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三相电压型整流器的设计与仿真

三相电压型整流器的设计与仿真
三相电压型整流器的设计与仿真

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 电力电子装置课程设计报告

题目三相电压型整流器设计

学生姓名***

学号*********

指导教师**

学院信息院

专业*****

完成时间2017.1.2

第一章绪论

随着功率半导体器件技术的进步,电力电子变流装置技术得到了快速发展,出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各种变流装置,如变频器、逆变电源,高频开关电源以及各类特种变流器等,电力电子装置在国民经济各领域取得了广泛的应用,但是这些装置的使用会对电网造成严重的谐波污染问题。传统的整流方式会无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流电路能量均不能双向传递,不仅降低能源的利用率还会增加一定的污染,主要缺点是:

1)无功功率的增加造成了装置功率因素降低,会导致损耗增加,降低电力装置的利用率等;

2)谐波会引起系统内部相关器件的误动作,使得电能的计量出现误差,外部对信号产生严重干扰;

3)传统的结构,能量只能单向流动,使得控制系统的能量利用率不高,不能起到节能减排的作用。

电网污染的日益严重引起了各国的高度重视,许多国家都已经制定了限制谐波的国家标准,国际电气电子工程师协会(IEEE),国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。国际电工学会于1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正,欧洲制定IEC1000-3-2标准。我国国家技术监督局也于1994年颁布了《电能质量公用电网谐》标准(GB/T 14549-93),传统变流装置大多数已不符合这些新的标准,面临前所未有的挑战。

目前,抑制电力电子装置对电网污染的方法有两种:一是设置补偿装置。通过对已知频率谐波进行补偿,这种方式适用于所有谐波源,但其缺点是只能对规定频率的谐波进行补偿,应用范围受限。并且当受到电网阻抗特性或其他外界干扰,容易发生并联谐振,导致某些谐波被放大进而使滤波器过载或烧毁;而是对整流器装置本身性能进行改造,通过优化控制策略和参数设置,使网侧输入的电压和电流呈现接近于同相位的正弦波,实现单位功率因数运行即功率因数为1。

目前治理谐波和无功主要是采用功率因数校正技术(PFC技术),由于PWM 调制技术引入整流器中,使得整流器能够获得较好的直流电压并且实现网侧电流正弦化,PWM整流技术已经成为治理电网污染的主要技术手段。PFC技术虽然具有控制简单、功率因数高、总谐波失真小和易于电路设计等优点,但是其结构并没有发生根本变化只是在输出侧加了一个开关管,而重要的交流侧还是选取二极管做为开关器件,其整流方式只能是单一方向的不能实现能量的双向流动,它在单相电路中有着广泛的用途,但是由于其自身性质决定其难以用于三相电电路中;PWM整流技术交流侧采用全控器件,与传统PFC相比,PWM整流技术可

以在任意功率因数运行可以实现能量双向流动而且具有较好的电流品质和更快的动态响应速度,因而真正实现了“绿色电能变换”提高了系统电能的利用率减少了资源的浪费。由上述分析可知,对PWM整流器进行控制研究符合建设资源节约型和环境友好型社会发展的需要,具有重要经济和社会价值。

PWM整流器可实现能量双向流动并具有优良的输出特性,与二极管不控整流和晶闸管相控整流相比,具有以下特点:(1)可以实现能量的双向流动且功率因数任意可调;(2)网侧电流近似正弦化,谐波含量少;(3)具有较好的动态性能,适合动态性能要求高且开关频率变化快的场合;(4)直流输出电压稳定且电压波形品质高。

PWM整流器在功率因数校正、谐波抑制以及能量回馈等应用方面具有其突出的优势,故很早就已经成为电力电子技术研究的最具意义的内容之一。经过各国学者和专家多年的实验和研究,在数学模型、主电路拓扑结构和控制策略等各个方面,PWM整流器均取得了较为成功的研究成果。对于学生来说,设计高性能三相PWM整流器是很具有学习和研究价值的课题。

PWM整流器的分类方法很多,最基本的分类方法是按照直流储能形式可分为电压型整流器(VSR)和电流型整流器(CSR)两种,前者直流侧采用电容为储能元件,提供一个平稳的电压输出,直流侧等效为一个低阻电压源;后者直流侧采用电感作为储能元件,提供一个平稳的电流输出,直流侧等效为一个高阻电流源。由于VSR的结构简单,储能效率高、损耗较低、动态响应快,控制方便,使得VSR一直是PWM整流器研究和应用的重点,本文主要讨论三相电压型PWM整流器的设计与仿真。

第一章绪论,说明了PWM整流器的研究和学习的价值,以及整个论文的结构;第二章介绍了PWM整流器在国内外的研究现状;第三章建立电压型PWM 整流器的数学模型;第四章介绍了很据PWM整流器的数学模型对有功电流和无功电流进行解耦控制,设计了电压、电流双闭环调节器,对空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation)技术进行详细分析;第五章对设计的整个PWM整流系统进行仿真,分析设计的控制器对扰动的抑制作用以及输入输出电压的动静态性能。

第二章研究现状

自20 世纪90 年代以来,PWM整流技术一直是学术界关注和研究的热点。随着研究的深入,PWM整流技术的相关应用研究也得到发展,如有源电力滤波(APF)、超导储能(SMES)、电气传动(ED)、高压直流输电(HVDC)、统一潮流控制器(UPFC)、新型UPS 以及太阳能、风能等再生能源的并网发电等,并随着现代控制理论、微处理器技术以及现代电子技术的推陈出新,这些应用技术的研究又促使PWM整流技术日趋成熟,其主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型桥路;拓扑结构已成从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路;PWM调制方式从由单纯的硬开关调制发展到软开关调制;功率等级从千瓦级发展到兆瓦级,而在主电路类型上既有电压源型整流器,又有电流源型整流器,两者在工业上已成功投入使用,但却多采用模拟芯片PWM波发生器,在闭环和智能调节比如在风力发电的并网等方面均存在较大问题,尤其是在国内,基于数字信号微处理器的PWM整流器的研究还只是处于初步发展阶段。

当前PWM整流器的研究主要体现在如下几个方面:

1. 关于PWM整流器数学模型的研究

PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术的基础。A.

W.Green提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型,R.Wu

和S.B.Dewan等较为系统地建立了PWM整流器的时域模型,并将时域模型分解成高频和低频模型,且给出了相应的时域解。而Chun T.Rim和DongY.Hu等则

利用局部电路的dq坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路,并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上,Hengchun Mao等人建立了一

种新颖的降阶小信号模型,从而简化了PWM整流器的数学模型及特性分析。

2. 关于PWM整流器拓扑结构的研究

PWM整流器的主电路拓扑结构近十几年来没有重大突破,主电路设计的基本原则是在保持系统的基础上,尽量简化电路拓扑结构,减少开关元件数,降低总成本,提高系统的可靠性。PWM整流器拓扑结构可分为电流型和电压型两大类。其中电压型PWM整流器最显著的拓扑特征是直流侧采用电容进行电流储能,从而使整流器直流侧呈低阻抗的电压源特性。电流型PWM整流器直流侧则是采用大电感进行电流储能,使得整流器直流侧呈高阻抗的电流源。根据装置功率的不同,研究的侧重点不同。在中小功率场合,研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上;对于大功率场合,研究主要集中在多电平拓扑结构、变流器组合以及软开关技术上。多电平拓扑结构的PWM整流器主要应用于高压大容量场合。而对大电流应用场合,常采用变流器组合拓扑结构,即将独立的电流型PWM整

流器进行并联组合。

3. 关于电压型PWM整流器电流控制技术的研究

电压型PWM整流器有两个控制目标,一是得到稳定的直流电压,另一个是使网侧电流正弦化并跟踪电网电压变化。为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性,其网侧电流的控制至关重要,决定了PWM整流器的动静态性能。电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类:间接电流控制策略和直接电流控制策略。间接电流控制其网侧电流的动态响应慢,且对系统的参数比较敏感,适用性不高,因此逐步被直接电流控制所取代。与间接电流控制相比,直接电流控制电流响应速度快,系统鲁棒性强,且容易实现过流保护,是当今PWM 整流器电流控制方案的主流。

