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三相电压型 PWM 整流器设计 I XX 大 学 毕业设计 姓 名 学 号 学 院 专 业 设计题目 专 题 指导教师 职 称 2012014 4 年 6 6 月 XX 三相电压型 PWM 整流器设计 II 目录 三相电压型 PWM 整流器设计 I Design of Three Phase Voltage Type PWM Rectifier II 第 1 章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 三相电压型 PWM 整流器国内外研究的现状 2 1 3 研究的目的及意义 3 1 4 本课题所做的工作 5 第 2 章 三相电压型 PWM 整流器的拓扑结构与工作原理 6 2 1 三相电压型 PWM 整流器的主电路拓扑结构 6 2 2 三相电压型 PWM 整流器的工作原理 6 2 3 本章小结 9 第 3 章 三相电压型 PWM 整流器的控制方法与系统仿真的研究 10 3 1 三相电压型 PWM 整流器的控制方法 10 3 2 等量坐标变换 10 3 3 三相电压型 PWM 整流器的空间电压矢量脉宽调制方法 12 3 3 1 三相电压型 PWM 整流器空间电压矢量分布 12 3 3 2 空间电压矢量的合成 14 3 3 3 基于正交坐标系 的空间电压矢量 PWM 算法 15 3 3 4 SVPWM 与 SPWM 控制的比较 18 3 4 PI 控制器的设计与数字化实现 19 3 4 1 PID 控制原理 19 3 4 2 PID 控制器的数字化实现 21 3 4 3 三相电压型 PWM 整流器的 PI 控制器的设计 22 3 5 三相电压型 PWM 整流器系统仿真的研究 22 3 5 1 三相电压现 PWM 整流器主电路的仿真模型 22 3 5 2 空间电压矢量 PWM 控制模块的仿真模型 25 3 5 3 三相电压型 PWM 整流器的 PI 控制器的仿真模型 28 3 5 4 系统仿真 28 三相电压型 PWM 整流器设计 III 第 4 章 三相电压型 PWM 整流器的硬件设计 33 4 1 主电路硬件设计 33 4 1 1 主功率开关器件的选择 33 4 1 2 交流侧电感的设计 34 4 1 3 直流侧电容的设计 39 4 2 驱动及保护电路的设计 40 4 3 本章小结 40 结束语 41 参考文献 42 致谢 45 三相电压型 PWM 整流器设计 I 三相电压型 PWM 整流器设计 摘 要 随着电网谐波污染问题日益严重和人们对高性能电力传动技术的需要 PWM 整 流技术引起人们越来越多的注意 三相电压型 PWM 整流器可以做到高功率因数 直流 电压输出稳定 具有良好的动态性能 并可实现能量的双向流动 因此 成为当前电力 电子领域研究的热点课题之一 首先 本文根据三相电压型 PWM 整流器的主电路拓扑结构 阐述了三相电压型 PWM 整流器的基本工作原理 其次 介绍三相电压型 PWM 整流器的控制方法 深入研究三相电压型 PWM 整流器的 空间电压矢量脉宽调制控制方法 进行三相电压型 PWM 整流器的 PI 控制调节器的设计 然后 进行三相电压型 PWM 整流器系统的仿真研究 建立主电路 空间电压矢量 PWM 控制模块及 PI 控制调节器的仿真模型 进行三相电压型 PWM 整流器整个系统的仿 真 最后 在对三相电压型 PWM 整流器工作原理及控制方法进行深入分析的基础上 进 行了系统的部分硬件结构和主电路参数设计 实验结果表明 论文所设计的三相电压型 PWM 整流器实现了高功率因数运行 解决 了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大 功率因数低等问题 实现了直流侧母线 电压的稳定控制 具有良好的工程实用价值 关键词 PWM 整流器 空间电压矢量 功率因数 仿真 三相电压型 PWM 整流器设计 II Design of Three Phase Voltage Type PWM Rectifier Abstract with the growing problem of harmonic pollution and people need high performance electric drive technology PWM rectifier technology is causing more and more attention Three phase PWM rectifier voltage can be high power factor DC voltage output stability good dynamic performance and can realize two way flow of energy Therefore the field of power electronics has become the hot issue of research Firstly the paper elaborated the basic principle of work for the PWM rectifier according to main circuit topology of three phase voltage type PWM rectifier