基于PWM整流器的中频逆变电阻焊机系统研究优秀毕业论文.pdf

中图分类号 论文编号 安徽理工大学 硕士学位论文 基于p w m 整流器的中频逆变电阻焊机系统研究 作者姓名 毖太鹏 专业名称 电左电王生电力笾动 研究方向 电近撞壅 导师姓名 一一 奎起迸 副熬撞 导师单位 电氢皇值息王程堂院 答辩委员会主席 昱鳇 论文答辩日期 2 0 11 年6 月4日 安徽理工大学研究生处 2 0 11 年月日 j 1 ad i s s e r t a t i o ni np o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s t h er e s e a r c ho f m i d f r e q u e n c yi n v e r t e rr e s i s t a n c ew e l d i n g s y s t e m sb a s e do np w m c o n v e r t e r c a n d i d a t e z h a n gd a p e n g s u p e r v i s o r l il i a n g g u a n g s c h o o lo fe l e c t r i ca n di n f o r m a t i o n e n g i n e e r i n g a nh u iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 s h u n g e n gr o a d h u a i n a n 2 3 2 0 01 p r c h i n a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢 的地方以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得童邀理王太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 毯 盔亟日期 垄止年 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀垄王太堂有保留 使用学位 论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产 权单位属于窆邀理三太堂 学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本 人授权安徽理工大学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 可以采用影印 缩印或扫描等复 制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用 本授权书 0 伊 学位论文作者签名 芬黔咝坠签字日期 五1 7 年口伽p 伽 导师签名 签字日期 如f 年d 钿d j 日 摘要 摘要 论文的主要工作是围绕在设计3 k w 中频逆变电阻焊机电源产品的基础上展 开的 现代逆变电阻焊机电源系统的能量转换过程为 a c d c a c d c 其中包括 了三相二极管整流和滤波 h 桥逆变 次级二极管全波整流和滤波等电路 此类 电源系统的显著特点在于最终输出端的电流有上千至几万安培 而输出的电压只 有几伏到几十伏 论文着重对现代逆变焊机系统的硬件和软件进行研究分析 阐述三相电压型 p w m 整流电路工作原理及控制策略 通过对三相二极管整流和p w m 整流电路的 仿真比较得出p w m 整流电路不仅能够克服二极管整流所带来的大量谐波以及对 电网的严重污染等问题 实现单位功率因数控制 而且使得整流输出的直流电压 增大 可调节 其次 对h 桥逆变及m o s 管同步整流原理加以分析 并通过仿 真证实了应用m o s 管同步整流所带来的电源效率比快恢复整流二极管要高的多 在控制系统软件设计方面 根据焊接条件的不同文章中采用模糊一p i 双模控制算 法 进行切换使用 最后 在理论研究的基础上 一方面设计3 k w 中频逆变电阻焊机系统进行 试验 对各参数波形分析 加以调试修改 最终使得系统稳定 可靠 实现了基 本焊接功能 达到了设计要求 初步设计出产品并投入生产销售 另一方面对h 桥逆变及m o s 管同步整流进行实验验证 根据得到的各组数据波形分析比较 同样说明了 采用导通电阻极低的m o s 管同步整流相比快恢复整流二极管整流 而言 大大提高了整个系统的电源效率 而且电路设计更加精密 简单可靠 控 制效果良好 图 7 2 表 1 0 参 5 6 关键词 电阻焊 中频逆变 p w m 整流 同步整流 分类号 t n 8 6 安徽理 二人学硕士论文 r e c t i f i e rp r i n c i p l e a n da n a l y z e db ys i m u l a t i o nc o n f i r mt h ea p p l i c a t i o no fs y n c h r o n o u sr e c t i f i e r b r i n g sm o s t u b eo fp o w e re f f i c i e n c yt h a nf a s tr e c o v e r yp o w e rd i o d et om u c hh i g h e r i nt