毕业论文三相电压型高功率因素PWM整流器研究

1、 学科分类号：_湖南人文科技学院本科生毕业设计题 目：三相电压型高功率因素PWM整流器研究学生姓名： 周永刚 学号 08421249 系 部： 通信与控制工程系 专业年级： 自动化2008级 指导教师： 岳 舟 职 称： 讲 师 湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年 月 日摘 要

2、随着现代经济的飞速发展，人们对电能的需求量在不断的增加，因而对电网的质量提出了更高的要求。在传统的电网中，为减少无功含量，一般采用相控或者是不控整流电路，但传统的整流器给电网中注入了大量的谐波污染，因而对电网的污染也就更加明显。除此之外，电网无功功率的污染，还会导致电能损失，电网故障以及给予用户生命财产安全带来的危害己经不可以忽视，对此必须采取行之有效的措施来减少电网中谐波污染。在科技发展的今天，相控整流电路以及不控整流电路，已经不能满足现代电力发展的需求，无法更好的使如今电网处在高效工作状态，所以不得不被取代， PWM整流技术应运而生。PWM整流器己经弥补了相控整流器或不控整流器功率因数低，

3、能量只能单相流动，谐波污染严重等缺陷。取而代之的是PWM整流器可以实现能量的双向流动，功率因数可以到达单位功率因数，电路性能稳定以及消除谐波污染等。PWM整流器是解决谐波污染最有效的方法之一。论文首先分析了功率因数问题，谐波污染问题，PWM整流器原理，PWM整流器控制手段，以及主电路拓扑结构，系统的阐述了空间矢量控制方案，并将模糊控制引入空间矢量控制中，实现了模糊空间矢量控制;最后，对模糊空间矢量控制建立数学模型，并对仿真结果进行总结和分析。结果表明，基于三相电压型高功率因数PWM整流器，除了能够实现高功率因数外，还可以消除谐波，实现能量双向流动，以及改善了整流器整体性能，满足了消除电网谐波污

4、染的要求。三相电压型高功率因数PWM整流器已经成为目前解决谐波污染的主要方法之一。关键词：谐波污染，PWM整流器，SVPWM，功率因数，模糊控制ABSTRACTAlong with the modem economic fast development，the people have more and more requirement for electricity energy，which makes the pollution in the net of electricity very severityThe past rectifier has not satisfied the mo

5、dem needBecause of this pollution，the rate of electricity accident is going up，and also takes the danger into the life of peopleSo we must take some measures to resolve this problemBased on the development of science and technology, PWM rectifier technique has been researchedIn the past 20 years，the

6、re are some limitations for rectifier, for example，the power factor is low, and the pollution of harmonic elements is very severity and So onBut now PWM rectifier has overcome these problemsFor the PWM rectifier, the power factor is improved；it also can eliminate harmonic elements and reduce the swi

7、tch frequency Firstly, the dissertation discusses the problem of power factor, the principle of PWM rectifier, the control instrument of PWM rectifier, and the configuration of circuitThe modulation principle of the voltage space vector(SVPWM)and its digital realization method are analyzed tooSecond

8、ly，programming of control is described111e programming mainly contains interrupt service routines，digital PI control algorithm，SVPWM modulation and keyboard and display programFinally, a math former Was established for SVPWMand summarize and discuss the result of emulatorExperimental results show th

9、at operation of the bidirectional PWM rectifier base on SVPWM modulation cannot only eliminate harmonic elements and improve power factor ,but also reduce the switch frequencyResearch on the Three-Phase High Power Factor PWM Rectifier has been one of the most measures for harmonic pollutionKey Word:

10、 harmonic pollution，PWM rectifier, SVPWM，power factor, fuzzy control第1章绪论11.1课题研究背景1谐波污染问题1功率因数问题11.2课题研究目的和意义31.3三相电压型PWM整流器国内外研究现状3关于PWM整流器主电路拓扑结构的研究4关于PWM整流器控制技术的研究41.4论文的主要研究工作7第2章 三相电压型PWM整流器控制技术的分析72.1PWM整流器工作原理及数学模型的建立7三相电压型PWM整流器电路结构及原理8三相电压型PWM整流器的数学建模推导102.2空间矢量控制算法的介绍14三相电压型空间矢量的分布14指令电压矢

11、量的生成172.3电压空间矢量调制控制17电压矢量的合成18扇区的判断18空间矢量作用顺序和作用时间的确定192.4模糊逻辑控制算法的实现19模糊控制结构与理论基础19模糊PI控制设计20模糊量的模糊化与判决方案21量化因子与比例因子的选择21第3章三相电压型高功率因数PWM整流器硬件设计223.1硬件电路主结构223.2控制芯片简介233.3IGBT开关管选择243.4交流侧电感的选取243.5直流侧电容的确定253.6过流过压保护电路设计253.7IGBT隔离驱动电路的设计253.8信号采集与调理电路的设计263.9通信电路的设计26第4章三相电压型高功率因数PWM整流器软件设计274.1