4. PWM整流器系统控制策略的研究

控制策略是PWM整流器控制系统的核心,其优劣决定着PWM整流器的动静态性能以及鲁棒性。PWM整流器常用的控制方法有滞环电流控制、固定开关频率电流控制、预测电流控制、直接功率控制、无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制、电网不平衡条件下的PWM整流器控制、滑模变结构控制、反馈精确线性化控制、基于Lyapunov稳定性理论的控制、模糊控制等,具体如下:

1) 滞环电流控制

滞环电流控制是一种瞬时值反馈控制模式,其基本思想是将检测到的实际电流信号与电流给定信号值相比较,若实际电流大于指令值,则通过改变变流器的开关状态使之减小,反之增大,使得实际电流围绕指令电流做锯齿状变化,并将偏差控制一定范围内,形成滞环。该控制方法结构简单,电流响应速度快,易于实现电流限制,且控制与系统参数无关,系统鲁棒性好,但是开关频率在一个工频周期内不固定,谐波电流频谱随机分布,网侧滤波器设计较为困难。

2)固定开关频率PWM电流控制

固定开关频率PWM电流控制,一般是指PWM载波(如三角波)频率固定不变,而以电流偏差调节信号为调制波的PWM控制方法。该控制方法克服了滞环电流控制开关频率不固定的缺点,电流响应速度快,系统鲁棒性高,但当电流内环均采用PI调节时,三相静止坐标系中的PI电流调节器无法实现电流的无静差控制。

3)预测电流控制

预测电流控制的思想是从开关的在线优化出发,根据负载大小及给定电流矢量的变化率,推算出使得下一周期电流满足期望值的电压矢量来控制PWM整流器的开关。预测电流控制具有快速的电流响应速度,但其控制效果依赖于系统参数,鲁棒性不高,且受处理器采样和控制延时影响较大。

4)直接功率控制

直接功率控制通过对PWM整流器瞬时有功和无功进行直接控制,达到控制瞬时输入电流的目的。该方法具有结构、算法简单,系统动态性能好,鲁棒性强,容易数字化实现,对交流侧电压不平衡和谐波失真也具有一定补偿作用。

5) 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制

无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制是为进一步简化电压型PWM 整流器的信号检测而提出的控制方法。无电网电动势传感器控制主要包括两类电网电动势的重构方案:其一是通过复功率的估计来重构电网电动势,是一种开环估计算法,因而精度不高,并且在复功率估计算法中由于含有微分项,容易引入干扰;其二是基于网侧电流偏差调节的电网电动势重构,是一种闭环估计算法,它采用网侧电流偏差的PI调节来控制电网电动势误差,因而精度较高。无网侧电流传感器控制是通过直流侧电流的检测来重构交流侧电流。

6) 电网不平衡条件下的PWM整流器控制

为了使PWM整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行,学术界提出了不平衡条件下,网侧电流和直流电压的时域表达式,电网负序分量被认为是导致网侧电流畸变的原因,同时指出,在电网不平衡条件下,常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量,交流侧会有奇次谐波电流。为此,D.Vincenti等人较为系统地提出了正序dq坐标系中的前馈控制策略,即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量的影响。但是由于该方法的负序分量在dq坐标下不是直流量,导致PI 调节不能实现无静差控制。因此,又有人提出了正、负序双旋转坐标系控制,该方法实现了无静差控制,是较完善的理论,但是其控制的结构比较复杂,运算量大。

7) 滑模变结构控制

滑模变结构控制本质上是一种非线性控制,其非线性特性表现为控制的不连续性,特点是系统结构并不固定,而是可以在动态过程中,根据系统当前的状态不断变化,迫使系统按照指定的滑动模态运动。采用滑模变结构控制,可以使PWM整流器不依赖于电网电压、开关器件以及负载参数,对参数变化及干扰具有不变性,即强鲁棒性,但控制器设计中滑模系数的选取比较困难,选取不当容易给系统带来不利抖动,造成系统不稳。

8) 反馈精确线性化控制

反馈精确线性化控制利用微分几何理论对非线性系统进行结构分解、分析及控制设计,通过采用适当的非线性坐标变换和非线性状态反馈量,从而使非线性系统得以在大范围甚至在全局范围内线性化,这样就可以方便地使用线性控制理论对非线性系统进行控制器的设计。将反馈精确线性化用于PWM整流器的控制,

可以使输入电流快速跟踪网压且畸变较小,具有良好的鲁棒性。该方法非线性控制器设计比较复杂,涉及多次坐标变换,运算量较大。

9) 基于Lyapunov稳定性理论的控制

现有大多数PWM整流器控制策略是基于小信号模型,应用线性控制理论进行设计。因此,只有在系统的状态和输入在小干扰的情况下能保证系统的稳定,在大范围干扰的情况下,难以使系统稳定,为了保证PWM整流器在大范围干扰的情况下能稳定运行并具有良好的动静态性能,国内外学者已将Lyapunov稳定理论应用到系统控制设计中。对于非线性系统,只要找到合适的Lyapunov函数,就可以利用该函数对系统控制器进行设计,采用Lyapunov稳定理论设计的PWM 整流器,电流跟踪给定值效果明显变好,同时克服了系统参数变化对电流跟踪的影响,在大范围干扰的情况下系统稳定,并具有良好的动态性能,但构造Lyapunov函数比较困难,难以确定最佳能量函数。

10)模糊控制

模糊控制是将系统的动态映射关系通过隶属度函数和模糊规则体现出来,首先将确定性输入量模糊化,利用模糊推理得到模糊输出,再用清晰化的方法得到输出的确定量,这样输入输出是一组规则。采用模糊控制可以使PWM整流器具有如下特点:控制频率不受输入电源频率的限制,只与程序执行周期有关;输入电流快速跟踪电网电压,谐波低,功率因数高;对系统参数不敏感,且能适用负载的非线性变化;模型完全离散化,易于数字实现。

国内目前的研究主要集中于控制方法的实验研究,分析各参数与系统性能之间的关系,并找出改善电流跟踪性能、提高输入功率因数的方法,其中仿真和实验是主要手段,对于系统建模研究较少。

第三章 三相电压型PWM 整流器系统建模

建立数学模型是深入分析和研究PWM 整流器的工作机理以及动态和静态特性的重要前提。本章的主要内容是建立PWM 整流器在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型,方便进一步为三相电压型PWM 整流器设计合理的控制器,以到达抑制扰动、提高输入输出电压电流的动静态性能的目的。

本文设计的PWM 整流器主电路采用三相电压型拓扑结构,其主电路原理结构如图3-1所示:

L

R

图3-1 三相电压型PWM 整流器主电路

在上图中,2a U 、2b U 、2c U 分别表示三相电网相电压,1a U 、1b U 、1c U 分别为变换器侧相电压,2a i 、2b i 、2c i 分别为网侧相电流,1a i 、1b i 、1c i 分别为变换器

侧相电流,2L 为网侧电感,2R 为网侧电感寄生电阻,1L 为变换器侧电感,1R 为变换器侧电感寄生电阻,f C 为滤波电容,d R 为避免LCL 型滤波器出现零阻抗谐振点而设置的阻尼电阻,1S 、2S 、3S 、4S 、5S 、6S 分别表示6个功率开关,L R 为直流侧负载。

3.1三相静止坐标系下的数学模型

由于三相电压型PWM 整流器的控制器带宽主要位于低频段,因此,需建立在低频段时的数学模型。并且LCL 滤波器在高频段的滤波特性比L 滤波器要好,而在低频段的频率特性与L 滤波器几乎一样。因此在设计三相电压型PWM 整流器位于低频段的数学模型时,可忽略阻尼电阻和滤波电容的影响,将LCL 滤波器等效成L 滤波器进行建模。对于开关管的不同开关状态,建立如下方程:

(,,)1 开关管上桥臂导通 0 开关管下桥臂导通

k S k a b c ?==?? (3-1)

由图3-1所示的主电路拓扑结构,根据基尔霍夫电压、电流定律可得三相电压型PWM 整流器在三相静止坐标系下的数学模型为:

112111*********a T T a a a

b T T b b b

c T T c c c dc a a b b c c L di L R i U U dt di L R i U U dt di L R i U U dt dU C S i S i S i i dt

?+=-???+=-???+=-???=++-? (3-2) 上式中:LCL 滤波器总电感12T L L L =+;总的电感寄生电阻12T R R R =+;1k kN NO U U U =+;kN k dc U S U =,,,k a b c =。对于三相对称系统有:

2221110+0a b c a b c

U U U i i i ++=??+=? (3-3) 联立式(3-2)和(3-3)可得:

,.3dc

NO k k a b c U U S ==-∑ (3-4)

由式(3-4)可得整流器侧相电压为:

,,113k k k dc k a b c U S S U =??=- ??