h ec o n t r o l s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n ta r t i c l e si nt h ew e l d i n gc o n d i t i o n sb yu s i n gf u z z y p id u a lm o d ec o n t r o la l g o r i t h m s w i t c h i n gt ou s e f i n a l l y o nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a ls t u d y o nt h eo n eh a n d d e s i g n3 k wm i d f r e q u e n c yi n v e r t e r r e s i s t a n c ew e l d i n gs y s t e mt c s t t h ep a r a m e t e r s t r yt ob es i n g l e s y s t e mw a v e f o r ma n a l y s i s f i n a l l y s y s t e mi ss t a b l e r e l i a b l ea n dr e a l i z et h eb a s i cw e l d i n gf u n c t i o n a c h i e v et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s p r e l i m i n a r yd e s i g np r o d u c t sa n dp r o d u c t i o ns a l e s o nt h eo t h e rh a n dt ohb r i d g ei n v e r t e ra n dm o s t u b es y n c h r o n o u sr e c t i f i e rw a st e s t e d a c c o r d i n gt og e te a c hd a t aw a v e f o r ma n a l y s i sc o m p a r i s o n a l s os h o w s t h ec o n d u c t i o nr e s i s t a n c ei se x t r e m e l yl o wm o st u b es y n c h r o n o u sr e c t i f i e rd i o d e r e c t i f i e ri sc o n c e r n e d c o m p a r e dw i t hp o w e ri n c r e a s e dt h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m sp o w e r a n d c i r c u i td e s i g nm o r ep r e c i s ea n ds i m p l e r e l i a b l ea n dc o n t r o le f f e c ti sg o o d f i g u r e 7 2 t a b l e 1 0 r e f e r e n c e 5 6 k e y w o r d s r e s i s t a n c ew e l d i n g m i d f r e q u e n c yi n v e r t e r p w mr e c t i f i e r s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g t n 8 6 i h 安徽理工大学硕十论文 i v 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 1 绪论 l 1 1 课题研究的背景 1 1 2 国内外逆变电阻焊机电源的发展状况 1 1 3 本文研究的主要工作 3 2p w m 整流技术原理分析 5 2 1p w m 整流器拓扑结构分类 5 2 2 电压型p w m 整流器 v s r 5 2 3 三相v s rd p 模型的建立 8 2 3 1 三相物理量的通用矢量描述 9 2 3 2 三相禁止坐标系与两相禁止坐标系之间的转换 1 0 2 3 3 三相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的转换 1 1 2 3 4 矢量坐标变换的仿真 1 2 2 3 5 三相v s rd q 模型 1 4 2 4 三相电压型p w m 整流器 v s r 控制策略 1 4 2 5 三相二极管整流与三相电压型p w m 整流电路仿真比较分析 1 7 2 6 本章小结 2 0 3p w m 逆交技术及m o s 管同步整流原理分析 2 l 3 1p w m 逆变电路拓扑结构及工作原理 2 1 3 2 绝缘栅双极晶体管 i g b t 介绍 2 3 3 2 1i g b t 的内部结构及其开关过程详细分析 2 3 3 2 2i g b t 驱动电路设计要点 2 8 3 2 3i g b t 缓冲电路研究分析 3 0 3 2 4 保护电路设计方案 3l 3 