電氣自動化畢業(yè)論文

1、長春工業(yè)大學學士學位(畢業(yè))論文題目:基于dsp的三相pwm整流器設計學生:薛亞軍指導教師:姜春霞專業(yè):電氣工程及其自動化培養(yǎng)單位:長春工業(yè)大學論文起止日期:09年12至10年6月201010年6月基于dsp的三相pwm整流器設計刪除電氣工程及其自動化學生 薛亞軍 指導教師 姜春霞刪除傳統(tǒng)的整流裝置是電網(wǎng)污染的主要來源，三相電壓型pwm整流器具有輸出電壓恒定、能實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行、電能雙向流動等特點，因而成為目前電力電子領域中的熱點課題之一。隨著大規(guī)模集成電路技術及計算機技術的發(fā)展，采用微處理器作為硬件控制核心的微機控制器將成為今后整流器的發(fā)展方向。隨著控制方法的不斷改進與發(fā)展，對微機整流控

2、制器的運算速度提出了非常高的要求。本文根據(jù)這種要求，以dsp(數(shù)字信號處理器)作為控制核心，研究并設計了基于dsp的pwm整流器。本文首先介紹了pwm整流器的發(fā)展狀況，說明了dsp與其他單片機或通用微處理器相比在性能上的優(yōu)勢。文章分別從控制電路、測量電路、整流主電路、svpwm硬件實現(xiàn)等幾個方面論述了基于dsp的pwm整流器的硬件設計以及主要實時軟件的流程圖和實現(xiàn)方法。文中還介紹了pim(功率智能模塊)的使用，并基于此設計了系統(tǒng)的主電路，并用tms320f2812的匯編語言與c語言結合進行了軟件編程。由于采用了這些先進技術，使得本文中的pwm整流器結構簡單、性能可靠、操作方便。最后，進行了設計

3、的相關試驗，實驗結果表明，該pwm整流器的各項功能符合設計要求。本文還做了晶閘管整流器在matlab下的仿真，兩者結果比較，更加顯示了本設計中整流器的優(yōu)越性。1關鍵詞：pwm整流器；空間電壓矢量脈寬調(diào)制；數(shù)字信號處理器；智能功率模塊摘要可以在論文完成后寫，需要修改。論文完成什么，用了什么方法，結果如何。這要重點論述。study of three-phase pwm rectifier based on dsppower electronics and technologypostgraduate:xue ya jun adviser:jiang chun xiathe conventional

4、 rectifier produce harmonic problem in power system. while three-phase pwm vsr (voltage source rectifier) can provide constant dc bus voltage and get unity power factor .it also has line power feedback capability so it is becoming interested in power electronics field.with the development of large-s

5、cale integrate circuit technology and computer technology，microcomputer-based rectifier controller will become the main stream of rectifier controllers in the future. constant improvement in rectifier control microcomputer -based rectifier controller. according to this requirement,the paper studies

6、and designs the dsp-based rectifier controller by using dsp (digital signal processor) as the control center.this paper introduces the control function and the developing tendency of pwm rectifier. and, it illustrates dsps performance advantage compared with the other single chips or general-purpose

7、 processors. it deals with the design of the dsp-based rectifiers hardware and the flowchart and realization method of its software from the aspects of control circuit, measuring circuit, main circuit and the method of realizing svpwm. the paper also introduces use of ipm (intelligent power module),

8、 and designs main circuit based on it. because of the adoption of these advanced technologies, the pwm rectifier structure is simpler, its performance os retiadte and its operation convenient.the dsp-based three-phase pwm vsr has been tested in the laboratory. the result of test shows that all funct

9、ions of the pwm rectifier are efficient暫時沒看，等中文摘要修改完再改這部分.keywords: pwm rectifier; svpwm; dsp; ipm目 錄第一章 緒 論11.1傳統(tǒng)整流裝置的缺點11.2 pwm整流器的研究發(fā)展狀況21.3課題的研究目的和意義21.4本文的主要研究內(nèi)容31.3變流技術的發(fā)展狀況41.3.1國內(nèi)外變流技術的發(fā)展41.3.2變流技術的控制方式51.3.3變流技術發(fā)展趨勢61.4課題的主要研究內(nèi)容81.5本章小結8第二章pwm整流器的工作原理、拓撲結構及數(shù)學模型92.1整流電路102.2逆變電路102.3控制芯片的選擇1