?∑ (3-5) 3.2 两相静止αβ坐标系下的数学模型

由式(3-3)可知,对于三相对称系统,三相变量中只有两相是独立的,即任意一相变量可由另外两相变量进行表示。因此,三相原始数学模型并不是对该实际对象的最简洁描述,完全可以而且也有必要用两相模型替代。

由三相静止坐标系到两相静止αβ坐标系的变换称为clarke 变换,也叫3s/2s 变换。采用幅值守恒原则(即经clarke 变换前后,通用矢量在各自坐标系中的幅值大小不变)的clarke 变换矩阵为:

/321112223022s s C ??-- ? = - ??

(3-6) 利用式(3-3)的约束条件可将式(3-6)扩展成为:

'/321112220322111222s s C ??-- ? =- ? ? ???

(3-7) 由式(3-7)求反变换可得clarke 逆变换矩阵:

'/23101112112s s

C ?? ? ? ?=- ? ? ?- ??? (3-8) 对式(3-8)所示矩阵,去掉其第三列,可得两相静止αβ坐标系列到三相静

止坐标系的变换矩阵为:

'/231012212s s C ?? ? ? ?=- ? - ? (3-9)

根据式(3-6)所示的变换关系,对式(3-2)进行坐标变换可得三相电压型PWM

整流器在两相静止αβ坐标系下的数学模型为:

()112111211132T T T T dc L di L R i U U dt di L R i U U dt dU C S i S i i dt αααα

ββββααββ?+=-???+=-???=+-??

(3-10) 上式中:2U α、2U β分别是三相电网电压在αβ轴的分量;1U α、1U β分别是

三相整流器侧电压在αβ轴上的分量;1i α、1i β分别是整流器侧电流在αβ轴的分量;S α、S β分别是开关函数在αβ轴的分量。

3.3两相同步旋转dq 坐标系下的数学模型

由于三相电网电压、电流等是对称的三相正弦变量,对其进行clarke 变换后,其在两相静止αβ坐标系下的α、β轴上的分量仍为正弦变量,而正弦变量不利

于数字化实现,造成了对控制系统设计困难,也对系统的稳态和动态性能造成一定的影响。因此,人们提出了park 变换,也可记为 2s/2r 变换。该变换能够将在两相静止αβ坐标系下的基波正弦变量变换到两相同步旋转dq 坐标系下的直流变量。根据此直流变量可使控制器的设计变得简单。

假定三相电网电压矢量以恒定的角速度ω进行旋转,则可得三相电网电压的表达式为:

()cos cos cos 2020202323a

m b m c m U U t U U t U U t ωθωπθωπθ??=+????=-+? ???????=++? ????

(3-11) 上式中:m U 为三相电网相电压峰值,0θ为初始相位角。

从两相静止αβ坐标系列到两相旋转dq 坐标系的坐标变换矩阵为:

()/cos()sin()sin cos()002200s r t t C t t ωθωθωθωθ++??= ?-++??

(3-12)

由式(3-12)可得两相旋转dq 坐标系到两相静止αβ坐标系的变换矩阵为:

()/cos()sin()sin cos()002200r s t t C t t ωθωθωθωθ+-+??= ?++??

(3-13)

利用式(3-12)和对式(3-10)进行坐标变换,可得到三相VSR 在两相同步旋转dq 坐标系下的数学模型:

()112111211132d T T d d d

q T T q q q dc d d q q L di L R i U U dt di L R i U U dt dU C S i S i i dt ?+=-???+=-???=+-??

(3-14) 上式中:2d U 、2q U 分别为网侧电压在两相同步旋转坐标系下d 轴和q 轴分

量;

1d U 、1q U 分别我整流器侧电压在两相同步旋转坐标系下d 轴和q 轴分量;1d i 、1q i 分别为整流器侧电流在两相同步旋转坐标系下d 轴和q 轴分量;d S 、q S 分别为开关函数在两相同步旋转坐标系下下d 轴和q 轴分量。

第四章 三相电压型PWM 整流器控制器设计

直接电流控制对整流器输入电流进行闭环控制,可以补偿系统参数变化带来的误差以及管压降和死区的影响,具有良好的动静态性能。而且通过对电流指令

进行限幅就可以很容易的实现过流保护。因此本设计中采用直接电流控制方法。

直接电流控制的PWM 整流器的控制器均采用双闭环结构。电压外环通过对直流母线电压的调节得到交流电流指令瞬时值。电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制,使整流器的实际输入电流能够跟踪电流给定,从而实现单位功率因数正弦波电流控制。

4.1 电流内环控制器设计

整流器输入电流的控制性能是整流器控制效果好坏的关键。从本质上讲,整流器是一种将交流侧电能通过整流桥转换到直流侧电能的一种能量变换装置。由于电网电压可认为是不变的,所以对整流器输入电流快速有效的控制也就有效地控制了电能从交流侧到直流侧传递的速度和大小。

由式(3-14)可得,整流器侧输入电流满足下式:

1121111211d T T d d d T q q T T q q q T d di L R i U U L i dt di L R i U U L i dt

ωω?+=-+????+=-+?? (4-1) 由上式可知,d 、q 轴电流除了受到控制变量1d U 、1q U 的影响外,还受到网侧电压2d U 、2q U 的扰动影响。另外从上式还可以看出d 、q 轴电流相互耦合,给控制器的设计造成了一定的困难,将式(4-1)进行拉氏变换,并整理得:

()()1211121111d d d T q T T q q q T d T T i U U L i L s R i U U L i L s R ωω?=-+?+???=-+?+?

(4-2) 由于d 轴电流和q 轴电流之间具有对称性,所以此处仅讨论d 轴电流1d i 的控制器的设计,q 轴电流的控制器可用类似的方法求出。以1d i 为被控对象,1d U 作为控制器的输出,由式(4-2)可得d 轴电流闭环反馈控制框图如下:

图4-1 d 轴电流内环闭环控制框图

由图4-1知,电流闭环控制器输出1d U 为:

()()111d d d U C s i i *=- (4-3)

由图4-1可知,d 轴电流不仅与电流给定有关,而且还受到q 轴电流和电网电压d 轴分量的干扰。于是可用前馈解耦算法消除耦合的q 轴电流和电网电压d 轴分量干扰的影响。采用前馈解耦算法的d 轴电流内环闭环控制框图如下:

图4-2 采用前馈解耦算法的d 轴电流内环闭环控制框图

由图4-2可得,采用前馈解耦后的闭环控制器输出为:

()()11121d d d d T q U C s i i U L i ω*=-++ (4-4)

简化图4-2可得:

图4-3 前馈解耦后的d 轴电流内环闭环控制框图

从图4-3中,可以看到采用前馈解耦方法消除q 轴耦合电流和电网电压的扰动后,电流内环被控对象可以简化成一个简单的一阶惯性环节。同时,由于引入

电网扰动电压作为前馈补偿,大大提高了系统的抗干扰能力。

通常情况下,选择电流控制器()C s 为PI 控制器,其传递函数为:

()(),1iP i iI iP iP iI i i

K s K K C s K K s s τττ+=+== (4-5) 考虑电流内环信号采样的延时和PWM 控制的小惯性特性,已解耦的d 轴电流内环结构如图4-4所示:

图4-4 d 轴电流内环控制框图 上图中,s T 为电流内环电流采样周期(也为PWM 开关周期),PWM K 为桥路PWM 等效增益。将小时间常数

2

s T 、s T 合并,可得简化的电流内环结构,如下图所示:

图4-5 化简后的d 轴电流内环控制框图 当考虑电流内环需要获得较快的电流跟随性能时,可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。从图4-5中可以看出,只需将PI 调节器的零点抵消电流控制对象传递函数的极点即可。即T i T

L R τ=,经校正后的电流内环开环传递函数为: ()()

1.51iP PWM oi T i s K K W s R s T τ=+ (4-6) 由典型 I 型系统最优参数整定关系,当取系统阻尼比0.707ξ=时,有:

1.512

s iP PWM T i T K K R τ= (4-7) 求解可得:

233T i T iP s PWM s PWM iP T iI i s PWM R L K T K T K K R K T K ττ?==????==??

