三相電壓型PWM整流裝置的研究

1、西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文三相電壓型PWM整流裝置的研究姓名：蔣耀申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：電力電子與電力傳動指導(dǎo)教師：曾光20080301摘要論文題目：三相電壓型整流裝置的研究學(xué)科專業(yè)：電力電子與電力傳動研究生：蔣耀簽名：指導(dǎo)教師：曾光教授簽名：韭產(chǎn)摘要隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中添加了大量的非線性負(fù)載，引起電網(wǎng)電壓、電流的畸變，導(dǎo)致電力污染，尤其二極管、晶閘管整流系統(tǒng)作為各類電力電子設(shè)備與電網(wǎng)的接口，是最主要的諧波污染源?！空骷夹g(shù)能夠使整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化并且運行于單位功率因數(shù)狀態(tài)，消除了傳統(tǒng)整流器的弊端，促進了整流技術(shù)的長遠發(fā)展，得到了廣泛的研究和工程應(yīng)用。本文圍繞整流中的

2、三相（）展開研究，詳細分析了三相整流器在輸入三相交流平衡電壓時的數(shù)學(xué)模型、工作原理；研究了電感和電容參數(shù)設(shè)計方法；深入研究了基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流解耦控制算法，并用進行了仿真，驗證了算法的準(zhǔn)確性，設(shè)計了基于的電壓電流雙閉環(huán)控制器。以為內(nèi)核搭建硬件電路，對整流器及其控制方法進行了實驗驗證。實驗結(jié)果驗證了本文所設(shè)計的三相整流器控制方案，以及理論分析的正確性。試驗結(jié)果表明：采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流解耦控制算法，能夠使三相系統(tǒng)實現(xiàn)高功率因數(shù)整流，電網(wǎng)側(cè)相電壓、電流基本同相位，電流跟隨速度快，具有優(yōu)良的動態(tài)和靜態(tài)控制特性。關(guān)鍵詞：整流器；雙閉環(huán)控制：；高功率因數(shù)：參數(shù)設(shè)計西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文：上螄：，。

3、，岍：；主要符號表主要符號表，。三相交流輸入電源相電壓：橋臂開關(guān)管開關(guān)，關(guān)斷邏輯；橋臂開關(guān)管開關(guān)，關(guān)斷邏輯；只橋臂開關(guān)管開關(guān)，關(guān)斷邏輯；，三相交流輸入電感的電感和等效電阻：直流側(cè)電容；流過負(fù)載的電流；、整流器交流側(cè)輸入電壓；。、廣整流器交流側(cè)輸入電流；整流器直流側(cè)電壓；整流器直流參考電壓；一一電源電壓角頻率：島、一一軸電流調(diào)節(jié)器的比例、積分增益；、如軸電流調(diào)節(jié)器的比例、積分增益；瓦一一電壓環(huán)采樣時間。獨創(chuàng)性聲明秉承祖國優(yōu)良道德傳統(tǒng)和學(xué)校的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)鄭重申明：本人所呈交的學(xué)位論文是我一一個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究作及取得的成果。盡我所知，除特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人的研究成果。

4、與我一同工作的同志對本文所研究的工作和成果的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并已致謝，本論文及其相關(guān)資料若有不實之處，。由本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任論文作者簽名：。：整：盟一，一嘭年，多月；日學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本人蓬：盟：；在導(dǎo)師的指導(dǎo)下創(chuàng)作完成畢業(yè)論支，本人已通過論文的答辯，。并已經(jīng)在西安理工大學(xué)申請博士碩士學(xué)位。本人作為學(xué)位論文著作權(quán)擁有者，同意授權(quán)西安理工大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：）已獲學(xué)位的研究生按學(xué)校規(guī)定。提交印刷版和電子版學(xué)位論文，學(xué)校可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存研究生上交的學(xué)位論文，一可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索：）為教學(xué)和科研目的，學(xué)?？梢?/p>

