（电机与电器专业论文）基于svpwm控制策略的三相脉冲整流器的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 a b s t r a c t t h ec o n v e n t i o n a lr e c t i f i e rs e c t i o nw i d e l yc o n s i s t so fd i o d e r e c t i f i e rc i r c u i t a n d p h a s e c o n t r o lt h y r i s t o rr e c t i f i e r , w h i c hi n j e c t sl a r g ea m o u n t so fh a r m o n i c s i n t ot h ep o w e r n e t w o r k sa n dp r o d u c e sm u c hc o n t a m i n a t i o n t h et h r e e - p h a s ev o l t a g e - s o u r c e p w m r e c t i f i e r ( v s r ) h a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t a n td i r e c tv o l t a g e ，h i g hp o w e rf a c t o r , s m a l l h 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 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 r s p e c t i v ei na c t i v ef i l t e r i n g ，r e a c t i v e - l o a dc o m p e n s 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 ep r i n c i p l eo fs i n g l e - p h a s ev o l t a g e s o u r c ep w m r e c t i f i e rw a si n t r o d u c e di nd e t a i l s ， c o n s t r u c t i n gt h eh i # a n dl o w f r e q u e n c ym a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do n t h et h r e e p h a s es t a t i c c o o r d i n a t es y s t e ma n dt h et w o p h a s es y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e mf r o mt h ep o i n t o ft h et o p o l o g yo ft h em a i nc i r c u i t ，a n ds e l e c tt h et h r e e - p h a s ev o l t a g e - s o u r c ep w m r e c t i f i e r a st h i sm a j o rs t u d y w i t ht h ev o l t a g es p a c ev e c t o r sp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n , w ec a ng e th i g h e r u s a g eo f t h ev o l t a g e ，a tt h es a m et i m ei tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec u r r e n th a r m o n i c s i nt h i s p a p e r , t h ep r i n c i p l eo ft h r e e - p h a s ev o l t a g es p a c e v e c t o ra n dt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o nw e r e a n a l y z e di nd e t a i l s ，c h o o s i n gt h ev e c t o rs e q u e n c i n gs t r a t e g yw i t hr e l a t i v e l ys m a l lh a r m o n i c c o n t e n t a st ot h ec u r r e n tc o n t r o ls c h e m e ，t h i sp a p e rp r o p o s ead i r e c t l yc u r r e n tc o n t r o ls c h e m e ， w h i c hw i t hf i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c yi nd qr