整流器的實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，三相六開關(guān)拓?fù)?，即三相半橋全控器件搭建的整流電路，由于其良好的控制特性、能量雙向流動(dòng)及功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)而被采用。故本文利用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將交流輸入電壓、交流輸入電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系對(duì)變換后的電壓、電流等效直流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。 基于以上總結(jié)分析得到的控制方法，本文首先對(duì) 整流器基本 概念進(jìn)行總結(jié)；隨后，對(duì)坐標(biāo)變換進(jìn)行了研究和分析，并且，為了 適應(yīng)本文的整流器控制，對(duì)坐標(biāo)變換進(jìn)行調(diào)整；然后，在靜止坐標(biāo)系下，對(duì)三相半橋整流器進(jìn)行了電路建模分析，并變換到 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，據(jù)此完成了主電路及控制電路的設(shè)計(jì)；之后，借助 Saber 仿真軟件，在仿真環(huán)境下搭建整流電路完整仿真模型，經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所選控制方法可以達(dá)到分析預(yù)期的控制效果。 2. 輸入功率因數(shù)大于 。 4. 輸出功率 5kW。在查閱了文獻(xiàn)和材料的基礎(chǔ)上，對(duì)課題研究的背景、 PWM 整流器的發(fā)展現(xiàn)狀、各種 PWM 整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、三相 VSR 控制技術(shù)、調(diào)制方法、三相 VSR 研究現(xiàn)狀以及 PWM 整流器進(jìn)一步的研究方向進(jìn)行了闡述。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。 4. 根據(jù)整流器控制方案，選用 Synopsys 公司的 Saber 軟件構(gòu)建了三相 VSR仿真平臺(tái)。 本文的總體結(jié)構(gòu)安排 第一章 緒論 介紹課題的研究背景、現(xiàn)狀及意義，綜述所研究的整流器控制。確定變頻轉(zhuǎn) 恒頻變換前提下整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立其靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型，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。 第三章 參照控制目標(biāo)，確定整流器控制方案，進(jìn)行控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)控制器參數(shù)。 第五章 總結(jié)歸納全篇，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵的改進(jìn)是用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或二極管，以 PWM 斬控整流取代了相控整流或不控整流。 由此可知， PWM 整流器實(shí)際上 是一個(gè)其交、直流側(cè)可控的四象限運(yùn)行的變流裝置。 所謂的單位功率因數(shù)就是指：當(dāng) PWM 整流器處于整流狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相（正阻特性）；當(dāng) PWM 整流器處于有源逆變工作狀態(tài)時(shí)，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相（負(fù)阻特性）。 隨著 PWM 整流技術(shù)的發(fā)展 ,已經(jīng)設(shè)計(jì)出多 種 PWM 整流器 ,并可進(jìn)行如下所示的分類，它們?cè)谥麟娐方Y(jié)構(gòu) PWM 信號(hào)發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點(diǎn)。 ??LV dcULREUI dcI???C? LE 圖 21 PWM整流電路簡(jiǎn)化框圖 簡(jiǎn)化后整流電路由交流輸入電動(dòng)勢(shì) E 、升壓電感 L 、整流橋、直流濾波電容C 和直流負(fù)載 LR 、負(fù)載電動(dòng)勢(shì) LE 共同構(gòu)成。流過電感的電流 I 為整流橋輸入電流， LU 為電感電壓， U 為整流橋輸入電壓，直流輸出電流 dcI 為流過阻容網(wǎng)絡(luò)的電流之和。以輸入電動(dòng)勢(shì) E 合成矢量的正 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 方向?yàn)閰⒖挤较颍ㄟ^控制橋側(cè)交流電壓矢量 U 的大小和方向，可實(shí)現(xiàn) PWM 整流器在圖 22所示的以 A、 B、 C、 D四點(diǎn)為間隔的四象限運(yùn)行。由整流器輸入電壓與電流矢量的幅值與相位關(guān)系可以看出，整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有四種工作模式，主要由橋側(cè)電壓的幅值和方向決定其運(yùn)行象限。所以電流矢量 I 滯后電動(dòng)勢(shì) E 相位 90176。當(dāng) U 的端點(diǎn)在 B時(shí)（圖 22b），電感電流滯后其電壓 90176。整流器輸入呈純?nèi)菪?；?dāng)矢量 U 端 點(diǎn)在 D時(shí)（圖 22d）， I與 E 反向，整流器輸入呈負(fù)阻性。 當(dāng) U 的端點(diǎn)運(yùn)行在 ABC 段時(shí)， PWM 整流器工作在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收有功和無功功率。當(dāng) U 的端點(diǎn)運(yùn)行在 CDA 段時(shí)， PWM 整流器工作在有源逆變狀態(tài)，向電網(wǎng)傳輸有功和無功功率。 由 PWM 整流器運(yùn)行狀態(tài)可知，控制網(wǎng)側(cè)電壓 U 即可實(shí)現(xiàn)整流器的四象限運(yùn)行。以 PWM 整流器作為電機(jī)控制器的輸入級(jí)，可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，并可以在電機(jī)向直流環(huán)回饋功率時(shí)，通過控制使整流器運(yùn)行于有源逆變模式，將能量饋送至交流側(cè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。 正弦脈寬調(diào)制技術(shù) 正弦脈寬調(diào)制 SPWM 脈沖序列中，各脈沖寬度及相互間隔由正弦調(diào)制波和等腰三角載波的交點(diǎn)決定。當(dāng)正弦值為最大時(shí)，脈沖寬度也最大，脈沖間隔 則最小；反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖寬度也相對(duì)小，脈沖間隔則較大。 SPWM 基本控制原理 采 樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其作用效果基本相同。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。例如，圖 23 所示三個(gè)不同形狀的窄脈沖，其中圖（ a）為矩形脈沖，圖（ b）為三角形脈沖，圖（ c）為正弦半波脈沖， 它們的面積即沖量都等于 1。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D 23（ d）的單位脈沖函數(shù) ()t? 時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。如果把圖 24的正弦半波分成 N等份，就可以把正弦半波看成是由 N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。將上述