12、系统主程序设计274.2PI数字调节的设计294.3SVPWM软件设计304.4模糊控制子程序控制304.5中断服务程序设计314.6键盘与显示的软件设计32第5章基于模糊控制的三相VSR系统的仿真325.1仿真软件的介绍325.2三相PWM整流器仿真34第6章总结与展望346.1全文总结346.2系统展望35致 谢35参考文献36第1章绪论 1.1课题研究背景1.1.1谐波污染问题近20年以来，电力电子技术已经得到了飞速的发展，并广泛应用到电力、工业冶金、通讯、家用电器、化学工业、煤炭等各领域。随着应用电力电子装置的普及，电网中存在的谐波污染问题逐渐严重。目前大多数的电力电子装置都是通过整流

13、器与电力网彼此连接。比较经典的整流器是由晶闸管或者是二极管组成的非线性电路，但如上所述的电路存在以下几方面的问题:a)输入电流谐波含量高;b)从电网吸取无功功率，输入功率因数低;c)交流侧电网电压产生畸变;d)整流器效率低。现代电力电子装置已经成为目前电网最主要的谐波源。传统整流器因对电网的污染，已成为电力公害。因此传统整流器已经无法满足现代电力网的需要，整流技术也面临前所未有的挑战。1.1.2功率因数问题在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦被定义为功率因数，用符号cos表示，在数值上，功率因数就是用有功功率除以视在功率所得到的比值，即cos=P/S。对于线性负载组成的电路，如果加的

14、电压是正弦的，产生的电流是正弦的;而功率因数在非线性负载的电路中，加上正弦电压后，它所产生的电流不是正弦的。然而与网侧电压归结为同一个频率的周期信号。傅立叶级数分解如下: (1-1) 如上式，当n=1时，I值为基波电流的大小;当n取其他参数值时，I值都属于谐波分量。该谐波分量的电流有效值总和为: (1-2)根据正弦电路功率因数定义的公式: (1-3)其中，为输入电流波形的畸变因数。在这里，为反映电流畸变程度，专门定义为总谐波畸变率(THD).cos称为位移因数。由上述公式可得，功率因数由输入电流波形的畸变因数以及位移因数cos来决定。目前很大一部分变流装备都要用到整流这个环节，通过这个整流环节

15、能够得到直流电压。由于整流环节广泛采用的是不可控整流电路或者是相控整流电路，因此给电网注入大量谐波与无功，造成严重的电网污染。不控整流电路在带电容滤波，轻载时稍微超前，但是随负载增加而滞后，因此谐波也越大，功率因数随之而降低。常用相控整流电路的功率因数由表达式P=0.9cos(单相桥式全控整流电路)和P=0.955cos(三相桥式全控整流电路)可得，电力电子装置在正常工作时会消耗大量无功功率。大量的无功功率会对电网造成不可小视的破坏。无功功率的增加使总电流增大，无功功率的增加会导致电流的增大和视在功率的增大，线路的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量降低，影

16、响其它设备的正常运行。所以必须研究与传统整流器不同的高功率因数整流器来消除或减小电网谐波污染。1.2课题研究目的和意义随着科学技术的不断发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期使用比较普遍的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管 (SCR)发展到现在性能各个都不一样并且类型繁多的全控性功率开关，如双极性晶体管(BJT)、门极关断晶闸管(GTO)、功率场效应管(MOSFET)等。但是这些整流环节采用的都是二极管不可控整流电路或晶闸管相控整流电路，对电网注入大量谐波及无功，造成了相当严重的电网污染。治理这种电网污染最根本的措施是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。消除谐波污染

17、、提高电力电子装置的电磁兼容性 (EMC)、能量转换效率和质量己成为电力电子应用领域的研究热点之一。目前来说，有两种方法来抑制电力电子装置产生的谐波:一是主动式的，这就要求设计人员设计出新的高性能整流器，具有输入电流为正弦、谐波含量少、功率因数高等优点;另一种方法是被动式的，就是采用有源滤波电路或者无源滤波电路来旁路或补偿谐波。相比而言，前一种方法在中小功率范围内具有成本低、性能好、效率高等优点。PWM整流器就是在以上原因发展起来的。PWM整流器作为有源功率因数校正器，除了能够实现能量的双向流动外，电路性能也比较稳定。PWM整流器配合PWM逆变器可以构成理想的四象限交流调速用变流器，即双PWM

18、变流器。功率因数校正电路也因此得到了很大的发展，并成为电力电子学目前研究的重要方向之一。因此，本课题研究的主要目的就是研发出一种新型的PWM整流器来消除电网中谐波污染，提高电网质量;本课题研究的主要意义是解决谐波和无功问题，保证电力电子装置的正常运行。这种新型高功率因数整流器可以减少对电网的污染、提高系统效率、体积小、重量轻、模块化，维护起来也比较方便。1.3三相电压型PWM整流器国内外研究现状关于三相PWM变换技术的相关课题研究，国际上目前已经处于实用阶段;而国内目前主要还是以实验研究为主。近20年以来，PWM整流器技术一直是学术界关注和研究的热点，随着研究的不断深入，基于PWM整流器的拓扑

