（电力电子与电力传动专业论文）双pwm变换器的研究和应用开发设计.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 ，d u a lp w mi n v e r t e rw i t h p e r f o r m a n c e sh a sb e c o m et h er e s e a r c h f o c u sf o rd o m e s t i ca n do v e r s e a s u n i v e r s i t i e s ，i n s t i t u t e sa n dc o r p o r a t i o n s o nt h eb a s eo ft h ed u a lp w mi n v e r t e r , f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h e d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fs o c i e t y , p e o p l eh a sr e a l i z e dt h a tl o wp o w e rf a c t o ra n dh i 曲h a r m o n i cp o l l u t i o n a r e t w om a j o rp r o b l e m si np o w e rn e t s o ，i m p r o v e dt h ep o w e rf a c t o rh a sb e e nt h e d e v e l o pt e n d e n c yo ft h ep o w e re l e c t r o n i c s b e c a u s eo ft h em e n t i o na b o v e , s e c o n d l yt h et h e s i sa n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fv o l t a g es o u r c er e c t i f i e r w h a t s m o r e , i tc o m p a r e st h ek i n d so fp w m ，d e d u c e si nd e t a i l t h em a t h e m a t i c f o r m u l a t i o no fv o l t a g es o u r c er e c t i f i e r , c o n t r a s t sd e f e a t sa n dm e r i t sa l lk i n d s o fc o n t r o lm e t h o d sa n da n a l y z e st h ea l g o r i t h m o ft w o - p h a s em o d u l a t i o n s v p w m a tt h es a m et i m e ，i ts e l e c t sm a i nc o n t r o lc h i p ，w r i t e sc o n t r o ls o f t w a r e p r o g r a m m e , m a k e so u tm a i nc i r c u i tt o p o l o g yo fa c - d c - a cs y s t e m a i m e da t t h er e q u i r e m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e m , s e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r e a n a l y z e d ，c a l c u l a t e da n dd e d u c e d u s i n gm a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e , t h et h e s i ss i m u l a t ea n da n a l y z ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo fs c h e m e ，t ot e s t i f yc o r r e c t i o na n da p p l i c a b i l i t ya n d t op r o v i d e g u i d a n c eo fm a k i n gs a m p l e a tl a s t , m a k em o d e la n dg oo nw i t hs e r i e so fe x p e r i m e n t s ，a n a l y z ea l lk i n d s i i l o fd a t aa n dw a v e f o r m d r a wt h ec o n c l u s i o na n dm a k ep r o s p e c t a l lm e n t i o n a b o v em a k ef o u n d a t i o nt of u r t h e rr e s e a r c h e s k e y w o r d s ：d u a lp w m i n v e r t e r , p o w e rf a c t o r , m a t l a bs i m u l a t i o r v o l ts p a c ev e c t o r ，p o w e rf e e d - b a c k , m o d e l 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：翌盈蔓丛全 目论文作者签名：幽兰竖丝日期：弦寸。