3m o s 管同步整流技术原理 3 5 3 4m o s 管模块化设计 3 7 v 安徽理t 大学硕士论文 p w m 逆变及m o s 管同步整流电路仿真分析 3 8 本章小结 4 2 焊机系统的闭环控制策略 4 3 闭环控制策略的选取 一4 3 4 1 1 电压补偿控制设计 4 3 4 1 2 恒流控制设计 4 4 控制器软件设计 4 5 本章小结 5 2 逆变电阻焊机电源系统的仿真研究 5 3 双p w m 控制技术在中频逆变焊机中的仿真分析 5 3 本章小结 5 5 d s p m c u 的逆变焊机系统实验 一5 7 3 k w 中频逆变电阻焊机系统试验电路设计 5 7 6 2 焊接试验分析 6 0 6 3 同步整流电路设计及实验分析 6 1 6 45 0 k w 中频逆变电阻焊机电源系统的主要参数设计详解 7 1 6 5 本章小结 j 7 3 7 总结 7 5 7 1 论文和收获总结 7 5 7 2 论文工作展望 7 5 参考文献 7 7 致谢 81 作者简介及读研期间主要科研成果 8 3 v i l c o n t o n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i i i lp r e f a c e 1 1 1s u b j e c tr e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2t h ed e v e l o p m e n to fr e s i s t a n c ew e l d i n gi n v e r t e rp o w e ra th o m ea n d a b r o a d 1 1 3t h i sp a p e rs t u d i e st h em a i nw o r k 3 2p w mr e c t i f i e rt e c h n i c a lp r i n c i p l ea n a l y s i s 5 2 1p w mc o n v e r t e rt o p o l o g yc l a s s i f i c a t i o n 5 2 2v o l t a g es o u r c ep w mr e c t i f i e r v s r 5 2 3t h r e e p h a s eo ft h ev s rd pm o d e l 8 2 3 1t h r e e p h a s ep l a y s i c a lq u a n t i t i e so fg e n e r a lv e c t o rd e s c r i p t i o n 9 2 3 2 t h r e e p h a s e b a n n e dc o o r d i n a t e s y s t e m a n d t w o p h a s e b a n n e d c o o r d i i n a t ec o n v e r s i o nb e t w e e n 1 0 2 3 3t h r e e p h a s es t a t i cc o o r d i n a t es y s t e ma n dt w op h a s er o t a t i o nc o o r d i n a t e c o n v e r s i o nb e t w e e n 11 2 3 4t h es i m u l a t i o no f c o o r d i n a t et r a n s f o w i n a t i o no f v e c t o r 1 2 2 3 5t h r e e p h a s ev s rd pm o d e l 1 4 2 4t h r e e p h a s ev o l t a g es o u r c ep w m r e c t i f i e r v s r c o n t r o ls t r a t e g y 14 2 5t h r e e p h a s ed i o d er e c t i f i e ra n dt h r e e p h a s ev o l t a g es o u r c ep w mr e c t i f i e r c i r c u i ts i m u l a t i o nc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d 1 7 2 6c h a p t e rs u m m a r y 2 0 3p w mi n v e r t e rt e c h n o l o g ya n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fs y n c h r o n o u sr e c t i f i e r m o st u b e 2 1 3 1 3 1p w mi n v e r t e rc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e 2 1 3 2i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt y p et r a n s i s t o r i g b t i si n t r o