10、22.4傳感器122.5本章小結13第三章整流器主電路參數(shù)的選擇143.1pwm控制技術簡介143.2電壓空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)控制183.2.1電壓空間矢量脈寬調(diào)制基本原理183.2.2電壓矢量與磁鏈矢量的關系203.2.3電壓空間矢量脈寬調(diào)制合成原理213.3、和的計算233.4扇區(qū)號的確定233.5本章小結24第四章pwm整流器的硬件設計254.1主電路的設計254.1.1整流電路的設計254.1.2逆變電路智能功率模塊ipm的設計264.1.3負載濾波器的設計274.2控制電路設計284.2.1 最小系統(tǒng)設計304.2.2智能功率模塊ipm驅(qū)動保護電路設計314.2.3 智能功

11、率模塊ipm驅(qū)動電源324.2.4 dsp控制芯片電源334.2.5檢測電路的設計334.2.6按鍵電路設計354.2.7顯示電路設計364.3 通信電路模塊374.4 抗干擾措施384.5本章小節(jié)38第五章 系統(tǒng)軟件的設計與實現(xiàn)395.l軟件總體設計方案395.2應用程序?qū)崿F(xiàn)405.2.1主程序初始化405.2.2電壓pi調(diào)節(jié)的實現(xiàn)415.2.3電壓空間矢量（svpwm）技術的dsp實現(xiàn)425.3本章小節(jié)45結 論46致 謝47參 考 文 獻48附件1：系統(tǒng)硬件圖51附件2：系統(tǒng)部分程序清單52第一章 緒論文章中的標點符號一定按中文要求，自己改吧。格式嚴格按照規(guī)范寫 近20年來隨著電力電子裝

12、置的廣泛使用，由此引起的諧波污染問題日益嚴重，漸受到了人們的重視。目前，大部分的電力電子裝置所使用的直流電源是通過不可控流或相控整流得到的，這些傳統(tǒng)的設備在運行中對電網(wǎng)注入了大量的諧波和無功，因此造成了嚴重的電網(wǎng)污染。1.1傳統(tǒng)整流裝置的缺點傳統(tǒng)整流裝置主要是指由二極管組成的非線性電路或由晶閘管組成的相控電路，它們主要存在以下缺點:(1)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，對電網(wǎng)造成了無功增加，危害電網(wǎng)質(zhì)量。同時，無功的副作用還表現(xiàn)為降低了發(fā)電、輸電設備的利用率，增加了線路損耗; (2)輸入電流諧波含量高，諧波除了降低了發(fā)電、輸電設備的利用率外，還會影響設備的正常工作，產(chǎn)生不希望的機械震動和噪音;諧波還容易引起某

13、些繼電器、接觸器的誤動作，造成事故;同時，諧波也對周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，影響通訊設備的正常工作等。 (3)交流側(cè)電網(wǎng)電壓波形畸變，污染電網(wǎng)。 獲得高功率因數(shù)，消除諧波的方法主要有兩種:一種是被動法，即在諧波和無功產(chǎn)生的情況下采用補償裝置，補償其諧波和無功功率;二是主動法，即對傳統(tǒng)整流裝置本身進行改進，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且不消耗無功功率或根據(jù)需要對其功率因數(shù)進行控制:兩者比較，采用改進傳統(tǒng)整流裝置的方法改善功率因數(shù)和實現(xiàn)諧波抑制更為有效，也就是開發(fā)輸入電流為正弦、諧波含量低且功率因數(shù)榕沂干1的高性能二相整流器。三相pwm高功率整流器與傳統(tǒng)的整流裝置相比，具有交流側(cè)輸入、輸出電流諧波小，功率因數(shù)

14、可調(diào)，直流側(cè)電壓波動小，能量能雙向流動等優(yōu)點，因而其控制的策略研究成為目前電力電子領域中的一個熱點。1.2 三相pwm整流器的國內(nèi)外發(fā)展狀況介紹pwm整流器的發(fā)展？黃色字部分建議刪掉。1.2.1 電力電子器件的發(fā)展史 一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標志的，電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術的發(fā)展起著決定性的作用。1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開了電子技術之先河。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在電力電子器件制造技術上不斷的提高。70年代后期，以門極可關斷晶閘管（gto）、電力雙極型晶體管（bjt）和電力場效應晶體

15、管（power-mosfet）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（igbt）為代表的復合型器件異軍突起。igbt是mosfet和bjt的復合。后來，又把驅(qū)動、控制、保護、電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（pic）。目前功率集成電路的功率都還較小，但這代表了電力電子技術發(fā)展的一個重要方向。按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的成都，可以將電力電子器件分為以下三類：1） 通過控信號可以控制其導通而不能控制其關斷的電力電子器件被稱為半控型器件，這類器件主要是指晶閘管（thyristor）及其大部分派生器件，器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決