5、將公開的學(xué)位論文或解密后的學(xué)位論文作為資料在圖書館、。資料室等場所或在校園網(wǎng)上供校內(nèi)師生閱讀、瀏覽。本人學(xué)位論文全部或部分內(nèi)容的公布（包括刊登）授權(quán)西安理工大學(xué)研究生部辦理。（保密的學(xué)位論文在解密后，適用本授權(quán)說明）論文作者簽名：盞：盟喜碲簽毫：二粒年一月日第章緒論緒論課題背景與意義傳統(tǒng)的整流器由二極管或晶閘管組成，由于其控制簡單，工作可靠，故作為電力電子設(shè)備與電網(wǎng)的接口在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而這類整流器存在著以下的一些缺點：（）（）（）輸入電流諧波含量較高，成為電網(wǎng)主要的諧波污染源；從電網(wǎng)吸收無功功率，輸入功率因數(shù)較低：能量單向傳遞，只能從交流側(cè)傳遞到直流側(cè)；在用作交流電機調(diào)速系統(tǒng)前

6、端整流部件時，電機減速、制動產(chǎn)生的回饋能量只能夠消耗在制動電阻上；（）直流側(cè)電壓不可調(diào)。無論是二極管不控整流，還是晶閘管相控整流，其產(chǎn)生的低功率因數(shù)和高諧波含量都將導(dǎo)致電網(wǎng)正弦電壓畸變，增加配電系統(tǒng)導(dǎo)線與變壓器的損耗，增大諧波電流，造成電網(wǎng)上其它用電裝置嚴(yán)重的電磁干擾。同時，低功率因數(shù)還將降低電源系統(tǒng)的負(fù)載能力和可靠性，因此，消除諧波污染并提高功率因數(shù)，已成為電力電子技術(shù)中的一個重大課題。對電網(wǎng)來說，可以在電力系統(tǒng)中加入補償器來補償電網(wǎng)中的諧波，如有源濾波（：），靜止無功補償（：）等，也可以設(shè)計輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。前者是產(chǎn)生諧波后進行補償，是一種事后補救的措施；而后

7、者是消除了諧波源，是一種從根本上解決諧波問題的措施。整流器對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波污染，是一種真正意義上的綠色環(huán)保電力電子裝置?！空髌鞯闹饕攸c有：（）（）（）（）輸入電流高度正弦化，諧波含量少；網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制（如單位功率因數(shù)控制）：電能的雙向傳輸：較快的動態(tài)響應(yīng)。因此研制高性能的整流裝置具有重要的意義。在中大功率場合特別是需要能量雙向傳遞的場合中，整流電路具有非常廣泛的應(yīng)用前景。整流技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展由于整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化且運行于單位功率因數(shù)狀態(tài)，能量可雙向傳輸，真正實現(xiàn)了“綠色電能變換，因而近年來受到廣泛的關(guān)注和研究，經(jīng)過多年的發(fā)展，整流器主電路已從早期的半控橋發(fā)展到如今的全控橋；在主電路類

8、型上既有電壓型整流器（），又有電流型整流器（）；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也已從單相、三相電路發(fā)展到多組級聯(lián)或多電平拓?fù)潆娐罚豢刂埔灿蓡渭兊挠查_關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制。由于整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)出受控電流源特性，這一特性西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使整流器控制技術(shù)及其應(yīng)用獲得進一步的發(fā)展和拓寬，滲透到了其它眾多領(lǐng)域，如靜止無功補償（）、有源電力濾波（）、統(tǒng)一潮流控制（），超導(dǎo)儲能（），高壓直流輸電（）、電氣傳動（）、新型以及太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等。在中大功率場合特別是需要能量雙向傳遞的場合中，整流電路具有非常廣泛的應(yīng)用前景。等新型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的出現(xiàn)和控制技術(shù)的發(fā)展，極大地促進了整流電路的發(fā)展，并使之進

9、入了實用化階段，目前己將其廣泛應(yīng)用于有源濾波器¨、超導(dǎo)儲能¨、交流傳動以及高壓直流輸電¨，叼等方面。在我國，很多研究人員也展開了對整流電路的研究，像電壓型整流器控制策略的研究，整流器主電路拓?fù)涞难芯客停娏餍驼髌骺刂撇呗缘难芯康侵饕岳碚撗芯亢蛯嶒炇已芯繛橹?，雖然取得了一定進展，但是仍然不夠完善，與產(chǎn)業(yè)化還有較大的距離。從世紀(jì)年代末開始，國內(nèi)外對整流器的研究主要集中在數(shù)學(xué)模型、控制策略、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化等方面，目前的研究重點主要集中在無電流傳感器控制，非線性控制等控制策略，以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進方面。（）數(shù)學(xué)模型的建立和分析等學(xué)者首先提出基于坐標(biāo)變換的整流器數(shù)學(xué)

