基于多维数据可视化技术逆变器用LC滤波器的设计

南昌航空大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 随着科学技术的不断进步 ，电力电子技术正以令人瞩目的发展速度 ，改变着我国乃至全球工业和生活的整体面貌 。不论是工业还是日常生活中的许多用电设备，相对于电源的供电端都不是直接接入电网或发电设备的一次电源 ，而是经过不同的电能变换 （如：整流器 ，逆变器 ，变频器 ）并经滤波后得到高质量电源 。 本文首先着手分析变频器的整体硬件结构 ，并对变频器的系统工作原理作了详细的叙述 ，介绍了变频器中不控整流问题及谐波问题 。 对于变频器中的辅助电路及主电路 ，本文重点研究 四维可视化算法对变频器整流滤波电路的设计 ，逆变器整流滤波电路用途广泛但优化设计不易得到全局最优解 。本文对单相桥式不控整流电路的 波器作了较深入分析 ，得到输出平均电压 、浪涌电流 、振荡电压 、谐波衰减比和体积等的表达式 f(L,C,R)，并在 按需用不同交集来表征所须兼顾的多个设计目标 ，逐步导入约束条件来进行优化设计 。实验结果表明在滤波器外特性基本相同的前提下 ，基于数据场可视化算法的优化设计达到了体积缩小 1/4 的效果 。 整流后 ，在逆变部分着手分析单相电压型 变器的电路拓扑结构 ，得出其等效模型 ，分析其工作原理和建立数学模型 ，在此基础上 ，通过 件仿真 ，建立电压型逆变的仿真 型 ，并对模型进行波形验证 。 关键词 ：变频器 ，可视化 ， 波器 ， 昌航空大学硕士学位论文 of us to of in at a of or to or as of on in is it of a In by C we f(L,C,R) of C to we of By of we to C on s of on of of LC 昌航空大学硕士学位论文 目录 录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 .题选题背景及意义课题选题背景及意义课题选题背景及意义课题选题背景及意义 .频技术的发展趋势 . 变频器技术的最新动向 . 滤波器的分类 . 逆变器控制技术的发展 .文主要的研究内容 . 2 章 变频器的整体结构与工作原理 .频器的整体结构 .频器的种类 .控整流问题 .么是多维数据场可视化 .言下多维数据场可视化图形 . 二维 、三维平面可视化 . 四维 、五维可视化 .结 . 3 章 容滤波器的可视化设计 .内外研究现状 . 设计单相 波器可视化的分析方法介绍 .整流输出电压谐波分析及其设计条件 . 单相桥式整流输出电压谐波分析 . 波器设计条件 .多目标多约束条件的优化设计 . 稳态和负载能力分析 . 初始瞬态过程的电流电压分析 . 谐波电压衰减比 k. k 相交寻优 . 滤波器体积的优化 .仿真与实验 .本研究设计结 果与传统设计 （手册设计 ）结果比较 .本章小结 . 4 章 后级逆变电路的工作原理分析与仿真 .制技术 .制的基本原理 .制逆变电路和控制原理 . 电压型 变电路调制法 . 单相全桥逆变器的工作原理 .昌航空大学硕士学位论文 目录 变系统的数学模型 .统仿真 .章小结 . 5 章 全文总结 .结 .望 .考文献 .表论文和参加科研情况说明 . 谢 . 录 .昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1第 1 章 绪 论 本文主要研究的是多维数据可视化算法在电力电子领域中的变频器直流侧滤波器设计 。本研究课题得到国家自然科学基金 ：多线圈电子变压器的外特性研究（ 51167014）、减小单相交流系统静态不确定度的研究 （ 50467003）的资金资助 。 题选题背景及意义课题选题背景及意义课题选题背景及意义课题选题背景及意义 变频器的广泛应用为电力电子装置在提高效率和可靠性 、减小体积和重量 、节省材料 、降低成本等 各方面的应用提供了有力的条件 ；并为机电一体化 、智能化奠定了重要的基础 。