16、定。2） 通過控信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷的電力電子器件被稱為全控型器件，由于與半空型器件相比，可以由控制信號控制其關斷，因此又成為自關斷器件。這類器件品種很多，目前最常用的是絕緣柵雙極晶體管（insulated-gate bipolar transistorigbt）和電力場效應晶體管(power mosfet,簡稱為電力mosfet)，在處理兆瓦級大功率的電能場合門極可關斷晶閘管（gate-turn-off thyristorgto）應用也較多。3） 也有不能用控制信號來控制其通斷的電力電子器件，因此也就不需要驅(qū)動電路，這就是電力二極管（power diode），又被稱為不可控

17、器件，這種器件只有兩個端子，其基本特性與信息電子電路中的二極管一樣，器件的導通和關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。2.2微處理器技術的發(fā)展 縱觀計算機的發(fā)展，微處理器性能的不斷提高是計算機應用得以迅速發(fā)展的真正動力。它比歷史上任何發(fā)明都進展得更為迅速。同樣，高性能微處理器的引入也使交流調(diào)速技術發(fā)生了前所未有的變化:它使控制系統(tǒng)硬件更為簡化，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜而靈活的控制算法。同時也使現(xiàn)代電機控制理論、人工智能等技術的應用成為現(xiàn)實。因此說現(xiàn)代交流傳動技術和其它技術一樣，都很大程度上取決于和得益于微處理器技術的發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)所用的微處理器有許多種類。以intel公司的產(chǎn)品為例，如mcs-5

18、1及96系列都是大家所知的芯片。這些芯片一段時期內(nèi)曾是控制系統(tǒng)首選的器件，尤其如80c196mc型芯片，它有內(nèi)置波形發(fā)生器可直接輸出三相脈寬調(diào)制波形，因此比較適用于一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)。但是它在用于大量數(shù)據(jù)實時處理時還是顯得有些不足。近些年來，許多通用的或者有專業(yè)指向的數(shù)字信號處理器(dsp)得到了迅速發(fā)展。dsp從某種程度上說就是更高性能的微處理器芯片。目前適用于電動機控制的dsp有許多種類，比如德州儀器(ti)公司生產(chǎn)的f28xx系列就是專門為電動機控制而設計的。該系列中的tms320f2812 dsp也是本研究所用)來說，該芯片采用32位定點計算設計，它的實時計算功能也相當強大，不僅有通用

19、dsp的快速性特點，而且還擁有方便電機控制的豐富的片內(nèi)外設。因而非常適用于交流電機的調(diào)速控制。1.2.3 pwm整流器的研究狀況 當前對pwm整流器的研究主要是以下幾個方面: (1)關于pwm整流器的建模研究 pwm整流器數(shù)學模型的研究是pwm整流器及其控制技術研究的基礎。自從出現(xiàn)基于坐標變換的pwm整流器的數(shù)學模型之后，各國學者對pwm整流器的數(shù)學模型進行了詳細的研究，其中r.wu, s.b.dewan等較為系統(tǒng)的建立了pwm整流器的時域模型，并將時域模型分解成高頻、低頻模型，且給出了相應的時域解。而chun t.rim和dong y hu等則利用局部電路的dq坐標變換建立了pwm整流器基于

20、變壓器的低頻等效模型電路，并給出了穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性分析。在此基礎上，hengchun mao等人又建立了一種新穎的降階小信號模型，從而簡化了pwm整流器的數(shù)學模型及特性分析。(2)關于pwm整流器拓撲結構的研究 pwm整流器拓撲結構可分為電流型和電壓型兩大類。電壓型pwm整流器(vsr)最顯著的拓撲特征是直流側(cè)采用電容進行電流儲能，從而使vsr直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。電流型pwm整流器(csr)直流側(cè)則是采用大電感進行電流儲能，使得csr直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性。 長期以來，因為電壓型整流器結構簡單、損耗較低、控制方便，所以一直是人們研究地重點。而電流型 pwm整流器由于需要較大的直流儲能

21、電感，以及交流側(cè)lc濾波問題，制約了電流型pwm整流器地發(fā)展。但隨著超導技術的發(fā)展，因為超導線圈可以直接作為直流儲能電感，電流型pwm整流器在超導儲能技術中有更大的優(yōu)勢。 在小功率場合，pwm整流器拓撲結構的研究集中在減少功率開關和改進直流輸出性能上。j.j.shieh等對四開關三相電壓型pwm整流器進行了建模與分析。一般boost型變換器直流側(cè)電壓大于交流側(cè)電壓峰值，為了實現(xiàn)降壓功能，有學者對拓撲結構進行了改造，并取得了一定的成果。對于大功率pwm整流器，其拓撲結構的研究主要集中在多電平、變流器組合以及軟開關技術上。多電平拓撲結構的pwm整流器主要應用于高壓大容量場合。而對大電流應用場合，則