o t a t i o nr e f e r e n c ef r a m e a n da l s o ，w ei n t r o d u c e c u r r e n td e c o u p l i n gi n p u tv o l t a g ef e e d b a c k , w h i c hm a k e st h es y s t e mm o r es t a b l ea n df a s t e r r e s p o n s e ，a n dt h r o u g ht h ec l o s e dl o o ps y s t e ms i m u l a t i o nt o v e n f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i s c u r r e n tc o n t r o ls c h e m e i nc o n n e c t i o nw i t hs h o r t a g eo fc o n v e n t i o n a lp ic o n t r o l ，t h ei m p r o v e m e n to fp ic o n t r o l a l g o r i t h m ，w h i c hc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i co fs e p a r a t ei n t e g r a la n dc h a n g e - v e l o c i t yi n t e g r a l i nt h ec a s eo fn o ta f f e c t i n gt h es y s t e m sr e s p o n s es p e e d ，u s i n gi m p r o v e m e n to fp ic o n t r o l a l g o r i t h mc a l ls l o wd o w n t h er i s es p e e da n dd e s c e n ts p e e do fd cv o l t a g e ，a n di tc a l lr e s t r a i n o u t p u to v e r s h o o te f f i c a c i o u s l y a na n a l y s i so f 也ep l l h o w t oa f f e c tt h ec o n t r o ls y s t e ma r e t o o k ，a n dm a k eas t u d ya n ds i m u l a t i o no np o w e rf r e q u e n c yf l u c t u a t i o n s t h ed e s i g n i n g m e t h o do ft h ep a r a m e t e ro ft h em a i nc i r c u i ti sa l s od e s c r i b e d t h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r so n t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o np r o v e st h a ta n a l y s i sr e s u l t sa r er i g h ta n df e a s i b l e k e y w o r d ：p w mr e c t i f i e r ，s v p w mm o d u l a t i o n ， d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ，i m p r o v e dp ic o n t r o la l g o r i t h m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打c ，) 学位论文作者签名：裂苇愚、 将柳虢班潋 日期：；2 0 o 占3d日期：砂fd 。介；矿 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 研究了三相电压型p w m 整流器基于三相静止坐标系以及两相坐标系的低频和高 频数学模型，研究了砌坐标系下的固定开关频率的直接电流控制策略，同时在控制中 引入输入电网电压的前馈控制，实现了电流的解耦控制。 研究了电压空间矢量调制控制方法，对电压空间矢量进行合理的排序。针对常规 p 工控制的不足，结合积分分离和变速积分的特点，提出了分段作用的改进p i 控制算法， 有效地抑制输出超调，加快了系统的响应速度，提高了系统的稳定性。分析和研究了 锁相环和主电路参数对控制系统的影响，并针对电网频率波动的情况进行了仿真研究 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 粱伟暴、 日期：二刀归g 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 随着功率半导体技术的不断发展，越来越多的电力电子装置得到广泛的运用，引起 的谐波及无功污染问题逐渐引起了人们的日益关注。