（检测技术与自动化装置专业论文）三相电压型空间矢量pwm整流器的研究.pdf

摘要 论文题目：三相电压型空间矢量p w m 整流器的研究 学科专业：检测技术与自动化装置 研究生：曹世华 指导教师：张维娜( 副教授) 摘要 签字： 签字： 随着现代电力电子技术、微电子技术以及计算机技术的发展，以p w m 技术为基础的功 率变换装置得到了越来越广泛的应用。p w m 整流器具有高功率因数、低谐波污染、能量双 向流动、恒定直流电压控制等优点，在电力系统有源滤波、无功补偿、潮流控制、太阳能 发电以及交直流传动系统等领域，具有越来越广阔的应用前景。 本论文侧重于三相电压型p 晰整流器的控制系统的工程设计与实现，论文的主要内容 包括控制方案的研究、系统软件、硬件的设计与实现，以及样机的研制。 论文中，首先深入分析p w m 整流器工作原理并建立了p w m 整流器数学模型，利用 m a t l a b 仿真软件对电压、电流双闭环空间矢量控制进行了仿真，同时对提高p w m 整流器抗 负载扰动性能进行设计与仿真；其次采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 芯片作为控制器、e u p e c 公司的i p m 模块作为主电路，对三相电压型空间矢量p w m 整流器控制系统硬件进行了设计 与实现，以及系统软件的程序设计与调试。 针对硬件锁相的不足，在结合p w m 整流器空间矢量解耦控制算法的基础上，提出将软 件锁相环技术应用在p w m 整流器控制中，并通过仿真和实验验证了该方案正确性和可行性 性。基于p r o t e u s 单片机仿真软件平台上对系统键盘与显示进行了软件仿真，通过仿真和 实验验证了软件设计的合理性。 论文通过系统实验波形验证了三相电压型空间矢量p 1 j l m 整流器系统仿真研究、软硬件 设计的合理性及正确性。 关键字：p w m 整流器，d s p ，矢量控制，软件锁相，m a t l a b a b s t r a c t t i t l e ：s t u d y0 ft h r e e - p h a s ev o l t a g es v p w mr e c t i f i e r m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g y a n da u t o m a t i o nd e v i c e f n a m e ：s h i h u ac a 0 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w e i n az h a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：丝纽i 幽 ，、 s - g n a t u r e ：直哟 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r , t h ep o w e r c o n v e r s i o na p p a r a t u sb a s e do nt h ep w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) t e c h n i q u ei sg a i n i n g m o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n p w mr e c t i f i e r sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r g ep o w e rf a c t o r , s m a l lh a r m o n i cp o l l u t i o n ，b i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , s m a l lc a p a c i t yp o w e rs t o r a g es e g m e n t a n dc o n s t a n td i r e c tv o l t a g e ，s ot h e yh a v em o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n p e f s p e c t i v ei na c t i v e f i l t e r i n g ，r e a c t i v el o a dc o m p e n s a t i o n ，t i d ec o n t r o l ，s o l a re l e c t r i c a l e n e r g yg e n e r a t i o na n d m o t o rc o n t r o ls y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh i g hp o w e r t h r e e p h a s ev o l t a g es o u r c er e c t i f i e r t h ed i s