10、模型，之后，基于微分方程的變換建立了時域高頻、低頻模型，并采用小信號法得到線性化模型。而，等則基于開關(guān)電路的變壓器等效電路，建立了低頻等效電路模型，與上述基于微分方程得到的低頻模型實質(zhì)是相同的。在此基礎(chǔ)上，等又建立了一種降階小信號模型。（）電壓型整流器控制策略對于電壓型整流器，線性控制策略可以分為間接電流控制，直接電流控制和直接功率控制，（）電流型整流器最初提出】整流器技術(shù)是以電流型拓?fù)涮岢龅?，但由于電流型結(jié)構(gòu)所需要的較大的儲能大電感，以及控制的復(fù)雜性，使得電流型整流器的發(fā)展相對比較緩慢，近年來隨著超導(dǎo)技術(shù)的進展，電流型整流器在超導(dǎo)儲能領(lǐng)域得到了較為成功的應(yīng)用。（）主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究啷刪根據(jù)

11、整流器直流側(cè)電能輸出環(huán)節(jié)的不同，可以將整流器分為電壓型整流器和電流型整流器，在研究和實際應(yīng)用都是以電壓型整流器為主。電壓型整流器的交流側(cè)使用電感濾除系統(tǒng)中的高頻電流，直流側(cè)使用電力電容進行儲能和濾波，電力電感和電力電容的體積都比較大，增大了整流設(shè)備的體積和成本，為了減小這兩種功率器件的容量或者完全去除，從而減小整流設(shè)備體積及成本，提出了各種控制方法。如直流側(cè)紋波補償、無直流儲能環(huán)節(jié)等控制方案。直流紋波補償法利用在直流側(cè)增設(shè)小容量電池支路來減小直流側(cè)電容的容量，而無直流儲能環(huán)節(jié)控制研究了應(yīng)用于逆變器中第章緒論整流電源的控制，結(jié)合逆變器的工作及開關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)的控制整流器的工作狀態(tài)，從而去除了直流側(cè)

12、電容，其主電路拓?fù)淙鐖D所示。為了能夠應(yīng)用于高電壓、大電流應(yīng)用場合，采用整流器串并聯(lián)、多電平技術(shù)、軟開關(guān)等技術(shù)來降低整流器的高頻開關(guān)損耗。弘潞（，）二、哪）尺）幺本名圭：【本聿本球迭”圪一一吒一二、，屹巳一÷聿幸。聿卒聿萃埠聿本圖卜應(yīng)用于逆變器中的無直流環(huán)節(jié)整流器主電路（）無傳感器技術(shù)和輸入不平衡的研究無傳感器技術(shù)的研究使得整流器系統(tǒng)可以免除輸入側(cè)電壓或者電流傳感器，采用預(yù)測算法重構(gòu)三相輸入電壓或者電流。而三相輸入不平衡狀況下整流器控制的研究通過引入正序、負(fù)序兩套控制結(jié)構(gòu)也已經(jīng)取得較完善的結(jié)果，。本課題的目的和任務(wù)詳細分析三相整流器在輸入三相電網(wǎng)電壓平衡時的數(shù)學(xué)模型，控制方案采用空間電

13、壓矢量原理，這不僅能夠有效地控制開關(guān)器件的最高開關(guān)頻率，而且數(shù)字實現(xiàn)簡單。仿真和實驗結(jié)果表明，三相、啊整流器不僅能夠有效地抑制注入電網(wǎng)的諧波，還可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。具體工作如下：（）詳細分析三相兩電平整流器的兩種數(shù)學(xué)模型及其工作原理，分析幾種常用的控制策略并比較了它們的優(yōu)缺點；（）對網(wǎng)側(cè)電壓平衡狀態(tài)下三相電壓型整流器進行理論分析，深入研究基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流解耦控制算法，并對其在下進行仿真研究，得出其仿真結(jié)果和波形；（）對主電路模塊、三相交流側(cè)輸入電感、直流側(cè)電容進行研究設(shè)計，選定實驗所使用的器件；（）以為內(nèi)核，設(shè)計控制電路，包括電壓和電流采樣電路，內(nèi)核的控制電路，用選定的，電容，電感