19、结构以及控制的拓展等，相关的应用研究也随之发展起来，如有源滤波器、交流传动、超导储能、统一潮流无功补偿控制以及高压直流输电等，这些研究也因此而促进了PWM整流以及控制技术的进步和完善。1.3.1关于PWM整流器主电路拓扑结构的研究PWM整流器技术，经过近20多年的研究和探索，得到了很大的改进和完善。PWM整流器的电路拓扑结构从单相、三相电路发展到目前多相组合或者是多电平拓扑电路;开关由以往比较简单的硬开关改进成目前的软开关控制;功率等级也有所上升，从千瓦上升到兆瓦。下面对单相桥式PWM整流器主电路拓扑结构和三相桥式PWM整流器主电路拓扑结构作简单介绍。单相桥式PWM整流器主电路结构如图(1一l

20、)所示，通过四个功率开关管TI一几来进行PWM控制，交流输入端可以产生正弦调制PWM波饰。在正弦调制PWM波饰中，只含有与被调制的正弦信号波频率相同并且幅值成一定比例关系的基波分量，以及与三角载波相关的高次谐波，而没有低次谐波。对于电路中高次谐波成分，电感L的滤波作用会使其产生很小脉动。图1-1单相桥式PWM整流器主电路结构三相桥式PWM整流器主电路通过功率开关管对电路正弦波PWM控制，使网侧电流与电压正弦化并同相位，可以实现单位功率因数。对于三相电压型PWM整流器，能量从交流侧流向直流侧，可以实现能量的双向流动。直流侧电容可以实现直流储能。此三相PWM整流器交流侧采用三相对称无中线连接方式，

21、功率开关6只。1.3.2关于PWM整流器控制技术的研究控制技术是PWM整流器中至关重要的因数之一。一般来讲，PWM整流器所控制的对象是输入电流或者是输出电压，其中对网侧输入电流的控制是整流器控制的关键所在，这是由于应用PWM整流器的目的是使输入电流正弦化，让网侧电压与电流同相位，从而使系统达到单位功率因数运行。目前PWM整流器的电流控制方法主要有直接电流控制和间接电流控制方式(又称为幅相控制)两种。由于直接电流控制方式引入网侧电流反馈参与控制器设计，因而其网侧电流响应速度较快，控制精度也比较高，但是由于此方案需要增加电流传感器来对网侧电流进行检测，因而增加了整个系统的设计成本。而间接电流控制方

22、式的设计，是建立在PWM整流器的低频稳态数学模型基础上的，因而其动态响应相比直接电流控制来说速度较慢，控制效果相对于直接电流控制方式较差，但是由于间接电流控制设计时不需要电流传感器引入电流反馈，因而其电路整体实现起来简单，系统成本相比较低些，从而也获得了广泛的应用。一般而言，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。至于间接电流控制，它不是直接对输入电流进行控制，而是通过间接控制三相PWM整流桥的交流输入端电压，以达到对输入电流的控制。这种控制方法没有引入交流电流反馈信号，而是通过对整流桥的交流输入端电压嵘的控制间接控制输入电流，故称间接电流控制。又因为其直接控制量

23、为珠，所以又称为相位和幅值控制。图1-2间接电流控制结构图如上图1一2所示，间接电流控制方法引进电压环，通过此电压环得到一个交流电流幅值，然后经过两个乘法器将无功分量和有功分量分离，经过山L和R环节之后，得到一个电压信号，与电源电压比较，得到给定的电压调制正弦信号，此正弦信号与三角波交截而产生PWM信号来控制主电路的正常工作。采用此控制电路，结构简单，但输入电流响应速度慢。而直接电流控制是通过相关运算来算得网侧电流的指令值，来控制网侧电流，主要采用的是网侧电流闭环控制方法。它不但提高了网侧电流的动态和静态性能，还增强了系统鲁棒性。因此，在PWM整流器控制技术的发展过程中，直接电流控制方法受到热

24、切关注。下面对PWM电流控制方法中的滞环PWM电流控制与定时瞬时电流比较法作简要阐述。滞环电流比较法控制是一种瞬时值反馈控制的模式，其原理是将给定电流信号与实际检测的输入电流信号进行比较，当实际电流小于给定值，就通过改变整流器开关状态来增加电流，相反，当实际电流大于给定值，就通过改变整流器开关状态来减小电流，因而使实际电流跟踪指令电流。在这里，跟踪误差是固定的，由滞环环宽决定。其基本的控制框图如下图1一3所示。图1一3滞环电流比较法控制框图电流滞环控制方式存在如下缺点:(l)其开关频率不固定，引起开关状态的任意性;(2)开关频率变化的范围太大。图1一4定时瞬时电流比较控制框图定时瞬时电流比较控