Secondly the paper proposed the three phase voltage type PWM rectifier s control strategy Based on the control strategy it has studied the space voltage vector pulse width modulation control method as well as designed PI regulator for the three phase voltage type PWM rectifier Then the three phase voltage type PWM rectifier system simulation the establishment of the main circuit the space voltage vector PWM control of the control module and the PI regulator of the simulation model the three phase voltage type PWM rectifier simulation of the entire system Finally according to the entire three phase voltage PWM rectifier system simulation the article has carried on the hardware and main circuit parameter design Experimental results show that the paper is designed to achieve three phase voltage PWM converter with high power factor operation to solve the traditional sense of the rectifier harmonic content present in a large the low power factor and energy problems cannot be feedback to achieve the energy two way flow and a stable DC bus voltage control has good practical value Keywords PWM rectifier space voltage vector power factor simulation 三相电压型 PWM 整流器设计 1 第 1 章 绪论 1 1 引言 在现代工业 交通 国防 生活等领域中 很多场合需要大量各种类型的变流装 置 这些变流装置将一种频率 幅值 相位的电能变换为另一种频率 幅值 相位的 电能 使得用电设备处于理想工作状态 或者满足用电负载某些特殊要求 从而获得 最大的技术经济效益 当今 经过交换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中 所占的百分比 已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一 晶闸管 SCR 在美国的问世标志着电力电子技术的开端 我国上世纪 70 年代将其 列为节能技术在全国推广 晶闸管是一种只能控制导通而不能控制关断的半控型开关 器件 其在交流传动和变频电源领域中的应用受到了一定的限制 功率半导体开关器 件性能的不断提高 从早期广泛使用的半控型功率半导体开关 发展到如今性能各异 且类型诸多的全控型功率开关 如双极型晶体管 BTT 门极关断晶闸管 GTO 绝缘 栅双极型晶体管 IGBT 集成门极换向晶闸管 IGCT 功率场效应晶体管 MOSFET 以 及场控制晶闸管 MCT 等 而 20 世纪 90 年代发展起来的智能型功率模块 IPM 则开创 了功率半导体开关器件的发展方向 功率半导体的进步促进了电力电子变流技术的迅 速发展 如变频器 逆变电源 高频开关电源等 这些变流装置在国民经济中得到广 泛应用 但是这些变流装置大部分都需要整流环节 以获得直流电压 常规的整流环 节一般采用二极管不可控整流或晶闸管相控整流 并且输出侧常使用大电容或大电感 滤波来降低纹波 传统的整流装置在引起谐波的同时 也会引起系统无功功率的大量流动 无功功 率的增加不仅增加线路损耗 降低发电量和用电设备的利用率 而且冲击性的无功负 载 还会使电网电压产生剧烈波动 严重影响供电质量 二极管整流电路简单 经济可靠 因此它的应用十分广泛 但是这种整流器的广 泛使用也带来了以下几个方面的问题 1 二极管整流会使网侧电流波形严重畸变 造成功率因数较低 最高功率因数只可 能为 0 8 左右 大量无功功率的消耗会给电网带来额外的负担 不仅增加了输电线路 的损耗 而且严重地影响了供电质量 2 对二极管整流器输入电流的频谱进行分析 发现输入电流中含有丰富的低次谐波 电流 3 对于交流变频调速系统 由于二极管的单向导电性 电机制动的再生能量无法回 三相电压型 PWM 整流器设计 2 馈给电网 为了装置的安全运行 这部分能量必须通过一定的途径消耗掉 在中小容 量系统中 一般采用能耗制动方式 