14、完成主電路，搭建三相兩電平整流器實驗平臺，使用匯編語言編制軟件，對電阻負(fù)載進行實驗研究，并進行負(fù)載突變的實驗研究；（）完成上述整流器樣機的測試和試驗，并對試驗結(jié)果進行分析。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文三相系統(tǒng)模型及工作原理分析本章內(nèi)容主要包括兩電平電壓型整流器電路（）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型的分析，電路控制策略的比較，重點研究了雙閉環(huán)電流解耦控制。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，各國研究人員已設(shè)計出多種整流電路，并可以作如下分類：按直流儲能形式可分為電壓型和電流型；按電網(wǎng)相數(shù)可分為單相電路、三相電路和多相電路；按開關(guān)調(diào)制方式可分為硬開關(guān)調(diào)制和軟開關(guān)調(diào)制；按橋路結(jié)構(gòu)可分為半橋電路和全橋電路；按調(diào)制電平可分為二電平電路

15、、三電平電路和多電平電路。盡管分類方法多種多樣，但最基本的分類方法就是將整流器分類成電壓型和電流型兩大類，這主要是因為電壓型、電流型整流器無論從電路結(jié)構(gòu)、信號發(fā)生以及控制策略等方面均有各自特點，電壓型整流器直流側(cè)采用電容進行儲能，而電流型整流器直流側(cè)采用電感進行儲能。相對于電流型整流器而言，電壓型整流器有較快的響應(yīng)速度且易于實現(xiàn)，所以目前整流器一般采用電壓型整流電路。電壓型整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓型整流器最顯著的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是直流側(cè)采用電容進行直流儲能，從而使直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。以下為幾種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（）單相半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩者交流側(cè)具有相同的電路結(jié)構(gòu)，其中交流側(cè)電感主要用來濾除網(wǎng)側(cè)

16、電流諧波。其電路圖如圖所示。（）半橋圖一單相電壓型整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（）全橋由圖（）可以看出，單相半橋整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有一個橋臂采用了功率開關(guān)管，另一橋臂則由兩個電容串聯(lián)組成，同時串聯(lián)電容又兼作直流側(cè)儲能電容：而單相全橋整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則如圖（）所示，采用了具有個功率開關(guān)管的橋結(jié)構(gòu)，值得注意的是：整流器主電路功率開關(guān)管必須反并聯(lián)一個續(xù)流二極管，以緩沖第章，：系統(tǒng)模型及工作原理分析過程中的無功電能。比較兩者，顯然半橋電路具有較簡單的主電路結(jié)構(gòu)，且功率開關(guān)管數(shù)只有全橋電路的一半，因而造價相對較低，常用于低成本、小功率應(yīng)用場合。進一步研究表明，在相同的交流側(cè)電路參數(shù)條件下，要使單相半橋整流器和單相全

17、橋整流器獲得同樣的交流側(cè)電流控制特性，半橋電路直流電壓應(yīng)是全橋電路直流電壓的兩倍，因此功率開關(guān)管耐壓要求相對較高。另外，為使半橋電路中電容中點電位基本不變，還需引入電容均壓控制，可見單相半橋整流器的控制相對復(fù)雜。（）三相半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖分別給出了三相半橋和三相全橋主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（）三相半橋整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（）三相全橋整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖三相電壓型整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三相半橋整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖（）所示，這種電路由一個三相全控橋、交流側(cè)的三個電感、直流側(cè)一個大的直流穩(wěn)壓電容構(gòu)成，是目前比較常用的三相整流電路，比較適合用與三相電網(wǎng)平衡系統(tǒng)。當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡時，其控制性能將惡化，為

18、克服這一不足，可以采用三相全橋設(shè)計，豐全橋整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文（）所示，三相全橋整流器實際上是由三個獨立的單相全橋整流器組合而成的，由于三相全橋電路所需的功率開關(guān)管是三相半橋電路的兩倍，因而三相全橋電路一般較少采用。（）三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由多個功率開關(guān)管串聯(lián)使用，并采用二極管鉗位，以獲得交流輸出電壓的三電平調(diào)制。顯然，三電平在提高耐壓等級的同時，有效降低了交流諧波電壓，電流，從而改善了其網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。圖新型三電平整流電路拓?fù)淙嘞到y(tǒng)模型電壓型整流器數(shù)學(xué)模型分析三相一般數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在三相靜止坐標(biāo)系（，）中，利用電路基本定律對所