25、制法，与滞环电流比较控制法相比较，不同的是定时瞬时电流比较控制法是通过时钟信号将时间固定，即定时将检测电流与指令电流比较，从而产生控制系统电路中功率开关管的驱动信号，使输入的电流呈锯齿形状来跟踪指令电流信号。虽然定时瞬时电流比较控制法克服了滞环电流比较控制法开关频率不好控制这个缺点，但是就整个控制电路来说，比较复杂，并使电流的跟踪误差受到电网电压负面影响。1.4论文的主要研究工作针对电网谐波污染问题，研究三相电压型PWM整流器，以使网侧电压与电流正弦并且同相位，实现单位功率因数。在硬件设计基础上，建立整流器数学模型，通过仿真实验验证设计可行性。本文第一章简述谐波污染与功率因数问题，以及本课题研

26、究的主要目的和意义，介绍了关于PWM整流器主电路拓扑结构，电流控制方法，并概括了本文的主要研究工作;第二章分析了单相与三相电压型PWM整流器工作原理，详细阐述空间矢量控制方案，引入模糊PID控制算法，并对模糊逻辑控制作简要介绍;第三章在对PWM整流器工作原理以及控制方法分析的基础上，进行硬件设计，主要包括开关器件设计，控制电路设计，保护电路的设计，驱动电路设计以及通信电路的设计;第四章在硬件电路设计基础上，对三相电压型高功率因数PWM整流器的软件包括主程序以及各子模块程序的设计;第五章在前面几章的基础上对模糊电压型空间矢量控制系统建立数学模型，并进行仿真分析;最后一章对全文作总结，并对本课题研

27、究作展望。第2章 三相电压型PWM整流器控制技术的分析2.1PWM整流器工作原理及数学模型的建立PWM整流器按直流储能形式分类可以分为电流型和电压型PWM整流器;按电网的相数来划分又可以分为单向，三相以及多相电路;按开关调制分可分为软开关和硬开关调制;按桥路结构分又可以分为半桥式和全桥式电路;按调制电平分可分为二电平、三电平和多电平电路。按上面的分类方式，尽管多种多样，但将PWM整流器分为电流型和电压型PWM整流器两类是最基本的分类方法，其原因是由于电流型以及电压型PWM整流器，不管在主电路的结构，它们的控制策略以及PWM信号发生等各方面都有各自独特的特点。除此之外，其他分类方法都可以划分在电

28、流型或者是电压型分类中。下面主要就三相电压型PWM整流器作详细分析，阐述三相电压型PWM整流器电路的工作原理，然后对其作数学建模分析。2.1.1三相电压型PWM整流器电路结构及原理三相电压型PWM整流器电路结构大致框图如下图2一1所示。图2一1三相电压型PWM整流器电路结构如上图所示，系统结构主要分三个部分，整流电路由主电路、控制电路、驱动电路三部分组成。其中，主电路完成电能的AC到DC变换，是整流器电路的核心部分;控制电路对主电路进行控制，并根据具体需求结合一定的控制策略，实现直流输出电压稳定和输入电流正弦化。通过弱电控制强电，获取接近于单位输入功率因数，是整流器能否满足性能指标的关键部分。

29、驱动电路起连接的作用，传递主电路和控制电路之间的信号，同时实现主电路和控制电路之间的电气隔离，达到抗干扰的效果，保证系统工作的稳定性和可靠性。三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图2一2所示。图2一2三相桥式PWM整流器主电路结构作为整流电路中功率变换部分的主电路，它由三相可逆整流桥构成。突出优点是整流桥输入端电流及功率因数可控且电能可实现双向流动，能用于单位功率因数整流。图2-3三相PWM整流器控制结构图三相高功率因数PWM整流器控制电路结构框图如图2一3所示。整个控制电路引进了模糊PID控制器，系统将引进的模糊控制与PI控制结合，除此之外，控制系统主要功能还有三相静止坐标与两相旋转坐标的

30、相互转换。2.1.2三相电压型PWM整流器的数学建模推导此节就电压型PWM整流器在坐标系，d-q坐标系以及ABC坐标系的数学模型作初步的介绍，为后面章节的理论分析，系统仿真等作铺垫。l)坐标系坐标系，也叫做两相静止坐标系。利用空间坐标转换，能实现ABC坐标系和坐标系的相互转换。下面对坐标系作简要介绍:以坐标变换前后的功率相等为前提，拟定矩阵与。是: 在坐标系基础上进行3s/2s转换，数学模型为公式2一3中同时，在a一刀坐标系基础上定义下列空间矢量:电源电压合成矢量:交流侧电流合成矢量:开关函数合成矢量:桥臂中点电压合成矢量:可得直流侧电流为:其中，j代表虚数，由以上等式可得有功功率P与无功功率