22、常采用變流器組合拓撲結構，即將獨立的電流型pwm整流器進行并聯(lián)組合。與普通并聯(lián)不同的是，每個并聯(lián)的pwm整流器中pwm信號采用移相pwm控制技術，從而以較低的開關頻率獲得了高效的高頻控制，即在降低損耗的同時，提高了電流、電壓波形品質(zhì)。同樣，可以將電壓型pwm整流器串聯(lián)組合，以適應高壓大容量的應用場合。此外，在大功率pwm整流器設計上，還研究了基于軟開關(zvs, zcs)控制的拓撲結構和相應的控制策略，這一技術有待進一步完善。(3)關于電壓型pwm整流器的電流控制策略研究 為了使電壓型pwm整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)受控電流源特性，其網(wǎng)側(cè)電流控制策略的研究顯得十分重要。在pwm整流器技術發(fā)展過程中，電壓型

23、pwm整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類:一類是由j.w.dixon提出的間接電流控制策略;另一類就是目前占主導地位的直接電流控制策略。間接電流控制實際上就是所謂的“幅相”電流控制，即通過控制電壓型pwm整流器的交流側(cè)電壓基波幅值、相位，進而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流。由于間接電流控制的網(wǎng)側(cè)電流動態(tài)響應慢，且對系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏，因此這種控制策略己經(jīng)逐步被直接電流控制策略取代。直接電流控制以其快速的電流響應和魯棒性受到了重視，出現(xiàn)了不同的控制方案，主要包括以固定開關頻率且采用電網(wǎng)電動勢前饋的spwm控制，以及滯環(huán)電流控制。為了提高電壓利用率并降低損耗，基于空間矢量的pwm控制在電壓型pwm整流器中取得了

24、廣泛的應用，并提出了多種方案。目前電壓型pwm整流器網(wǎng)側(cè)電流控制己開始將固定開關頻率、滯環(huán)及空間矢量控制相結合，以使其在大功率有源濾波等需快速電流響應場合獲得優(yōu)越的性能。此外，控制策略上還出現(xiàn)了狀態(tài)反饋控制。(4) pwm整流器系統(tǒng)控制策略的研究 在對pwm整流器的研究過程中，出現(xiàn)了一些較為新穎的控制策略:1q pwm整流器的時間最優(yōu)控制常規(guī)的dq模型的電壓型pwm整流器控制，一般通過前饋解禍控制并采用兩個獨立的pi調(diào)節(jié)器，分別控制相應的有功、無功分量。而有功、無功分量間的動態(tài)禍合和pwm電壓利用率的約束，影響了電壓型pwm整流器有功分量的動態(tài)響應。針對這一問題，有學者提出了直流電壓時間最優(yōu)控

25、制。其基本方法是根據(jù)時間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓，并在動態(tài)過程中降低無功分量的響應速度，提高有功分量的響應速度，實現(xiàn)了時間最優(yōu)控制。 無電網(wǎng)電動勢傳感器和無網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制 為了簡化信號的檢測，t.noguchi等學者提出了一種無電網(wǎng)電動勢傳感器pwm整流器控制策略。這一研究主要包括兩類電網(wǎng)電動勢重構方案:一種是通過功率估計另一種是通過電流的偏差求導重構電動勢。m.riese則通過直流側(cè)電流的檢測來重構交流側(cè)電流，進而實現(xiàn)無交流電流傳感器控制。 電網(wǎng)不平衡條件下的pwm整流器控制 一般的策略研究總是假設電網(wǎng)是平衡的。實際上，電網(wǎng)經(jīng)常處于不平衡狀態(tài)。當電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡時，

26、以三相電網(wǎng)平衡為約束所設計的整流器會出現(xiàn)不正常運行，表現(xiàn)為:pwm整流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)的低次諧波幅值增大，且產(chǎn)生非特征波形，同時損耗相應增大。pwm整流器的交流側(cè)電流不平衡，嚴重時可使整流器故障燒毀。 為了能使整流器在電網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運行，有學者提出了不平衡條件下，網(wǎng)側(cè)電流和直流電壓的時域表達式，認為電網(wǎng)負序分量使導致網(wǎng)側(cè)電流畸變的原因。電網(wǎng)不平衡條件下，常規(guī)的控制方法會使直流電壓產(chǎn)生偶次諧波分量，交流側(cè)會產(chǎn)生奇次諧波分量。d.vincenti等人較為系統(tǒng)地提出了正序dq坐標系中地前饋控制策略，即通過負序分量地前饋控制來抑制電網(wǎng)負序分量地影響。但是由于該方法地負序分量在dq坐標下不