即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在 大功率电阻器中 实现电机的四象限运行 该方法虽然简单 但是有如下缺点 浪费能 量 系统效率低 电阻发热严重 影响系统的其他部分正常工作 简单的能耗制动不 能及时抑制快速制动产生的泵升电压 限制了性能的提高 传统晶闸管 SCR 构成的相控整流电路已经非常成熟 并获得了广泛应用 但存 在以下几个主要弊端 1 交流侧输入端电流波形畸变严重 2 整流器工作在深度相控状态下 交流侧功率因数极低 3 由换流引起电网电压波形畸变 4 直流侧输出电压波动大 5 由相控整流电源构成的直流调速系统动态响应较慢 目前解决电网污染的途径主要有两种 1 对电网来说 采用在电力系统中加 入补偿器来补偿电网中的谐波 如 LC 滤波器 有源滤波 APF Active Power Filter 等 2 设计输入电流为正弦 谐波含量低 功率因数高的整流器 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 PWM 技术应用 于由 MOSFET IGBT 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 PWM 整流器 又称为高功率因数变流器 1 2 三相电压型 PWM 整流器国内外研究的现状 随着电力电子技术的发展 功率半导体开关器件性能不断提高 已从早期广泛使 用的半控型功率半导体开关发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关 尤其 是 20 世纪 90 年代发展起来的智能型功率模块 IPM 和功率 IC 则开创了功率半导体开 关器件新的发展方向 功率半导体开关器件技术的进步 促进了电力电子交流技术的 迅速发展 出现了以脉宽调制 PWM 控制为基础的各类变流装置 如变频器 逆变电 源 不间断电源 UPS 高频开关电源等各类变流器 目前 这些变流装置大部分需 要整流环节以获得直流电压 由于常规整流环节广泛采用了二极管不可控整流或晶闸 管相控整流 对电网注入了大量谐波及无功功率 造成了严重的电网 污染 因此 作为电网主要 污染 源的整流器得到了大家的关注 并开展了大量研究工作 主要 是将 PWM 技术引入整流器的控制之中 使整流器网侧电流正弦化 且运行于高功率 因数 甚至实现能量的双向流动 能量可双向流动的 PWM 整流器不仅具有整流特性 三相电压型 PWM 整流器设计 3 而且还具有逆变特性 所以说 PWM 整流器是一种新型的可逆 PWM 变流器 70 年代初 国外就开始了 PWM 整流逆变技术的基础研究 80 年代后期随着全控 器件的问世 采用全控型器件实现 PWM 高频整流的研究进入高潮 经过几十年的研 究与发展 PWM 整流器技术已日趋成熟 PWM 整流器主电路已从早期的半控型器件 桥路发展到如今的全控型器件桥路 其拓扑结构已从单相 三相电路发展到多相组合 及多电平拓扑电路 PWM 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制 而在主电 路类型上 有电压型整流器也有电流型整流器 目前以电压型为主 本文主要讨论电 压型整流器 目前 国内外对于三相电压型 PWM 整流器的系统的建模分析研究较少 主要是 集中于电流控制方法和系统控制策略的实验研究 分析各参数与系统性能之间的关系 并找到改善电流跟踪性能 提高输入功率因数的方法 仿真和实验是主要手段 三相电压型 PWM 整流器的网侧电流控制策略主要分成两类 一类是间接控制策略 另一类就是目前研究较多的直接电流控制策略 间接电流控制实际上就是所谓的 幅 相 电流控制 即根据整流器的稳态电压平衡关系 通过控制电压型 PWM 整流器的 交流侧电压基波幅值 相位 进而间接控制其网侧电流 最显著的优点是结构简单 检测量少 无需电流传感器 成本低 实现容易 静态特性良好 但其电流的动态响 应慢 适用于对控制性能和动态响应要求不高的场合 为了提高电压利用率并降低开 关损耗 基于空间矢量的 PWM 控制在电压型 PWM 整流器电流控制中取得了广泛应用 直接电流控制策略以其快速的电流响应和鲁棒性得到学术界的广泛关注 并先后 研究出不同的控制方案 主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的 PWM 电 流控制 以及以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制等 直接电流控制的优点为动态 响应速度快 限流容易 控制精度高 缺点是要实现 PWM 整流器电压矢量控制 需 要解决正弦函数和反正切函数等算法 需要复杂的算法 由 DSP 或多片单片机实现 和 调制模块 在交流源电压一定时 如能直接控制 PWM 整流器的瞬时有功和无功 同 样可达到控制输入电流的效果 这种控制技术称为直接功率控制 直接功率控制的主 要思路是由全控型器件开关状态来估计有功和无功 当整流器的全控型开关器件在不 同的开关状态时 有着不同的瞬时有功和无功 通过控制开关状态 就可以直接对功 率进行控制 目前这种控制策略引起了很多研究人员的关注 以直接功率控制为基础 的控制算法主要有基于电压的直接功率控制和基于虚拟磁链的直接功率控制 三相电压型 PWM 整流器设计 4 1 3 研究的目的及意义 众所周知 电能是现代社会的主要能源 