(4-8) 式(4-8)位电流内环PI 调节控制参数的计算公式。

由图4-5还可求得解耦后的电流内环闭环传递函数为:

()21

1.51ci T i s T i iP PWM iP PWM W s R T R s s K K K K ττ=++ (4-9)

当开关频率足够高,即s T 足够小时,由于2s 项系数远小于s 项系数,因此可忽略2s 项,则式(4-9)可化简为:

()11ci T i iP PWM

W s R s K K τ=+ (4-10) 将式(4-8)代入(4-10)可得电流内环简化都的等效传递函数为:

()113ci s W s T s

=+ (4-11) 式(4-11)表明:当电流内环按典型Ⅰ型系统设计时,电流内环可近似等效为一个惯性环节,其惯性时间常数为3s T 。显然,当开关频率足够高时,电流内环具有较快的动态响应。

当闭环控制系统的闭环增益减少至-3dB 或其相移为45- 时,该点可定义为闭环系统频带宽度b f 。对于按典型Ⅰ型系统设计的三相电压型PWM 整流器电流

内环系统,由于该电流内环可等效成一阶惯性环节,因此电流内环频带宽度bi f 为:

()111232020

bi s s s f f T T π=≈= (4-12) 上式中,s f 为电流内环PWM 开关调制频率。由式(4-12)可知,按上面讨论的方法设计的电流内环控制器不仅满足快速性要求,同时对高频干扰,如开关频率噪声也有较强的抑制能力。

4.2 电压外环控制器设计

电压外环控制的目的是为了稳定整流器直流侧电压dc U 。令三相电网基波电动势为:

()222cos 2cos 32cos 3a

m b m c m U U t U U t U U t ωωπωπ??=????=-? ???????=+? ????

(4-13) 为简化控制系统设计,当开关频率远高于电网电压基波频率时,可忽略PWM 分量,即只考虑开关函数(),,k S k a b c =的低频分量,则:

()0000.5cos 0.520.5cos 0.5320.5cos 0.53a

b b S m t S m t S m t ωθωπθωπθ??=-+????=--+? ???????=+-+? ????

(4-14) 上式中0θ为开关函数基波初始相位角;m 为PWM 调制比()1m ≤。对于单位功率因数正弦波电流控制,三相电压型PWM 整流器网侧电流为:

()111cos 2cos 32cos 3a

m b m c m i I t i I t i I t ωωπωπ??=????=-? ???????=+? ????

(4-15) 直流侧电流dc i 可由开关函数描述如下:

111dc a a b b c c i S i S i S i =++ (4-16)

由式(4-14)、(4-15)、(4-16)可得:

()00.75cos dc m i mI θ≈ (4-17)

综合以上分析,可得三相 VSR 电压外环控制结构图如下所示:

图4-6 三相 VSR 电压外环控制结构图

上图中,v τ为电压外环采样小惯性时间常数;vP K 、v T 为PI 调节器参数;()ci W s 为电流内环闭环传递函数。

由前面的分析已知()113ci s W s T s

=+。由于()00.75cos m mI θ是一时变环节,这给电压环设计带来困难。为此可以考虑以该环的最大比例增益0.75代替。因为最大增益对整个电压环的稳定性影响最大,所以这种近似是合理的。将小时间常数v τ和电流内环等效时间常数3s T 合并得3ev v s T T τ=+。在不考虑负载电流L i 扰动的情况下,经简化的电压环控制结构图如下图所示:

图4-7 三相 VSR 电压外环控制简化结构图

由于电压外环的主要作用是稳定整流器直流侧电压,因此,对系统进行设计时,应着重考虑电压外环的抗干扰性能。此时,可按典型Ⅱ型系统设计电压调节器。由图4-7可得电压外环开环传递函数为:

()()()20.7511vP v ov dc v ev K T s W s C T s T +=

+ (4-18) 电压环中频宽v h 为:

v v ev

T h T = (4-19) 由典型Ⅱ型系统控制器参数整定关系得:

220.7512vP v dc v v ev

K h C T h T += (4-20) 综合考虑电压外环控制系统的抗扰性和跟随性,工程上一般取中频宽5v v ev

T h T ==,将5v h =代入式(4-20),可得电压外环PI 调节参数为: 545v ev dc vP ev T T C K T =???=??

(4-21) 由上式得:

45425dc vP ev vP dc

vI v ev C K T K C K T T ?=????==??

(4-22) 另外,当采用典型Ⅱ型系统设计电压环时,电压环控制系统截止频率c ω为:

1112c S ev T T ω??=+ ???

(4-23) 当v s T τ=时,由式(4-19)可得:

()55320v ev v s s T hT T T τ==+=

(4-24) 由式(4-23)和式(4-24)可得:

1113

220420c s s s

T T T ω??=+= ???

(4-25) 则电压环控制系统频带宽度bv f 为:

3

0.0242202c

bv s s f f T ωππ

=≈?

(4-26) 上式中,s f 为PWM 开关频率。

第五章仿真

针对设计的控制器,在MATLAB/Simulink中搭建仿真电路,检测控制器对抑制扰动、提高输入输出电压电流的动静态性能的效果。仿真图如下:

图5-1 三相电压型PWM整流器的仿真结构图

当三相VSR 控制系统稳定运行时,输出直流侧电压的仿真波形如图5-2

所示。图5-3给出了局部放大图,从图中可以看到直流电压的波动范围只有±0.5V,达到了较好的稳压效果。

图5-2 直流侧电压波形

图5-3 dc U 波形局部放大图

为了检验控制器对扰动抑制的作用,在0.1t s 时,将负载L R 的值增大,输出电压的波形图5-4所示:

图 5-4 突加负载时直流电压波形 图5-5为负载突减时直流电压(输出电压)波形:

整流器的原理

整流器的原理: 在以大功率二极管或晶闸管为基础的两种基本类型的整流器中,电网的高压交流功率通过变压器变换为直流功率。提到未来(不久的或遥远的)的其它类型整流器:以不可控二极管前沿产品为基础的斩波器、斩波直流/直流变换器或电流源逆变型有源整流器。显然,这种最新型的整流器在技术上包含较多要开发的内容,但是它能显示出优点,例如它以非常小的谐波干扰和1的功率因数加载于电网。 二极管整流器 所有整流器类别中最简单的是二极管整流器。在最简单的型式中,二极管整流器不提供任何一种控制输出电流和电压数值的手段。为了适用于工业过程,输出值必须在一定范围内可以控制。通过应用机械的所谓有载抽头变换器可以完成这种控制。作为典型情况,有载抽头变换器在整流变压器的原边控制输入的交流电压,因此也就能够在一定范围内控制输出的直流值。通常有载抽头变换器与串联在整流器输出电路中的饱和电抗器结合使用。通过在电抗器中引入直流电流,使线路中产生一个可变的阻抗。因此,通过控制电抗器两端的电压降,输出值可以在比较窄的范围内控制。 晶闸管整流器 在设计上非常接近二极管整流器的是晶闸管整流器。因为晶闸管整流器的电参数是可控的,所以不需要有载抽头变换器和饱和电抗器。 因为晶闸管整流器不包含运动部件,所以晶闸管整流器系统的维修减少了。注意到的一个优点是晶闸管整流器的调节速度较二极管整流器快。在过程特性的阶跃期间,晶闸管整流器常常调节很快,以致能够避免过电流。其结果是晶闸管系统的过载能力能够设计得比二极管系统小。 整流器的现状: 目前,业界推出的节能灯和电子镇流器专用三极管都十分注重对贮存时间的控制。因为贮存时间ts过长,电路的振荡频率将下降,整机的工作电流增大易导致三极管的损坏。虽然可以调整扼流圈电感及其他元器件参数来控制整机功率,但ts的离散性,将使产品的一致性差,可靠性下降。例如,在石英灯电子变压器线路中,贮存时间太大的晶体管可能引起电路在低于输出变压器工作极限的频率振荡,从而