s e r t a t i o nw o r k ，i n c l u d i n gt h es t u d yo fc o n t r o l s c h e m e ，t h ed e s i g no ft h es o f t w a r e a n dh a r d w a r eo fs y s t e ma n dd e v e l o p i nt h ef i r s tp l a c eo ft h ep a p e r , d e e pa n a l y s e dp w mr e c t i f i e rp r i n c i p l ea n de s t a b l i s h e da m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp w mr e c t i f i e r ，t h ed o u b l e - l o o pv o l t a g ea n dc u r r e n ts p a c ev e c t o r p w m ( s v p w m ) a l g o r i t h mw a ss i m u l a t e db ym a t l a bp r o g r a m s a tt h es a m et i m e ，s i m u l a t i o n r e s e a r c ho ni m p r o v r m e n to fa n t i d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c ef o rt h r e e - p h a s ep w mr e c t i f i e r s s e c o n d l y , u s i n gt i s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6c h i p sa sc o n t r o l l e r s ，e u p e cc o m p a n yi p m m o d u l ea sam a i nc i r c u i t t h et h r e e p h a s ev o l t a g er e c t i f i e rs p a c ev e c t o rp w mc o n t r o ls y s t e m h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，s y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n dd e b u g l a s tb u tn o tt h el e a s t ，d u r i n gt h ee x p e r i m e n tf o u n dt h a tt h el a c ko fh a r d w a r ep h a s e l o c k e dl o o p t h i sp a p e rw a sb a s eo ns v p w mr e c t i f i e rd e c o u p l e dc o n t r o l ，an o v e ls o f t w a r e p h a s el o c k e dl o o pi s u s e di np w mr e c t i f i e ra l g o r i t h m ，t h es i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l tp r o v e st h es c h e m ei sf e a s i b l e t h i sp a p e rw a sb a s eo nt h ep r o t e u sm c us i m u l a t i o n s o f t w a r ep l a t f o r mf o r t h ek e y b o a r da n dd i s p l a ys o f t w a r es i m u l a t i o n ，s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no ft h es o f t w a r ed e s i g nw a s r e a s o n a b l e t h ep a p e rc o n c l u d e sw i t hc o n v i n c i n gr e s u l t sa n de x p e c t e dw a v e f o r m st h a tp r e d i c tt h e d e s i g ns i m u l a t i o n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g na n dt h er e a s o n a b l ea c c u r a c yo fp w m r e c t i f i e r k e y w o r d s ：p w mr e c t