31、Q方程:2)d-q坐标系d-q坐标系与坐标系相比，向坐标系是两相旋转的。通过两相静止坐标系可以转换成两相旋转坐标系，定义矩阵为:式中，。为A相电压与d轴向量夹角的初始值，在d一q坐标系下建立的数学模型与a一刀坐标系相同，如下式2一12。又有:由以上等式可得有功功率P与无功功率Q方程:3)ABC坐标系在电压型PWM整流器主电路图中，假如网侧三相电压处于对称状态，IGBT管工作在理想情况下，定义开关函数如下:于是，与三相电压型PWM整流器主电路等效的开关电路如图2一4所示:由上图可知，当a相上桥臂截止，下桥臂接通，;当a相上桥臂接通，下桥臂截止，所以，于是，综合以上等式可得:(以下等式中状态变量为

32、电容电压与电感电流)由条件:三相电压对称可得因此得，综合以上等式计算得三相PWM整流器在ABC坐标系下的数学模型为式2一26中，由ABC坐标系数学模型可知，三相电流解藕后才能实现单独控制其三相的电流相位与波形。2.2空间矢量控制算法的介绍2.2.1三相电压型空间矢量的分布空间矢量PWM(SVPWM)控制思想的基本原理是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。三相VSR空间矢量是三相输入端电压在复平面上的对应分布，相应的开关函数如下:由上式可以得到八种开关函数组合时，对应的比例关系。根据通用矢量等效原理，在满足条件(t)+(t)+(t)=O情况

33、下，对矢量v(t)在复平面上可以用如下等式表达:式2-28中的与表示两相静止坐标下的量值，为V(t)在复平面上的投影， =。现假设三相对称的正弦波为，则有:于是，在PWM情况下，可分别得到如下等式:式2一30中，为前端电压幅值，为电源电压与整流器输入点电压相位的差值。综合以上等式可得:因此，可以看出V(t)是一个以逆时针旋转，以为半径的圆。空间矢量V(t)在静止坐标系ABC上的投影如下图所示:于是V(t)可换作另外一种表达，如下所示:将8种工作状态(000)，(001)，(010)，(011)，(100)，(101)，(110)，(111)带入得:由式2一33可知，对一给定的空间电压矢量V，都

34、能够用8条三相电压型PWM整流器空间电压矢量来合成。如下图所示存在6条模为2/3的空间电压矢量，将复平面平均分为六个扇形区域I一VI，对于这六个扇形区域中任何一区的电压矢量V，均可由该扇形区两边的空间电压矢量来合成。空间矢量调制正是利用两个零电压矢量与六个非零的电压矢量形成如上图所示的空间电压矢量圆，并且空间矢量脉宽调制信号是由三相开关时序提供的。本文实用空间电压矢量控制方法的最终目标是将基本空间矢量合成，将输入端电压与指令电压相等。2.2.2指令电压矢量的生成假设在(d，q)的坐标系条件下，存在如下的三相电压型空间矢量数学模型:则有: 从方程2-35可以知道，由于、与三相VSR之间存在祸合，

35、导致设计电流控制器的复杂性。所以，为了消除因为、与三相VSR之间相互藕合而出现的问题，必须引进解祸控制方案;在引进祸合控制的同时，都使用PI调节来控制、的电流环。于是，在(d，q)坐标系下，电流控制相应的电压指令是:在方程2一36中，、代表在(d，q)坐标系下三相电压空间矢量的指令电压;而叮、犷则代表在(d，q)坐标系下三相电压空间矢量网侧的指令电流。这样一来，不仅完成了解藕控制，同时将PI控制调节也运用在毛、凡的电流环上。除此之外，上式中的三相电压空间矢量厂还能完成三相VSR跟踪电流控制。2.3电压空间矢量调制控制三相电压型PWM整流器的SVPWM调制技术步骤为:l)电压矢量V*的合成;2)

36、V*扇区的判断;3)空间矢量作用顺序的确定;4)空间矢量作用时间的计算。具体的调制过程如下。2.3.1电压矢量的合成三相VSR跟踪电流控制的指令电压矢量厂的确定是建立在、确定的基础上，因此可以通过三相VSR空间电压矢量 (k=0，7)来推导出V，从而完成VSR的跟踪电流控制。现假设V*矢量在I区，如图2一7所示:由正弦定理得所以有2.3.2扇区的判断定义开关线为ABC三相轴线，则得到下式:依据下面表格中对应的扇区就可以得到V*的扇区，表格如下:2.3.3空间矢量作用顺序和作用时间的确定2.4模糊逻辑控制算法的实现2.4.1模糊控制结构与理论基础模糊逻辑控制把模拟人的思维方式作为模糊逻辑控制的基

