PWM整流器故障整断分析

中国矿业大学徐海学院 2014 届本科生毕业设计中国矿业大学徐海学院本 科 生 毕 业 论 文姓 名：吴 浩 学 号： 22101371学 院： 徐海学院 专 业： 电气工程及其自动化 论文题目： PWM 整流器及其故障诊断分析 2 专 题： 指导教师： 王颖杰 职 称： 讲师 2014 年 6 月 徐州中国矿业大学徐海学院 2014 届本科生毕业设计中国矿业大学徐海学院毕业论文任务书专业年级 理工 10 级 学号 22101371 学生姓名 吴浩 任 务 下 达 日 期 ： 2013 年 10 月 14 日毕业论文日期： 2013 年 12 月 30 日至 2014 年 6 月 7 日毕业论文题目：PWM 整流器及其故障诊断分析 2毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求：指导教师签字：中国矿业大学徐海学院 2014 届本科生毕业设计郑 重 声 明本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 中国矿业大学徐海学院 2014 届本科生毕业设计中国矿业大学徐海学院毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日中国矿业大学徐海学院 2014 届本科生毕业设计中国矿业大学徐海学院毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学徐海学院 2014 届本科生毕业设计中国矿业大学徐海学院毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题 正 确基 本正 确有 一般 性错 误有 原则 性错 误没 有回 答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日中国矿业大学徐海学院 2014 届本科生毕业设计摘 要随着电力电子技术的发展，具有网侧电流接近正弦波、功率因数近似为 1、直流侧输出电压稳定、抗负载扰动能力强并且能够在四象限运行的 PWM 整流器应运而生，成功地取代了不可控二极管整流器和相控的晶闸管整流器，并成为电力电子技术研究的热点。本文研究的主要对象就是应用最为广泛的三相电压型 PWM整流器。首先，本文首先介绍了 PWM 整流器研究的背景与意义，综述了三相电压型PWM 整流器 PWM 技术的发展及现状，引出了三相电压型 PWM 整流器， 。并接着分析了三相电压型 PWM 整流器的工作原理，并在此基础上建立了其在 ABC 三相静止坐标系、d-q 同步旋转坐标系两个不同坐标系下的数学模型。其次，本文引入了电压空间矢量，阐述了空间电压矢量控制的控制算法。本文也列出了几种用于三相 PWM 交直流整流器 IGBT 开关的故障的诊断的方法，并将不同的诊断方法优缺点进行了对比。最后，本文在理论分析的基础上，利用 MTALAB 提供的电力电子工具箱，在Simulink 仿真环境下建立了三相 VSR 电压型 PWM 整流器主回路控制模型，并对IGBT 断路故障进行了仿真分析对仿真结果进行分析。仿真结果验证了本文所述方法的正确性。 。关键词： 三相电压型 PWM 整流器； 电压空间矢量 PWM； 故障诊断； Matlab 仿真Comment w1: 认真修改英文中国矿业大学徐海学院 2014届本科生毕业设计ABSTRACTWith the development of power electronic and PWM technology, the rectifier has the characteristics of high power factor, harmonic minor, DC output voltage stability and has operate in the four -quadrants, etc. It becomes a green power conversion device. Therefore,the main research subject of this paper is the three-phase voltage source PWM rectifier. Firstly, the article introduces the background and significance of the PWM rectifiers research, overviews PWM technologys development history and status, raises the three-phase voltage source PWM rectifier, and analyse analyze the working principle of three-phase voltage source PWM rectifier, on this basis established its mathematical model on ABC static coordinate system and d-q synchronous rotating coordinate system two different coordinate system ,in addition.Secondly, this article bring in Voltage Space Vector ,and overview the arithmetic of it. This paper proposes modified fault detection methods for IGBT open switch fault in 3-phase ac/dc PWM converter, and comparisions are made among proposed fault diagnostic methods.Finally, in the foundation of theory analysis ,using Power Electric toolbox offered by MATLAB to finish the simulation experiment under Simulink environment and analyse analyze the simulation results.Keywords：Three-phase Voltage Source PWM Rectifiers; Space Vector PWM; Fault diagnosis; Matlab simulationComment w2: 英文字母请用新罗马字！