脉冲整流技术( 又叫p w m 整流技 术) 取得了飞速的发展，已经成为电力电子领域中不可缺少的一部分，它对提高电力电 子装置的性能，治理电网谐波污染以及推动电力电子技术的发展起着十分重要的作用。 1 1 课题的研究背景与意义 近2 0 年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用于电力、冶金、化工、煤 炭、通讯、家电等领域。多数电力电子装置通过整流器与电力网接口，因此三相整流器 的研究得到了人们很大的关注。整流器经历了不可控整流、相控整流和p w m 整流三 个阶段的发展。 虽然传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器的电路简单，控制方便，但它们主 要存在以下缺陷【l 】： ( 1 ) 对公用电网产生大量的谐波； ( 2 ) 当整流器工作于深度相控状态时，装置的功率因数极低； ( 3 ) 交流侧输入有电流畸变，而且整流器换流时容易引起电网电压波形畸变； ( 4 ) 输出侧需要较大的平波电抗器和滤波电容以滤除纹波。这导致装置的体积、重 量增大，增加了系统成本； ( 5 ) 相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统动态响应慢。 无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流，其产生的低功率因数高谐波含量都将 导致电网正弦电压畸变，增加配电导线与变压器的损耗，增大中线谐波电流，造成电网 上其他用电装置严重的电磁干扰；同时，低功率因数还将降低电源系统的负载能力和可 靠性。因此不少国家和国际学术组织制定了限制电力系统和用电设备谐波的标准和规 定，有国际电工委员会( i e c ) 制定的i e c 5 5 5 2 标准，它对用电装置的功率因数和波 形失真度作了具体的限制，且又于1 9 8 8 年对谐波标准进行了修正，欧洲也制定了相应 的i e c l 0 0 0 3 2 标准。我国国家技术监督局在1 9 9 4 年颁布了电能质量公用电网谐 波标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) ，传统整流器已经不符合这些新的规定。 目前解决电网污染的方法主要有两种：一是采用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；二是通过对产生谐波的电力电子装置本身进行改造，使装置的 输入正弦电压和电流同相位，不产生谐波也不消耗无功功率。两者相比较，采用改进电 力电子装置的方法改善功率因数和实现谐波抑制更为有效，也就是开发输入电流为正弦 波，谐波含量低，且功率因数接近为1 的新型三相整流器，因此高功率因数三相整流 器的研究得到了广泛的关注 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 1 1 谐波的危害和抑制 谐波对电网和其它系统的危害主要有以下几方面【2 j ： ( 1 ) 增加了公用电网的附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率； ( 2 ) 引起用电设备发热，使它们的绝缘部分老化，降低用电设备的寿命。 ( 3 ) 造成电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。谐振使谐波电流放大数 倍甚至数十倍，引起电容器过热而烧毁。 ( 4 ) 导致继电保护和自动装置误动作，使电气测量仪表计量不准确。 ( 5 ) 对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；严重者还会导致 信息丢失，使通信系统无法正常工作。 解决电网谐波污染的途径主要有两种：是在电力系统中加入补偿器来补偿电网中 的谐波，如无源l c 滤波器，有源电力滤波器。二是对电力电子装置本身进行改造，使 其不产生谐波，且功率因数可控制为1 。前者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除了 谐波源，是解决谐波问题的根本措施。把p w m 技术应用于由m o s f e t 、i g b t 等全 控器件组成的整流电路，可运行于高功率因数，甚至能量可以双向流动，真正实现绿色 电能转换，因而备受关注。这种整流器称为p w m 整流器【3 1 ，又称为脉冲整流器，或 者称高功率因数变流器。 1 1 2 功率因数校正技术 不管是民用的还是工业用的产品都对电源的要求越来越高：体积小、重量更轻、供 电容量更高、供电品质更好、可靠性更高、效率更高、不间断供电等等，提高功率因数 是实现这些要求的关键所在。传统的方法是采用多重化技术【4 】增加变流器的相数或脉动 数，多重化技术就是将多个方波进行叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦 波的阶梯波。可以想象，重数越多，阶梯波就越接近正弦波，不过电路结构也越复杂。 从几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用p w m 整流技术。p w m 整流就 是将逆变电路p w m 技术应用于由m o s f e t 、i g b t 等全控型器件组成的整流电路。而 采用p w m 整流技术可获得单位功率因数和正弦化输入电流，实现交流侧电流的正弦 化，且运行于单位功率因数，同时谐波含量很小。