但是 ，它所产生的谐波对用电设备的危害亦变得愈来愈严重。由于在变频器的整流部分和逆变输出部分存在整流二极管和 当正弦波电压经过这些元件时就会产生不同频率的电流分量 ，从而危害其它用电设备和电网 ，因此 ，为使输入平滑和降低谐波 ，必须在直流侧或交流侧设置输入滤波器 。 滤波器广泛应用于各个科学技术领域 ，它在电力 ，电子 ，通信 ，控制及信号处理等领域都发挥着重要的作用 。滤波器在电力电子技术中也是常见的应用器件 ，如整流器 ，逆变器 ，开关电源 ， 力系统中都有所涉及 。 整流电中滤除整 流后的交流 分量 ,使直流电更平稳 。在近代 电力电子 装备和各类控制系统中 ，尤其在逆变器中 滤波器应用极为广泛 。 多维数据可视化技术对变频器中的输出滤波器 、空心电感器 、铁心电感器 、电子变压器 、开关电源的设计 、以及应用于控制部分的 矢量控制都具有优越性 。并在本实验室已有多项相关科研成果 ，基于此 ，本文采用多维数据场可视化算法对 设计要求如下 ： (1) 设计的滤波器滤波效果好且能快速达到稳态值 ； (2) 滤波器体积小 ； (3) 降底了滤波器的制作成本 ； (4) 更加有效抑制浪涌电流 、浪涌电压 ； 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 频技术的发展趋势 频器技术的最新动向 由于变频器所采用技术不断拓宽 ，适用领域也不断扩大 。下面将从主回路的最新技术 ，最新的控制技术 ，最新的传感器技术和高功能化 、多功能及智能化技术几个方面分别描述 。 (1) 主回路的最新发展 。为使变频器体积更小 ，性价比更高 ，考虑减少元器件及发热 ，现在主回路开发出第四代 种 控制极新技术 ，使其集电极 射极间的饱和电压大大降低 ，主回路模块可做到小型 、低价且保护功能完善 ，为目前普遍应用的 损耗大幅降柢 。 (2) 微处理器技术的最新发展 。实现控制高速化的主要器件之一是微处理器的高性能化 ，现在常用的是 32位微机 ，被称为 制运算处理速度几乎提高 3倍以上 ，其处理速度的大大提高使通用变频器现在在高性能 、高速响应方面满足了新产品开发的需求 。由控制方向可见 ，即使普通的通用变频器也进入了矢量控制。像 (3) 最新的传感器技术 。对于伺服控制变频器 ，为使高速运算处理达到高精度控制 ，采用合适的旋转位置传感器非常重要 ，往往由于它而影响系统的整体性能 。一般这种传感器采用高精度的数字旋转编码器 ，多用 16位的编码器 。随着分辩率增高 ，即编码器位数的增高 ，编码发送器和伺服系统放大器之间的配线根数增加 。新的做法是将原来信号的并行传送方式改为串行传送 。 (4) 高功能化 、多功能及智能化技术 。近年来市场对逆变器功能的要求是尽可能减少设备 ，有软件实现多功能及智能化技术 。新的机械成套装备 ，采有直流母排供电 ，然后挂上多台逆变器同时使用 ，人们担心由于一台逆变器故障而使整台设备停止动行 ，为了阻止这种不良后果 ，要求在每台机器运行前都要仔细做好检查保 养工作 。 (5) 小型化变频器技术 。小型化技术在通用变频器产品上已取得很大成绩 ，逆变器和伺服电路实现小型化的关健技术是冷却技术 ，从冷却效率的观点采用压接的较好 。此外 ，高密贴装技术和集成部件对小型化有较大的作用 。 波器的分类 （ 1）无源滤波器 无源滤波器通常有 、电感器 第 1 章 绪论 3和电阻器 因其结构简单、运行可靠和维修方便等特点 ，从而获得广泛应用 。另外 ，利用 将 ，可以使电子电路具有特定的频率特性 。在电力电子电路中 ，有单相 （ 2）有源滤波器 有源滤波器与无源滤波器的主要区别是 ，有源滤波器中含有有源器件 。按有源滤波器应用场合的不同 ，我们把用于电子电路中的有源滤器称为有源电子滤波器，把用于电力系统中的有源滤波器称为有源电力滤波器 。 