27、是直流量，導致pi調(diào)節(jié)不能實現(xiàn)無靜差控制。因此，又有學者提出了正、負序雙旋轉(zhuǎn)坐標系控制，該方法實現(xiàn)了無靜差控制。但是，雙旋轉(zhuǎn)坐標系控制度的結構比較復雜，運算量大。 基于lyapunov穩(wěn)定理論的pwm整流器控制 針對pwm整流器的非線性多變量強禍合的特點，常規(guī)的控制策略和控制器的設計一般采用穩(wěn)態(tài)工作點小信號擾動線性處理方法，這種方法的不足之處是無法保證控制系統(tǒng)大范圍擾動的穩(wěn)定性。為此，有學者提出了基于lyapunov穩(wěn)定性理論的控制策略。這一新穎的控制方案以電感、電容儲能的定量關系建立了lyapunaov函數(shù)，并由三相pwm整流器的dq模型以及相應的空間矢量pwm約束條件，推導出相應的控制算法

28、。這一方案較好的解決了pwm整流器的大范圍穩(wěn)定控制問題。 (5)對電流型pwm整流器的進一步研究 隨著超導技術的應用與發(fā)展，電流型pwm整流器克服了自身的一些缺陷，在近些年里取得了成功應用。由于在超導儲能變流環(huán)節(jié)中應用的電流型pwm整流器無需另加直流電感，并且具有良好的電流保護性能，因此與電壓型pwm整流器相比，電流型pwm整流器顯得更有優(yōu)勢。目前，電流型pwm整流器的研究主要集中在數(shù)學建模及特征分析、網(wǎng)側(cè)電流畸變和諧振抑制及控制策略、網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)的優(yōu)化設計和不平衡電網(wǎng)條件下的控制設計等上。1.2.3 pwm整流器控制技術研究方向 控制技術是pwm整流器發(fā)展的關鍵。近年來，有關pwm整流器高頻

29、整流控制技術的研究圍繞在以下幾個方面: (1)減少交流側(cè)輸入電流畸變率，降低其對電網(wǎng)的負面效應。一般要求在整個負載波動范圍內(nèi)，交流側(cè)輸入電流的總諧波畸變率低于5%。 (2)提高功率因數(shù)，減少整流的非線性，使之對電網(wǎng)而言相對是“純電阻”負載。 (3)提高系統(tǒng)的動態(tài)響應能力，減少系統(tǒng)的動態(tài)響應時間。 (4)降低系統(tǒng)的開關損耗，提高整個裝置的效率。 (5)減少直流側(cè)紋波系數(shù)，縮小直流側(cè)濾波器體積，減輕重量。(6)提高直流側(cè)電壓利用率，擴大調(diào)制波的控制范圍。1.3放在最前面作為1.1來論述課題的研究目的和意義各種電力電子裝置的使用對公用電網(wǎng)所造成的諧波污染問題受到了人們的關注。據(jù)日本電氣協(xié)會1992年

30、發(fā)表的一項關于諧波源的調(diào)查報告表明，到2001年，ac/dc開關電源的需求平均年增長率為12.7%，通訊設備配套用ac/dc開關電源增長率超過15%，全球開關電源市場規(guī)模從92年的82億增加到99年的166億美元，平均年增長率為10%，到03年全球開關電源規(guī)模超過288億美元。因此，消除諧波污染并提高功率因數(shù)，己經(jīng)成為電力電子技術中的一個重大課題。同時，為了保證電網(wǎng)和用電設備的安全經(jīng)濟運行，目前許多工業(yè)國家和組織都制定了相應的諧波標準，如國際電工委員會(ieo制定的ieee555-2標準對用電裝置的功率因數(shù)和波形失真度作了具體的限制，歐洲也制定了相應的iec-1000-3-2標準，我國國家技術

31、監(jiān)督局也于1993年頒布了電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標準(gb/14549-93)，并于1994年3月1日起正式執(zhí)行。而我國對高功率因數(shù)pwm整流器的研究起步較晚，對pwm整流技術的工程應用研究還有待繼續(xù)深入。鑒于國際標準的要求、國內(nèi)研究現(xiàn)狀及ac/dc電源行業(yè)的巨大市場需求，本課題顯得尤為貼近實際。1.4本文的主要研究內(nèi)容 本論文在進行了大量有關pwm整流器控制的文獻研究和資料分析的基礎上，主要完成一下工作:1.首先閱讀了大量關于三相高功率因數(shù)整流器方面的文章，對該系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)有了一定的了解。通過對電壓型pwm整流器的工作原理進行了比較詳細的分析，建立了整流器的數(shù)學模型，為后面的分析提供了理論