i f i e r ；d s p ；v e c t o rc o n t r o l ；s o f tp h a s e l o c k e dl o o p ；m a t l a b i l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本人 并已经在 论文作者签名： 例万年夸月日 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师签名：名蜱刀刃多年月 日 绪论 1 绪论 1 1p w m 整流器的研究状况 p w m 整流器在电气传动的主要是为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能 量，所以得到广泛应用。目前德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交一直 一交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如r h r 系列、f r e n i c 系列电源再 生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并 联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。同时，a b b 的a c s 8 0 0 相关产品也有回 馈式装置。 这些国外产品是装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国 情。近年来国内对p w m 整流器在电气传动中的应用也展开了研究，其中可以见到成都佳灵、 深圳加能、山东风光电子、深圳微能等公司有相关产品的报道，不过产品大多是当做一个 能量回馈单元与变频器相并联的产品，其控制策略采用模拟电子的滞环控制方式。在高校 中关于p w m 整流器的研究已形成热潮，如西安交通大学、浙江大学、合肥工业大学等都 进行了大量深入研究。浙江大学采用g t o 和p w m 技术开发出新型的电流型整流器；华 中科技大学将交流电机交流电机统一理论中的空间坐标系变换概念引入到高频整流系 统中，建立了电压型p w m 高频整流器统一数学模型；燕山大学对三相电压型整流器的 定此谐波消除及主电路参数关系进行了研究，提出了具有无功补偿能力的p w m 控制方 案，哈尔滨工业大学对高功率因数整流器的动态调节性能进行了研究。综合以上报道， 可以看出关于p w m 整流器的研究领域主要在以下方面d 5 7 1 5 9 1 ：p w m 整流器的建模研究 阳1 6 “盯埔、p w m 整流器的拓扑结构研究妇2 2 ，以及p w m 整流器的控制策略研究。 p w m 整流器的控制策略研究为了使电压型p w m 整流器网测呈现受控电流源特性， 其网测电流控制策略主要分两类：一类是“间接电流控制 策略；另一类就是目前研 究热点的“直接电流控制 策略。“间接电流控制就是幅相电流控制，即通过控制 电压型p w m 整流器的交流侧电压基波的幅值、相位，进而间接的控制其网测电流，这 种控制策略的缺点是网测电流动态相应慢，且对系统参数变化敏感，因而这种控制策 略逐渐被“直接电流控制”所替代。“直接电流控制 策略以其快速的电流响应和鲁棒 性受到学术界的关注，主要包括固定开关频率且采用电网电动势前馈的s p w m 控制，以 及快速电流跟踪的滞环电流控制等。为了提高直流电压利用率并降低开关损耗，采用 空间矢量算法在电压型p w m 整流器的应用，并提出了多种控制方案。同时还出现固定 开关频率、空间矢量、滞环等相结合的场合。目前，随着控制理论以及智能控制的发 展，相继出现一些较为新颖的系统控制策略，简述如下n 2 4 1 n “盯： ( 1 ) 电网不平衡条件下的p w m 整流器控制 通常控制策略研究是假设电网电压是平衡的，而实际上电网经常处于不平衡状态， 当电网出现不平衡严重时可使整流器故障烧毁。为使整流器在电网不平衡条件下仍能 西安理工大学硕士学位论文 正常运行，有学者提出了不平衡条件下，网侧电流以及直流电压的时域表达式。 l u i s m o r a n 等学者通过理论分析，认为电网负序分量是导致网侧电流畸的原因；同时指 出电网不平衡条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，且通过p w m 控制交流侧会产生奇次谐波电流。d v i n c e n t i 等人较为系统地提出了正序d q 坐标系中 的前馈控制策略，即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量的影响。但是由于 该方法的负序分量在d q 坐标下不是直流量，导致p i 调节不能实现无静差控制。因此， 有学者提出了正、负序双旋转坐标系控制，该方法实现了无静差控制，是较完善的理 论。但是该方案的不足是控制的结构比较复杂，运算量大。 ( 2 ) 无电网电压传感器及无网测电流传感器控制 为简化信号的检测，t n o g u c h i 等学者提出了一种无电网电动势传感器p w m 整流器 控制策略。这一研究主要包括两类电网电动势重构方案：一种是通过功率估计，另一种 是通过电流的偏差求导重构电动势。