电力电子技术无差拍控制方程毕业论文.doc

太原科技大学电子信息工程学院毕业论文(设计)电力电子技术无差拍控制方程毕业论文目 录前言1第1章 变频器 31.1 变频器简介 3 1.2 变频器构造与控制方式4 1.2.1 变频器的构造4 1.2.2 变频器的控制方式51.3 变频器的谐波7 1.3.1 谐波产生机理及干扰途径8 1.3.2 谐波干扰的危害8 1.3.3 抑制谐波干扰的对策10第2章 无差拍控制法112.1 脉冲宽度调制型（PWM）方法11 2.1.1 PWM控制的基本原理12 2.1.2 PWM型逆变电路的控制方式132.2 无差拍控制的涵义142.3 不同性质下无差拍控制方程及其推导15第3章 优秀的仿真软件MATLAB 213.1 MATLAB简介213.2 MATLAB的特色24 3.3 M函数的编写27 3.4 Simulink仿真283.4.1 Simulink基础常识28 3.4.2 Power sys工具箱30第4章 模拟仿真研究31 4.1 仿真图形实现31 4.2 计算机模拟研究35结论41致谢42参考文献43附录 英文及其翻译前 言电力电子技术(Power Electronics Technology)是电工技术的分支之一，也是未来科学技术发展的重要支柱。应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术，对电能特别是大的电功率进行处理和转换，是电力电子技术的主要内容。有人预言：电力电子技术连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。随着计算机以及各种精密自动化设备、电子设备被广泛应用于通信、工业自动化控制、办公自动化等领域，变频器作为电力电子技术的重要组成部分，近年来得到了迅速发展。于是对变频器中逆变器的控制成了研究重点，即要求其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快。PWM方法有使逆变器调频调压方便、低次谐波小、主电路结构简单、重量轻、造价低等优点，因而在交流电机调速和不间断电源中得到了广泛应用。三角波交截法1或称次谐波控制法以及通过计算机离线确定PWM开关点位置2，3来产生PWM脉冲都是开环控制，未给出负载变化对电路工作状态产生影响的反馈信息，因而不可避免的会有负载突变引起的逆变器输出变化过度时间过长，当为非线性负载时输出谐波失真大等缺点。采用滞环比较器带非线性反馈的PWM方法4，5，虽从原理上克服了开环控制的缺点，但要求输出谐波畸变较小时开关频率会急剧上升5，增加了逆变器开关损耗。KPGokhale等在1987年首先提出了逆变器无差拍控制方法6，可克服上述不足之处。其实验指出，当采样频率为1.8kHz时，输出60Hz的正弦交流电压的谐波失真为1.34%。负载为非线性且条件最恶劣的情况下，谐波失真为11.1%，而普通PWM方法为20.5%，表明了该方法的优越性。但文献8仅仅研究了纯电阻负载的情形，而实际应用中常有感性负载或容性负载的存在。本文首先介绍了一下变频器的原理与构成部分等，同时对变频器谐波产生的机理进行了分析。然后就无差拍控制法的特点等进行了总结，先导出了感性负载时的无差拍控制方程，并对其进行了MATLAB仿真，同时也对不同性质负载时无差拍控制方法PWM型逆变器的性能进行了计算机模拟仿真研究。在仿真前我们对当前国际控制界最流行的面向工程与科学计算的高级语言MATLAB进行了简单的介绍。研究过程中我们发现：通过模拟仿真选择最佳滤波参数使开关频率最低，谐波输出最小，直流电压利用率最高，额定功率输出时流过开关器件的电流最小，从而为该方法的实施探索了一条可行的道路。第1章 变频器变频器由于其优良的调速性能和显着的节能效果，近年来在矿井提升、机械建筑、石油化工和造纸等行业得到了广泛的应用。但逆变电路输出侧产生的高次谐波会给电动机带来诸如发热加剧、低频脉动及噪声等问题，甚至造成电机损坏；另外，谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行。因此，本章首先对变频器其构造与控制方式进行了简单的介绍，接着就变频器谐波产生的机理与危害的进行了分析。1.1 变频器简介交流变频调速技术是现代电力传动技术重要发展方向，随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速，变极调速，直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制品闸管）发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWMVVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。对交流电动机实现变频调速的变频电源装置叫变频器。其功能是将电网提供的恒压恒频CVCF（Constant Voltage Constant Frequency）交流电变换为变压变频VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）交流电，变频伴随变压，对交流电动机实现无级调速。为了使输出电压和输出频率都得到控制，变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率。变频器通常划分为：交-交变频器，脉冲宽度调制型变频器（PWM），交-直-交变频器等。其中交-交变频器又可按相数划分为单相变频器与三相变频器，按输出波形可划分为正弦波变频器与方波变频器；而交-直-交变频器也可划分为电压源型变频器与电流源型变频器。1.2 变频器的构造与控制方式1.2.1 变频器的构造变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率。其中逆变器的结构框图如下：图1-1 逆变器框图随着变频调速器的广泛应用，许多工程技术人员对它也有了相当的了解，一般通用型变频器大致包括以下几个部分：1整流电路，2直流中间电路，3逆变电路，4控制电路。而产生可调电压和可调频率的逆变电路，又应该是变频器各组成部分的核心技术。逆变电路主要包括：逆变模块和驱动电路。由于受到加工工艺，封装技术，大功率晶体管元器件等因数的影响，目前逆变模块主要由日本(东芝，三菱，三社，富士，三肯)及欧美(西门子，西门康，摩托罗拉，IR)等少数厂家能够生产。1.2.2 变频器的控制方式变频器的控制方式经历以下四代，我们可以在不同的情况下选择合适的控制方式，以使变频器运转最佳，获得最好的控制效果。