控制的三相桥式PWM整流电路的设计与分析.doc

哈尔滨工业大学2005届本科优秀毕业设计（论文）选集直接电流控制的三相桥式PWM整流电路的设计与分析电气工程及自动化学院：王鹏宇 指导教师：王明彦摘 要：本文对直接电流控制的PWM整流电路开展研究，主要内容如下： (1) 设计BOOST型三相桥式PWM整流器的主电路。 (2) 设计基于直接电流控制PWM整流电路的控制系统。 (3) 建立直接电流控制系统Simulink仿真模型，进行仿真分析。仿真结果证明直接电流控制方案使得PWM整流器功率因数接近于1，流入电网的电流基本接近正弦波，对电网的谐波污染小等优点。关键词：PWM整流；单位功率因数；直接电流控制；dq变换Abstrac：With this regards, the dissertation comprehensively studied the Direct Current Controlled Three-phase PWM Rectifier, the main contents are as follows: (1) Design the main circuit of the Boost type Three-phase PWM Rectifier.(2) Design the controlling system of the PWM Rectifier. (3) Establish the simulate model of control system of the Direct Current Controlled Three-phase PWM Rectifier, carry on simulating and analysis. The results of the simulation prove that the direct current control system has much advantage for controlling the PWM rectifier, such as: high power factor approximate to unit, the line current flowing into line side is close to the sine wave basicly and pollution of the harmonic is low etc.Key words：PWM Rectifier Unity Power Factor Direct Current Control dq Vector Transfor1 引 言目前，各类电力电子变换器的输入整流电路输入功率级一般采用不可控整流或相控整流电路。这类整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流侧输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流。据估计，在发达国家有60%的电能经过变换后才使用，而这个数字在本世纪初达到95%。目前，谐波污染在我国也已经成为一个比较严重的公害，亟待解决。PWM整流具有功率因数接近1、流入电网的电流基本接近正弦波、对电网的谐波污染小等优点。本课题的研究和设计任务包括：设计BOOST型三相桥式PWM整流器的主电路，建立其在(d，q)坐标系下的dq模型，设计PWM整流电路的控制系统，建立直接电流控制系统Simulink仿真模型，并进行谐波分析。2 三相桥式PWM整流器主电路设计与建模（1）三相桥式PWM整流器主电路设计图1为三相桥式PWM整流器主电路的电路图。图1 三相桥式PWM整流器主电路解得，其直流侧电压表达式为 (1)由于0M1，所以，说明此电路是Boost型PWM整流器。满足电流瞬态跟踪指标时，三相整流器电感取值范围为 (2)若整流器满足阶跃扰动时的抗扰性能指标，则整流器直流侧电容应足够大，其下限值为 (3)但分析可知，按此式计算电容值，则很可能不满足直流电压跟随性指标，故在实际应用中应兼顾直流电压跟随性指标。（2）三相桥式PWM整流电路dq模型的建立三相静止坐标系中，整流器开关函数模型为 (4)将三相静止坐标系(a,b,c)中模型转换成两相静止坐标系(D,Q)中模型，得： (5)设初始条件下，坐标系(D，Q)与坐标系(d，q)重合。当坐标系(d，q)以电网基波角频率同步旋转时，若引入旋转因子，则同步旋转坐标系(d，q)中的通用复矢量为 (6)将式(6)带入，并分解成d，q分量，得两相同步旋转坐标系(d，q)中的数学模型为 (7)3 三相桥式PWM整流电路的控制系统设计直接电流控制是针对间接电流控制不足提出来的。二者在结构上的主要差别在于：前者引入网侧电流闭环控制。这使网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流对系统参数不敏感，增强了系统的鲁棒性。dq坐标系中PWM整流器直接电流控制的原理图如下：图2 坐标系(d，q)中PWM整流器直接电流控制原理（1）电流内环控制系统的设计简化的电流内环结构如图3。图3 无eq扰动时的电路内环简化结构 电流内环应获得较快的跟随性能，按典型I型系统设计，PI调节器零点抵消电流控制对象传函的极点，即。校正后，电流内环的开环传函为 (8)当系统阻尼比0.707时，求解得 (9)为改善抗扰性能，选。对的系统的电流内环PI调节器进行设计，得；。