由于p w m 整流器可以实现能量的双 向流动，不但能实现由交流侧电网向负载传送能量的整流特性，而且能实现由直流侧向 交流侧回馈能量的逆变特性，有效地节约和利用了能源，因而是一种真正意义上的“绿 色环保”电力电子装置。由此可见，p w m 整流技术代表着当今解决谐波污染问题、实 现高功率因数和新能源利用的发展方向，是当今电力电子技术中最具基础和前景的技术 之一。 1 2p w m 整流器国内外研究现状 在2 0 世纪8 0 年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了p w m 整 流技术的应用与研究。在1 9 8 2 年，b u s s e a l f r e d 等人首先提出了基于可关断器件的三相 全桥p w m 整流器拓扑结构及其电网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型p w m 整流 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 曼m m 一。 ；m ；i i _i im i 鼍曼曼曼皇! 曼! 曼曼曼曼曼曼鼍 器网侧单位功率因数电流控制。1 9 8 4 年。m a g ih i r o f u m i 等人提出了基于p w m 整流器 拓扑结构的无功补偿器控制策略。随着全控器件的问世，采用全控型器件实现p w m 高 频整流的研究进入高潮。经过几十年的发展，p w m 整流器的主电路已从早期的半控型 器件发展到今天的全控型器件，而对p w m 整流器相关的应用领域的研究也越来越多， 例如有源滤波 5 】、超导储能【6 1 、交流传动【7 1 、高压直流输电【8 3 以及统一潮流控制【9 】等。这 些应用领域的研究，又促进了p v c m 整流器及其控制技术的进步和完善。当前主要的研 究领域主要有以下几个方面： 1 整流器的分析与建模 p v v w i 整流器数学模型的研究是p v v l v i 整流器及其控制技术研究的基础。自从出现 基于坐标变换的p w m 整流器的数学模型之后，各国学者对p w m 整流器的数学模型进 行了仔细的研究，其中最具代表性的就有：r 唧、s b d e w a n t 9 1 0 】等较为系统地建立了 p w m 整流器的时域模型，并将时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相应的时域 解；c h u n t r i m 和d o n gy h u 等则利用局部电路的由坐标变换建立了p w m 整流器基 于变压器的低频等效模型电科1 1 】，并给出了稳态、动态特性分析。 2 电压型p w m 整流器的电流控制策略研究 为了使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究 显得十分重要。在p w m 整流器技术发展过程中，电压型p 、q v q m 整流器网侧电流控制策 略主要分成两类：一类是由j w d i x o n 提出的间接电流控制策略【1 2 】；另一类就是目前占 主导地位的直接电流控制策略【l 3 1 4 1 。间接电流控制也称为相位和幅值控制，即通过控制 电压型整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制网侧电流，但它对系统参数 变化灵敏，因此这种控制策略己逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制通过快速 计算出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其 跟踪指令电流值，具有快速的电流响应和良好的鲁棒性。直接电流控制控制方案主要包 括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的s p w m 控制，以及滞环电流控制【l5 1 。为了 提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的p w m 控制在电压型p w m 整流器中取得 了广泛的应用，并提出了多种方案。 3 p w m 整流器拓扑结构的研究 p w m 整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。在小功率场合，p w m 整流 器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。对于大功率p w m 整流 器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平【1 6 】、变流器组合【1 7 1 以及软开关技术【1 8 】上。多 电平拓扑结构的p w m 整流器主要应用于高压大容量场合，而在大电流应用场合，常采 用变流器组合拓扑结构，即将独立的电流型p w m 整流器进行并联组合。 4 p w m 整流器系统控制策略的研究 随着人们对p w m 整流器及其控制策略的深入研究，国内学者针对整个p w m 整流 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 器系统的控制策略问题也提出了一些比较新颖的系统控制策略，其研究主要可以包括以 下几个方面： ( 1 ) 基于l y a p u n o v 稳定性理论的p w m 整流器控制。