前者是一种开环估计算法，因而精度不高，并在 复功率估计算法中，含有微分项，因而容易引入干扰。后者是闭环估计算法，它采用 网测电流偏差p i 调节来控制电网电动势的重构误差，因而精度高。m r i e s e 则通过 直流侧电流的检测来重构交流侧电流，进而实现无交流电流传感器控制。 ( 3 ) p w m 整流器的非线性控制 常规的控制策略和控制器的设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性化处理方 法，这种方法的不足是无法保证控制系统大范围扰动的稳定性；为了提高p w m 整流器 的性能，国内外学者开始将l y a p u n o v 非线性大信号方法、时问最优控制等引入p w m 整 流器的控制。为此，有学者提出了基于l y a p u n o v 稳定性理论的控制策略。这一新颖的 控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了l y a p u n o v 函数，并由三相p w m 整流器的 d q 模型以及相应的空间矢量p w m 约束条件推导出相关的控制算法这方案较好的解决了 p w m 整流器的大范围稳定控制问题。同时，常规的基于d q 模型的电压型p w m 整流器控 制，一般通过前馈解藕控制，并采用两个独立的p i 调节器，分别控制相应的有功、无 功分量。而有功、无功分量| 日j 的动态藕合和p w m 电压利用率的约束，影响了电压型p w m 整流器有功分量的动态响应。针对这一问题，有学者提出了直流电压时间最优控制。 其基本方法是根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在 动态过程中降低无功分量的响应速度，提高有功分量的响应速度，实现了时间最优控 制m 2 6 1 。 ( 4 ) p w m 整流器的智能控制 针对p w m 整流器的双闭环控制结构中p i 调节参数难以确定，以及系统参数具有非 线性和时变性的问题，为进一步提高p w m 整流器的性能，将模糊控制和神经网络控制 引入系统控制中。如姜惠兰博士的p 1 】| m 整流器的径向基函数神经网络控制新方法中，运 用预测电流对电压型p w m 整流器的有功、无功电流实现解耦，电压环采用基于径向基函数 神经网络自适应调整参数的p i 控制器。研究结果表明这种p i 控制器可以在线调整p i 参 2 绪论 数，快速跟踪整流器的变化过程，使p 1 】| m 整流器获得较好的动、静态特性，并对电网负载 扰动有较强的适应能力。 1 2 课题研究的背景 本课题是以能量回馈式变频器为背景，针对大惯量、高速度、高性能通用交直流电气 传动系统。传统变频器的工作原理是三相交流电首先通过不控整流桥得到脉动直流电，再 经电解电容滤波稳压，最后经三相逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类 变频器效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能 直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢 机、大型龙f - j n 床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四 象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由 于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵 升电压。而以g t r 、i g b t 为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关 器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频 器的应用范围，通常解决方法是在直流侧附加能耗装置。面对此问题，提出能量回馈式 p w m 整流器，即用p w m 整流器代替传统不控整流，如图卜1 所示。采用p w m 整流技术不 仅可以解决电能双向流动，实现单位功率因数的正弦波电流控制，提高直流电压的稳定度， 改善传动系统性能，而且可以减小储能电容容量，提高可靠性和快速的电流响应等。 叫 一 图卜1 能量回馈式变频器原理图 f i g 1 1s c h e m a t i co fe n e r g yf e e d b a c ki n v e r t e r 由于p w m 网侧功率因数可控，所以本课题的研究在电力系统有源滤波、无功补偿、超 导储能、太阳能发电以及潮流控制等领域也有十分广阔的应用前景。本文从通用性出发， 围绕p 1 】i m 整流器系统建模、系统分析与设计以及控制技术展开了研究，对电能合理应用 具有广泛意义和潜在的经济与社会效益1 1 3 1 4 。 3 西安理工大学硕士学位论文 1 3 课题的工作内容 本文对三相p w i v l 整流器系统建模、仿真以及系统软硬件的设计，并对其进行了实验验 证。