在各行各业中有着最广泛的应用 是人 类现代文明的重要物质基础之一 而随着电力电子技术的迅速发展 电力电子设备的 应用日益广泛 从而使得电网的谐波污染日益严重 一方面使电力系统的供电效率下 降并且威胁电力系统自身的安全运行 另一方面影响了电力系统的供电质量 为了避 免谐波的危害 保持高的供电品质 许多国家和国际组织出台了治理措施和相关标准 对产生电力污染的用电设备提出了明确的限定 在这些标准当中 被广泛接受的有 IEEE 519 标准和 IEC555 2 标准 IEEE 519 标准和 IEC555 2 标准 1995 年修订后为 IEC1000 3 2 对负载产生的谐波进行限制 使负载对电网注入的谐波在规定的范围内 在我国也有相关的标准颁布 如 SD126 84 电力系统谐波管理暂行规定 GB T14549 93 电能质量公用电网谐波 以及 GB Z17625 4 2000 电磁兼容限值中 高 压电力系统中畸变负荷发射限值的评估 等 目前 抑制谐波电流将电力电网的谐波水平控制在谐波限值标准的范围之内的途 径主要有两条 一是对电力电子设备本身进行改造 研究开发高功率因数变流器 使其 不产生谐波污染 二是装设补偿装置来抑制谐波的污染和扩散 从而提高电能供电质量 从长远来看 研究开发高功率因数的变流器 则是一种更为有效和积极的措施 另外 随着电力传动及控制技术的发展 具有能够节约能源 降低功耗 提高生 产效率 改善产品质量等优点的变频调速制系统越来越广泛地应用于工农业等各领域 中 然而 在大多数变频调速控制系统中 通用变频器大都为电压型的交 直 交的电 路结构 一般都是先通过二极管不可控的整流电路得到直流 然后通过电容的滤波稳 定 最后经过逆变输出电压频率可调的交流电 一方面通用变频器的二极管不可控整 流电路对电网注入了大最谐波及无功功率 造成了电网的严重污染 另一方面 在频 繁正反转的调速系统中 如电梯 矿用提升机 轧钢机 大型龙门刨床等 当电机减 速 制动或带有势能的重物下放时 电机处于再生发电状态 由于二极管整流桥能量 传输不可逆 产生的再生电能传输到直流侧的滤波电容上 产生泵升电压 过高的泵 升电压有可能损坏功率开关器件 滤波电容 为了解决电机处于再生发电时所产生的 泵升电压问题 一般都采用能耗制动 将再生的电能转化成热能而白白浪费掉了 这 样不但严重浪费能源 而且也不能有效的解决二极管整流的谐波问题 针对以上问题 本课题所研究的三相电压型 PWM 整流器具有高功率因数 直流 电压稳定控制等特性 解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大 功率因数低 等问题 目前 随着电力系统理论的发展和对电力系统中所存在问题的深入研究 如 无功功率补偿 谐波抑制 负载对电网冲击的抑制等 三相电压型 PWM 整流器已被 三相电压型 PWM 整流器设计 5 广泛用于改造电网污染和提高电能利用率 另外 三相电压型 PWM 整流器已被广泛 应用于新能源的利用 如用作并网装置时可把本地装置消耗不了的电能回馈到电网 可以以高功率因数运行 消除谐波 最终可以提高对风能 太阳能的利用率 总之 这种整流器性能优越 可以替代传统的整流电路实现装置的 绿色 运行 有着更为 广泛的应用前景和重要的研究价值 1 4 本课题所做的工作 本课题以三相电压型 PWM 整流器为研究对象 分析三相电压型 PWM 整流器的工 作原理 介绍一种空间电压矢量脉宽调制间接控制方法 进行系统仿真 具体工作如 下 1 分析三相电压型 PWM 整流器的基本工作原理 建立基于开关函数的三相电压型 PWM 整流器的数学模型 2 介绍三相电压型 PWM 整流器的控制方法 在等量坐标变换的基础上 深入研究 三相电压型 PWM 整流器的空间电压矢量脉宽调制控制算法 进行三相电压型 PWM 整 流器的 PI 控制调节器的设计 3 进行三相电压型 PWM 整流器系统的仿真研究 建立主电路 空间电压矢量 PWM 控制模块及 PI 控制调节器的仿真模型 进行三相电压型 PWM 整流器系统的仿 真 4 在对三相电压型 PWM 整流器的工作原理及控制方法进行深入分析的基础上 根 据对三相电压型 PWM 整流器系统的仿真 从而进行了系统的部分硬件设计 主要有 1 功率开关器件的选择设计 2 交流侧电感的设计 3 直流侧电容的设计 4 智能功率模块 IPM 的隔离驱动电路及保护电路设计 三相电压型 PWM 整流器设计 6 第 2 章 三相电压型 PWM 整流器的拓扑结构与工作原理 从电力电子技术发展来看 整流器是较早应用的一种 AC DC 的变换装置 整流 器的发展经历了由不控整流器 相控整流器到 PWM 整流器的发展历程 PWM 整流器 已对传统的二极管及相控整流器进行了全面改进 其关键性的改进在于用全控型功率 开关器件取代了二极管或半控型功率开关器件 以 PWM 整流器取代了不控整流或者 相控整流 从而使得 PWM 整流器具有了网侧电流正弦控制 网侧功率因数控制 电 能双向流动及较快的动态控制响应等优良性能 2 1 三相电压型 PWM 整流器的主电路拓扑结构 三相电压型 PWM 整流器主电路拓扑结构如图 2 1 所示 三相电压型 PWM 整流器 的主体包括电压源型整流器和串联连接在电网中的三个大小相等的控制电感 L 三个 控制电感 L 一端连续在三相电源 另一端连接在电压源型整流器的输入端 电压源型 整流器由智能功率模 IPM Intelligent