d u c e d 2 3 v i i 3 2 1t h ei i i t e m a ls t r u c t u r eo fi g b td e t a i l e da n a l y s i sa n di t ss w i t c hp r o c e s s 2 3 3 2 2i g b td r i v ec i r c u i td e s i g ne s s e n t i a l s 2 8 3 2 3i g b ts n u b b e rc i r c u i ta n a l y s i s 3 0 3 2 4p r o t e c t i o nc i r c u i td e s i g n 3 1 3 3m o st u b et e c h n o l o g yp r i n c i p l eo fs y n c h r o n o u sr e c t i f i e r 3 5 1 3 4m o st u b em o d u l a rd e s i g n 3 7 3 5p w mi i e r t e ra n dm o st u b es y n c h r o n o u sr e c t i f i e rc i r c u i ts i m u l a t i o n 绷a l y s i s 3 8 3 6c h a p t e rs u m m a r y 一4 2 4t h cw e l d i n gi n v e r t e rs y s t e mc l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g y 一4 3 4 1t h es e l e c t i o no fc l o s e d 1 0 0 pc o n t r o ls t r a t e g y 4 3 4 1 1v o r a g ec o m p e n s a t i o nc o n t r o ld e s i g n 4 3 4 1 2c o n s t a i l t c 哪e n tc o n t r o ld e s i g n 4 4 4 2c o n t r o l l e rs o r w a r ed e s i g n 4 5 4 3c h 印t e rs u m m a r y 一5 2 5m i d 船q u e n c yi n v e r t e rr e s i s t a n c ew e l d i n gp o w e rs y s t e m s i m u l a t i o n 5 3 5 1d o u b l ep w mc o n t r o l t e c h n o l o g y i nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s m i d f r e q u e n c yi n v e r t e rw e l d e r s 5 3 5 2c h a p t e rs u m m a r y 5 5 6b a s e do n d s p m c u t h ew e l d i n g i n v e r t e rs y s t e me x p e r i m e n t 5 7 6 13 k wm i d f r e q u e n c yi n v e r t e rr e s i s t a n c ew e l d i n gs y s t e mt e s tc i r c u i td e s i g n 5 7 6 2w e l d i n gt e s ta n a l y s i s 6 0 6 3s y n c h r o n o u sr e c t i f i e rc i r c u i td e s i g na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s 6 1 6 45 0 k wm i d f r e q u e n c yi n v e r t e rr e s i s t a n c ew e l d i n gp o w e rs o u r c es y s t e m p a r a m e t i e rd e s i g ns o l u t i o n s 一7 l 6 5c h a p t e rs u m m a r y 7 3 7c o n c l u s i o n 一7 5 v i i 一 c o n t e n t s 7 1p a p e r sa n dh a r v e s ts u m m a r y 7 5 7 2p a p e r j o bp r o s p e c t 7 5 r e f e r e n c e s 7 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 1 a u t h o ri n t r o d u c t i o na n dm a i na c h i e v e m e n t si ns c i e n t i f i cr e s e a r c hd u r i n gg r i n d i n g 8 i x 安徽理 大学硕士论文 1 绪论 1绪论 1 1 课题研究的背景 根据报告显示 