主要工作可以概括如下： ( 1 ) 分析三相电压p w m 整流器的原理及控制原理，选取双闭环控制和滞环控制进行理论分 析和仿真验证，并对其控制方案进行分析。结合工程需要采用电压电流双闭环控制算 法，并进行了仿真验证。 ( 2 ) 将软件锁相环技术应用在p w m 整流器控制中，解决了硬件锁相的不足，并用仿真和实 验验证了该方案正确性和可行性性。 ( 3 ) 完成了以数字信号处理器( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 为控制核心的p 嘲整流器控制电路板和样 机主电路参数的硬件设计及系统的软件设计。 ( 5 ) 对上述系统进行测试和试验，并对试验结果分析。 4 软件锁相环原理及仿真 2 锁相环原理及仿真 2 1 硬件锁相环技术 锁相环的作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。锁相环通过比较外部 信号的相位和由压控晶振( v c x o ) 的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会 不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。通常硬 件锁相有以下方式，如输入正弦信号利用过零比较器，将它输出的方波信号作为锁相环芯 片的一个鉴相端的输入，同时比较器检出信号波形的过零点：其方波的上升或下降沿用作 单片机的外中断信号，作为输出波形移相的参考点。 上述方法虽然可以锁相达到一定的精度，但是比较复杂。随着d s p 等处理器的发展， 芯片大多集成了c a p t u r e ( 捕获单元) ，此单元具有相位捕获功能，一般都是结合d s p 来实 现硬件锁相的电路如图2 - 1 所示。 图2 ，1 硬件锁相电路 f i g 。2 1c i r c u i to fh a r d w a r ep h a s el o c k e 信号 那么这种方法是在d s p 应用中使能捕获单元后，输入引脚上的指定跳变将所选用的定 时器的计数值装入到相应的f i f o 栈。与此同时，相应的中断标志被置位，如果该中断没 有被屏蔽，则外设中断产生一个捕获中断请求信号。在中断处理程序中，程序读取相应捕 获单元寄存器的值，但是这是一个滞后系统，每次读取的值都是上一周期的周期值。要获 得电压当前相位值，在系统主程序中的p w m 发生器定时下溢中断中读捕获计数器的值。由 于系统主程序在定时器下溢中断中完成，这样在开关频率固定的情况下，每个电压周期中 采样的点数是一样的，例如在开关频率固定1 0 k h z ，电网电压频率5 0 h z 的情况下，每个 周期有2 0 0 个采样点，程序中为了得到当前相位的正弦、余弦值，采用查表法来获取，这 样在电网电压在5 0 5 h z 波动的情况下，过零点的确定与程序运行不匹配时就会产生相 位不准确。如图2 2 所示，a 曲线是5 0 h e 电压波形，b 曲线是4 8 h e 的电压波形，t n 一1 是 第n 一1 次采样，t n 是第n 次采样。 在电网电压过零点附近如果采样的不准确，将影响整流器的谐波电流以及交流侧电流 等，而死区补偿也主要是补偿电网电压过零点附近开关频率。那么在过零点附近的采样不 准确，即计算输出的开关频率将影响电流波形的畸变和软件坐标变换的运算。假设上一周 5 西安k s - 大学硕士学位论文 期电压没有波动，电网频率是5 0 h z ，而当前电网有波动频率变为4 8 h z ，那么程序在第n 次采样时刻得到上一周期捕获寄存器的值t l ，本次采样时刻得到寄存器的当前值t 2 。软 件中为了得到正弦曲线和余弦曲线，通常采用查表法获得。如建立幅值为1 ，频率为5 0 h z ， 采样点为1 0 2 4 的正弦表格。那么程序中为了得到当前相位，则索引利用式2 1 获得。 切d 蹦；1 0 2 _ _ _ 4 4t 2 二f 1 ( 2 1 ) 那么我们从图2 2 中可以看出，在l 时刻采样得到相位的正弦值本应该为0 ，但是由 于相位捕获只能获得上一时刻的电网电压周期值，不能获得本次采样时刻电网电压的周期 的原因，通过式2 1 得到当前相位正弦索引值，查表得到的正弦量却不为0 ，同样其它时 刻与此相类似，那么这样在电压频率不为5 0 h z 时必然产生误差，所以程序算法计算中将 会影响开关频率的输出。 一 。、夕 ；彬： 图2 - 2 相位偏移时的电压波形 f i g 2 2v o l t a g ew a v e f o r mo fp h a s ed e v i a t i o n 2 2 软件锁相环原理 通过上节分析硬件锁相环的工程实现原理，虽然原理比较简单、易于工程实现，但是 发现硬件锁相有很多不足，如电网电压在5 0 h z 附近波动以及电网含有谐波或三相不平衡 等问题，就很难保证相位的同步和精度了，尤其在整流处于能量回馈状态，如果相位不能 与电网同步，将给电网带来谐波污染。准确的获得电网电压的相位是p w m 整流器的运行的 前提条件，面对上述问题，本论文提出了基于瞬时无功理论的软件锁相技术在p w m 整流器 中的应用。 瞬时理论锁相的基本原理是将三相输入电压，u 。、u 。、比，转换到静止的口一坐标系， 然后从静止口一口的坐标系转换到与电压同步旋转的d q 坐标系，从而得到交流电压的直 流分量、u 。