Power Module 和直流母线电容 C 组成 另外 由 三个电阻在三个控制电感与三相电源连接处构造电压参考点 O 三 相 电 源 A B C RRR O N L L L a i t b i t c i t a b c a K b K c K L i dc i C L R dc V a K b K c K 图 2 1 三相电压型 PWM 整流器主电路 三相电压型 PWM 整流器设计 7 2 2 三相电压型 PWM 整流器的工作原理 对三相电压型 PWM 整流器的控制 旨在稳定直流侧电压的同时 实现其交流侧 在受控功率因数条件下的正弦波电流控制 由于交流电感的滤波作用 整流器交流侧 的输入可近似认为是三相正弦电流 直流侧有大电容稳压 输出呈直流电压源特性 稳态时输出直流母线电压可认为保持不变 由于交流滤波电感等效电阻及开关器件损 耗等效电阻较小 在忽略交流滤波电感及开关器件等效电阻的条件下 根据三相电压 型 PWM 整流电路拓扑结构 三相电压型 PWM 整流器的单相等效电路和相量图如下所 示 V L E 图 2 2 单相等效电路 L V当关断 而导通时 开关函数 a K a K 1 a S aNdc vv a K a K 且 则 式 3 40 可改写成 0 a S 0 aN v aNdca vv S MERGEFORMAT 3 41 a aAOdcaNO di LRiuv Sv dt 同理 可得 b 相 c 相方程如下 MERGEFORMAT 3 42 b bBOdcbNO di LRiuv Sv dt MERGEFORMAT 3 43 c cCOdccNO di LRiuv Sv dt 若考虑三相对称系统 则 MERGEFORMAT 3 44 0 AOBOCO uuu 又有 MERGEFORMAT 3 45 0 abc iii 三相电压型 PWM 整流器设计 25 联立式 3 41 3 43 得 MERGEFORMAT 3 46 3 dc NOk k a b c v vS 当忽略桥路损耗时 其交 直流侧的功率平衡关系为 MERGEFORMAT 3 47 jjNdcdc j a b c i vi v 又因为 MERGEFORMAT 3 48 jNjdc vS v 联立式 3 46 3 48 并化简 得 MERGEFORMAT 3 49 dcaabbcc b ii SiSi S i 另外 直流侧负载自电阻和一个电流源并联组成 对直流侧电容正极节点处 L R S I 应用基尔霍夫电流定律 得 MERGEFORMAT 3 50 dcdc aabbccs L dvv Ci Si Si Si dtR 联立式 3 41 3 42 3 43 和 3 50 并引入状态变量 X 且有 MERGEFORMAT 3 51 T abcdc Xiiiv 则采用单极性二极逻辑开关函数描述的三相电压 PWM 整流器的一般数学模型的 状态变量表达式为 MERGEFORMAT 3 52 XAXBE 其中 1 ak a b c bk a b c ck a b c L R SS L R SS L A R SS L R C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 三相电压型 PWM 整流器设计 26 1 1 1 L L B L 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 C T AOBOCOs Euuui 这里 L 是每相交流滤波电感的值 R 是每相功率开关损耗等效电阻与交流滤波电 感等效电阻的和 C 是直流输出侧的电容值 是电流源的电流值 由三相电压型 L R s i PWM 整流器的数学模型 在 MATLAB 软件的 SIMULINK 交互式仿真集成环境下利用 S 函数建立了三相电压型 PWM 整流器的主电路的仿真模型 如图 3 8 所示 ec Vdc 4 ic 3 ib 2 ia 1 S Function PWM I i supply 7 6 eb 5 ea 4 Sc 3 Sb 2 Sa 1 图 3 8 PWM 整流器主电路仿真模型 在这里 i supply 为直流测电流源电流 is ea eb ec 为交流侧三相平稳的纯正弦 波电动势 sa sb sc为整流器桥路驱动信号的输入 ia ib ic为交流侧三相平稳的纯 正弦波电动势输出的相电流 vdc为直流侧母线电压输出 3 5 2 空间电压矢量 PWM 控制模块的仿真模型 根据本章 3 3 3 节分析 在 SIMULINK 交互式仿真集成环境下建立了空间电压矢 量 PWM 控制模块的仿真模型 具体如下 1 目标电压矢量扇区的判断模型如图 3 9 所示 三相电压型 PWM 整流器设计 27 1 Sector Switch2 Switch1 Switch Relational Operator2 Relational Operator1 Relational Operator 4 Constant8 0 Constant7 0 Constant6 2 Constant5 0 Constant4 1 Constant3 0 Constant2 0 Constant1 0 Constant Add 3 Vref3 2 Vref2 1 Vref1 图 3 9 电压矢量扇区的判断模型 2 计算 X Y Z 的模型如图 3 10 所示 Z 3 Y 2 X 1 Product 1 Product