全球每年至少有5 0 以上的钢要通过焊接工艺才可以制成钢制 品 l 专家学者认为 即使是至t 2 0 2 0 年乃至以后的更长久的时间内 焊接工艺仍 将是制造业的重要加工工艺 它采用高科技连接材料的技术方法 具有精确 可 靠 低成本等特点 2 1 焊接工艺主要是通过焊机电源来实现的 其中电阻焊机已 广泛应用于航空 航天 能源 电子 汽车 轻工等领域 譬如 汽车厂焊装车 问是汽车整车制造厂电力负荷最大的车间 主要用电设备是焊机o i h 电阻焊机是一种特殊的电源 输出负载是电弧 有空载 短路的过程 而且 焊接电源必须满足焊接过程稳定性的要求 由于在许多场合下 焊接过程是由人 来操作完成的 电源的输出端口经常要接触到人的身体 所以焊接电源除了满足 焊接过程的要求外 还要满足人身的安全要求 目前 大功率中频逆变电阻焊机 电源系统的基本变换过程包括 a c d c a c d c 主要由三相整流滤波电路 h 桥 逆变器 中频变压器 次级全波整流及滤波电路等几部分组成 5 1 1 6 1 开始输 x 3 8 0 v 三相交流电经过三相整流后 转换成5 4 0 v 左右的直流电压 再经过逆变器 得到 高频 如1 0 0 0 h z 等 交流方波电压 通过变压器降压 经整流滤波后 变为平滑 的低压大电流供给焊接使用1 7 1 与其它普通的焊接电源相比 中频逆变电阻焊机 添加了三相整流以及h 桥逆变环节 这样虽然导致了整台机器的复杂度以及成本 的相应提高 但是它所带来的优越性更大 所收获的利益更高 另外 在系统设 计中 将变压器的工作频率进一步提高 使得变压器的体积进一步减小 只相当 于相同额定电流的传统焊机体积的1 6 1 1 0 整机电源更a n d 型化 逆变焊机电 源的总体效率可以达到8 5 9 2 比传统焊机平均省电2 5 0 o 6 0 节能效果明显 隅 j f 是由于逆变焊机的性能佳 效率高 轻便灵活 工程外出携带方便 适应 性好 在全世界范围内得到了广泛的使用 1 2 国内外逆变电阻焊机电源的发展状况 当今世界上 在逆变电阻焊机研发领域 日本 美国和德国处于领先地位 自1 9 8 4 年日本东亚精机 t o a s e i k i 研究出第一台逆变式焊机到现在 其出产 的数量与次级整流焊机相当1 6 1 日本a v i o n i c s 株式会社生产的n r w i n 8 0 0 0 a 型 逆变式焊机 逆变频率为2 k h z 具有标准r s 一2 3 2 接口协议 可以在掉电情况下记 在国内 对数字化焊机系统的研究比较晚 特别是电阻焊机方面的研究少之 又少 较早开展逆变焊机研究工作的单位有上海交通大学 华南理工大学 哈尔 滨工业大学 西北工业大学 天津7 0 7 所以及成都电焊机研究所掣1 2 成都电焊 机研究所于1 9 8 2 年开始对晶闸管逆变弧焊整流器进行研究设计 并在1 9 8 3 年研制 出了我国第一台商品化的z x 7 2 8 8 型逆变弧焊电源 1 4 l 1 5 2 0 1 0 年1 0 月2 8 日至3 0 e 由成都电焊机研究所 中国电器工业协会 南京市人民政府共同主办的第2 4 届中 国焊接博览会在南京胜利召开 这也见证了我国焊接控制技术进入了一个新的时 期 经过近几十年的努力 我国现代焊接技术有了较大的发展 特别是逆变焊机 领域 但是在国内产业化进程缓慢 拥有自主知识产权并实现批量化产品制造的 企业更是不多 与国外逆变焊机相比之下 差距还是比较明显的 为了提高逆变焊机的可靠性 就要研究较为可靠的电路拓扑方案 例如采用 软开关技术 采用可靠的功率开关器件 研究合理的装配工艺 以适合焊机的各 种工作环境 焊机系统中的非线性整流器件 高频逆变器等产生的谐波对电网进 行干扰 污染电网质量 这就使得提高功率因数 降低谐波干扰成为逆变焊机急 需解决的问题 1 6 1 单相输入的逆变焊机可采用有源功率因数校正来抑制谐波 三 相有源功率因数校正系统 如p w m 整流调节 较为复杂 成本高 必须研制简单 有效地抑制谐波的方法 才能解决大功率逆变焊机干扰电网的问题 目前国内外许多学者大都从软开关技术和采用先进的控制策略来解决上述问 题 但是对焊机的效率问题还没有过多的研究 传统逆变电阻焊机存在的主要问题 从本质上看 由于焊接热源属于内部热 源 焊接所需电流小则几百安培 大则几千甚至达数万安培 这种低电压 大电 流的特点使逆变焊接电源的研究在技术上面临着许多的问题 1 谐波干扰 在硬开关工作方式下 开关管在开关过程中承受较高的电压 2 1 绪论 电流应力 而且在开关工作过程中产生的谐波会回馈到电网 严重污染 电网质量 2 效率问题 开关管在工作过程中产生较大的开关损耗 缓冲吸收电路上 的电阻损耗以及次级整流用快速二极管的压降损耗 都会大大降低电源 系统的效率 3 焊机的控制性能 焊机在焊接过程中各参数具有非线性 时变性和不确 定性特点 很难建立确定的数学模型 传统的经典控制理论模式 缺乏 自适应能力 1 3 本文研究的主要工作 本文所研究的课题是在江苏省镇江市某公司研制3 k w 3 0 k w 中频逆变电阻 焊机电源系统项目的基础上展开的 主要从系统主电路及控制策略上对系统作以 下方面的研究工作 1 介绍三相电压型p w m 整流电路 v s r 的基本工作原理以及控制方法 在 此基础上运用s i m u l i n k 软件分别对三相二极管不可控整流电路和三相电压 型p w m 整流电路进行仿真分析比较 2 阐述单相h 桥p w m 