变器控制技术的发展 逆变器在早期通常采用开环控制 ，可是开环控制虽然控制简单方便 ，但存在较大的交流输入稳态误差 ，不稳定的输出性能 ，动态响应慢 ，因谐波畸变而产生质量差的波形等一系列问题 ，于是后来 发展到采用闭环控制 、数字控制以保证高精度 、高稳定 、快速的输出 ，随着数字化技术的高速发展 ，已发展成许多种不同的闭环控制技术方法 ，各种先进的控制策略在 让逆变器的输出性能变得更好 。 几种闭环控制策略如下 ： （ 1）单环控制 12 单闭环控制因其鲁棒性能好 ，算法简单 ，可靠性高而广泛应用于工业工程的控制当中 ，下图 1 1采用了模拟 这种控制方式早期的逆变器控制系统 ： 图 1拟 随着数字处理器的出现 ，如高速数字处理器 使得数字型比例积分微分控制 器在逆变器的应用中逐渐出现 ，但数字 同时控制器中的积分环节将存在新的相位滞后 ，以及数字控制的采样误差和运算时间引入的量化误差及相位滞后等 ，从而减小 得逆变器交流电压输出波形产生较高的波形畸变 。 通常可以通过一些补救措施来改善比例积分微分控制的效果 ，如采用高速 前馈控制器 制器 逆变器 反馈 参考 正弦波 输出 电压 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 4制的精度 ，但该方案的性价比不够高 。 （ 2）双闭环控制 3由于单环控制的抗负载扰动性能欠佳 ，在 的输出的单环的基础上引入内环 ，可引入电流或电压 ，则为逆变器的双闭环控制 。如图 1 2所示 ，双环控制能以高稳定 、快速 、非常准确有效地抑制负载扰动 ，电流内环快速的抗干扰性确保输出电压的稳定 。 图 1变器用双闭环控制原理框图 从图中看出 ，逆变器加入电流控制器 ，采用电流反馈为内环控制 ，电压反馈为外环控制通过电压控制器调节输出 。但是双闭环控制要全面分析控制对象的开环频率特性和闭环频率特性 ，另外 ，还要有一定的带宽满足电流内环抑制非线性扰动负载以得到较理想的性能 ，则需要 从而加大了实现控制的 难度 。 （ 3）无差拍控制 8 无差拍控制是建立在数字控制基于离散数学模型原理上 ，它依据测量的状态反馈变量以及正弦参考指令 ，通过微型计算机精确计算的控制量 （计算下一个开关周期的脉冲宽度 ）以实现 无差拍控制的原理框图如下所示 ： 图 1变器用无差拍控制原理框图 采用无差拍控制能使逆变器控制的动态响应速度非常快 ，跟踪性能非常好 ，以及使输出波形畸变很小 ，但这种控制方式要求有精确的数学模型 ，且不同的数学模型一一对应不同的对象 ，通用性不高 。另外 ，在一个周期内 ，无差拍控制可以依据求得的准确的数 学模型抵消误差 ，因而短时间内频繁控制动作非常剧烈 。当求得的数学模型对控制对象不能精确反映时 ，则控制效果就通常达不到理想的电压控制器 电流控制器 电流 反馈 电压反馈 逆变器 参考 正弦波 输出 电压 参考 正弦波 输出 电压 无差拍控制器 状态反馈 逆变器 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 5效果了 ，还有可能使输出性能变得更坏 ，最终不利于整个逆变控制系统的正常运行。因而 无差拍控制精度对模型的依赖性很高 ，而模型复杂程度与解算时间成正比。不存在能否使用的问题 。具体要看设计制约 。 （ 4）状态反馈控制 9带状态反馈 的状态空间设计 ，最基本的是指系统满足可控可观条件时 ，得用状态或输出反馈 ，进行系统闭环设计的方法 。相比对应的经典控制理论 ，采用全状态反馈 ，可以更多地获得和处 理系统的工作状态 ，因而容易获得更好的控制效果。 稳定性和闭环极点在 位于 相反而言 ，位于 我们可以通常可以用控制系统的开环增益和串联校正以及并联校正装置使控制系统的闭环极点发生改变 ，以使所有极点都分布在 对于控制系统的状态空间控制 ，为提高控制系统的校正能力 ，可应用状态反馈方法配置系统极点 ，同时这种控制方法可以大大抑制甚至消除外界或负载扰动对控制系统的危害 。