基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器数学模型

1、第23卷 第7期 2003年7月文章编号中 国 电 机 工 程 学 报Proceedings of the CSEETM461 文献标识码Vol.23 No.7 Jul. 20034704051基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器数学模型张纯江1,2, 顾和荣1, 王宝诚1, 朱艳萍1, 刘彦民ºÓ±±秦皇岛 066004A novel algorithm of the phase and amplitudecontrol of three-phase source PWM rectifiers is presented. Thephase angle

2、 of the front end voltage of a rectifier is regardedas the input variable and the output DC voltage UDC is used asthe output variable. The three-order transfer function betweenthe output DC voltage UDC and the phase angle is deducedthrough the coordinate transforming and the small signalanalysis and

3、 is reasonably reduced to an one-order transferfunction. The internal relations of the system are unveiled. Themathematical model is used for the system design and thecontrol algorithm are implemented in a digital-signal processor.The theoretical analysis is verified by the simulations andexperiment

4、s.KEY WORDS: Mathematical model; PWM rectifier;Phase and amplitude; Power electroncs摘要结合三相PWM整流器的状态空间方程并合理简化成为一阶传递函数为系统设计提供了理论依据关键词脉冲宽度调制整流器电力电子1引言系统数学模型尤其是以传递函数形式表示的数学模型是深入分析和设计系统的依据国家自然科学基金项目ºÚÁú½- 哈尔滨150006它是一个多变量非线性系统系统中有3个电感和1个电容不但如此, 三相电压型整流器中另一个需要解决的问题是而且这种跳变在1个工频周期内是

5、以很高频率切换的但是在开关频率很高的情况下在工程中常常采用状态空间平均法35ÔÚ1个开关周期内电网电压可以近似看作不变从而得到连续的状态空间平均模型从而得出输出电压Udc相对于变流器前端电压向量滞后角 的传递函数为系统设计提供了理论第7期张纯江等设计了1台10kW三相PWM整流器通过仿真和实验证明了理论分析的正确性在输出电容的中点与输入交流电压中点等电位的条件下对应的向量图如图2(b)所示Ea为A相输入相电压幅值IaL为输入电感L两端的电压L为输入电感虽然这两种控制方式都可以使Ea与Ia同相位即达到单位功率因数的目的本文根据图2(b)提出了新型相位幅值控制算法从图2可知ta

6、n=IaLE (1)a根据泰勒级数将tan在零点展开则式(1)简化为=IaLE (2)a当角在较小范围内变化时, 整流器前点电压幅值可由下式计算直接控制角就可以实现Ia与Ea同相位Vpa由式(3)算出因此这种新型相位幅值算法易于实现实时控制输入交流电压三相平衡输入电流与电压同相位由图1可写出系统的状态方程Ldidt=eaUdcd1uno (4)Ldidt=ebUdcd3uno (5)Ldidt=ecUdcd5uno (6)CdUdt=i+iUad1bd3+icd5R (7)o式中 eaec为三相输入相电压ibuno为三相交流中点与直流端地点的电位差求出uno²¢Ð

7、´³É¾ØÕóÐÎʽL000 0L00 ia00L0 ib = 000C ic Udc000(d113di)i=1,3,5000(1 ) ia d33di i=1,3,5 ib+ 000(d1 i 53di) i=1,3,5 c U dcd1d3d51Ro 1000 e0100 a 0010 eb000R ec (8)1o 0即 Zx=Ax+Bu (9)式(8)中di为高频的PWM信号di可以用一个纯正弦波代替将式(10)代入式(9)中并进行旋转坐标变换30中 国 电 机 工 程 学

8、 报第23卷1ejtejtT=1 1ej(t23)ej(t23)j(t+2 1e3)ej(t+23)0 = E0 01 (11)000由于稳态时输入三相电流之和为零得Zrrxrr=A*rrxrr+B*rr urr (12)L00式中 Zrr= 0L00Ciq为变换后的电流变量对各变量加入一个扰动量UDC=Udc+udc和Xrr=xrr+xrrudc和xrr均为扰动量Udc和xrr为系统的稳态工作点参量经拉氏变换有xrr(s)=(sZ*rrArr)1Axrr(s) (14)可以解得Udc和之间的小信号关系udc(s)3mrImsinL2s2+38Lmr2Udc34mrImsin(L)2(s)=4

9、L2Cs3+LRs2+3mr2L+(L)2Cs+(L)o8Ro(15)式中 sin¿ÉÓÉϵͳÒÑÖª±äÁ¿ÇóµÃU3mERsindc=rmo4L万方数据 Im=Udcmrsin2Lsin=116L16L2(+3m)rRo3mrRo式中 Im为输入相电流的最大值Em为输入相电压幅值工程中L<<1二次项系数与一次项系数和常数项相比小得多3udc(s)Lm2rUdc3mrI2msi