37、本准则。模糊逻辑控制在设计结构的时候需要确定模糊输入变量与输出变量，但是在选取模糊逻辑控制输入变量和输出变量的时候，还得参考人是如何获取，如何操作等为基础的。对于模糊逻辑控制的分类来说，可以分为单变量模糊逻辑控制和多模糊逻辑控制。顾名思义，单变量模糊逻辑控制就是输入变量和输出变量只有一个，多变量模糊逻辑控制存在多个输出变量与输入变量。就目前的模糊逻辑控制来说，基本的模糊PI控制结构如下所示:图2一10模糊PI控制结构框图模糊控制最主要也是核心的部位就是模糊控制器，它是通过人将预先设计好的控制步骤编入电脑，并由电脑实施控制的。如上图所示，将反馈值与给定值比较，获取一个误差信号，然后由模糊控制器将

38、误差信号模糊化，从而得到一个模糊量。但是，目前的模糊逻辑控制还不够完善，主要有以下不足:稳定性能和准确度不是很好，随控制对象变化的随机性不是很完善，还有就是目前在多变量模糊控制上研发深度不够，有待加深。2.4.2模糊PI控制设计目前在工业控制领域，使用的各种控制系统，或多或少存在问题，比如存在随机干扰，非线性变化，滞后或者无法建立精确的数学模型。模糊PI控制就是在这样的基础上发展起来，以解决之前控制系统的缺陷。因为模糊PI控制系统的建立不需要建立非常精确的数学模型，除此之外，模糊逻辑PI控制系统能够随机符合变化着的各种输入因数，以及精确度很高。根据上面提到的，模糊逻辑控制对控制对象的要求与以往

39、的控制系统不同，它的控制对象是人为化的语言变量控制对象。通过监控语言变量这个监控对象，在系统各动态参数分析的基础上，得到模糊逻辑控制量。也就是说，它的适应能力很强。模糊PI控制系统不仅响应快，并且超调非常小。就现在普遍使用的模糊PI控制系统结构而言，大致可以归结为三种方案:第一种结构是模糊逻辑控制器对PI控制系统里面的部分参数作修正，来达到减小上升时间和超调的目的，如图2一11所示;第二种结构是串联模糊控制与PI控制器，如图2一12所示;第三种结构是并联模糊控制与PI控制器，如图2一13所示。这样一来，当控制对象检测值与时间给定值出现大的偏差时，并联环节中的模糊逻辑控制器工作，来减少过度时间;

40、当出现小的偏差时，PI控制器工作来维持偏差的准确度与稳定度。图2一11模糊控制调节PI控制系统参数结构图图2一12模糊控制与Pl控制串联结构图 图2一13模糊控制与PI控制并联结构图2.4.3模糊量的模糊化与判决方案2.4.4量化因子与比例因子的选择所谓量化因子，就是将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，这是模糊转换过程中必须存在的因子，用凡来表示量化因子，有如下等式:对于量化因子的取值而言，由于模糊集的论域与基本论域比较来说较广，也因此远远超过单位I。虽然输入变量经过了模糊逻辑控制，但其输出的控制量还不能用来控制被控对象，还必须要将得到的控制量用对应公式转换成被控对象所能接受的论域中

41、，这就要引进比例因子，比例因子等于: 通过上面提及到的两个等式可知，比例因子的实质是用作比例关系而存在的，量化因子却对被控对象有量化的作用。在设计模糊逻辑控制系统的同时，必须要重点考虑量化因子与比例因子该如何设计才能最好的满足系统的需求，根据理论与实验分析，如果不能很好的处理这两者之间的相互关系或者是不同量化因子之间的相对联系，对控制系统稳定性以及控制性能将带来很大的影响。在这里择取如下表达式为量化因子:从上式可以看出，选取量化因子的规则就是取叮，叮，叮中绝对值最大一个。之所以这样选择，是为了尽可能的降低规则数量。关于选取比例因子与量化因子，在实际操作过程中，两者并非独一无二，恰恰相反，存在多

42、种组合，并且各种组合都能让整个模糊逻辑控制系统得到不错的响应特性。相比那些相对来说复杂的控制系统，有些特定的比例因子与逻辑因子无法达到预期的效果，可以考虑在控制对象的同时去相应改变比例因子和量化因子，这样一来，通过改变控制期间不同时期的控制特性，能够得到更好控制效果。第5章基于模糊控制的三相VSR系统的仿真5.1仿真软件的介绍一般而言，如今的电力电子系统中不仅包含有模拟电路部分，与此同时，还包含有数字电路部分，对于这样一个模拟电路和数字电路同时存在的系统来说，是一个比较复杂的非线性系统，因而人们在对整个系统进行分析时，往往遇到很多困难。随着现代计算机技术的飞速发展，此问题已经不在是问题。对于一

43、个系统设计来讲，如果用户能够根据自己设计系统的需求绘制出精确的系统电路模型，就可以利用如今己经开发出的先进软件在计算机中建立虚拟电路模型，然后将相关电路原理以及电路运行计算方法输入电脑，就能够仿真到系统实际运行而得到的准确结论。这样一来，为设计人员节省了大量的时间和精力，从而也提高了设计效率。鉴于设计人员从事的诸多项目，如电路原理图的设计，系统优化，PCB板的设计等，使得对相关软件，比如CAD的需求更加大，因而也推动了CAD软件的更进一步升级，并且同时带动了电力电子电路的EDA软件工具的前进。对于 EDA软件工具来说，包含以下几个部分:对于传统电力电子电路设计需求的软件来讲，很多不够完善，如果