中国矿业大学徐海学院 2014届本科生毕业设计1 绪论1.1PWM整流器概述随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率器件半导体开关，如普通晶闸管（SCR）发展到如今性能各异并且类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管（BJT） 、门极关断晶闸管（GTO） 、绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 、集成门极换向晶闸管（IGCT） 、功率场效应晶体管（MOSFET）以及场控晶闸管（MCT）等。功率半导体开关器件技术的进步也促进了电力电子变流装置的技术的迅速发展，出现了以脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，它们在社会各个领域中已经取得了广泛应用。然而，目前这些整流装置大部分需要整流环节才能获得直流电压。由于传统的整流环节采用了二极管不控整流电路或者晶闸管相控整流电路，进而导致网侧功率因数下降，造成电网的严重“污染” 。当采用二极管不控整流电路时，其不仅会从电网吸取畸变电流，而且还会对电网注入大量谐波和无功，导致电网的严重“污染” ，并且直流侧能量无法回馈电网。当采用晶闸管相控整流电路时，其不仅会因在深度相控下使得交流侧功率因数很低，而且也会因换流引起电网电压波形畸变等缺点。其实造成电网谐波受污染的原因有好多种，但其根本原因还是在于电力电子装置的开关工作方式，进而导致网侧电流、电压波形的严重畸形。针对以上两种整流电路的缺点，PWM 整流器对传统的二极管不控整流电路和晶闸管相控整流电路进行了全面的改进。PWM 整流器关键的改进在于其用全控型功率开关取代了二极管或者半控型功率开关，以 PWM整控整流取代了二极管不控整流和晶闸管相控整流。为了解决电力电子装置产生谐波和功率下降的问题有两种思路：一是对产生谐波的电力电子整流装置本身进行改造，使装置的输入正弦电压和电流相位相同，不产生谐波也不消耗无功功率；二是装设谐波及无功补偿装置，在电网侧对已经产生的谐波和无功功率进行补偿。这种整流器被称为高功率因数整流器，其主要采用 PWM整流技术，并且大部分都需要使用自关断器件。对于电流型整流器，可直接对其电力半导体器件的通断进行 PWM调制，使输入电流变成接近正弦且与电源电压同相的 PWM波形，最终得到接近 1的功率因数。对于电压型整流器，需要把整流器通过电抗器与电源相连，只要对整流器的各开关进行 PWM控制，就可以对整流器的网侧交流电流的大小和相位进行相应地控制，这样既能实现交流电流接近正弦波，也能使交流电流的相位与电源电压相同，从而系统的功率因数总是接近于 1。1.2PWM整流器研究的意义中国矿业大学徐海学院 2014 届本科生毕业设计在电力系统中，电流和电压是完整的正弦波。但是在我们实际生活中的电力系统中，由于非线性负载等因数的影响，电网电压和电流波形总会存在不同程度的畸变，给电力输配电系统和附近的其他电气设备带来许多相关问题，所以就应该采取必要的措施限制其对电网和其他设备的影响。随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中广泛应用，很多场合需要大量各种类型的变流装置将一种频率、幅值、相位的电能转换为另一种频率、幅值、相位的电能，使得用电设备处于理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获得最大的技术经济效益。目前，随着功率半导体器件的研制与生产水平都在不断的提高，各种新型的电力电子装置不断出现在市场上，特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善，为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。根据网侧功率因数定义可以知道，相控整流装置的网侧功率因数总是小于 1，即使基波电流与网侧电压是同相的。随着相控角的增大，网侧功率因数也减少，这些都将给电网带来不好的影响，主要如下：（1）增加电网的无功损耗与线路压降，更严重的是还将导致局部网络电压的波动；（2）引起电网的谐波损耗；（3）这些谐波电流在传输线上流动将会引起传导和射频干扰，造成对它敏感的电子仪器和设备、继电器以及通信线路等的谐波干扰，特别对当今计算机的普及应用是一种实际威胁。因此，采取相应的措施来抑制、以致消除这些电力危害是电力电子技术领域中一项重要的研究课题，具有重要的理论和实际意义。1.3PWM 整流器国内外研究现状PWM 整流器的基础研究始于 20 世纪 70 年代，20 世纪 80 年代后，PWM 技术的应用与研究由于这一时期自关断器件的日趋成熟和应用得到了推动，国内外已发表大量研究报告，并且从不同方面对 PWM 整流器技术进行了深入而全面的研究。1982 年 Busse Alfred 和 Holtz Joachim 首先提出了基于可关断器件的三相桥式PWM 整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型 PWM 整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984 年，Akagi Hirofumi 等人提出了无功补偿器控制策略，成为电压型 PWM 整流器的早期设计思想。到 20 世纪 80 年代末，随着 A.W.Green 等人提出了基于坐标变换的 PWM 整流器连续离散动态数学模型及控制策略，PWM 整流器的研究发展到了一个新的高度。在 20 世纪 90 年代，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点，其研究主要集中在 PWM 整流器的建模与分析、主电路拓扑结构、系统控制策略、电压型 PWM 整流器的电流控制以及电流型 PWM 整流