其中变换所用的旋转角p 是软件锁相环的输出。如果锁相角与电网电压 相位同步，则电压输出直流分量u q 等于o ：如果不同步，则u q 为交流量。 如图2 - 3 所示软件锁相原理是将0 与锁相变换后得到的【，。产生一个误差变化信号， 将这个信号经过p i 调节器后得到的结果作为误差信号g o ，再经过一积分环节后产生一 个输出，即为电网电压的相位a 。整个过程构成一个反馈，通过p i 调节器来达到锁相的 6 软件锁相环原理及仿真 目的。 图2 - 3 软件锁相原理图 f i g 2 3 s c h e m a t i co fs o f t w a r ep h a s e 如三相输入电压久含有三相基波正序分量，则设三相输入电压为： 经a b c 到筇坐标变换，变为如下两相如式2 3 为： 讣信 1一三一三 22 o 鱼一巫 22 角 ( 2 2 ) 如此时锁相环输出的角频率为甜，相位为0 则利用锁相环输出的角度进行如下d q 变换为： ： 2 竺：二一c o s t u 2 廖譬麓二苏二爿i 仁 未捕获频率时，u 。是一交流量，在频率、相位完全捕获的情况下，即= ，驴= 0 ， 此时u 。= 0 ，即u 。是恒定的直流分量，且不随电源电压幅值的变化而变化。因此在频率和 相位完全捕获的情况下，通过p i 调节u 。与0 的误差信号可以达到锁相的目的。在实际的 工程应用中，正弦、余弦的值是根据查表获得，由于积分环节的累加作用，9 的值会直 增加，因此在每一个工频周期需要复位一次。 若电网电压不平衡，电网电动势可描述为正序、负序电动势、及零序电动势三者的合 成。三相不平衡电压经过静态动态坐标变换后，只有正序分量转换为直流分量，负序、零 序经过d q 转换后都是高频分量，这个高频分量经过高频滤波后，软件锁相的输出就不受 负序、零序的影响，这样就能保证软件锁相跟踪的是基波正序分量，仿真试验可以看出分 析的正确性“3 1 “4 1 “6 儿4 7 1 。 7 驴 缈 + + 纫一3妨一3 一 + 呼 郇 郇 ，、，il，ii、 n n n s s s = i 置 “ “ 比 3 ，缈 妒 + + h qq “ ( o n c 吕j 一 厂 彦 西安理工大学硕士学位论文 2 3 软件锁相环仿真 结合上节理论分析，在m a t l a b 环境下软件锁相环的仿真模型如图24 所示。 曩 酬24 软件锁相环仿真模型 f i g2 4s i m u l a t i o nb l o c kd i a g r mo fs o f t w a ”p b a s el o c k i n g 对卜述模型进行仿真，仿真结果如下，相位角输出如图2 5 所示，输入电压相位 跟踪波形如型2 6 ，图27 所示。 一 罔2 7 输人电压相位跟踪波形 f i g27p h a s et r a c kw a v e f o 玎no fi n p u tv o l t a g e 蚓2 - 6 输人电压相位蹦踪时刻 f i g2 , 6 t h e m o m e f l lo f i n p u tv o l t a g ep h a s e t r a c k i n g 软件锁相环原理厦仿真 ；1 i 幽28口轴输出电压 f i g2g o u t p u t v o l t a g eo f q a x i s 目2 - 9d 轴输出电压 f i g29 0 u t p u tv o l t a g e o f da x i s 从上边的仿真图可以看出软件锁相环理论在电压相位跟踪中的快速性图2 6 中可以说明在系统启动时刻，输入与输出相位跟踪的快速性。图2 7 中电压相位几乎 完全跟踪，同时锁扣q 轴达到仉d 轴电压输出稳定的直流量。 西安理工大学硕士学位论文 3p w m 整流器的原理及控制技术 3 1p w m 整流器的拓扑结构 p w m 整流器的拓扑结构如图3 1 所示，电压型整流器的拓扑结构与二电平逆变器结 构类似。其主要部件由三相输入侧电感l ，三对i g b t 开关器件，直流侧输出滤波电 容c ，以及负载如+ e t 组成，引入电源模型e t 是为了描述整流器能量回馈的过程。系 统的三相输入巳、e c 采用无中线连接。图中r 代表电感线圈的等效电阻，一般可 以忽略1 。 图3 1p w m 整流器主电路结构图 f i g 3 1m a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o no fp w m r e c t i f i e r s 3 2 三相p w m 整流器的原理 3 2 1p w m 整流器数学模型 p w m 整流器数学模型的拓扑结构如图3 - 1 所示。由于每相桥臂共有两种开关模式， 即上侧桥臂导通或下侧桥臂导通，因此三相v s r 共有2 3 = 8 种开关模式，并可利用二值 逻辑函数s f ( 一口，b ，c ) 描述1 ，即 r 1 ，v d ；导通 s ；一 。、。 ( 3 1 ) 一1o 吒v d i 导通 。 式中，哆，v o j ( j - - a ，b ，c ) 表示上桥臂功率开关管及续流二极管；_ ，v d j 。( ，- - - - a ，b ，c ) 表 示下桥臂功率开关管及续流二极管。 