44、在此基础之上加入先进的电力电子器件模型，那么此软件就可以应用于电力电子系统的研发设计里面;对于专门用来仿真的软件来说，比如仿真软件EMTP和MATLAB，如果将理想开关模型加进去，应用范围更加广泛;在现有仿真软件的基础上，研发出新型的仿真软件。 MatrixLaboratory简称MATLAB，是一种相对来说比较科学的仿真软件，它是以矩阵为基础建立起来的一种交互式程序计算语言。此软件有很多优点，比如:能够用来绘制电路图，绘制简单，使用方便，效率很高，以及适应范围广，因此而广受研发人员的应用，并已经成为仿真软件的主导。建立在MATLAB环境上，并以此为仿真平台的SIMULINK，也因此拥有强大的

45、计算功能。由于它丰富的软件模块库，让系统仿真变的更加简单，准确以及高效。在SIMULINK仿真平台上作业时，可以直接选择和连接典型的模块来绘制仿真图形，可读性和可操作性加强，从而让设计人员在系统仿真时不需要去记录或者是调用过多的M函数，提高了仿真效率，简化了仿真操作。SIMUL创K比起MATLAB来说更加强大，之前的MATLAB在解决线性与非线性系统时，遇到很到困难，但是SIMULINK能够支持离散系统与连续系统的仿真，以及离散系统与连续系统混合的系统仿真，除此之外，还能够支持几种采样频率系统同时存在的仿真。在SIMULINK不断使用与改进的过程中，对于那些经常使用或者成熟的程序能够当作模块放

46、入SIMUL研K中，成为模块库，从而使用起来更加快捷。比较典型的模块库就是电力系统模块库 (powerSystemBloekset)，在此模块库中，包含了大量的电气元器件，电工测量仪表以及交直流电源等等。在仿真时，以此模块为基础，能够模拟很多电路，比如含有电感，电容或者电阻电路，含有整流以及逆变的电路，含有电力电子开关器件的电路等。对于电力电子电路仿真来说，仿真模块是被接入电路回路中，所以，电路回路中的每个模块全都包含输入输出端，回路中并非和SIMULINK相同，流动的是电流;SIMULINK模块里面流动的是信号流程。下面针对电力系统模块库分类如下:5.2三相PWM整流器仿真 根据前面所讲的三

47、相PWM整流器的的数学模型和控制方法，在MATLAB中建立了三相PWM整流器的仿真模型。三相PWM整流器控制系统仿真以以下几点为主:(l)对内部电流环Pl控制参数进行PWM整流调节;(2)获得单位功率因数，即交流电压和电流同相位;第6章总结与展望6.1全文总结在过去20年的历史发展过程中，由于谐波污染对电网污染的日益严重，给传统的整流器提出了更高的要求，以至于传统整流器己经无法再满足电网高效运作的需求。在此基础之上，三相电压型高功率因数PWM整流器应运而生。鉴于三相电压型高功率因数PWM整流器能够实现能量的双向流动，功率因数可以实现单位功率因数等优点，已经逐渐成为现代整流器研究的主要对象。本文

48、就三相电压型PWM整流器主电路结构图，主控电路，工作原理，模糊逻辑控制以及系统硬件设计，软件设计都作了详细的研究，具体情况为:(l)分析了三相电压型高功率因数PWM整流器拓扑结构以及相应的工作原理，在电压外环引入模糊PI控制调节，并建立数学模型，针对建立的数学模型在Matlab下进行系统仿真，给出设计系统的可行性;(2)对系统硬件进行了系统性设计，包括开关管型号的选择，交流电感与直流侧电容的设计，IGBT开关管驱动电路的设计以及电路保护模块等等;(3)在硬件设计的基础上，规划了软件实现程序流程图，主要包括主程序设计框图，SVPWM软件设计流程图，模糊逻辑控制流程图以及中断子模块流程图等等;通过

49、对系统仿真图进行分析总结，可以看出，三相高功率因数PWM整流器不仅使得输入电流正弦性能好，实现了能量的双向流动，也完成了三相电压型单位功率因数，消除了电网系统中谐波污染成份，系统设计总体比较完善。6.2系统展望由于论文在硬件设计过程中受到自己专业知识欠缺，以及时间限制，论文中存在很多缺陷与不足，比如设计系统的稳定性能，整体兼容性，交流电感以及直流电容大小设计的合理性等等，以下对本文的展望作如下总结:(1)对系统硬件设计元器件布局进行优化，以便更小的减小高低频信号之间的相互干扰;(2)对于本系统来说，虽然可以实现PWM整流器能量的双向流动，但是在实际使用过程中，依然有很多疑点和难点，比如说当负载