逆变电路及m o s 管同步整流电路的工作原理 并通过 仿真分析电路的工作情况 3 阐述逆变焊机系统的恒压 恒流 恒热量闭环控制策略 以及i g b t 的各类保 护电路方案 4 对双p w m 控制技术的中频逆变电阻焊机电源系统进行仿真分析 5 研发设计3 k w 中频逆变焊机电源产品 并进行现场焊接试验分析 6 设计m o s 管同步整流电路 进行实验分析研究 7 给出5 0 k w 中频逆变电阻焊机系统参数的计算过程 安徽理工大学硕士论文 4 一 o 2p w m 整流技术原理分析 2p w m 整流技术原理分析 2 1p w m 整流器拓扑结构分类 传统电力电子设备中的整流电路包括晶闸管相控整流或者二极管不可控整流 电路 其中 晶闸管整流电路输入的电流滞后于输入电压 而且随着触发角的增 大滞后角也增大 位移因数相应的降低 加上网测谐波分量大 因此功率因数很 低 1 7 l s 1 9 1 类似的 虽然二极管不可控整流电路的位移因数接近1 但是输入电 流的谐波分量很大 功率因数也非常低 最终导致网侧电流波形严重畸变 造成 电网功率因数较低 系统的效率低下 浪费能源1 2 0 1 随着这类非线性负载容量的 增大和应用的不断普及 会引起供电系统功率因数降低 大量的高次谐波注入电 网 影响其它用电设备正常 安全 经济地运行 造成危害 如今 随着电力电子技术及控制理论工程的进一步深入发展 p w m 整流器 得到了社会工业化领域的高度青睐和认可 它具有输入电流正弦 谐波含量低 功率因数高等优剧2 1 1 在实际工业领域中 被广泛应用于功率因数补偿 有源滤 波 可再生能源并网及四象限交流电机驱动等 2 2 1 1 2 3 1 众所周知 p w m 控制技术 首先是在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的 随着以i g b t 为代表的全控型 电力电子器件的不断进步 p w m 控制技术在逆变电路的应用已趋成熟 p w m 整流电路主要是指将逆变电路中的p w m 控制技术应用在整流电路当中 通过 p w m 整流器的适当控制 一方面可以使交流侧电网电流的波形接近于正弦 且 和输入电压同相位 电网功率因数接近于l 最大程度地提高电网的经济效益 减少电网对周围环境的电磁污染 另一方面当电网电压或负载发生变化时 能够 维持直流电压的稳定 所以也称p w m 整流器为单位功率因数变流器1 2 4 另外 与传统的整流器 p w m 整流器还具有体积小 重量轻 动态响应速 度高的优点 与逆变电路相似 p w m 整流器按其主电路结构也可分为电压源型 v s r 和电流源 i s r 型两种 电压源型整流器与电流源型整流器相比 直流脉动小 输 入电流连续且简单易行 因此电压源型整流器成为当今主要研究和使用对象 2 2 电压型p w m 整流器 v s r 电压型p w m 整流器的电路拓扑结构主要有 单相半桥 如图1 单相全 桥 如图2 三相半桥 如图3 三相全桥p w m 整流电路以及三电平p w m 5 安徽理工大学硕士论文 路等 图1 单相半桥 f i g ls i n g l e p h a s eh a l f b r i d g e 图2 单相全桥 f i 9 2s i n g l e p h a s ef u l lb r i d g e 图3 三相半桥 f i 9 3t h r e e p h a s eh a l fb r i d g e 本课题采用的是三相半桥式p w m 整流电路 这也是最常见的三相p w m 整 2p w m 整流技术原理分析 表1 三相v s rp 删开关模式 t a b l e lt h r e e p h a s ev s rp w ms w i t c hm o d e 开关模式 l2345678 v k v d 0v 4 v d 4 v k v d 0v 4 v d 4 v k v d i v 4 v d i v l v d l v d v d 4 导通器件v 6 v d 6 v 3 v d 3 v 3 v d 3 v d v d dv 6 v d dv 3 v d 3 v 3 v d 3 v 6 v d 6 v 2 v d 2 v 2 v d 2 v 2 v d 9v s v d s v s v d s v s v d 9v s v d s v 2 v d 9 开关函数 o o l o l o 0 l i1 0 0l o l1 1 0l l io o o 2 1 2 11r r 罢 oo v o 0 j u d 一 一i d 一言虬 i u d jjjj 三相半桥v s r 电路中 在任何不同的时刻 输入电流的方向不同 对应着 整个电路的电流回路也是截然不同的 这个相比于单相电路 较为复杂 假设网 侧输入的a 相电流i a 0 b 相电流i b o c 相电流 0 此时 在p w m 控制下8 种开关模式的电流回路如图4 所示 模式2 3 6 状态下 电感进行储能 模式 l 4 5 状态下 电容得到充电 在模式7 和模式8 下 电路的交流侧三相线电 压为零 一般称这两个模式为零模式 2 引 i z 7 i 跚l 2 i z i v 一 v d 5i a l i b c v d i lt 多 l z s 刈一2 漕 z v d 2 v d 4 j 1 一 a 模式1 a m o d e1 i 一 jb l 2湖 2漕 z v d 5 a 士 b i c 二 