32、基礎。2.基于tms320f2812數(shù)字信號處理器(dsp)，設計了系統(tǒng)的控制回路和檢測回路。3.以三菱ps21867功率智能模塊(ipm)為硬件基礎，設計了pwm整流器的主回路。4.基于硬件實現(xiàn)方案，即通過tms320f2812內(nèi)部的svpwm硬件模塊生成pwm波形，利用匯編和c語言的混合編程，編寫了其實現(xiàn)程序，完成了對pwm整流器的數(shù)字控制看看你選擇的器件是否符合電壓電流大小的要求。第二章pwm整流器的工作原理、拓撲結構及數(shù)學模型本章先對pwm整流器的工組原理進行詳細的分析，剖析其改善功率因數(shù)，實現(xiàn)能量雙向流動的原因，在此基礎上，闡述了多種pwm整流器的拓撲結構并加以比較說明。接著，文章又

33、建立了pwm整流器的兩種基本的數(shù)學模型，并在本章最后簡要介紹了幾種pwm整流器的控制方式。2.1 pwm整流器的工作原理pwm整流器是與傳統(tǒng)整流裝置關鍵性的不同之處是用全控型功率器件取代了半控型功率開關或二極管，以pwm斬控整流取代了相控整流或不控整流，因此，pwm整流器具有下列優(yōu)越性能: (1)網(wǎng)側(cè)電流為正弦波; (2)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控或為單位功率因數(shù); (3)電能雙向流動; (4)較快的動態(tài)控制響應。由此可見，pwm整流器己不是一般傳統(tǒng)意義上的ac/dc變換器，由于能量的雙向傳輸，當pwm整流器從電網(wǎng)吸取能量時，則運行于整流工作狀態(tài);而當pwm整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，則運行于有源逆變工作狀

34、態(tài)。單位功率因數(shù)指的是:當pwm整流器運行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相位(正阻特性);當pwm整流器運行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相(負阻特性引用的圖可以不畫，但圖的解釋的自己寫，而且也不用翻譯成英文)。因此，pwm整流器實際上是一個其交、直流側(cè)可控的四象限運行的變流裝置，下面從模型電路說明其基本原理。從圖2. 1可以看出，pwm整流器模型電路是由交流回路、功率開關橋路和直流回路組成的。其中交流回路包括交流電動勢。以及網(wǎng)側(cè)電感l(wèi)等。直流回路包括負載電阻r:及負載電勢e:等。功率開關橋路為電壓型或電流型橋路組成。當不計功率橋的損耗時，由交、直流側(cè)功率平衡關系可得 (2.1)式中，

35、v, i為模型電路交流側(cè)電壓、電流。v dc ,i dc為模型電路直流側(cè)電壓、電流。 由式( 2. 1)可看到:通過模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之亦然。下面從模型電路交流側(cè)入手，分析pwm整流器的運行狀態(tài)和控制原理。 為簡化分析，對于pwm整流器模型電路，只考慮基波分量而忽略pwm諧波分量，并且忽略交流側(cè)電阻。穩(wěn)態(tài)條件下，pwm整流器交流側(cè)矢量關系如圖2. 2所示圖2.2中: e,交流電網(wǎng)電動勢矢量;v,交流側(cè)電壓矢量;vl交流側(cè)電感電壓矢量;i交流側(cè)電流矢量。由圖2.2分析可知，當以電網(wǎng)電動勢矢量為參考時，通過控制交流電壓矢量v即可實現(xiàn)pwm整流器的四象限運行。假設i不變，v

36、l= wli也是固定不變，此時，pwm整流器交流電壓矢量v端點運動軌跡為一個以vl為半徑的圓。當電壓矢量v端點位于圓軌跡a點時，電流矢量i比電動勢矢量e滯后90。，此時pwm整流器網(wǎng)側(cè)呈純電感特性，如圖2.2 a)所示；當電壓矢量v端點運動到圓軌跡b點時，電流矢量i于電動勢e平行且同向，此時，pwm整流器網(wǎng)側(cè)呈正電阻特性，如圖2.2 b)所示;當電壓矢量v端點運動到c點時，電流矢量i超前電動勢矢量e 90。，此時，pwm整流器網(wǎng)側(cè)呈純電容特性，如圖2.2 c)所示;當電壓矢量v端點運動到d點時，電流矢量i于電動勢e平行且反向，此時，pwm整流器網(wǎng)側(cè)呈負電阻特性，如圖2.2 d)所示。上述中的a