，旷 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关傈留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 丝! 麈坌导师签名：苑随日期： 谢i j 1 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、提出、应用领域和意义 本研究课题来源于导师张庆范教授与山东新风光电子科技发展有 限公司合作的一项横向课题。中高压多电平大容量双p w m 交频器”。 电力电子装置是电力拖动自动控制的核心，高性能的电力拖动系 统要求能够四象限运行目前的异步电机交流拖动系统大多采用单 p w m 控制方法，下面图1 1 是目前国内、外广泛采用的交流电机拖动 系统的主电路结构图。 图1 1a c d c a c 变换主电路图 此类控制系统a c d c 变换部分是二极管不控整流，一方面：系统 功率因数不高，输入电流波形随负载变化而变化，即使在最好的情况下 也不是人们所期望的正弦波；另一方面：由于二极管是单向导电的，所 以由于负载再生制动而产生的能量不能回馈到电网，为了确保系统的安 全工作，必增加一个泵升限制电路消耗掉，这样一来既降低了能源的使 用效率，又使系统的可靠性大大降低，同时也增加了初始投入成本。 消除谐波污染，做到电磁兼容( e m c ) ，提高能量转换效率和质 量已成为当今国内外世界范围内的重大研究热点，虽取得了很好的成 就，但技术应用还没达到成熟阶段。目前主要有两种途径来解决这一问 题，一种方法是被动的途径，通过配装补偿装置，对谐波和无功设法加 以正负补偿，使相互抵消；另一种方法是主动积极途径，使电力电子装 山东大学硕士学位论文 霓不产生谐波，和其它用电设备电磁兼容，通过少消耗甚至不消耗无功 功率来得到所需要的功率因数。这种方法也是从本质上的解决方法。 本课题除了在变频调速系统电气传动应用领域外，还可应用于静 止无功补偿( s v g ) ，有源电力滤波( a p f ) ，统一潮流控制 ( v p f c ) ，超导储能( s m e s ) ，高压系统输电( h v d c ) ，新型 u p s 以及太阳能，风能等可再生能源的发电等领域 本课题研究除了完善和优化系统电气传动的系统外，还具有以下 意义：谐波污染问题的研究与解决对大功率如电动机车，提升设备等应 用具有重要的理论与应用价值；能量效率和质量问题的研究，对节约 能源和提高电源质量的利用率也有积极意义，该项研究也可以促进交流 传动系统向小型化，集成化和智能化方向发展 1 2a t d e 变换器的发展和现状 电力电子器件的发展推动着其应用的日益广泛，目前电力电子器 件绝大多数用于功率变换器，如a c d c 整流，d c d c 斩波，d c a c 逆 变，a c c 变换等，其中a c d c 直流电源是电力电子器件最为主要的 应用场合 晶闸管一经产生就被广泛的应用到可控整流装置中，并在电气传动 和其它工业用电源等领域占统治地位达数十年之久，尽管其谐波污染问 题和低功率因数相当突出可以说早期的电力电子技术是以相控整流为 核心的晶闸管技术。 二极管不控整流器由于简单实用，经济可靠等诸多优点广泛应用予 那些几乎不需要调压的装置，并且长期以来人们一直有一个观念认为二 极管功率因数相当高，接近于1 其实不然，图1 2 为带电容滤波的三 相二极管整流器的主电路。 山东大学硕士学位论文 图1 2 三相不控整流器 分析发现输入电流含有丰富的低次谐波分量，特别是5 次和7 次 谐波含量，这就很难保证整流器具有较高的功率因数，并且谐波问题极 其严重目前这种整流装置仍被广泛应用，小到各种控制用低压直流电 源，大到各种大功率电压源型p w m 电气传动系统和其它工业用p w m 电 源等 。 二极管不控整流器和晶闸管相控整流器是目前电力电子装置中最主 要的谐波污染源和低功率因数源，虽然国内外有些学者对这两种整流器 的谐波和功率因数问题作了一些改进工作，也取得了一些成果，总的来 看在较长的一段时间内，整流技术的发展落后于电子器件的发展。 1 9 8 5 年m a n i a ss 和z i o g a spd 等人将p w m 技术引入整流器 中提出了如图1 3 所示的这种功率因数为1 输入电流几乎不含谐波 的单相p w m 整流器这种整流器在单项桥式不控整流器基础上加了一 个升压性斩波电路，应用了可关断器件，并对其进行p w g 控制，得到 了较好的输入电流和输出电压控制效果 ir jl 【i lb l r = j | l 沭歹 图3 3传统控制方法相电压的区问分配 观察图3 3 可知，电压矢量v 的区间可由u a ，“6 ，u c 的值确定 区间划分条件如图3 4 所示，线段口d 是u b = u c 的边界线，a d 线段的上 半区域表示“c “c 时，v 位于区间i ；当u b 甜口 u c 时，v 位于区间i i ，依此类推 图3 5 工作周期的八个区间 3 2 3 2 合成矢量的最佳序列 电压空间矢量是利用基本电压空间矢量的组合合成的，如何恰当 的选择基本电压空间矢量是控制方案的关键，其选择及优化的原则是： ( 1 ) 为优化开关频率，基本电压矢量的选择应该是每次基本电压矢量 变化时，只有一个功