v d l 丁 c j j 2 v i z v d 叫e z v d 2 慨 c 模式3 c m o d e3 i 良湖 jl 蚰 一 一 耐 v d 叶 a l b i c 叫 1 ii t c j l z 刈rz 涎2 v 啦 v d 4l b 模式2 b m o d e 2 露箩呼 7 妯 2i l 巾3 j v d sl 些h f i r b l l c i z v i 一2 刈一芝 v 吼 卜v d bo v i k 7 d 模式4 d m o d e 4 安徽理工大学硕士论文 i 2湖1 2 潞k 2i v d s l a bl i l c 二 f 一 v 1 2漕 乏 v l h l k z 慨 一 e 模式5 e m o d e5 j k r jl 湖 j v 5 f r2 j l 州 v d z a lb l j j 嗡 一 t i z 刈一z漕l z v d 2 v o l f 模式6 0 m o d e6 l f 2 一 j i z潞 2 v d 叶 b l c v d l lt c j i 2 懑 0 ib 0 时 f i 9 4t h r e e p h a s ev s rp w m c i r c u i t8k i n d so fs w i t c hm o d eo fc u r r e n tl o o p i a 0 i b 0 2 3 三相v s rd p 模型的建立 在研究分析的过程中 要对三相v s r 进行数学建模 一种叫做三相v s r 的 一般数学模型 另外比较常用的是三相v s rd p 模型 其中三相v s r 的一般数学 模型就是在三相静止坐标系 a b c 中利用基尔霍夫电压 电流定律等对三相v s r 拓扑结构进行一般的数学描述 三相v s r 一般数学模型有两种形式 1 采用开 关函数描述的一般数学模型 2 采用占空比描述的 般数学模型 其中 采用开 关函数描述的一般数学模型对v s r 开关过程进行了精确的描述 利用此数学模型 可以很容易的对三相v s r 进行软件的仿真 但是 在开关函数描述的v s r 一般 数学模型的情况下 包含了开关过程的大量高频分量 因而在这种模型下很难设 计出比较优质的控制器 从而考虑进一步简化v s r 的一般数学模型 在设计v s r 电路时 将开关管所使用的开关频率增大到远远高于电网的基波频率 这样可以 忽略v s r 开关函数描述模型中的高频分量 而是仅仅考虑低频分量 从而得到采 用占空比描述的低频数学模型 这种采用占空比描述的v s r 低频数学模型使得分 8 2p w m 整流技术原理分析 析控制系统变得更为简单容易 而且可以直接用于对控制器的设计 然而 由于 采用占空比描述的数学模型忽略了开关过程中的高频分量 因此它不能精确仿真 出其动态过程中的波形数据等 以上所说的三相静止对称坐标系 a b c 下的v s r 一般数学模型物理意义清 晰 直观且容易理解 然而在v s r 一般数学模型中 v s r 交流侧的交流量具有 时变性 不确定性 因而对于控制系统的设计很不利 为此 采用坐标变换的方 法 把三相对称静止坐标系 a b c 转换成以电网基波频率同步旋转的 d q 坐 标系 于是 经坐标旋转变换后 使得三相对称静止坐标系中的基波正弦变量转 化成了同步旋转坐标系中的直流变量 大大简化了控制系统的设计 三相静止对 称坐标系下的三相v s r 一般数学模型经过同步旋转坐标的变换 即可转换成三相 v s r d q 模型 2 3 1 三相物理量的通用矢量描述 将三相物理量 如电流 电压 功率等 用一个空间旋转矢量在三相静止坐 标轴 a b c 上进行投影表示即为所说的通用矢量描述 其中表示三相对称物理 量的空间旋转矢量称之为通用矢量 我们以三相对称电路系统中的三相电流为例 进行说明 图5 为三相电流及其通用矢量的示意图 图5 三相电流及其通用矢量示意图 f i 9 5t h r e e p h a s ec u r r e n ta n di t sc o m m o nv e c t o rs k e t c hm a p 如图5 所示 三相对称电流的瞬时值为五 f b 屯 由电路理论知道 矗 毛 屯 o 因此一定可以找到一个通用电流矢量 来表示三相电流乇 如 屯 当 通用矢量 在a b c 三相轴上的投影恰好等于各相坐标轴电流的瞬时值时 则 i o i 6 i c 可用通用矢量 描述 对任意三相物理量 均可用一个通用矢量来描述 当用通用矢量来描述三相对称正弦量时 其相应端点轨迹是一个圆 9 便分析 量变换原 通用矢量 2 1 式中 c 3 姚为从三相静止坐标系到两相静止坐标系的转换矩阵 屯 如 露为矢量 在 a b c 坐标系各轴上的投影量 乇 扫为矢量 在 q p 坐标系各轴上的投影量 取式 2 1 的你逆变换 得两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换为 水 10 1压 2 2 1压 22 阡 矧 式中 c 2 s 3 为从两相静止坐标系到三相静止坐标系的转换矩阵 1 0 2 2 2p w m 整流技术原理分析 2 3 3 三相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的转换 由式 2 1 可见 a p 变换只是减少了变量冗余 模型参数仍是时变的 现以电流空间矢量为例来进行分析 如图7 所示 烈 18 d d 