Gain 3 0 5 Gain 2 0 5 Gain 1 K Gain K Add1 Add Ubeta 3 m 2 Ualfa 1 图 3 10 计算 X Y Z 的模型 3 计算 t1 t2的模型如图 3 11 所示 t2 2 t1 1 Subsystem1 Ualfa m Ubeta X Y Z Subsystem Vref 1 Vref 2 Vref 3 Sector Multiport Switch 1 Multiport Switch Gain 5 1 Gain 4 1 Gain 3 1 Gain 2 1 Gain 1 1 Gain 1 Ubtea 6 m 5 Ualfa 4 Vref3 3 Vref2 2 Vref1 1 图 3 11 计算 t1 t2的模型 三相电压型 PWM 整流器设计 28 4 计算 taon tbon tcon的模型如图 3 12 所示 tcon 3 tbon 2 taon 1 Subtract Subsystem Vref1 Vref2 Vref 3 Ualfa m Ubtea t1 t2 Gain 0 5 Add1 Add Ubtea 7 m 6 Ualfa 5 Vref3 4 Vref2 3 Vref1 2 PWMPRO 1 图 3 12 计算 taon tbon tcon的模型 5 计算 Ta Tb Tc的模型如图 3 13 所示 Tc 3 Tb 2 Ta 1 Subsystem1 Vref 1 Vref 2 Vref 3 Sector Subsystem PWMPRO Vref 1 Vref 2 Vref 3 Ualfa m Ubtea taon tbon tcon Multiport Switch2 Multiport Switch1 Multiport Switch Ubtea 7 m 6 Uafla 5 PWMPRO 4 Vref3 3 Vref2 2 Vref1 1 图 3 13 计算 Ta Tb Tc的模型 6 根据以上所建立的模型 建立的空间电压矢量 PWM 控制模块的仿真模型如图 3 14 所示 三相电压型 PWM 整流器设计 29 Sc 3 Sb 2 Sa 1 Subsystem Vref 1 Vref 2 Vref 3 PWMPRO Uafla m Ubtea Ta Tb Tc Sine sin 2 pi u Repeating Sequence 1 Relational Operator 2 Relational Operator 1 Relational Operator Data Type Conversion 2 Convert Data Type Conversion1 Convert Data Type Conversion Convert Cosine2 cos 2 pi u Cosine1 cos 2 pi u Cosine cos 2 pi u Constant 1 2 pi 3 Constant 2 pi 3 Add2 Add1 Add PWMPRO 4 m 3 angle ctrl 2 Repeating Sequence 1 图 3 14 空间电压矢量 PWM 控制模块的仿真模型 根据 PWM 控制的基本原理 在空间电压矢量 PWM 控制模块仿真模型中 Ta Tb Tc为控制输出的调制信号 与等腰三角波载波信号调制 输出控制主电路 功率开关器件的 PWM 脉冲信号 3 5 3 三相电压型 PWM 整流器的 PI 控制器的仿真模型 由本章 3 1 节与 3 4 3 节分析 建立了三相电压型 PWM 整流器 PI 控制器的仿真 模型 如图 3 17 所示 PI Out 1 Unit Delay z 1 Switch4 Switch3 Switch2 Switch1 Switch Subtract 1 Subtract Saturation Relational Operator 1 Product 2 Product 1 Product Integrator 1 s Constant2 1 Constant1 1 Constant 0 02 Add1 Add Abs1 u Abs u I s 7 I d 6 P s 5 P d 4 Limit 3 Vdc 2 Vdc com 1 图 3 17 三相电压型 PWM 整流器 PI 控制器的仿真模型 根据本章 3 4 3 节所设计的 PI 控制器的方法 通过仿真结果表明 本文设计的 PI 控制器与常规的 PI 控制器相比 具有响应速度快 超调小的优点 3 5 4 系统仿真 根据建立的三相电压型 PWM 整流器的系统仿真模型如图 3 21 所示 三相电压型 PWM 整流器设计 30 PI i supply Vdc com1 1 Vdc com 650 Subsystem2 Repeating Sequence PWMPRO m angle ctrl Sa Sb Sc Subsystem1 Sa Sb Sc ea eb ec i supply ia ib ic Vdc Sine c Sine bSine a Scope 1 Scope Saturation Repeating Sequence Interpolated P s 1 P d 1 PI Vdc com Vdc Limit P d P s I d I s PI Out Limit 60 I s 1 I d 0 Gain 1 Divide Constant 