针对图3 1 所示的三相v s r 主电路结构，由基二霍夫电压定律得其a 相电压方程 为： l 粤+ r i 。，p 。一( v 。+ ，。) ( 3 2 ) 当采用二值逻辑歼关函数描述时， 1 0 p w d 整流器的原理及控制技术 = s ( _ 一口，b ，c ) ( 3 3 ) 同理可得b 相，c 相的电压方程： 譬+ r 屯；p 6 一( + v n o ) ( 3 4 ) 筝+ r i 。：p 。一( + l j n o ) 三相对称t i t 系统有： e a + + e ：= 0屯+ + t = 0 ( 3 5 ) 联立( 3 2 ) 一( 3 5 ) 式得出中点电压为： ，一墅粤生 ( 3 6 ) 将( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 6 ) 联立得完整的a 相方程如下： ld ，i o 。+ r i , 。巳一( 蔓一兰量掣) v 如( 3 7 ) 同理得b 相，c 相方程为： l 拿+ r i b ：气一( s b 一墅粤竖) ( 3 8 ) a tj l 譬+ 以；巳一( s 。一半) ( 3 9 ) 对负载电流进行分析得：乞+ 乇+ 之= t + 磊其中屯为流过电容的电流，为流过负载r 上的电流，则电容上的电压： c d 如v j - - - z = ( s 。i o + & + 足f 。) 一v r d _ l c ( 3 1 0 ) 因此联立( 3 7 ) 一( 3 1 0 ) 即得出三相v s r 的数学模型咖。1 如式3 1 1 。 ld ，i ，o + r i o ；巳一( s 。一半) 口fj 哮城一( s b 一鼍芦， 车+ r i 。；乞一$ 。一墅粤生) t l t j c d 出v d c = ( s 。t + s 毛+ s 。之) 一百1 d c 3 2 2p w m 整流器解耦控制原理 由于交流量积分环节的增益不是无穷大，因此电流控制的稳态误差不等于零。故 ( 3 1 1 ) 不利于p w m 整流器的控制的设计。先将三相交流电流从静态的a b c 坐标转换 到旋转的d - q 坐标系中，然后进行控制器的设计，同时可对电流的d 、q 分量独立控制， 即有功功率和无功功率独立控制阳1 。令： 西安理工大学硕士学位论文 ( & 一趾学心一a 、b 、c ) ( 3 1 2 ) 将式( 3 1 2 ) 代入式( 3 1 1 ) 得出三相静止坐标系下的方程 哮+ 尺s e k - ( k _ a 、b 、c ) ( 3 1 3 ) 采用空间坐标的概念，将三相坐标系变换到变换到两相静止坐标口一声系中。 阶层 1一三一1 2 2 o 鱼一巫 22 引 慨川 进一步将u 口、u 口坐标系变换为两相旋转d - q 变换系中，即 阶瞄s i 咖n o 北 通过上述两次坐标变换，得出同步旋转坐标系下p w m 整流器的方程为 比d ；。皇誓+ r 一c o l 。+ 玑d ， ( 3 1 6 ) “e2 t 云+ r s i q w l , i d 埘叼 其中、u a ( k = d 、q ) 分别为三相电源电压，输入电流，桥中点电压变换为 d - q 坐标系下的值。若三相电源电压为对称电压，则电压通过坐标变换后为直流量，其 值为 斤 。、移 ( 3 1 7 ) u g2 0 将( 3 1 6 ) 代入( 3 1 7 ) 得到在d - q 坐标系下的控制电压方程： 一t 鲁一驴蝴一 ( 3 1 8 ) u 凹一t 云一r - 吐 由上式可以看出，两相电流之间存在耦合，为了消除两相之间的耦合，采用电流 解耦控制阳1 ，设计的电流控制器方程如下： 4 d2 群( 。一) + k ，( + 一i a ) d r + 鸣+ ( 3 1 9 ) = k ( 一) + kri q 一) d ，+ w l ，4 若有功电流指令值与负载电流成正比，且为电压调节器的输出则 i d = 群( 蹦础一) + k r ( “如一“如d r ( 3 2 0 ) 当p w m 整流器处于单位功率因数运行时，无功功率为零，此时无功电流指令值满足 乞+ = 0 ( 3 2 1 ) 1 2 p w m 整流器的原理及控制技术 3 3 空间矢量脉宽调制原理与仿真 3 3 1s v p w m 的调制原理 电压空间矢量是按照电压所加在电机绕组的空间位置来定义的。电动机的三相定 子绕组可以定义为一个三相平面静止坐标系，互相间隔1 2 0 。三相定子电压u 。、u 。、 分别施加在三相绕组上，形成三个相电压u 。、u 。、u 。他们的方向始终在各自的轴 线上，大小随时问按正弦规律变化。因此，三个相电压空间矢量相加所形成的一个合 成电压空间矢量u 是一个以电源角频率速度旋转的空间矢量。空间矢量脉宽调制策 略是通过改变开关器件的状态，来获得准圆形的旋转磁场，从而在不高的开关频率下， 使交流电机获得了比s p w i v i 更好的控制性能。 