37、, b, c, d四點是pwm整流器四象限運行的四個特殊工作狀態(tài)點進一步分析，可得pwm整流器四象限運行規(guī)律:(1)當電壓矢量v端點在圓軌跡ab上運動時，pwm整流器運行于整流狀態(tài)。此時，pwm整流器需從電網(wǎng)吸收有功及無功功率，電能將通過pwm整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。值得注意的是，當pwm整流器運行在b點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制。而在a點運行時，pwm整流器則不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收感性無功功率。 (2)當電壓矢量v端點在圓軌跡sc上運動時，pwm整流器運行于整流狀態(tài)。此時， pwm整流器需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過pwm整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負載。當pwm

38、整流器運行至c點時，此時，pwm整流器將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。 (3)當電壓矢量v端點在圓軌跡cd上運動時，pwm整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時pwm整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從pwm整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當pwm整流器運行至d點時，便可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變。(4)當電壓矢量v端點在圓軌跡da上運動時，pwm整流器運行于有源逆變狀態(tài)。此時pwm整流器向電網(wǎng)傳輸有功及感性無功功率，電能將從pwm整流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。2.2 pwm整流器電路拓撲 pwm分類方法很多，但最基本的分類方法是將其分為電壓型pwm整流器(voltage source r

39、ectifier, vsr)和電流型pwm整流器(current sourcerectifier, csr)兩大類，這主要是因為電壓型、電流型pwm整流器，無論是在主電路結構、pwm信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自的特點，且兩者間存在電路上的對偶性。2.2.1電壓型pwm整流器拓撲結構 1.單相半橋、全橋vsr拓撲結構 如圖2. 3是單相半橋和全橋電路拓撲結構，兩者交流側(cè)結構相同，交流側(cè)的電感主要用以濾除電流諧波。由圖知，單相半橋vsr只有一個橋臂為功率開關，另一橋臂由兩個電容串聯(lián)組成，兩串聯(lián)電容兼做直流側(cè)儲能電容;而單相全橋vsr的兩橋臂都采用功率開關，圖中的反并聯(lián)的二極管為續(xù)流二極管，用

40、來緩沖pwm過程中的無功電能。對比可見，半橋電路結構簡單，造價低，因此常用于低成本、小功率的場合。然而，在相同的交流側(cè)電路參數(shù)條件下，要使單相半橋vsr和單相全橋vsr獲得同樣的交流側(cè)電流控制特性，半橋電路直流電壓應是全橋電路直流電壓的兩倍，因此功率開關耐壓要求相對提高。另外，為使半橋電路中電容中點電位基本不變，還需引人電容均壓控制，可見單相半橋vsr的控制相對復雜。 2.三相半橋、全橋vsr拓撲結構 如圖2.4 a)為三相半橋電壓型pwm整流器拓撲，這是一種最常見的三相pwm整流器，其交流側(cè)采用三相對稱無中線連接，3個橋臂具有6只功率開關。圖2.4 b)為三相全橋vsr拓撲，其公共直流母線上

41、連接了三個獨立控制的單相全橋vsr，并通過變壓器連接至電網(wǎng)。因此，三相全橋vsr實際上是由三個獨立的單相全橋vsr組合而成的，當電網(wǎng)不平衡時，不會嚴重影響pwm整流器控制性能，由于三相全橋電路所需的功率開關管是三相半橋電路的兩倍，所以三相全橋電路一般較少采用。 上述的1和2拓撲都屬于常規(guī)的二電平拓撲結構，其不足之處是在高壓場合下，需使用高反壓的功率開關或多個功率開關串聯(lián)使用。此外，由于vsr交流側(cè)輸出電壓總在二電平上切換，當開關頻率不高時，會導致諧波含量相對較大。3.三電平vsr拓撲結構三電平vsr可以解決二電平vsr的不足。從圖2.5可以看到，這種拓撲結構中以多個功率開關串聯(lián)使用，并采用二極

42、管箱位以獲得交流輸出電壓的三電平調(diào)制，因此，三電平vsr在提高耐壓等級的同時有效的降低了交流側(cè)諧波電壓、電流，從而改善了其網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。三電平電路所需功率開關與二電平相比成倍增加，并且控制也相對復雜。 4.基于軟開關調(diào)制的vsr如圖2.6所示，橋式并聯(lián)諧振網(wǎng)絡由諧振電感l(wèi)r、諧振電容cr、功率開關v7以及續(xù)流二極管vd7,vd8:組成，v8,vd9，為直流側(cè)開關，作用是將直流側(cè)與諧振網(wǎng)絡和交流側(cè)隔離。在一定條件下，lr , cr，產(chǎn)生諧振，使cr;兩端產(chǎn)生零電壓，此時，三相橋功率開關進行切換，即可實現(xiàn)軟開關pwm控制。 5.電流源型pwm整流器如圖2.7所示為csr電路結構，可以看出，除了直流