从状态空 间方面看 ，在独自的输出反馈中控制系统未能充分利用系统的状态反馈信息 ，导致单闭环控制系统性能不好 。为了提高这种系统的控制作用 ，可以把单闭环控制系统的输出反馈变成状态反馈 。综上所述 ，根据控制系统所需来配置闭环系统的极点而达到稳定的方法 ，使状态反馈控制可以有效的改善控制系统的动态性能 。 （ 5）模糊控制 12把被控制对象的控制通过如果条件然后作用的方式来表达 ，模糊控制的根本思想是通过模糊推理得出控制作用集 ，然后作用于被控对象 。模糊控制既能保障控制系统的准确性又能使得系统变得简洁 ，对于复杂控制系统 ，模糊控制 可以做到快速而准确的判断和处理 。所以在设计模糊控制系统时有如下优点 ：无需大量计算被控制对象的准确模型 ；具有很好的自适应性和鲁棒性 ；模糊控制查表只需占用数字处理器很少量的时间 ；通过高速的采样率来弥补模糊规则与实际经验存在的偏差 。现代控制理论证明 ，应用模糊控制方法能以任意精度逼近任何非线性函数 ，但当前许多不同方面影响限制着模糊规则数和模糊变量的分档 ，此外 ，控制科学界还没有统一的指导思想理论来确立其隶属函数来进一步提高模糊控制精度 。 南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 文主要的研究内容 本文在学习整流逆变系统的工作原理以及前人 研究的基础上 ，进一步研究了针对系统直流侧的核心问题 滤波器的设计 ，通过多目标数学建模 ，依托多维数据可视化技术进行了较为深入的理论分析和研究 。在理论分析的基础上研制了波器 ，并且进行了实验研究 。主要工作如下 ： (1) 分析变频器的工作原理 ，提出单相不控整流问题和谐波危害 。 (2) 介绍多维数据可视化算法 ，为后文提供优化设计工具 。 (3) 重点对 波器作了较深入的分析 ，得到输出直流平均电压 、浪涌电流和体积等多参数表达式 ，并按不同值域交集来表征所须兼顾的多个目标 ，通过导入约束条件来进行优化设计 (4) 分析单相全桥逆变器的工作原理 ，得出数学模型 ，使用 具进行系统仿真研究 ，为系统的整个实际开发提供了有效帮助 。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 变频器的整体结构与工作原理 7第 2 章 变频器的整体结构与工作原理 频器的整体结构 变频器是通过控制电路来控制主回路的功率开关器件的开通与关断作用来实现，如下为基本组成部分 ： 图 2频器的整体结构框图 整流电路部分的作用是通过功率开关管将交流电转变成直流电 ，即对交流输入的工频电源进行整流 （ 同时也可当作直流输出电源供应给控制回路 ，当然最主要提供给逆变电路所需的直流 源 ，从控制 方式角度来分类 ，整流电源一般分为直流电流源以及直流电压源 。 直流滤波电路的作用把整流电路所输出的大脉动直流波形进行平滑 ，即对整流输出进行大幅滤除直流中的谐波分量 ，以确保控制电源和逆变电路得到较高质量的直流电 。当整流电路是电流源型电路时 ，直流侧母线上主要是大容量电感进行滤波 ，当整流电流是电压源型电路时 ，直流侧母线两端主要是大容量电容进行滤波 。然而实际应用中存在电流冲击 ，或电压冲击 ，我们可以在直流侧串较小的电感 ，成为 流滤波电路 ，但当电容 C 与电感 L 的取值变化时 ，电路的工作交流 输入 交流输出 标准正弦信号 隔离驱动 主电路控制电路 号 流反馈 电压反馈 交流输出 直流 滤波 逆 变 全桥 整流 输出 滤波 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 变频器的整体结构与工作原理 8情况会有很大的不同 ，论文后半部分将对 流滤波作重点研究 。 