1 图 3 21 三相电压型 PWM 整流器的系统仿真模型 系统的仿真参数如下 交流侧电动势为频率为 60Hz 相电压为 600V 的三相对称电压源 交流侧电感的 电感值为 20mH 直流侧电容值为 7500 F 主功率开关器件开关频率为 6 kHz 系统仿真结果如下 00 020 040 060 080 10 120 140 160 180 2 1500 1000 500 0 500 1000 1500 2000 图 3 22 整流运行时交流侧 a 相电流仿真曲线 三相电压型 PWM 整流器设计 31 00 020 040 060 080 10 120 140 160 180 2 600 400 200 0 200 400 600 图 3 23 整流运行时交流侧 a b 之间电压的仿真曲线 图 3 22 和图 3 23 分别是整流运行时 a 相电流仿真曲线和整流运行时交流侧 a b 相之间电压的仿真曲线 由图 3 22 知电流不但波形发生了一定的畸变 幅值也发生了 一定的畸变 但是经过在短时间 0 1 秒后电流的幅值开始稳定 且波形接近正弦化 同 样可以从图 3 23 看出 a b 之间电压也在经过 0 1 秒后迅速稳定 且波形接近正弦化 0 1750 180 1850 190 1950 2 164 07 164 075 164 08 164 085 164 09 164 095 图 3 24 交流侧有功分量的仿真曲线 三相电压型 PWM 整流器设计 32 0 1750 180 1850 190 1950 2 41 156 41 157 41 158 41 159 41 16 41 161 41 162 41 163 图 3 25 交流侧无功分量的仿真曲线 图 3 24 和图 3 25 分别是整流前交流侧有功分量和无功分量的仿真曲线 从仿真波 形可以看出 二者均在经过 0 19 秒后趋于稳定 因此可以得出 本文的设计参数配合 根本系统很理想 达到了设计的目的 0 1750 180 1850 190 1950 2 248 250 252 254 256 258 260 图 3 26 整流后直流侧母线电流仿真曲线 三相电压型 PWM 整流器设计 33 00 020 040 060 080 10 120 140 160 180 2 300 350 400 450 500 550 图 3 27 整流后直流侧母线电压仿真曲线 图 3 26 和图 3 27 分别是整流后直流侧母线电流仿真曲线和整流后直流侧母线电压 仿真曲线 由图 3 26 仿真曲线可得 整流后的电流有一定波动 但基本在控制范围之 内 而由图 3 26 的仿真曲线和相关仿真结果可以看出 直流侧母线电压相比在二极管 不控整流下 电压水迅速提高 经过 0 1 秒的微小超调后 电压趋于稳定 三相电压型 PWM 整流器设计 34 第 4 章 三相电压型 PWM 整流器的硬件设计 4 1 主电路硬件设计 4 1 1 主功率开关器件的选择 在大功率电力电子器件的应用中 IGBT 已取代了 GTR 或 MOSFET 成为应用的主 流 IGBT 的优点在于输入阻抗离 开关损耗小 饱和压降低 开关速度快 热稳定性 能好 驱动电路简单 目前 由 IGBT 单元构成的功率模块在智能化方面得到了迅速 发展 智能功率模块 IPM Intelligent Power Module 不仅包括基本组合单元和驱动电路 还具有保护和报警功能 以其完善的功能和较高的可靠性为我们创造了很好的应用条 件 简化了电路设计 本文设计的三相电压型 PWM 整流器功率为 50kW 三相交流输入电压的相电压有 效值为 600V 主功率开关器件采用 IPM 来实现 假设效率为 90 则每相输入的额 定电流有效值为 MERGEFORMAT 4 1 50000 30 86A 600 3 90 N I 则网侧电流的峰值为 MERGEFORMAT 4 2 30 86243 64A NM I 考虑 2 倍的安全系数 取 IPM 的电流额定为 100A 最大反向电压 URM MERGEFORMAT 4 3 2 RMm UU 式 4 3 中 Um 是电源线电压的振幅值 当电源相电压为 600V 时 MERGEFORMAT 4 4 2236002938 85V RM UV 选 MERGEFORMAT 4 5 3000V RM U 综合以上分析 选取日本富士公司的智能功率模块 7MBP100RA120 作为主功率开 关器件 三相电压型 PWM 整流器设计 35 4 1 2 交流侧电感的设计 三相电压型 PWM 整流器的交流侧电感的取值不仅影响到交流侧电流的动 静态 响应 而且还制约着整流器的输出功率及功率因数 PWM 整流器交流侧电感的主要作 用如下 1 使电流受控 是电流源特性 可将电流控制转化为电压控制 通过交流侧电压或 是电流幅值 相位的控制均可实现在高功率因数下能量的双向流动 2 抑制交流侧 PWM 谐波电流 从而实现交流侧正弦波电流或一定频带范围内的 电流控制 3 使三相电压型 PWM 整流器获得良好的电流波形的同时 还可向电网传输无功功 率 甚至实现网侧的纯电感 纯电容运行特性 4 1 2 1 稳态条件下满足功率指标时交流侧电感的设计 根据第二章在 2 2 节分析 当三相电压型 PWM 整流器在最大功率输出运行时 交 流侧电压矢量与电网电动势矢量相位相差 6 此时 交流侧电感上的电压值为 MERGEFORMAT 4 6 2sin 