将s v p w m 应用于三相p w m 整流器的控制之中，主要继承了s v p w m 电压利用率高、 动态响应快等优点，目前应用于三相p w m 整流器直接电流控制的s v p w m 技术主要有两 类：其一是基于固定开关频率的s v p w m 电流控制，即利用同步旋转坐标系( d 、q ) 中电 流调节器输出的空间电压矢量指令，再利用s v p w m 使v s r 的空间电压矢量跟踪电压矢 量指令，从而达到电流控制的目的：其二是利用基于滞环电流控制的s v p w m ，即利用电 流偏差矢量或者电流偏差变化率矢量空间分布给出最佳的电压矢量切换，使电流偏差 控制在滞环宽度以内，这实际上是一种变开关频率的s v p w m 。2 1 3 3 2s v p w m 算法的工程实现 对于三相电压型p w m 整流器而言，6 个功率开关管，规定：当上桥臂开关管处于 “开”状态时，记开关状态l ；当下桥臂开关管处于“开”状态，记开关状态0 。三个 桥臂只有“1 ”或“0 ”两种状态，因此共形成0 0 0 、0 0 1 、0 1 0 、o l1 、1 0 0 、1 0 1 、1 1 0 、 1 1 1 八种开关模式，其中称0 0 0 、1 1 l 为零状态。用矢量表示这8 种空问状态，如图3 - 2 所示： u 1 8 0 ( 图3 - 2 空间矢量状态图 f i g 3 2s t a t ed i a g r a mo fs p a c ev e c t o r t 1 图3 3 电压空间矢量的线性组合 f i g 3 3l i n e a rc o m b i n a t i o no fs v p w m 1 3 西安理工大学硕士学位论文 从图3 - 2 可以看出，如果单独一个矢量作用我们只能得到正六边形的磁场，这不是我 们所要的圆形，如何获得圆形磁场呢? 一个思路是通过增加开关管来获得更多的逆变器开 关状态；另一个思路是利用六个非零的电压空间矢量的线性组合来得到更多的开关状态。 下面具体说明这种组合的方法。对于空间电压矢量的合成则根据零矢量的分布不同有很 多种算法，有五段式和七段式。在此采用七段式合成算法即在每个扇区内每个零矢量 均以( 0 0 0 ) 开始和结束，中间的零矢量均为( 1 1 1 ) ，其他非零矢量的发送保证每次只 有一个开关切换。具体的算法工程实现过程为“们5 3 2 们3 ： ( 一)确定矢量u 耐所在扇区 在矢量控制中，通常是根据计算出的夹角秽来确定扇区的，但是这样计算涉及三 角函数关系，算法较为复杂。工程中可根据如下规律快速判断u ，所处的扇区 ( 1 ) 如果u 。 0 ，贝i ja = 1 ，否贝0 彳= 0 ； ( 2 ) 如果5 d 口一u p 0 ，贝0 口一1 ，否贝0 曰= 0 ； ( 3 ) 女口果d 二+ u 口 o ，贝0c = 1 ，否贝i j c = o 。 则令p ；a + 2 b + 4 c 。然后根据p 值查表，即可确定扇区号。 表3 - 1 扇区查询表格 t a b 3 1s e c t o re n q ui r yf o r m p 123456 扇区号150324 ( 二) 根据扇区分配矢量的作用时i 司五，互 z 一茜( 也胪。) 定义“妣t s ( 、也，n + 孔口) ( 3 2 2 ) “鲁“p 以第一扇区为例，如图3 - 3 所示容易得 u 1 t l u 2 t 2c o s 6 0 0 = “。t u 2 t 2s i n 6 0 0 = u j , ( 3 2 3 ) t l 一一x ，t 2 = z 由上式可以推出= 一x ，乞= z 。同理根据七段式合成算法得各其他扇区内相邻两 个矢量的作用时间如下表，如表3 2 所示： 表3 - 2t 1 ，t 2 赋值表 t a b 3 2e v a l u a t ef o r mo ft 1 、t 2 扇区号 ii ii i ii vvv i 毛 zy zxxy 乙 yxx zy z 1 4 p w m 整流器的原理及控制技术 注：t 1 表示前一矢量，t 2 表示后一矢量。 在动态调节过程中有可能出现过调治现象，即出现( t s 驱动光耦 流采样 7 rr p 流鼻踩卜 整流器主 拓扑 i 哪n 伽卜 i 吼s s 通信卜tt 。l。 1 i 一”“l 7 1 l ” l 1 图4 1 系统硬件结构框图 f i g 4 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fs y s t e mh a r d w a r e 4 2p w m 整流器主拓扑设计 系统主拓扑结构如第3 章图3 1 所示，主要有i g b t 模块、交流侧滤波电抗、直流侧 滤波电容等组成。p w m 整流器样机技术指标： ( 1 ) 输入电压：交流输入电压三相5 0 v - - + 1 0 ( 2 ) 电压频率：5 0 h z 土5 ( 3 ) 输出电压：直流输出电压1 5 0 v - 2 5 0 v ( 4 ) 样机功率：1 1 k v a ( 5 ) 功率因数： 0 9 5 4 2 1 功率模块的选取 电力电子器件的模块化不但缩小了整机体积，而且更重要的是取消传统连线，把寄 生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。本文综合考虑 系统电压、电流以及实验平台的升级，选取了e u p e c 公司的f p 4 0 r 1 2 k e 3 模块。此模块有 三相桥式i g b t 管，i g b t 管在常温2 5 。下集电极发射集耐压1 2 0 0 v ，集电极额定流过电