三相电压型PWM整流器与仿真

电力电子课程设计课程设计报告 题目:三相电压型PWM整流器与仿真专业、班级: 学生姓名: 学号: 指导教师: 2015年 1 月6 日

摘要:叙述了建立三相电压型PWM整流器的数学模型。在此基础上,使用功能强大的MATLAB软件进行了仿真,仿真结果证明了方法的可行性。 关键词:整流器;PWM;simulink

目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (4) 2.3 pwm控制的基本原理 (6) 2.4 PWM整流器的发展现状 (6) 三设计内容 (8) 3.1 仿真模型 (8) 3.2 各个元件参数 (11) 3.3 仿真结果 (13) 3.4 结果分析 (15) 四总结 (15) 五参考文献 (15)

一任务书 1.1 题目 三相电压型PWM整流器仿真 1.2 设计内容及要求 设计三相电压型PWM整流器及其控制电路的主要参数,并使用MATLAB 软件搭建其仿真模型并验证。 设计要求(pwm整流器仿真模型参数): (1)交流电源电压600V,60HZ (2)短路电容30MVA (3)外接负载500kVar,1MW (4)变压器变比600/240V (5)0.05s前,直流负载200kw,直流电压500V,0.05s后,通过断路器并联一个相同大小的电阻。 1.3 报告要求 (1)叙述三相桥式电路的基本原理 (2)叙述整流电路基本原理 (3)叙述pwm控制的基本原理 (4)记录参数(截图) (5)记录仿真结果,分析滤波结果 (6)撰写设计报告 (7)提交程序源文件

三相PWM逆变器的设计_毕业设计

湖南文理学院 课程设计报告 三相PWM逆变器的设计 课程名称:专业综合课程设计 专业班级:自动化10102班

摘要 本次课程设计题目要求为三相PWM逆变器的设计。设计过程从原理分析、元器件的选取,到方案的确定以及Matlab仿真等,巩固了理论知识,基本达到设计要求。 本文将按照设计思路对过程进行剖析,并进行相应的原理讲解,包括逆变电路的理论基础以及Matlab仿真软件的简介、运用等,此外,还会清晰的介绍各个环节的设计,比如触发电路、控制电路、主电路等,其中部分电路的绘制采用Proteus软件,最后结合Matlab Simulink仿真,建立了三相全控桥式电压源型逆变电路的仿真模型,进而通过软件得到较为理想的实验结果。 关键词:三相PWM 逆变电路Matlab 仿真

Abstract The curriculum design subject requirements for the design of the three-phase PWM inverter. Design process from the principle of analysis, selection of components, to scheme and the Mat-lab simulation, etc., to consolidate the theoretical knowledge, basic meet the design requirements. This article will be carried out in accordance with the design of process analysis, and the corresponding principles, including the theoretical foundation of the inverter circuit and introduction, using Matlab simulation software, etc., in addition, will also clearly introduces the design of every link, such as trigger circuit, control circuit, main circuit, etc., some of the drawing of the circuit using Proteus software, finally combined with Matlab Simulink, established a three-phase fully-controlled bridge voltage source type inverter circuit simulation model, and then through the software to get the ideal results. Keywords: Matlab simulation, three-phase ,PWM, inverter circuit

三相PWM整流器控制器设计(精)

三相PWM 整流器控制器设计 PWM 整流器能够实现整流器电网侧的电流为正弦,从而大大降低整流器对电网的谐波污染。PWM 整流器同时能够实现电网侧电流相位的控制,常见的有使得电网侧电流与电源电压同相位,从而实现单位功率因数控制,也可以根据需要使得电网侧电流相位超前或滞后对应的电源相电压,从而实现对电网的功率因数补偿。 三相PWM 整流器主电路和控制系统原理图如图1所示,其中A VR 为直流侧电压外环PI 调节器、ACR_d、ACR_q分别为具有解耦和电源电压补偿功能的dq 轴电流内环PI 调节器,PLL 为电源电压锁相环,SVPWM 为电压空间矢量运算器,Iabc to Idiq、Vabc to ValfaVbeta和Vdq to ValfaVbeta分别为三相静止坐标-两相旋转直角坐标变换、三相静止坐标-两相静止直角坐标变换和两相旋转直角坐标-两相静止直角坐标变换。 图1 基于空间矢量的三相PWM 整流器原理图

根据开关周期平均值概念、三相电压型PWM 整流器开关函数表等,可得到三相电压型PWM 整流器在dq 坐标下微分方程形式和等效电路形式的开关周期平均模型。经过dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图如图2所示,其中小写的变量表示该变量的开关周期平均值,大写的变量表示该变量在工作点的值。 v dc d dc q 图2 基于dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图 对解耦和电源电压补偿之后的dq 轴等效电路进行工作点附近的小信号分析,即可得到小信号下的传递函数如式(1、(2)和(3)所示,其中L 、R 分别为交流侧的滤波电感及其等效电阻,C 为直流侧滤波电容,Dd 为d 轴在工作点的占空比。 ~ i d (s αd (s ~ i q (s αq (s ~ v dc (s i d (s V dc (1

(完整版)三相逆变器matlab仿真

三相无源逆变器的构建及其MATLAB仿真1逆变器 1.1逆变器的概念 逆变器也称逆变电源,是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言,逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电,称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换,因而称为逆变。 1.3逆变器的分类 现代逆变技术的种类很多,可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下: 1)按逆变器输出的相数,可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 2)按逆变器输出能量的去向,可分为有源逆变和无源逆变。 3)按逆变主电路的形式,可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 4)……………. 2 三相逆变电路 三相逆变电路,是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。 图 1 三相逆变电路

日常生活中使用的电源大都为单相交流电,而在工业生产中,由于诸多电力能量特殊要求的电气设备均需要使用三相交流电,例如三相电动机。随着科技的日新月异,很多设备业已小型化,许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小、耗能低且便于携带的小型设备。尽管这些设备外形发生了很大的变化,其使用的电源类型——三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下,电力的储能形式可能只有直流电,如若在这样的环境下使用三相交流电设备,就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。这就催生了三相逆变器的产生。 4MATLAB仿真 Matlab软件作为教学、科研和工程设计的重要方针工具,已成为首屈一指的计算机仿真平台。该软件的应用可以解决电机电器自动化领域的诸多问题。利用其中的Simulink模块可以完成对三相无源电压型SPWM逆变器的仿真,并通过仿真获取逆变器的一些特性图等数据。 图 2 系统Simulink 仿真 所示为一套利用三相逆变器进行供电的系统的Matlab仿真。系统由一个380v的直流电源供电,经过三相整流桥整流为三相交流电,并进行SPWM正弦脉宽调制。输出经过一个三相变压器隔离后通入一个三相的RLC负载模块(Three phase parallel RLC)。加入了两个电压测量单元voltage measurement和voltage measurement1,并将结果输出到示波器模块Scope1.