50、变化速度很大时，系统不稳定;三相PWM整流器能量在逆变状态下，回馈能量不好规划大小等等问题;(3)对于三相电压型PWM整流器的研究，国外已经基本成熟，而国内还处在初步研发阶段。在国内，虽然小容量领域有所收获，但是在高压大容量领域还需更深层的学习和研究。致 谢本论文是在尊敬的导师岳舟讲师的悉心指导下完成的。导师给予我的课题研究以及论文莫大的关心和指导。在此论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢。导师勤勉的工作精神，以及高度的负责精神，都使我受益非浅，并将永远激励我不断进步。感谢我的父母，家人在生活上和经济上所给与的关怀、支持和理解，在这么多年的求学道路上，是他们给予我最大的精神动力和支柱!感谢我的

51、母校湖南人文科技学院给予我深造的机会。在校四年的时间里，母校深厚的人文底蕴、淳朴严谨的校风、朝气蓬勃的氛围，丰富的校园资源都让我受益匪浅，在武湖南人文科技学院的这段学习经历将会是我一生的宝贵财富!感谢自动化学院的领导和老师们对我的培养、教育和关怀!同时，我也深感不安。由于自己专业水平相当有限，时间又仓促，在论文撰写中一定存在着很多不完善的地方，恳请各位老师、同学批评指正。最后，对评审论文的各位专家、学者表示衷心的感谢!参考文献l王兆安，王俊.电力电子技术J.西安交通大学.北京:机械工业出版社，第4版， 2005:36一422张祟巍，张兴.PWM整流器及其控制J.北京:机械工业出版社.2003:

52、7一93陈国呈.P恻逆变技术及应用J.北京:中国电力出版社.2007年7月:45一574邓军，姚彬.三相电压型P翎整流器空间矢量控制研究和仿真分析明.电源世界:111751李明，郭孝圈，马洁，一种多电平逆变器空间电压矢量SVPWM控制方法研究J1.工矿自动化.2007(3):23一256高春侠，张磊，张加胜.一种新型电压空间矢量PWM控制技术研究J.节能技术.2008:21一2371吴志友，王英，刘思华.基于SVPWM的交流电机变频调速系统的研究J.通信电源技术2008:25一288万晓风，戴文进.SVPWM交流调速系统的建模与仿真.通信电源技术 J.2006(2):21一2791洪乃刚.矢量

53、控制交流调速系统的研究.安徽工业大学学报 J.2004，12(4):125一127l0陈伯时，电力拖动自动控制系统四.北京:机械工业出版社，2002.311周志敏，周纪海.开关电源功率因数校正电路设计与应用J.北京:人民邮电出版社2004(11):15一1712王兆安，杨君.谐波抑制和无功功率补偿M，北京:机械工业出版社，1998(9):45一76131周志敏，周纪海.变频电源实用技术明.北京:中国电力出版社，2005:31一35l4李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南M.北京:机械工业出版社.2001:18一31 l5王晓明.电动机的单片机控制J1.北京:北京航空航天大学出版社.200

54、2.516王幸之，王雷，翟成，王闪.单片机应用系统抗干扰技术阴.北京:北京航空航天大学出版社.2000.2l7薛定宇，陈阳泉.基于狱TLAB/Simulink的系统仿真技术与应用M.北京:清华大学出版社，2004:8一3118郑颖楠，傅诚.电压型可逆变流器的控制策略现状与发展，.电气传动， 2003(5):19-24l9武志贤，蔡丽娟，汤酉元.三相高功率因数整流器的研究现状及展望J.电气传动2004(7):23一2720杨德刚，刘润生，赵良炳.三相高功率因数整流的电流控制J.电工技术学报.2006(2):2l赵仁德，贺益康，刘其辉.提高PWM整流器抗负载扰动性能研究闭.电工技术学报2008(8

55、):212422袁泽剑，钟彦儒，杨耕等.基于空间电压矢量的最小开关损耗PWM技术J.电力电子技术2005(3):11一1423熊健，张凯，康勇，陈坚.电压空间矢量脉宽调制与常规SPWM的比较研究J.电力电子技术2002(6):l如1524张兴，张崇巍.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究J.中国电机工程学报2002(2):25张兴，张崇巍.三相PWMAC/DC变流器优化空间矢量控制的研究J，电气传动2004(2): 26刘平，康勇，陈坚.PWM整流器的矢量控制J.华中理工大学学报2005(7):212327刘志华，康现伟.高频整流器的SVP恻矢量合成方法的研究J.电气传动2006(8): 141828黄立培，吴学智.三相PWM整流器空间电压矢量控制简化算法的研究J1.东北电力技术， 2002(l):29李潮泳.基于电压空间矢量调制的单位功率因数三相整流器的研究J.西南交通大学. 2003年30卢丹.基于DSP的高功率因数高效变频调速装置的设计与实现J.沈阳工业大学.2007年3ll姜雪松.三相高功率因数可逆整流器研究J.南京航空航天大学.2002年32董晓鹏，王兆安.PW