图7 d q 坐标系与 q 1 3 坐标系之间的关系 f i 9 7 d q c o o r d i n a t es y s t e ma n d p c o o r d i n a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m 图7 中 d q 坐标轴以角速度国 如与电网角频率相同 即缈 2 r f 1 0 0 n 同步旋转 假设d 轴与仅轴间夹角为固定值日 则由图7 可得如下关系 s i n s o 秒j ll i i 咕 c 匆打 芝 c 2 3 其中 p f c 2 叱 为从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换矩阵 由式 2 3 可知 该变换矩阵是时间f 的函数 联立式 2 1 2 3 可得 2 3 s i n o s i n o 1 2 0 c o s o e o s o 一1 2 0 11 22 s i n o 1 2 0 c o s o 1 2 0 l 2 小牡弘卅 其中 i o 为方便逆变换而增加的零序分量 g 扪 即为从三相静止坐标系到两相同步坐标系的转换矩阵 在三相电路中 两相同步旋转坐标系 d q 中的d 轴分量经常表示为有功分 量 而q 轴分量则经常表示为无功分量 在三相静止对称坐标系 a b c 中 e 分别表示三相电动势矢量和电流矢量 并且e 以电网基波角频率 逆时针旋 转 根据瞬时无功功率理论 2 9 1 在描述三相电量时 为简化分析 将两相旋转坐 盎 l 1 j k 1 l 向 e 矢量d 轴 q 轴方向电流分 两坐标系的矢量 d e c o m p o s i t i o n 下面对矢量变换进行m a t l a b 仿真 主要实现3 s 2 s 3 s 2 r 的变换 将以上 比较抽象的矩阵表达式 用相对直观的波形图展现出来 从而加深对矢量变换物 理意义的理解d o 3 l 如下图所示 呦c 器c 翮3 一p h a s e u p r o g r a m m a b i e s o u r c e c l o c k 悝苎 c o s l 图9 矢量坐标变换仿真模型图 f i 9 9c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o no f v e c t o rs i m u l a t i o nm o d e l f i g u r e 1 2 2p w m 整流技术原理分析 3 0 0 2 0 0 1 0 0 之0 3 1 0 0 2 0 0 3 0 0 0 0 0 1 o 0 20 0 30 0 40 0 50 0 6 t s 图1 0 变换前的三相电压波形 f i g l 0t r a n s f o r mt h et h r e e p h a s eb e f o r ev o l t a g ew a v e f o r m 4 0 0 2 0 0 至 o 2 0 0 4 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 至o 1 0 0 2 0 0 3 0 0 00 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 50 0 6 t s 图 经3 s 2 s 变换后的电压波形 f i g l1v i a3 s 2 st r a n s f o r m a t i o nv o l t a g ew a v e f o r m o0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 5o 0 6 t s 图1 2 经3 s 2 r 变换后的电压波形 f i g l2v i a3 s 2 rt r a n s f o r m a t i o nv o l t a g ew a v e f o r m 如上图9 为所建立的三相电压3 s 2 s 3 s 2 r 变换的仿真模型 三相电压为3 8 0 v 5 0 h z 如图l o 所示 图9 的左侧进行3 s 2 s 变换 设置 a b e z 相中的a 轴与 a 轴重合 即有0 c o t o o 此时的仿真结果如图l l 所示 可见经3 s 2 s 变换后 置 电 p 其中 乞汀 c 3 厶 i ii b k 吒 r q 缸 互氏戽 r 吃略 r c 3 枷 吃吮d j r 将式 2 5 代入 2 3 并简化可得三相v s r 在d q 坐标系下的低频状态 方程为 褂 足 三 国 丢丸 0 足 三 嘉吃 吃 三 嚷 三 l c 墨 甜 o o o o oo 上 2 6 其中 h 气 r 置k 绵 r r 各l 汀 咴吒 r c 刍a 吃略 r 由式 2 6 可见 在 仅 p 坐标系下解耦的状态方程经过 d q 变换后相互 耦合 但以同步旋转坐标系来观察 因通用矢量是与同步旋转坐标系相同频率旋 转 所以其模型参量为直流量 2 4 三相电压型p w m 整流器 v s r 控制策略 p w m 整流器的控制实际上是对交流侧电流的控制 通过控制三相v s r 输入 电感 e 电流的幅值与相位 即可很好地控制整流器交流侧的有功功率 无功功率 1 4 2p w m 整流技术原理分析 的交换 从而达到调节电网的功率因数的目的 三相v s r 的控制技术按主电路中 有无电流传感器可以划分为直接电流