43、儲能電感外，與vsr相比，其交流側(cè)還增加了濾波電容，與網(wǎng)側(cè)電感組成lc濾波器，濾除網(wǎng)側(cè)諧波電流，并抑制諧波電壓。橋臂上順向串聯(lián)二極管，目的是阻斷反向電流，并提高功率開關的耐反壓能力。2.3三相pwm整流器數(shù)學模型2.3.1三相pwm整流器動態(tài)數(shù)學模型 三相pwm整流器的拓撲結構如圖所示，開關等效圖如圖2.8所示。這里假設電路滿足以下條件 1)電源是三相平衡正弦電壓源。 2)濾波電感l(wèi)是線性的，不考慮飽和現(xiàn)象。 定義三相開關函數(shù)如下: sk=1，第k相上橋臂開關管導通，下橋臂開關管關斷; sk=0，第k相下橋臂開關管導通，上橋臂開關管關斷。 k=a,b,c對a相電路，有論文中所有用到的公式都要用

44、公式編輯器打，不能偷懶:設rt，為igbt的等效電阻，當上橋臂開關導通，且小橋臂開關關斷時，有:當下橋臂導通，上橋臂關斷時，有:將式(2. 2 )、式(2. 3)代入式(2. 1)可得:同一橋臂上下開關不能同時導通，即 ，同時，約定 ，則式(2. 4 )可寫為:同理可得b相和c相的微分方程如下:對于三相平衡系統(tǒng)，有:ua + ub + uc = 0 ，將式(2. 5 )、(2. 6)、(2. 7)變換代入，可得:則中性點電壓為:將式(2. 8 )代入式(2. 5 )中，可得完整的a相方程:同理可得b相、c相方程如下:對負載電流進行分析，可得電容上電壓:整理可得方程組式中，c，整流器直流側(cè)濾波電

45、容 ls,rs，電感器的等效參數(shù) rl，整流器負載電阻 u dc，整流器輸出電壓 ia , ib , ic，整流器三相輸入電流 ua,ub,uc，三相電網(wǎng)電壓定義三相相電壓函數(shù)則整流器的交流側(cè)數(shù)學模型為:由式(2. 14)，可得交流側(cè)高頻等效電路如圖2.3.2基于狀態(tài)空間平均法數(shù)學模型 表達式(2.14)是一組對時間不連續(xù)的微分方程，普通的數(shù)學方法難以求得其解析解，造成不連續(xù)的原因在于開關函數(shù)的不連續(xù)性。當開關頻率很高時，狀態(tài)空間平均法是解決該問題的一種行之有效的方法。根據(jù)此概念，可以用開關函數(shù)在一個開關周期內(nèi)的平均值代替函數(shù)本身，得到對時間連續(xù)的狀態(tài)空間平均模型。應用了傅立葉變換這個模型，則

46、一個周期的傅立葉級數(shù)為:對于一個spwm爵自然采樣瓣，在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)換點并不是對稱的。然而，當轉(zhuǎn)換頻率比固有頻率大的多的時候，在一個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)調(diào)制波可被看成一個常量。因此，轉(zhuǎn)換部分接近對稱了，如圖(2.9 )所示對di;進行偶拓展得:令di=sk代入方程( 2.14 )，這樣( 2.14)就由帶開關函數(shù)得方程變?yōu)榱诉B續(xù)方程，如下:式中di為一個開關周期內(nèi)開關函數(shù)sk的平均值，由于開關函數(shù)是幅值為1的脈沖，所以其平均值等于其占空比。根據(jù)狀態(tài)空間平均定義三相相電壓平均值函數(shù)。令可得基于狀態(tài)空間平均法pwm整流器等效模型:對于幅相控制，相角平和調(diào)制系數(shù)m將控制d;，第i相的占空比d，可表示如下:根據(jù)文獻11可得:這里； em是em的穩(wěn)態(tài)值，。是w的穩(wěn) 態(tài)值，是功率因數(shù)角，表示單位功率因數(shù)。第三章整流器主電路參數(shù)的選擇畫出你的原理框圖，參數(shù)計算要詳細給出計算過程。主電路參數(shù)的選擇主要是指直流側(cè)電壓、交流側(cè)電感和直流側(cè)電容的選取。3.1直流側(cè)電壓的選定 直流側(cè)輸出電壓udc。不僅要滿足負載對