电流闭环系统传递函数为在Matlab中绘制系统的伯德图如图4。图4 电流内环bode图利用Matlab中的工具读出：振幅响应为3dB约在529Hz处。相位延迟大于45o是在高于531Hz。理论估计的带宽为500Hz。电流内环调节器能够满足要求。（2）电压外环控制系统的设计根据文献2获取系统输入电流与输出电压之间的传函为 (10)式中；外环的等效框图如图5。图5 电压调节器闭环系统框图忽略零点，得简化的电压外环闭环传函为 (11)得到 (12)由二阶系统的最佳整定值，求出电压环PI调节器的参数。为改善抗扰性能，选。对的系统的电压外环PI调节器进行设计，得；。由这些参数求取系统传函为在Matlab中绘制系统的伯德图如图6。图6 电压调节环bode图利用Matlab中的工具读出：增益过0时，存在正相角裕度；相角过-180o时，存在正的增益裕度，故系统是稳定的。4 直接电流控制的三相桥式PWM整流电路的Simulink仿真如图7，直接电流控制三相桥式PWM整流电路的仿真框图主要包括主电路、坐标变换、PWM生成模块以及谐波及功率因数计算几大部分。图7 直接电流控制的三相桥式PWM整流电路仿真框图在Simulink中仿真分析，参数为：交流侧电压有效值220V、直流给定电压500V、开关频率10kHz、交流侧电感L5mH、交流侧等效电阻R0.33、直流侧电容C4700F。（1）系统的动态过程分析仿真中，整流电路启动过程中直流电压和q轴电流的过渡过程如图8。图8 直接电流控制的三相桥式PWM整流电路起动时电压和q轴电路波形起动过程中电压调节器经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，如图中I、II和III区域。（2）仿真结果及分析图9中，输出电压波形为00.6s的响应，从波形看出，系统的输出为500V。调整时间约为0.2s，有约14%的超调。 图9 直流侧输出电压 图10 交流侧输出电压、电流截取0.5s0.6s的交流侧电压、电流波形，从图10中看到，流入电网的电流基本接近正弦，略有脉动，与交流侧电压同相位。 图11 功率因数计算环节 图12 负载扰动时直流侧电压的波形图11为功率计算环节，0.5s时的电路图得到有功功率为34.48，无功功率0.1423（乘以比例系数后的值），计算后功率因数为0.9999。（3）抗扰性能分析0.4秒时负载变重，直流侧输出电压的响应情况如图12。直流电压有一个小的降落，约0.075秒后又回到500V，达到了预期的抗扰性能，且实现了无差调节。（5）各次谐波含量分析 图13 负载变化前交流输入电流的谐波分析图 图14 负载变化前交流输入电流的谐波分析放大图图13、14为负载变化前交流侧电流的谐波分析图。图中交流侧电流波形接近正弦，用FFT分析模块得THD为1.84%，基波含量足够大，各次谐波的含量远小于基波。各次谐波局部放大后如图14。当载波比不同时，最大低次谐波的次数也不同。仿真中载波比为21，故21次附近的谐波含量很大。（6）负载变化对谐波的影响分析当负载变化时，交流侧电流也会相应的变化。0.4秒时负载变重，此时交流侧电流谐波分析如图15。 图15 负载变小后交流输入电流的谐波分析图图 图16 负载变化时的功率因数由图15，负载变重后，电流总谐波畸变率THD减小到1.06%，说明重载时，交流输入电流的THD更小。功率因数方面，不同负载时系统的有功、无功、功率因数仿真数据如下表：表1 功率因数随负载变化的试验数据负载()有功(W)无功(var)功率因数空载3.1220.48750.98803409.3560.60190.99794359.4590.43470.998953011.110.35990.999482515.010.3970.999652017.430.43670.999691521.80.3160.999891227.780.3270.999931034.020.29430.99996841.750.2460.99998由图16可知：轻载时，功率因数较低；重载时，功率因数较高。（7）输入环节变化对谐波的影响分析交流侧电感的变化会引起流入电网的电流的变化。电感变小时，交流侧电流的谐波分析如图17。 图17电感为1mH时负载变化前交流电流谐波分析 图18 输入环节变化时的功率因数由图17看出交流侧电感变小后，交流侧电流的谐波增多，THD增大为14.19%。这证明了交流侧电感对电流谐波的抑制作用。同时，当电感变大时，整流器控制系统获得一定的阻尼特性，有利于控制系统的稳定运行。功率因数方面，输入环节电感不同时，有功、无功、功率因数仿真数据如下表：表2 功率因数随输入环节电感变化的试验数据电感(mH)有功(W)无功(var)功率因数129.490.1280.99999228.690.2240.99997326.750.3510.99991427.380.3120.99994527.780.3270.99993627.550.4530.99987728.001.0310.99932824.491.3480.99849由图18中曲线看出，当交流侧电感变小时，系统的功率因数变大。但是如果电感太小，则会引起交流侧电流的脉动增大，THD变大，谐波增加，对电网的污染加重；如果电感太大，虽然谐波少了，但是功率因数变低，且电流的跟踪速度太慢，体积和成本较大。结 论1主电路设计为BOOST型，使输出电压高于交流电压有效值，且合理的参数设置，是控制系统设计的基础。2建立整流器在同步旋转坐标系中的dq模型是必要的，不仅有