针对p w m 整流器的非线性多 变量强耦合的特点，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 整流器的砌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。 ( 2 ) 无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制。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【l9 1 。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。 ( 3 ) p w m 整流器的时间最优控制。有学者提出了直流电压时间最优控制【2 0 1 ，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。 ( 4 ) 电网不平衡条件下的p w m 整流器控制。由于实际电网是变化的，为了使整流 器在电网不平衡条件下仍能正常运行，有人提出了在不平衡条件下，网侧电流和直流电 压的时域表达式【2 1 1 。电网负序分量被认为是导致网侧电流畸变的原因。在电网不平衡 条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，交流侧会有奇次谐波电流。 d v m c e n t i 等人较为系统地提出了正序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由坐标系下不是直 流量，导致调节不能实现无静差控制。 1 3 电压型p w m 整流器的控制技术 控制技术是决定p w m 整流器发展的关键因素，在大多数应用场合，p w m 整流器 有两大控制目标：一是保持直流侧输出电压稳定在给定电压值，且尽量不受电网电压及 负载变化的影响；二是使p w m 整流器的交流侧电流也根据不同的应用场合，实现相 应的功率因数要求和快速精确的电流波形控制。其中，对网侧输入电流的控制是p w m 整流器控制的关键，这是由于应用p w m 整流器的目的是使输入电流正弦化。其实对 输入电流的有效控制实质上是对变换器能量流动的有效控制，也就控制了输出电压。基 于这个观点，可以将p w m 整流器的控制分成间接电流控制和直接电流控制两大类。 间接电流控制也称幅相控制，即通过控制电压型p w m 整流器的交流侧电压基波幅 值和相位，进而间接控制其网侧电流。间接电流控制的静态特性很好，控制结构简便。 由于不需要电流传感器，故成本也比较低。系统过渡过程按其自然特性完成，而整流器 的自然特性又很差。所以在间接电流控制的电流暂态过程中，有将近1 0 0 的电流超调， 电流振荡剧烈，系统的稳定性差，响应慢。所以到目前为止，间接电流控制实际应用的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 例子很少。 直接电流控制通过运算求出交流电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电 流的直接控制而使其跟踪指令电流值。直接电流控制具有十分优良的动态性能。 从系统控制器的结构形式划分，直接电流控制又可以分为三种类型： ( 1 ) 电压、电流双闭环控制方式。这也是目前应用最广泛，最为实用化的控制方式。 它们的共同特点是：输入电流和输出电压分开控制。电压外环的输出作为电流指令，电 流内环则控制输入电流，使之快速地跟踪电流指令。电流内环不仅是控制电流，而且也 起到了改善控制对象的作用。由于电流内环的存在，只要使电流指令限幅就自然达到过 流保护的目的，这是双闭环控制的优点。 ( 2 ) 以整流器的小信号线性化状态空间模型为基础，电压、电流不分开控制，对整 个系统进行闭环极点配置或设计最优二次型调节器。这种控制方式需要事先离线算出各 个静态工作点的状态空间模型和与之对应的反馈矩阵，然后存入存储器【2 2 1 。工作时， 检测负载电流或等效负载电阻以确定当前的工作点，然后查表读取相应的反馈矩阵。这 种方式的控制效果不错，只是要求对静态工作点的划分很细，占用存储空间较大，离线 计算量也比较大，实现复杂。 ( 3 ) 非线性控制方法。由于整流器在本质上是非线性的，所以用非线性控制方法更 为适合。基于l y a p u n o v 法的p w m 整流器控制具有良好的控制效果，更重要的是它能 使整流系统绝对稳定【2 3 2 4 1 。从p w m 整流器的模型看，它属于非线性系统。这类系统可 以通过非线性状态反馈在实现系统线性化的同时实现解耦。 1 4 本文的主要研究内容和重点 三相p w m 整流器可分为三相电压型p w m 整流器和三相电流型p w m 整流器两种。 本文主要针对当前应用广泛的三相电压型整流器进行研究。目前，p w m 控制技术有许 多种，应用较为广泛的主要有正弦波p w m ( s p w m ) 控制策略和电压空间矢量 p w m ( s v p w m ) 控制策略。s p w m 控制策略虽然控制简单，而且电网低次谐波分量较 小，但是其直流电压利用率低。s v p w m 控制策略是依据变流器电压空间矢量切换来控 制变流器的一种控制策略，其主要思路是采用逆变器电压空间矢量的切换以获得准圆形 旋转磁场，从而在不高的开关频率( 1 - 3 1 d - i z ) 条件下，使交流电动机获得比s p w m 控 制策略更好的性能。