10、n(L)(s)=3 (16)2(L)8mrL+(L)2Cs+Ro4 系统仿真与实验给定整流器系统参数Em=57 VRo=15L=7.5 mHÓÃMatlab对推导的三阶传递函数即式(15)进行仿真所示两者几乎同时达到稳态说明推导的传递函数是正确的在时间为0.7s时加入百分之百负载扰动调整时间十分接近利用上述分析结果设计了10kW实验样机第7期张纯江等输入电感L=7mH输入线电压为210 V(有效值)输入电压和三相输入电流实验波形如图5所示(1踪为相电流波形可以看到测得功率因数为96%(输入电压畸变率较大)图6是当负载电阻百分之百变化即由30 突增到60 时输出电压Udc和输

11、入电流ia的动态响应系统可稳定工作格/格A05´ËÖÖ¿ØÖÆ·½·¨¸ÅÄîÇåÎúÈÝÒ×ʵÏÖʵʱ¿ØÖÆÀûÓüò»¯µÄ&

12、#210;»½×´«µÝº¯ÊýÉè¼Æ±Õ»·ÏµÍ³ÕýÈ·½ÒʾÁËÈýÏàµçѹÐÍPWM整流器系统的内在关系参考文献1 丘水生开关功率变换器符号分析的原理电

13、子学报（） Rim C T, Jong G.B, Cho G H. A state-space modeling of non-linearDC-DC convertersA. IEEE PESC RecC., 1988ÇØÜõ»ªµÈ(Zhan Changjiang, Qin Quanhua,HanYingduo, et al)三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析(Study on mathematical model and system simulation of the three-leverl

14、PWM reversible rectifier)J.中国电机工程学报(Proceedings ofthe CSEE),1999, 19(7)ÂÞÈ«Ã÷(Zhou Louwei, Luo Quangming).基于DQ变换三相三开关Boost 型开关整流器的DC和AC分析(DC and AC analysisof three phase three-switch boost type SMR based on DQtransformation)J.中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE),2002,22(7

15、)355-363.7 Hanchun Mao, Dushan Boroyevich, Fred C Y Lee. Novel reduced-order small-signal model of a three-phase PWM rectifier and itsapplication in control design and system analysisJ. IEEE Trans onIndustrial Electronics, 1998, 13(3)FengJiangtaoÑàɽ´óѧ (Qinh

16、uangdao2000. 收稿日期作者简介1961-男硕士主要研究方向为高频功率变换及软开关技术顾和荣河北秦皇岛市人副教授 王宝诚河北秦皇岛市人副教授朱艳萍河北秦皇岛市人讲师刘彦民河北秦皇岛市人研究方向为变流技术和直流脉宽调速责任编辑王彦骏基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器数学模型作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：张纯江， 顾和荣， 王宝诚， 朱艳萍， 刘彦民张纯江(燕山大学,河北,秦皇岛,066004;哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150006)， 顾和荣,王宝诚,朱艳萍,刘彦民(燕山大学,河北,秦皇岛,066004)中国电机工程学报PROCEEDINGS OF

17、THE CHINESE SOCIETY FOR ELECTRICAL ENGINEERING2003，23(7)24次参考文献(8条)1.丘水生 开关功率变换器符号分析的原理 1997(1)2.Domingos S L Simonetti.Jose Luiz FVieira Modeling of the high-power-factor discontinous boost rectifiers 1999(4)6.Rusong Wu.Shashi B.Dewan Analysis of an AC/DC voltage source converter using PWM with pha

18、se and amplitude control1991(2)7.Hanchun Mao.Dushan Boroyevich.Fred C Y Lee Novel reduced-order small-signal model of a three-phase PWM rectifier andits application in control design and system analysis 1998(3)8.冯江涛 三相可逆变流器的双CPU滑模控制的研究学位论文 2000相似文献(2条)根据三相电压型PWM整流器在dq两相同步旋转坐标系中的数学模型,建立整流器功率控制数学模型.根据功率控制数学模型,结合整流器直接功率控制(DPC)系统的特点,提出新的电压型PWM整流器直接功率控制系统的主电路交流侧滤波电感值、直流侧电压和直流侧电容值设计方法.根据整流器的数学模型,得到整流器DPC控制系统结构和控制器设计方法.同时,讨论了桥路损失和直流侧电容器的等效串联电阻(ESR)对整流器的影响.