数字传动技术结业论.docx

二一三 二一四 学年第 二 学期信息科学与工程学院课程名称： 数字传动技术 班 级： 自动化1101（卓越）班 学 号： 201104134118 姓 名： 李 潇 任课教师： 刘 惠 康 二一四 年 六 月浅谈 PWM整流器1 PWM整流器概述随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术已成为电力电子技术研究的热点和亮点。PWM整流器可成为理想的用电设备或电网与其它电气设备的接口，因为它可以实现无电网污染和可调整的功率因数。 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半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到如今性能各异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(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。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制(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，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是要求变流装置实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数。其主要思路就是将PWM技术引人整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。能量可双向流动的PWM整流器不仅体现出ACDC变流特性(整流)，而且还可呈现出DCAC变流特性(有源逆变)，因而确切地说，这类PWM整流器实际上是一种新型的可逆PWM变流器。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路，其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压型整流器(Voltage Source Rectifier-VSR)，也有电流源型整流器(Current Source Rectifier-CSR)，并且两者在工业上均成功地投人了应用。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，甚至能量的双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿(SVG)、有源电力滤波(APF)、统一潮流控制(UPFC)、超导储能(SMES)、高压直流输电(HVDC)、电气传动(ED)、新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。2 PWM整流器分类3.三相电压型PWM整流器结构及基本原理在上述各种类型PWM整流器中，其中三相电压型PWM整流器具有输入电流正弦性好、可获得单位功率因数、能量可实现双向流动等特性，消除了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低和能量不能回馈等问题。目前其已被广泛用于改造电网污染和提高电能利用率。图1为三相电压型PWM整流器的电路模型，网侧三相交流电压提供电能，流过三相交流电感L的电流分别为iA，iB，iC。，三相交流电流通过6个开关管(或二极管)整流出直流电流iD，直流电流对直流电容CD。充电和提供给负载，未知负载R两端输出直流电压为UD。系统的控制目标为：三相交流电流iA，iB，iC分别跟踪三相交流电压波形,输出直流电压稳定在给定值UR. 由图1可得：式中UAG,UBG,UCG分别为桥臂A、B、C点电压。4.三相PWM整流器控制策略矢量控制 三相PWM整流器控制策略有很多种，为了使PWM整流电路在工作时输入电流为正弦波且与电压同相或反相，其控制技术也在不断地发展，目前有多种控制方法町以在PWM整流器中应用。根据是否引入交流电流反馈可以分为：没有引入的为间接电流控制；引入的为直接电流控制。间接电流控制(也称幅相控制)的基本思路源于整流器的稳态电压平衡关系，最显著的优点是结构简单，静态特性良好，但其稳定性很差，电流的动态响应慢，且对系统参数波动较为敏感。直接电流控制凼有较好的动、静态性能而使之应用广泛，具体控制方案有：矢量控制、状态反馈控制、无差拍控制、极点配置、二次型最优控制等，其中以矢量控制应用最广泛，下面重点介绍矢量控制。 矢量控制算法中土要有四种变换：三相静止ABC坐标系至两相静止坐标系的变换，称为Clark变换；两相静止坐标系至两相旋转坐标系的变换，称为Park变换；以及这两种变换的反变换。通过坐标变换，三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐标系之间可以互换，就可以把对交流量的控制化为对直流量的控制，简化了控制系统，使系统有较好的动静态性能。以矢量控制为基础的控制算法主要有：电压定向控制和虚拟磁链定向控制。电压定向控制(voltage oriented control，VOC)也称为基于由坐标变换的矢量控制这种策略不仅具有直接电流控制的动态响应快、稳态性能好、自身有限流保护能力等优点，并且还可以消除电流稳态误差，达到单位功率因数，所以在工控领域应用十分广泛。下面是电压定向控制的系统框图。 图2 电压定向控制的系统框图 虚拟磁链定向控制(virtualflux orientedcontrol，VFOC)是在电压定向的基础上发展起来的。虚拟磁链定向控制也是基于坐标变换的矢量控制，虽然其算法复杂，然而相对于VOC，它的显著特点就是输入侧省去了电流传感器，控制回路中省去了两个电流调节器，简化了电路结构，优化了系统性能，有着良好的动态性能和高的功率因数。图3 虚拟磁链定向的系统框图5.结语 PWM整流器实现了网侧电流的正弦化，可以运行于单位功率因数，能量可以双向传输，又因为其网侧呈现出受控电流源的特性，这个特性使其应用获得了进一步的发展和拓宽，可以预言PWM整流器将会在无功补偿和谐波抑制中发挥越来越大的作用。参考文献：1 张兴.PWM整流器及其控制策略的研究 .合肥工业大学博士学位论文2 刘秀种，张化光，褚恩辉，闫士杰 .三相电压型PWM整流器功率控制方法.