三相pwm整流器的设计_毕业设计(论文)

毕业设计(论文) 题目PWM整流器的设计学院(系):自动化学院

学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理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。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于1、保密囗,在10年解密后适用本授权书 2、不保密囗。 (请在以上相应方框内打“√”) 作者签名: 年月日 导师签名: 年月日

武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书 学生姓名覃峰专业班级电气0702 指导教师袁佑新教授胡红明讲师工作单位自动化学院 设计(论文)题目: PWM整流器的设计 设计(论文)主要内容: 熟悉整流的原理,对整流技术进行综述、比较,并设计出整流器硬件电路和软件程序。 要求完成的主要任务: (1)外文资料翻译不少于20000印刷符; (2)查阅相关文献资料(中文15篇,英文3篇); (3)掌握整流的原理; (4)撰写开题报告; (5)熟悉整流技术国内外的研究现状、目的意义; (6)对整流技术进行综述、比较; (7)计出整流器硬件电路和软件程序。; (8)绘制的电气图纸符合国标; (9)撰写的毕业设计(论文)不少于10000汉字。 必读参考书: [1] 王兆安,黄俊.电力电子技术.第4版.北京:机械工业大学出版社,2007 [2] 杨荫福,段善旭,朝泽云.电力电子装置及系统.北京:清华大学出版社,2006 [3] 张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制.北京:机械工业大学出版社,2003 指导教师签名系主任签名 院长签名(章)

三相SVPWM逆变电路MATLAB仿真

基于电压空间矢量控制的三相逆变器的研究 1、SVPWM逆变电路的基本原理及控制算法 图1.1中所示的三相逆变器有6个开关,其中每个桥臂上的开关工作在互补状态,三相桥臂的上下开关模式得到八个电压矢量,包括6个非零矢量(001)、()、(011)、(100)、(101)、(110)和两个零矢量(000)、(111). 图1.-1 三相桥式电压型有源逆变器拓扑结构 在平面上绘出不同的开关状态对应的电压矢量,如图1.2所示。由于逆变器能够产生的电压矢量只有8个,对与任意给定的参考电压矢量,都可以运用这8个已知的参考电压矢量来控制逆变器开关来合成。 图1.2 空间电压矢量分区 图1.2中,当参考电压矢量在1扇区时,用1扇区对应的三个空间矢量U sv1 、U sv2 、U sv3来等效参考电压矢量。若1.2 合成矢量 ref U所处扇区N的判断 三相坐标变换到两相β α-坐标: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? ) ( ) ( ) ( 2 3 - 2 3 2 1 - 2 1 - 1 3 2 ) ( ) ( t t t t t u u u u u co bo ao β α (1.1) 根据u α 、u β 的正负及大小关系就很容易判断参考电压矢量所处的扇区位

置。如表1.1所示。 表1.1 参考电压矢量扇区位置的判断条件 可以发现,扇区的位置是与u β、 u u βα-3及u u βα--3的正负有关。为 判断方便,我们设空间电压矢量所在的扇区N N=A+2B+3C (1.2) 其中,如果u β >0,那么A=1,否则A=0 如果u u βα-3 >0,那么B=1,否则B=0 如果u u βα--3 >0,那么C=1,否则C=0 1.3 每个扇区中基本矢量作用时间的计算 在确定参考电压矢量的扇区位置后,根据伏秒特性等效原理,采用该扇区三个顶点所对应的三个电压空间矢量来逼近参考电压矢量。以参考电压矢量位于3扇区为例,如图1.3所示,参考电压U ref 与U 4的夹角为γ。

基于MATLAB的三相整流器设计

密级:公开 科学技术学院 NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 学士学位论文 THESIS OF BACHELOR (2012 —2016年) 题目基于MATLAB的三相整流器设计 学科部:信息学科部 专业:电气工程及其自动化 班级:电气122班 学号:7022812067 学生姓名:张升林 指导教师:万旻 起讫日期:2015年12月—2016年5月29日

目录 摘要 ................................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................ II 第一章三相整流器的发展状况.. (1) 1 .1 三相整流器发展背景 (1) 1 .2 三相整流器的进展 (1) 1 .3 本论文主要研究的内容 (2) 第二章Matlab-Simulink电力系统仿真介绍 (3) 2 .1 Matlab介绍 (3) 2 .2 Simulink的介绍 (4) 第三章三相整流器的结构和原理分析 (5) 3.1 三相桥式全控整流器结构和原理分析 (5) 3.2 三相PWM整流器结构和原理分析 (5) 第四章三相整流器电路的仿真 (7) 4.1三相桥式全控整流器的仿真 (7) 4.2 三相PWM整流器的仿真 (8) 第五章三相PWM整流器的设计 (11) 5.1 主电路设计 (11) 5.2 功率器件的选择 (11) 结论 (13) 参考文献(References) (13) 致谢 (14)

3KVA三相逆变器的设计

3KVA三相逆变器设计 1概述 随着各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性能要求的提高,许多行业的用电设备(如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器等)都不是直接使用交流电网作为电源,而是通过形式对其进行变换而得到各自所需的电能形式,它们所使用的电能大都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。 当今世界逆变器应用非常广泛。逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器,传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现,但由于其含有较大成分低次谐波等缺点,近十余年来,由于电力电子技术的迅速发展,全控型快速半导体器件BJT,IGBT,GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善,使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列,并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术,SPWM 控制技术又有许多种,并且还在不断发展中,但从控制思想上可分为四类,即等脉宽PWM 法,正弦波PWM 法(SPWM 法),磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法,其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点:(1)逆变器同时实现调频调压,系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。 (2)可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形,低次谐波减少,在电气传动中,可使传动系统转矩脉冲的大大减少,扩大调速范围,提高系统性能。 (3)组成变频器时,主电路只有一组可控的功率环节,简化了结构,由于采用不可控整流器,使电网功率因数接近于1,且与输出电压大小无关。 本次课程设计要完成的是设计容量为3KVA的三相逆变器。初始条件为:输入直流电压220V。要求输出220V三相交流电,完成总电路的设计,并计算电路中各元件的参数。

单相PWM整流电路设计(电力电子课程设计)..

重庆大学电气工程学院 电力电子技术课程设计 设计题目:单相桥式可控整流电路设计 年级专业:****级电气工程与自动化学生姓名:***** 学号: **** 成绩评定: 完成日期:2013年6月 23 日

指导教师签名:年月日

重庆大学本科学生电力电子课程设计任务书

单相桥式可控整流电路设计 摘要:本文主要研究单相桥式PWM整流电路的原理,并运用IGBT去实现电路的设计。概括地讲述了单相电压型PWM整流电路的工作原理,用双极性调制方式去控制IGBT的通断。在元器件选型上,较为详细地介绍了IGBT的选型,分析了交流侧电感和直流侧电容的作用,以及它们的选型。最后根据实际充电机的需求,选择元器件具体的参数,并用simulink进行仿真,以验证所设计的单相电压型PWM整流器的性能。实现了单相电压型PWM整流器的高功率因数,低纹波输出等功能。 关键词:PWM整流simulink 双极性调制IGBT

目录 1.引言 ......................................................... - 5 - 1.1 PWM整流器产生的背景.................................... - 5 - 1.2 PWM整流器的发展状况.................................... - 5 - 1.3 本文所研究的主要内容.................................... - 6 - 2.单相电压型PWM整流电路的工作原理 ............................. - 7 - 2.1电路工作状态分析......................................... - 7 - 2.2 PWM控制信号分析......................................... - 8 - 2.3 交流测电压电流的矢量关系............................... - 9 - 3.单相电压型PWM整流电路的设计 ................................ - 10 - 3.1 主电路系统设计......................................... - 10 - 3.2 IGBT和二极管的选型设计................................. - 11 - 3.3 交流侧电感的选型设计................................... - 11 - 3.4 直流侧电容的选型设计................................... - 12 - 3.5 直流侧LC滤波电路的设计................................ - 13 - 4.单相PWM整流电路的仿真及分析 ................................ - 13 - 4.1 整流电路的simulink仿真............................... - 13 - 4.2 对simulink仿真结果的分析............................. - 16 - 5.工作展望 ................................................... - 16 - 参考文献 ...................................................... - 17 -

三相电压型PWM整流器及仿真

电力电子课程设计课程设计报告 题目三相电压型PWM整流器与仿真专业、班级: 学生姓名: 学号: 指导教师: 2015年 1 月6 日 摘要:叙述了建立三相电压型PWM 整流器的数学模型。在此基础上,使用功能强 -可编辑修改-