将s v p w m 应用于p w m 整流器控制之中，主要继承了s v p w m 电压利用率高、动态响应快等优点。正是由于s v p w m 控制策略的这些优点，使本课 题的研究具有现实意义。 本文对三相电压型p w m 整流器系统建模、仿真以及优化控制算法做了理论分析和 实验工作，主要可以概括如下： 1 查阅了文献和材料的基础上，对课题研究的背景、p w m 整流器的发展现状、 各种p w m 整流器的主电路拓扑及结构、三相电压型p w m 电流控制技术及调制方法、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 电网不平衡情况下三相电压型p w m 整流器研究现状进行了详细阐述。 2 对三相电压型p w m 整流器的工作原理进行了分析，根据三相电压型p w m 整 流器主电路结构分别推导了基于三相静止坐标系以及两相同步旋转坐标系下的系统模 型，并对其进行动态性能和静态性能分析。 3 介绍三相电压型p w m 整流器各种电流控制方法，深入研究三相电压型p w m 整流器的直接电流控制方法和电压空间矢量脉宽调制算法，进行三相电压型p w m 整 流器的主电路电感和电容参数设计。 4 进行三相电压型p w m 整流器系统的仿真研究，建立主电路、空间电压矢量 p w m 控制模块及p i 控制调节器的仿真模型，并深入对相电压型p w m 整流器的谐 波含量进行分析，研究主电路参数对系统跟随性和稳定性的影响。 5 定量分析了电网频率波动时对三相电压型p w m 整流器控制的相关影响，提出 了基于积分分离和变速积分原理的分段p i 控制，通过改进的p i 控制算法大大改善了系 统的动态和静态特性，并对三相p w m 整流器进行仿真验证和分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 曼曼曼曼曼鼍曼舅曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼鼍奠m 一。 。nm。mm 一一 m 曼曼舅曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼 第2 章p w m 整流器的原理、拓扑和数学模型 2 1p w m 整流器的基本原理 p w m 整流器是一个交、直流侧均可控的、可四象限运行的变流装置 2 5 1 ，其模型电 路如图2 1 所示。p w m 整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组 成。交流回路包括交流电动势u s 、网侧电感厶电感和线路总电阻咫及功率开关管桥路 交流侧电动势u 组成；直流回路包括负载电阻见、负载电动势吮和功率开关管桥路直 流侧电压魄组成；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。 一l 一- k r _ h + j 嗒 u u 乏 二o 卜一_ j 图2 1p w m 整流器模型电路 当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得： q = 乞 ( 2 1 ) 式中研、f 厂_ p w m 整流器模型电路交流侧电压、电流； 魄、w m 整流器模型电路直流侧电压、电流。 从式( 2 1 ) 可知，只要通过控制p w m 整流器交流侧电压珥，就可以控制其直流 侧电压魄，反之亦然。以下着重从模型电路交流侧入手，分析p w m 整流器的运行状 态和控制原理。 如图2 1 所示，假设电网电压初始相位为0 = 0 ，幅值为，交流侧电流为0 ，幅值 为厶，p w m 整流器交流侧电压为珥，则有以下等式： u s = 吒c o s c o t 厶拿= u s u r s o ( 2 2 ) “l 其等效电路如图2 2 所示： t 。r 图2 - 2p w m 整流器交流侧等效电路 当p w m 整流器稳定运行时，整流器的交流输入侧电压为一系列等高不等宽的脉冲 序列，如图2 3 所示，其中脉冲的高度与直流电压魄相等。若p w m 整流器的调制电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 兰曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼i im = m l mmm ：m = m m l 曼! 曼曼! 曼曼蔓! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 量曼 压的频率为5 0 h z 的正弦波，则生成的整流器输入电压的基波电压也是频率为5 0 h z 正弦电压，其幅值大小与调制电压的幅值有关。通过控制调制电压的幅值大小和 相位，可以控制p w m 整流器交流侧电压珥的幅值大小以及珥的基波电压和职的相 位角a 。因此，p w m 整流器的交流侧可以看成是一个幅值和相位均可调的交流电源。 通过对整流器交流侧输入电压的控制，可以使交流侧输入电流以接近正弦，让以与以 的相位相同，从而实现网侧单位功率因数运行。在图2 3 中，虚线表示的是电网电压 以，实线表示的是整流器交流输入电压u 的基波电压。 ：f；： 卞二： 厂一， 覆 、 、 、 、 、 、 7 l ， ， 、，c 、3 兀 ! ：i p h i a 泔一 n -27_， _ 一悭潜 全 l 图2 3p w m 整流器交流侧电压波形 若以电网电压阢为参考，并假设交流侧电流露滞后于以的角度为9 ，p w m 整流 器交流侧电压珥的基波电压滞后于以的角度为仅，则可得到p w m 整流器整流和逆变 两种工作情况时的矢量图，如图2 _ 4 所示： 旗 凡石 ( a )( b ) 图2 - 4 ( a ) 整流状态矢量图( b ) 逆变状态矢量图 从图2 - 4 可以知道，若电网电压一定时，通过控制p w m 整流器交流侧电压u 的 幅值大小和其与u 之间的相位角反，就能改变交流侧电流蟊的大小和相位，同时使0 接近正弦，从而控制p w m 整流器直流侧电压的稳定，而且还能实现单位功率因数控制 和电能的双向流动。 在图2 5 中比较形象地说明了p w m 整流器四象限运行原理，其中有4 种特殊的工 作状况： 1 当交流侧电压矢量珥运行于如图2 5 a 的位置时，交流侧电流玉滞后电网电压 以有9 0 。相角，则p w m 整流器输入端呈现纯电感特性，只从电网吸收感性无功功率， 而不吸收有功功率。 2 当交流侧电压矢量珥运行于如图2 5 b 的位置时，交流侧电流露与电网电压以 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 曼曼鼍! 鼍曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼! 曼鼍曼曼曼蔓窟曼皇曼皇皇曼! 鼍苎曼曼鼍曼皇蔓皇曼皇曼皇曼曼曼鼍曼皇曼皇皇h a i。；：l i e 曼曼曼曼曼曼寰 同相位，则p w m 整流器输入端呈现正电阻特性，工作于单位功率因数整流状态。 3 当交流侧电压矢量阢运行于如图2 5 c 的位置时，交流侧电流蠡超前电网电压 职有9 0 。相角，则p w m 整流器输入端呈现纯电容特性，只从电网吸收容性无功功率， 而不吸收有功功率。 4 当交流侧电压矢量珥运行于如图2 5 d 的位置时，交流侧电流与电网电压b 相差1 8 0 。相角，则p w m 整流器输入端呈现负电阻特性，工作于单位功率因数逆变状 态。 丧 君 u ( c ) 胎s r p i s ( d ) 图2 5p w m 整流器四象限运行原理图 2 2p w m 整流器的拓扑结构 2 2 1 单相全桥p w m 整流器拓扑结构 l 士 t - r t3i d 1 一 d 3 - jj 厂蔓善芒卜一 a 如 c d 阻观、r 阱 i 丫j 丁 图2 - 6 单相全桥电压型p w m 整流器拓扑结构 单相p w m 整流器拓扑如图2 - 6 所示，通过对开关t 1 t 4 进行控制，就可在整流 器的交流输入端产生正弦调制p w m 波电压矾口。巩口中不含低次谐波成分，只含有和 被调制正弦信号同频率且幅值成比例的基波分量以及与三角载波有关的高频谐波。由于 电感厶的滤波作用，高次谐波只会使交流侧电流0 产生很小的脉动，在理想情况下， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 当被调制正弦信号的频率和电网电压以频率相同时，蟊是与电网电压同频率的正弦波。 如果对阮b 中基波分量的幅值和相位进行控制，就可以使交流侧电流波形正弦化且网侧 功率因数接近1 。 以单位功率因数整流状态为例，假设 ) 2 哆似 ( 2 3 ) 【0 ( f ) = 4 2 1 m c o s m t 在理想情况下，假设整流器为无损网络，根据功率平衡原理，整流器的瞬时输入功 率m 等于瞬时输出功率，例，即： ( 7 ) = 材s ( ) ( ) = 砜l ( 1 + s 2 研) ( 2 - 4 ) = p a t ( t ) = ( r ) 也( f ) 由此看出，p w m 整流器的瞬时输入功率m 是变化的，且以2 倍于电网频率脉动。 渺掣= 蛩叶c o s 卅 协5 ， 可见，p w m 整流器的输出电流如似是以2 倍于电网频率脉动的。 2 2 2 三相半桥p w m 整流器拓扑结构 d 0 图2 7 三相半桥电压型p w m 整流器拓扑结构 g n ( a ) 整流器低频等效电路模型 图2 8p w m 整流器输入侧等效电路和向量图 屉五 ( b ) a 相向量图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 贝 三相电压型p w m 整流器主电路一般采用如图2 ，7 的三相半桥拓扑，其交流侧等效 电路如图2 - 8 a 所示。其中n 为电网中点，g 为输出滤波电容中点，以为电网电压，坼 为整流器交流侧电压，i 为交流侧电流，魄为整流器直流侧电压。当输入电网电压和整 流器三相控制电压对称时，电网中点n 和电容中点g 的电位相等，三相电路互相独立， 图2 8 b 为a 相等效电路的向量图。 设电网电压为： = c o s ( c o t ) ( 2 6 a ) 材曲= uc o s ( 研一詈万) c 2 6 b ， 甜= u 。c o s ( 彩r + 詈万) ( 2 - 6 c ) 设整流器交流电流基波为： i o = lc o s ( c o t - ( a ) ( 2 7 a ) = l c o s ( 谢一伊一詈万) c 2 - 7 b ) t = l c o s ( 研一伊+ 詈万) ( 2 - 7 c ) 设整流器控制电压为： = m c o s ( c o t - a ) ( 2 8 a ) “曲= m c o s ( 耐一口一詈刀) ( 2 - 8 b ) “。= m c o s ( 耐一口+ ；万) ( 2 - 8 c ) 式中m 为调制比，0 m l 。 