逆变电路是把直流电转变成交流电 ，其主要作用是在控制电路的 号输出的控制信号作用下将滤波后的直流输出电压转换为频率和幅值可调的交流电源。 输出滤波电路的作用主要是滤除正弦脉宽调制 形输出中所含跟载波的高频谐波分量 。这些谐波如果作用于负载将造成消耗和负载损坏 ，所以滤波效果的好坏对负载正常运行有非常大的影响 ，必须要滤除这些高频谐波分量 。 控制电路的主要作用是将检测电路提供的反馈信号 （如电压反馈信号 ，电流反馈信号 ）输入给运算电路 （数字处理器 ）， 使数据处理器能够根据 反馈信号经放大或隔离为逆变主回路提供驱动信号 ，驱动负载的同时 ，也能保护输出负载和变频器本身 。 频器的种类 从主回路控制方式划分 ，变频器有电压型变频器和电流型变频器两种 。 电压型变频器是将整流后的直流输出并接电容构成直流电压源控制后再逆变，电压型变频器的主回路中整流器是由晶闸管或二极管 、晶体管构成 ，平滑电容即当作滤波器使用 ，同时也作电压源供给逆变器 。 电流型变频器是将整流后的直流输出端电感构成电流源后再逆变 ，电流型变频器的主回路的整流部分采用晶闸管 ，它虽然需要换流回路 ，但可以兼用作能量吸收回路 。平滑 电抗器即当作滤波器使用 ，同时也作电流源供给逆变器 。 在工业工程应用中 ，要求对直流母线电压要有很高的利用效率 ，以及器件本身要有很好的调频性能 ，所以通常选择电压型变频器 ，本文研究对象为单相电压型 频器 。 控整流问题 在变频器的二极管整流电路中 ，存在不可控性和容易产生谐波两个缺点 。输入端的电流和电压高次谐波会通过电源线危害公用电网的正常运行和供电 ，输出回路中产生的电流和电压高次谐波影响负载和干扰周边设备 。 如下图 2不同频率 、幅值和相角的正弦谐波 。 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章 变频器的整体结构与工作原理 9图 2频器产生的三次 、五次谐波示意 图 从上图所示为第三 、五次的奇次谐波 ，也有 2、 4、 6 次等的偶次谐波 ，如基波为 50三次谐波和五次谐波分别为 150 250常来讲 ，比起偶次谐波 ，奇次谐波对系统及设备的影响更大 。 （ 2） 谐波的危害 电力电子装置产生的谐波通常对容量较大的电力系统没有明显影响 ，然而变频器产生的谐波干扰对容量较小的系统的影响却不能忽视 。谐波源对电网造成严重的污染 ，降低了电网的供电质量 ，对同一电网上的其他用电设备造成不利的影响。 么是多维数据场可视化 在工程技术和科学研究上 ，图像或图形早已是一种经常采用的 解释数据和显示的基本手段 ，但是 ，随着大量数据采集技术的发展以及对复杂数据的科学计算的要求不断提高 ，在许多领域中庞大的数据已远远超出了研究人员的数据运算及处理能力 ，在这种背景下 ，多维数据可视化算法应运而生 。 “ 词由英文 “ 本意为视觉形象化 ，中文译为 “可视化 ”更为准确 。数学上 ，将任何函数表达式或数学关系和抽象的过程变成图形加以分析都可以称为数据可视化 。在科学的计算中常会遇到枯燥的数据轴和抽象的公式 ，若将其以多维数据场可视化的形式展现出来则可对理解实验现象 、预测变化趋势和把握科学规律带来很大方便 17。 当前可视化算法输入的超大容量科学数据源主要有 ： (1) 用来描述物理模型的复杂数学表达式 (2) 超越函数 (3) 地球物理检测数据 ，例如来自地壳板块与火山运动 、洋流特征 、海洋温度 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章变频器的整体结构与工作原理 10 的反射数据等 (4) 射电天文望远镜 (5) 各种探测卫星发回各国的科学数据及宇宙飞船 (6) 超级计算机 (7) 通过卫星发送回的气象 、军事侦查 、地球资源等数据 这些海量的数据源自身还在不断增加生成数据的能力 ，早先的解释数据的方法和一些辅助显示技术已经不能满足运算的要求 ，研究人员还需要一 种蕴含数据和自然规律表现方法的工具能有效辅助研究者来理解数据 、发现大量数据 ，以提高数据处理能力 。 