12 L VE 则流经电感的电流值为 MERGEFORMAT 4 7 2sin 12L L E V I LL 则每相电网电动势发出或吸收的有功功率为 MERGEFORMAT 4 8 cos 12 L PEI 将式 4 6 代入 4 7 得 MERGEFORMAT 4 9 2 cos 122 L E PEI L 则三相电网电动势发出或吸收的有功功率为 3E2 2 L 本文设计的三相电压型 PWM 整流器功率为 50kW 为了满足稳态条件下功率指标的要求 则有 MERGEFORMAT 4 10 2 3 50000 2 E L 由式 4 9 得 三相电压型 PWM 整流器设计 36 MERGEFORMAT 4 11 2 3 40000 E L 将 E 600V 100 代入式 4 10 计算得 MERGEFORMAT 4 12 21 55mHL 4 1 2 2 满足瞬态电流跟踪指标时交流侧电感的设计 除了考虑稳态功率指标外 电感的设计还需考虑满足瞬态电流跟踪指标要求 既 要抑制纹波电流 又要快速电流跟踪 为了抑制谐波电流较大的脉动 此时电感应足 够大 以满足抑制谐波电流要求 另一方面 当电流过零时 其电流变化率最大 此 时电感应足够小 以满足快速跟踪电流要求 根据第 2 章图 2 1 所示的拓扑结构 考虑 a 相电压方程 MERGEFORMAT 4 13 3 adc aadcak k a b c div LRiev ss dt 若忽略交流侧电阻 R 则上式简化为 MERGEFORMAT 4 14 3 adc adcak k a b c div Lev ss dt 式中 sk二值逻辑开关函数 因此 三相电压型 PWM 整流器交流侧 a 相等效电路如图 4 1 所示 L a i a e 2 3 dc abc v sss 图 4 1 三相电压型 PWM 整流器交流侧 a 相等效电路 根据第 3 章 3 1 节和 3 3 节 可得三相电压型 PWM 整流器在最大负载整流输出运 行时的空间电压矢量关系如图 4 2 所示 此时 E 与 V 之间的夹角为 30 E 为电网电 动势矢量 V 为三相电压型 PWM 整流器交流侧电压矢量 VL为网侧电感上的电压矢 三相电压型 PWM 整流器设计 37 量 设定交流侧电压矢量 V 以 X 轴为起始轴 并以角速 顺时针旋转 则可设定三相 电压型 PWM 整流器的网侧 a 相相电压为 则有 a 相电网电动势可表示为 sin m V wt sin 6 m Ewt a 3 1 5 4 6 2 100 110 010 011 001 101 O c X b L V V E 30 图 4 2 三相电压型 PWM 整流器空间电压矢量关系图 下面根据本文第三章所提出的三相电压型 PWM 整流器的控制策略 考虑在最大 负载整流输出的情况下进行交流侧电感的设计 首先考虑三相电压型 PWM 整流器交流侧电压矢量 V 在扇区 3 时 a 相的情况 此时 MERGEFORMAT 4 15 22 62 ktk 由式 4 14 可得 MERGEFORMAT 4 16 2 36 adc mabc div LEssst dt 即 MERGEFORMAT 4 17 2 36 adc mabc iv LEssst t 则 MERGEFORMAT 4 18 2 36 dc amabc vt iEssst L 根据第 3 章 3 3 节 当三电压型 PWM 整流器交流侧电压矢最 V 在扇区 3 时 在 三相电压型 PWM 整流器设计 38 每个开关周期中 电压矢量 U0 100 持续的时间可得 MERGEFORMAT 4 19 3sincos 4 s T t tt 则在每个开关周期中 电压矢量 U0 l00 作用时 有 MERGEFORMAT 4 20 2 3sincos 36 4 dc sm a v TEt tt i L 由于本文设计的三相电压型 PWM 整流器的额定功率为 50kw 交流侧电网电动势 相电压有效值为 600V 频率为 60Hz 功率开关器件的开关频率为 6kHz 直流侧母线 电压为 650V 则 由式 4 15 和6002848 4V m E 1 s 6000 s T 100 4 20 知 当时 有21 294tk MERGEFORMAT 4 21 max 0 0252 a i L 同理可计算得到 当三相电压型 PWM 整流器交流侧电压矢量 V 在扇区 3 时 在 每个开关周期中 电压矢量 U60 110 作用时 当时有 20 524tk MERGEFORMAT 4 22 max 0 0312 a i L 电压矢量 O0 000 和 O111 111 作用时 当时 有2 2 tk MERGEFORMAT 4 23 max 0 006 a i L 当三相压型 PWM 整流器交流侧电压矢量 V 在扇区 1 时 在每个开关周期中 电 压矢量 U60 1l0 作用时 当时 有20 2585tk MERGEFORMAT 4 24 max 0 035 a i L 电压矢量 U120 010 作用时 当时 有2 6 tk MERGEFORMAT 4 25 max 0 0076 a i L 电压矢量 O0 000 和 O111 111 作用时 当时 有2 6 tk MERGEFORMAT 4 26 max 0 006 a i L 当三相压型 PWM 整流器交流侧电压矢量 V 在扇区 5 时 在每个开关周期中 电 压矢量 U120 0l0 作用时