大的MATLAB 软件进行了仿真,仿真结果证明了方法的可行性。关键词:整流器;PWM ;simulink

-可编辑修改-

目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (6) 2.3 pwm 控制的基本原理 (9) 2.4 PWM 整流器的发展现状........................................ 1..0...三设计内容........................................................... 1..1 3.1 仿真模型...................................................... 1..1 3.2 各个元件参数.................................................. 1..5 3.3 仿真结果...................................................... 1..7 3.4 结果分析...................................................... 1..9 四总结............................................................... 2..0 五参考文献........................................................... 2..0

最新三相逆变器Matlab仿真精编版

2020年三相逆变器M a t l a b仿真精编版

三相无源电压型SPWM逆变器的构建及其MATLAB仿真 09 电气工程及其自动化邱迪 摘要:本文简要介绍了三相无源电压型SPWM输出的逆变器的构建和工作方式及其MATLAB仿真。 关键词:三相逆变器正弦脉宽调制(SPWM)技术 MATLAB仿真 Abstract: This paper introduces briefly the construction of 3-phase inverter which output SPWM wave and the MATLAB-based simulation. Key word: Three-phase inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation Power electronic technology 1逆变器 1.1逆变器的概念 逆变器也称逆变电源,是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言,逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电,称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换,因而称为逆变。 [1] 1.2逆变器涉及的技术 逆变器的构建应用了电力电子学科中的很多关键技术。电路中电流的可控流通断开的过程中应用了多种可控硅类型的电力电子器件;开关的控制过程应用了基于微处理

器的现代控制技术;对于正弦波形的仿制过程应用了正弦波脉宽调制(SPWM)技术等等。 1.3逆变器的分类 现代逆变技术的种类很多,可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下: 1)按逆变器输出的相数,可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 2)按逆变器输出能量的去向,可分为有源逆变和无源逆变。 3)按逆变主电路的形式,可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 4)按逆变主开关器件的类型,可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管 逆变等等。 5)按输出稳定的参量,可分为电压型逆变和电流型逆变。 6)按输出电压或电流的波形,可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆 变。 7)按控制方式,可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。[2] 2 三相逆变电路 三相逆变电路,是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。

PWM逆变器Matlab仿真设计

PWM逆变器MATLAB仿真 1设计方案的选择与论证 从题目的要求可知,输入电压为110V直流电,而输出是有效值为220V的交流电,所以这里涉及到一个升压的问题,基于此有两种设计思路第一种是进行DC-DC升压变换再进行逆变,另一种是先进行逆变再进行升压。除此之外,要得到正弦交流电压还要考虑滤波等问题,所以这两种方案的设计框图分别如下图所示: 图1-1方案一:先升压再逆变 图1-2方案二:先逆变,再升压 方案选择: 方案一:采用DC-DC升压斩波电路其可靠性高、响应速度、噪声性能好,效率高,但不适用于升压倍率较高的场合,另外升压斩波电路在初期会产生超调趋势(这一点将在后文予以讨论),在与后面的逆变电路相连时必须予以考虑,我们可以采用附加控制策略的办法来减小超调量同时达到较短的调节时间,但这将增加逆变器的复杂度和设计成本。 方案二:采用变压器对逆变电路输出的交流电进行升压,这种方法效率一般可达90%以上、可靠性较高、抗输出短路的能力较强,但响应速度较慢,体积大,波形畸变较重。 从以上的分析可以看出两种方案有各自的优缺点,但由于方案二设计较为简便,因此本论文选择方案二作为最终的设计方案,但对于方案一的相关容也会在后文予以讨论。 2逆变主电路设计 2.1逆变电路原理及相关概念

逆变与整流是相对应的,把直流电变为交流电的过程称为逆变。根据交流侧是否与交流电网相连可将逆变电路分为有源逆变和无源逆变,在不加说明时,逆变一般指无源逆变,本论文针对的就是无源逆变的情况;根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路,电压型逆变电路输出电压的波形为方波而电流型逆变电路输出电流波形为方波,由于题目要求对输出电压进行调节,所以本论文只讨论电压型逆变电路;根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为单相逆变电路和三相逆变电路,由于题目要求输出单相交流电,所以本论文将只讨论单相逆变电路。 2.2逆变电路的方案论证及选择 从上面的讨论可以看出本论文主要讨论单相电压型无源逆变电路,电压型逆变电路的特点除了前文所提及的之外,还有一个特点即开关器件普遍选择全控型器件如IGBT,电力MOSFET等,有三种方案可供选择,下面分别予以讨论: 方案一:半桥逆变电路,如下图所示,其特点是有两个桥臂,每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容,两个电容的连接点为直流电源的中点。反并联二极管为反馈电感中储存的无功能量提供通路,直流侧电容正起着缓冲无功能量的作用。其优点为简单,使用器件少,缺点为输出交流电压的幅值仅为直流电源电压的一半,且直流侧需要两个电容器串联,工作时还要控制两个电容器电压的均衡,因此它只适用于几千瓦以下的小功率逆变电路。 VD2 图2-1 半桥逆变电路 方案二:全桥逆变电路,如下图所示:其特点是有四个桥臂,相当于两个半桥电路的组合,其中桥臂1和4作为一对,桥臂2和3作为一对,成对的两个桥臂同时导通,两对

3KVA三相逆变电源设计

课程设计 题目3KVA三相逆变电源设计学院自动化学院 专业自动化 班级 姓名 指导教师朱国荣 2014 年 1 月 2 日

课程设计任务书 学生姓名:专业班级:自动化1102 指导教师:朱国荣工作单位:自动化学院 题目: 3KVA三相逆变电源设计 初始条件: 输入直流电压110V。 要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求) 设计容量为3KVA的三相逆变器,要求达到: 1、输出380V,频率50Hz三相交流电。 2、完成总电路设计。 3、完成电路中各元件的参数计算。 时间安排: 课程设计时间为两周,将其分为三个阶段。 第一阶段:复习有关知识,阅读课程设计指导书,搞懂原理,并准备收集设计资料,此阶段约占总时间的20%。 第二阶段:根据设计的技术指标要求选择方案,设计计算。 第三阶段:完成设计和文档整理,约占总时间的40%。 指导教师签名:年月日 系主任(或责任教师)签名:年月日

目录 摘要 (1) 1 设计要求、意义及思路 (2) 1.1 设计意义 (2) 1.2 设计要求 (2) 1.3 设计思路 (3) 2 方案设计及原理 (3) 2.1逆变电路 (3) 2.2 SPWM采样方法选择 (4) 2.3 LC滤波 (5) 2.4 升压变压器 (6) 3 主电路设计及参数设计 (7) 3.1 IGBT三相桥式逆变电路 (7) 3.2 脉宽控制电路的设计 (9) 3.2.1 SG3524芯片 (9) 3.2.2 调制波及载波的产生 (10) 3.3 触发电路的设计 (11) 3.3.1 IR2110芯片构成的触发 (11) 3.3.2 M57962L芯片构成的触发电路 (12) 3.4其他部分的参数设计 (13) 结束语 (15) 参考文献 (16) 附录一: (17) 附录二:主电路图 (18)

(整理)三相逆变器Matlab仿真.