忽略罄滴桥的时间滞后罄流器输入电乐和榨制电压的关系为： 甜砖= z 么甜出( k 2 码b ，c ) 。 式中为整流器输出直流电压。 整流器瞬时输入功率为： 。p 研= 2 f 馏屯+ “柏+ “肛t 将( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入( 2 1 0 ) 得： p 加= 要“出m i , c o s ( 口一伊) 整流器瞬时输出功率为： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 p 。，= u a k ? ( 2 1 2 ) 不计整流器输入电感的等效电阻，并假设整流桥为无损网络，根据功率平衡原理有， 整流器的瞬时输入功率等于瞬时输出功率。令式( 2 1 1 ) 等于式( 2 1 2 ) 便可求的输出 直流电流为： 屯= 妄鸣c o s ( a 一缈) ( 2 - 1 3 ) 由上式可知，当三相输入电压和电流对称时，整流器输出电流为恒定的直流，输出 滤波电容无低频电流通过，这点是三相p w m 整流器不同于单相p w m 整流器之处。三 相p w m 整流器的输入瞬时功率恒定，而单相整流器的输入功率不恒定，且功率分量中 含有1 0 0 h z 的低频分量。因此，单相p w m 整流器的输出滤波电容具有虑除高频纹波和 低频纹波的双重功能，而三相p w m 整流器的输出滤波电容只需虑除高次谐波，容量可 以做得比单相的小。 2 3 三相电压型p w m 整流器的数学模型 建立数学模型是深入分析和研究三相电压型p w m 整流器的工作机理及动态和静 态特性的重要手段。为了方便分析，针对三相电压型p w m 整流器建立数学模型时通常 假设电网电动势为三相对称正弦波，网侧电感为线性且不考虑饱和情况。 三相电压型p w m 整流器的数学模型分为低频和高频开关模型【2 6 2 7 2 8 2 9 3 03 13 23 3 1 。三 相电压型p w m 整流器开关频率一般远高于电网基波频率，为简化一般数学描述，可忽 略高频分量，只考虑低频分量，从而建立低频模型。通过三相p w m 整流器的低频数学 模型，可以得出稳态时整流器的向量图，通过几何图形可以清晰的表示出整流器的工作 机理和各物理量之间的关系。低频模型非常适合于控制系统的设计，并可直接用于控制 器设计。 2 3 1a b c 静止坐标系下的低频数学模型 电压型p w m 整流器的主电路如图2 7 所示，根据图2 8 b 所示的相向量图可得 p w m 整流器交流侧三相电压方程： 厶譬+ 足乞= 一 ( 2 1 4 a ) t 譬+ b = u s b 一 ( 2 1 4 b ) t 鲁+ 足t 钏船叫陀 ( 2 - 1 4 c ) 根据图2 8 a ，可得p w m 整流器的直流侧电流方程： 乞= c 磐a t + 豢 ( 2 - 1 5 ) “， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 将式( 2 。1 3 ) 代入式( 2 1 5 ) ，得： c 訾+ 塾= 三m l c o s ( 口一9 ) (2-16)r2 d t 。hi 、 在式( 2 1 6 ) 中，令墼0 ，可得p w m 整流器稳态时的输出电压表达式： 讲 = 詈毗厶c o s ( a - o ) ( 2 - 1 7 ) 将式( 2 9 ) 代入式( 2 1 4 ) ，整理后便可得到p w m 整流器交流侧的低频状态方程： 磅 磕 磕 = 曼 差 一等 壹三； 囊 + 亳兰； 【菱 c 2 - 8 ， 从式( 2 1 8 ) 可以看出，p w m 整流器的三相输入电流受整流器控制电压， 的控制。不管采用什么控制策略，对整流器输入电流的控制都是通过调节控制电压 实现的，这就是p w m 整流器控制的实质。 对三相电路，可以引入复平面的矢量空间概念，它是指三相物理量可以用一个空间 旋转矢量在三个静止对称轴( a ，b ，c ) 上的投影来表示。在电路系统中，三相物理量既可 以是三相电流、三相电压，也可以是三相功率等。在这里，三个静止对称( 钆b ，c ) 轴就 是静止的三相a b c 坐标系，矢量为p a r k 矢量。选定三相静止坐标系的a 轴与p a r k 矢 量复平面的实轴重合，p a r k 矢量的表达式为： 一 ，p1 x ( f ) = 詈l 吒( f ) + 口o ) + 口2 o ) l ( 2 - 1 9 ) j 一 一 式( 2 1 9 ) 中a 为旋转因子，口= e j l 2 矿，x a , x b 俐，x c 为a b c 坐标系下的三相物理 量。 ， 由于三相物理量可以是电压或者电流，则可以得到以下一些变量的空间矢量： p w m 整流器电网侧电压空间矢量为： 弘詈( u s a + u s b e j l 2 0 。+ u s c e j 2 4 0 0 ) ( 2 2 0 ) 将式( 2 6 ) 代入上式得： 一u 产p 脚 ( 2 2 1 ) p w m 整流器输入电流空间矢量为： 7 = 詈( 乇+ e j r 2 。 + j c e j 2 4 0 ) = l p “倒一们 ( 2 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 p w m 整流器输入电压空间矢量为： 西，詈( + m 矿十吣旷) = e “卅 ( 2 - 2 3 = ； 式( 2 1 8 ) 的交流侧低频方程也可以表示成为空间矢量的形式，