(一) 以U/f=C，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显着，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。(二) 以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SVPWM控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。(三) 以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。(四) 以直接转矩控制，又称DTC控制1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。(五) 矩阵式交-交方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦并且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；算出实际值对定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现Band-Band控制按磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制；具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（2%，无PC反馈），高转矩精度（下键入该M文件的文件名，这样MATLAB就会自动执行该M文件中的各条语句，并将结果直接返回到MATLAB的工作空间。M 函数格式是 MATLAB 程序设计的主流，一般情况下，不采用使用M脚本文件格式编程。MATLAB的 M 函数是由 function 语句引导的，其基本格式如下：function 返回变量列表 = 函数名 (输入变量列表)注释说明语句段，由%引导输入、返回变量格式的检测函数体语句这里输入和返回变量的实际个数分别由nargin和nargout两个MATLAB保留变量来给出，只要进入该函数，MATLAB就将自动生成这两个变量，不论您是否直接使用这两个变量。返回变量如果多于1个，则应该用方括号将它们括起来，否则可以省去方括号。输入变量和返回变量之间用逗号来分割。注释语句段的每行语句都应该由百分号%引导，百分号后面的内容不执行，只起注释作用。用户采用help命令则可以显示出来注释语句段的内容。此外，正规的变量个数检测也是必要的。如果输入或返回变量格式不正确，则应该给出相应的提示。在设计过程中我们就用到了M函数编程的方法。3.4 Simulink仿真因我们在设计过程中也用到了Simulink，因而下面我们对Simulink加以介绍。前面已经说过:Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。下面就Simulink简单介绍一下，让大家有更好的了解。在对控制系统进行仿真时，一般必须加入时钟信号，以给出仿真时间和便于使用变步长仿真。为了将仿真结果返回工作空间，还应该加上To Workspace 模块，将输出和时间变量都返回。注意在选择To Workspace 模块参数时，输出向量的最大保存行数一定要与时间变量的最大保存行数保持一致，否则，就不能用plot( )函数在命令空间中画曲线。3.4.1 Simulink基础常识MATLAB产品体系的演化历程中最重要的一个体系变更就是引入了著名的Simulink，用来对动态系统建模仿真。其框图化的设计方式和良好的交互性，对工程人员本身计算机操作与编程的熟练程度的要求降到了最低，工程人员可以把更多的精力放到理论和技术的创新上去。在Matlab中，Simulink是一个比较特别的工具箱，它是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它的出现可以使仿真工作以结构图的形式加以进行，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适合于Topdown的设计流程，又适合于Bottumup逆程设计。从仿真角度讲，Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能够让用户清晰地了解各种器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响，同时可以借助模拟示波器将仿真动态结果加以显示，因而仿真结果过程十分直观。更为可贵的是Matlab/simulink的开放性，用户可以根据自己的需要开发自己的模型，并通过封装扩充现有的模型库。Simulink的模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。Simulink的启动时，在MATLAB命令窗口中输入simulink，结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称，当然也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。Simulink系统进行建摸、仿真和分析的软件包，是面向系统结构图的方便的仿真工具。它有两个显著的功能：Simu(仿真)和Link(连接)，即可以方便地利用鼠标在模型窗口上画出所需系统模型图，来对系统进行建摸、仿真与分析，从而使一个复杂系统模型的建立和仿真变得相当简单和直观。Simulink 提供了一个图形化的用户界面。点击MATLAB 命令空间的快捷键或在命令空间中写入：simulink 回车，即可进入Simulink工作环境。进入Simulink 环境后，将会显示Simulink 模块库浏览窗口，Simulink 包括了一个由接收器、信号源、线性和非线性组件以及连接件等所组成的模块库（允许用户自己创建模块）。它可以在库浏览窗口的节点上，通过点击鼠标右键，来打开相应的模块库。用户要新建模型，则可点击“新建”快捷键图标，从模块库中找到相应的模块，用鼠标连接起来即可。另外它的主要特点就是实时工作，即画出系统图的同时就可得到相应的语言代码（或称为S函数），对系统的控制、信号处理和动态系统的算法都可以通过开发模块图，自动来实现。而其结果可在MATLAB 工作空间中输出。Simulink的使用对象：Simulink既支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，还支持具有多种采样频率的系统，也就是不同的系统能够以不同的采样频率进行组合，以仿真较大较复杂的系统。3.4.2 Power sys 工