三相无源电压型SPWM逆变器的构建及其MATLAB仿真 09 电气工程及其自动化邱迪 摘要:本文简要介绍了三相无源电压型SPWM输出的逆变器的构建和工作方式及其MATLAB 仿真。 关键词:三相逆变器正弦脉宽调制(SPWM)技术MATLAB仿真 Abstract: This paper introduces briefly the construction of 3-phase inverter which output SPWM wave and the MATLAB-based simulation. Key word:Three-phase inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation Power electronic technology 1逆变器 1.1逆变器的概念 逆变器也称逆变电源,是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言,逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电,称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换,因而称为逆变。[1] 1.2逆变器涉及的技术 逆变器的构建应用了电力电子学科中的很多关键技术。电路中电流的可控流通断开的过程中应用了多种可控硅类型的电力电子器件;开关的控制过程应用了基于微处理器的现代控制技术;对于正弦波形的仿制过程应用了正弦波脉宽调制(SPWM)技术等等。 1.3逆变器的分类 现代逆变技术的种类很多,可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方式如下: 1)按逆变器输出的相数,可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。

2)按逆变器输出能量的去向,可分为有源逆变和无源逆变。 3)按逆变主电路的形式,可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 4)按逆变主开关器件的类型,可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变等等。 5)按输出稳定的参量,可分为电压型逆变和电流型逆变。 6)按输出电压或电流的波形,可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 7)按控制方式,可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。[2] 2 三相逆变电路 三相逆变电路,是将直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为120°交流电的一种逆变网络。 图 1 三相逆变电路 日常生活中使用的电源大都为单相交流电,而在工业生产中,由于诸多电力能量特殊要求的电气设备均需要使用三相交流电,例如三相电动机。随着科技的日新月异,很多设备业已小型化,许多原来工厂中使用的大型三相电气设备都被改进为体积小、耗能低且便于携带的小型设备。尽管这些设备外形发生了很大的变化,其使用的电源类型——三相交流电却始终无法被取代。在一些条件苛刻的环境下,电力的储能形式可能只有直流电,如若在这样的环境下使用三相交流电设备,就要求将直流电转变为特定要求的三相交流电以供使用。这就催生了三相逆变器的产生。

三相电压型逆变器课程设计

三相电压型逆变器 一.电力电子器件的发展: 1.概述: 1957年可控硅(晶闸管)的问世,为半导体器件应用于强电领域的自动控制迈出了重要的一步,电力电子开始登上现代电气传动技术舞台,这标志着电力电子技术的诞生。20世纪60年代初已开始使用电力电子这个名词,进入70年代晶闸管开始派生各种系列产品,普通晶闸管由于其不能自关断的特点,属于半控型器件,被称作第一代电力电子器件。随着理论研究和工艺水平的不断提高,以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极性晶体管(BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOSFET)为代表的全控型器件迅速发展,被称作第二代电力电子器件。80年代后期,以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型第三代电力电子器件异军突起,而进入90年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展,这代表了电力电子技术发展的一个重要方向 电子技术被认为是现代科技发展的主力军,电力电子就是电力电子学,又称功率电子学,是利用电子技术对电力机械或电力装置进行系统控制的一门技术性学科,主要研究电力的处理和变换,服务于电能的产生、输送、变换和控制。(电力电子的发展动向)电力电子技术包括功率半导体器件与IC 技术、功率变换技术及控制技术等几个方面,其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础,也是电力电子技术发展的“龙头”。电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件,用于电能变换和电能控创电路中

的大功率(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)电子器件。广义上电力电子器件可分为电真空器件(Electron Device)和半导体器件(Semiconductor Device)两类。 2.发展: A.整流管: 整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前,人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用,研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。它们的通态压降为IV 左右,反向恢复时间为PIN整流管的1/2,反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/3。 B.晶闸管: 自1957年美国通用电气公司GE研制出第一个晶闸管开始,其结构的改进和工艺的改革,为新器件开发研制奠定了基础,其后派生出各种系列产品。1964年,GE公司成功开发双向晶闸管,将其应用于调光和马达控制;1965年,小功率光触发晶闸管问世,为其后出现的光耦合器打下了基础;60年代后期,出现了大功率逆变晶闸管,成为当时逆变电路的基本元件;逆导晶闸管和非对称晶闸管于1974年研制完成。 C.门极可关断晶闸管: GTO可达到晶闸管相同水平的电压、电流等级,工作频率也可扩展到

三相电压型PWM整流器设计与仿真(可打印修改)

三相电压型PWM整流器设计与仿真 1 绪论 随着功率半导体器件技术的进步,电力电子变流装置技术得到 了快速发展,出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各种变流装置,如变频器、逆变电源,高频开关电源以及各类特种变流器等, 电力电子装置在国民经济各领域取得了广泛的应用,但是这些装置 的使用会对电网造成严重的谐波污染问题。传统的整流方式会无论 是二极管不控整流还是晶闸管相控整流电路能量均不能双向传递, 不仅降低能源的利用率还会增加一定的污染,主要缺点是:1)无功功率的增加造成了装置功率因素降低,会导致损耗增加,降低电力装置的利用率等; 2)谐波会引起系统内部相关器件的误动作,使得电能的计量出现误差,外部对信号产生严重干扰; 3)传统的结构,能量只能单向流动,使得控制系统的能量利用率不高,不能起到节能减排的作用。 电网污染的日益严重引起了各国的高度重视,许多国家都已经 制定了限制谐波的国家标准,国际电气电子工程师协会(IEEE),国际 电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。国际电工学会于1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正,欧洲制定IEC1000-3-2标准。我国国家技术监督局也于1994年颁布了 《电能质量公用电网谐》标准(GB/T 14549-93),传统变流装置大多

数已不符合这些新的标准,面临前所未有的挑战。 目前,抑制电力电子装置对电网污染的方法有两种:一是设置补偿装置。通过对已知频率谐波进行补偿,这种方式适用于所有谐波源,但其缺点是只能对规定频率的谐波进行补偿,应用范围受限。并且当受到电网阻抗特性或其他外界干扰,容易发生并联谐振,导致某些谐波被放大进而使滤波器过载或烧毁;而是对整流器装置本身性能进行改造,通过优化控制策略和参数设置,使网侧输入的电压和电流呈现接近于同相位的正弦波,实现单位功率因数运行即功率因数为1。 目前治理谐波和无功主要是采用功率因数校正技术(PFC技术),由于PWM调制技术引入整流器中,使得整流器能够获得较好的直 流电压并且实现网侧电流正弦化,PWM整流技术已经成为治理电网污染的主要技术手段。PFC技术虽然具有控制简单、功率因数高、 总谐波失真小和易于电路设计等优点,但是其结构并没有发生根本变化只是在输出侧加了一个开关管,而重要的交流侧还是选取二极管做为开关器件,其整流方式只能是单一方向的不能实现能量的双向流动,它 在单相电路中有着广泛的用途,但是由于其自身性质决定其难以用于三相电电路中;PWM整流技术交流侧采用全控器件,与传统PFC相比,PWM整流技术可以在任意功率因数运行可以实现能量双向流动而且具有较好的电流品质和更快的动态响应速度,因而真正实现了“绿色电能变换”提高了系统电能的利用率减少了资源的浪

PWM逆变器Matlab仿真解析

课程设计任务书 学生姓名:专业班级: 指导教师:工作单位: 题目: PWM逆变器Matlab仿真 初始条件: 输入110V直流电压; 要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求) 1、得到输出为220V、50Hz单相交流电; 2、采用PWM斩波控制技术; 3、建立Matlab仿真模型; 4、得到实验结果。 时间安排: 课程设计时间为两周,将其分为三个阶段。 第一阶段:复习有关知识,阅读课程设计指导书,搞懂原理,并准备收集设计资料,此阶段约占总时间的20%。 第二阶段:根据设计的技术指标要求选择方案,设计计算。 第三阶段:完成设计和文档整理,约占总时间的40%。 指导教师签名:年月日 系主任(或责任教师)签名:年月日

目录 摘要 (1) 1设计方案的选择与论证 (2) 2逆变主电路设计 (2) 2.1逆变电路原理及相关概念 (2) 2.2逆变电路的方案论证及选择 (3) 2.3建立单相桥式逆变电路的S IMULINK的仿真模型 (4) 2.3.1模型假设 (5) 2.3.2利用MATLAB/Simulink进行电路仿真 (5) 3正弦脉宽调制(SPWM)原理及控制方法的SIMULINK仿真 (6) 3.1正弦脉冲宽度调制(SPWM)原理 (6) 3.2SPWM波的控制方法 (7) 3.2.1双极性SPWM控制原理及Simulink仿真 (7) 3.2.2单极性SPWM控制原理及Simulink仿真 (9) 4升压电路的分析论证及仿真 (11) 4.1B OOST电路工作原理 (11) 4.2B OOST电路的S IMULINK仿真 (12) 5滤波器设计 (13) 6 PWM逆变器总体模型 (15) 7心得体会 (18) 参考文献 (19)

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