多维数据场可视化的基本含义是运用一般图形学和计算机图形学的原理和方法，以直观的形式表示工程与科学计算中产生的大规模数据转换为图像和图形 。它通过具体的几何关系来表示抽象的符号 ，使研究者能直观的观察他们所模拟的计算结果 。使用户看见本就看不见的东西 。它涉及计算计辅助设计 、计算机视觉 、图像处理 、计算机图形学及图形用户界面等多个研究领域 ，已成为当前计算可视化研究的重要领域 。 言下多维数据场可视化图 形 供了一些通过向量数据或矩阵得到绘图的函数 ，如此就可以方便的生成一张多维图形 ，然后再依据句柄式图形的概念来自行设置图面上所有对象的属性 ，如线条粗线 、颜色 、图形分辨率等 ，通过数据场可视化绘图的方法 ，工程科研人员能对自己的样本数据的趋势特性 、分布有一个直观的了解 ，除了使显示的图形界面更加生动外 ，还可更进一步显示出结果或最优选取内容 ，最后再将图面复制到文字处理软件中 ，或者是直接通过打印机打印出来 ，增加了可视化技术的实用性 18 二维 、三维平面可视化 通过 程在平 面坐标上可以表示一元函数 u=f(x)，其中两坐标轴可表示为 x， u；当平面坐标表示为二元函数 u=f(x,y)时，两坐标轴可表示为 x， y，而 图例如下 ： 南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章变频器的整体结构与工作原理 11图 2元函数 u=f(x,y)平面可视化图例 图 2设右边色标表示目标函数 u，从图中颜色变化可看出 u 随两坐标轴的增加而减少 。 平面可视化在揭示数值解的分布等方面已取得较好的效果 20。 四维 、五维可视化 四维可视化是指在三维空间坐标系中表示三元函数 u=f(x,y,z)，其中三个坐标轴表示各自变量 x， y， z，而用连续变化的颜色来表示第四维 u。作有典型图例如下所示 ： 图 2元函数 u=f(x,y,z)的四维可视化图例 如图是某数学模型的四维可视化图型 ，该模型具有多变量 、高次和非线性的南昌航空大学硕士学位论文 第 2 章变频器的整体结构与工作原理 12 的特征 ，可以通过四维可视化编程可直观看出图中红色部分为该函数的全局最优团解 。 在四维可视化技术的基础上 ，文献 32提出了非对称 T 型滤波器的一种五维可视化算法 ，它是在同目标的情况增加了时间变量作为第四个约束条件 ，以获得动态的空间模型 。 结 本章首先对变频器整体结构作了详细说明 ，并介绍了变频器的类型以及变频器工作的 一些基本原理 ，本文选择电压型变频器为研究对象 ，并分析变频器在应用不控整流电路工作时存在的缺点 ：不可控性和产生谐波 ；最后简述了谐波的危害。 因此 ，为有效抑制变频器在不控整流电路输出的谐波 ，通常在输出直流侧设计适当的感容滤波电路 （ 波器 ）来滤除谐波干扰 ，但所得数学表达式十分复杂，为解决这一难题 ，本文采用了多维数据可视化算法 ，方便了 波器的设计与研究 。 其次介绍了多维数据场可视化算法及其算法在各科学领域的应用 ，并对供的数据可视化的知识作了简单说明 ，多维数据可视化技术作为一种科学研究工具 ，非常 利于科学工程计算的最优求解和优化设计 ，后文将重点介绍这种算法在 波器中的应用 。 南昌航空大学硕士学位论文 第 3 章 容滤波器的可视化设计 13 第 3 章 容滤波器的可视化设计 内外研究现状 许多独立电源系统中的不可控整流器单元都并联着电解电容器滤波 21而大电容器的引入 ，又会使电流产生较大畸变 。实践证明采用 波器仍为既简单又能较好地抑制谐波和浪涌电流的有效方法 ，但其电容量 C、电感量 L 的取值差异和负载 R 的扰动 ，都会对滤波器的动静态特性带来很大影响 ，其多目标诸约束条件下的优化设计往往既无解析解又难觅得有价值的数值解 。文献 27 给出了一 种改进的多目标遗传算法