19、建立的一般數(shù)學(xué)描述，三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示：圖三相主電路拓?fù)涞谡氯嘞到y(tǒng)模型及工作原理分析（）為三相平衡相電壓，為交流側(cè)濾波電感，為交流側(cè)線路電阻和功率開關(guān)電阻之和的等效電阻，直流側(cè)電壓濾波電容，阻性負(fù)載尺：以及負(fù)載電動勢一如上圖所示，當(dāng)三相系統(tǒng)中負(fù)載電動勢，為零時，直流側(cè)為純阻性負(fù)載，三相只能運行在整流模式；當(dāng)直流側(cè)電動勢大于直流側(cè)電容兩端的電壓時，三相就可以既運行在整流模式，又可以運行在有源逆變模式。為了建立開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型，首先定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)：上橋臂開關(guān)導(dǎo)通，下橋臂開關(guān)關(guān)斷山，上橋臂開關(guān)關(guān)斷，下橋臂開關(guān)導(dǎo)通根據(jù)基爾霍夫電壓定律，三相的相回路方程為：哮城巳叱伊驀同理，可以得

20、到相和相的回路方程：喙城也三生巳一假設(shè)電網(wǎng)輸入為理想電源，即三相電壓平衡，從而有：毛聯(lián)寺式（）罕式（）可以得到”一孚影片直流側(cè)電流也應(yīng)用基爾霍夫電流定律，對直流側(cè)電容正極點處建立節(jié)點電流方程：警吼嘞峨一警（）（）（）（）（）（）（）（）（）西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文聯(lián)立以上各式，可以得到三相在三相靜止坐標(biāo)系上的開關(guān)函數(shù)模型為：警彩三功一（一吾，萎，一）氣丘三相在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（）上的數(shù)學(xué)模型和。七（口，）利用局部電路的坐標(biāo)變換建立了整流器的低頻等效模型，并給出了穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性分析，由于建立在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸上的整流器模型，將系統(tǒng)中復(fù)雜的時變交流量轉(zhuǎn)換為矢量即具有方向的直流量，從而使控制算法簡單明了，并且

21、由于空間電壓矢量（）的優(yōu)越性，三相的矢量控制技術(shù)得到了廣泛的認(rèn)可和研究，現(xiàn)在大多整流器的控制算法都是建立在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型的基礎(chǔ)上。三相在三相靜止坐標(biāo)系的模型必須經(jīng)過坐標(biāo)變換才能轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系。坐標(biāo)變換分為“等量變換”和“等功率變換”兩種，等量變換是根據(jù)變換前后矢量大小不變的原則進行變換，而等功率變換則是根據(jù)變換前后，系統(tǒng)的功率保持不變的原則進行變換。在一個系統(tǒng)中，必須使用基于同一種原則的變換和逆變換。由于“等功率變換”矩陣為正交矩陣，變換矩陣的逆矩陣就是變換矩陣的轉(zhuǎn)秩，所以在矢量控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用。下面就對“等功率變換予以簡單介紹。等功率變換及其反變換（）三相交流變量從三相靜止坐標(biāo)系（，）到兩相

22、靜止坐標(biāo)系（口，）的變換稱為變換，兩種坐標(biāo)系的位置關(guān)系如圖所示：口軸與軸同軸，軸與口軸垂直，超前口軸度，矢量，與口軸正方向之間夾角為臼。圖矢量變換圖三相靜止坐標(biāo)系（，）到兩相靜止坐標(biāo)系（口，）的等功率變換式為：第章三相系統(tǒng)模型及工作原理分析阡店變換為：一丟一（）巫一魚兩相靜止坐標(biāo)系（口，）到三相靜止坐標(biāo)系（，）的等功率變換即反雌阡壓（）壓對于三相繞組不帶零線的星形接法，有毛屯，因此之一乞一屯，代入式（）式（），就可以得到變換及其反變換的簡化算法：履。（）厄厄：厲。（）一蠕根據(jù)變換的簡化算法，只需要知道三相靜止坐標(biāo)系中的兩個變量，就可以將三相靜止坐標(biāo)系中的三相交流變量轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系中，這要

23、求系統(tǒng)為三相平衡系統(tǒng)，三相輸入電壓和為，接線是三相對稱不接零線的星形接法，所以在實際應(yīng)用中，對于這種接法的系統(tǒng)交流側(cè)電流或電壓只需要檢測兩相電壓或者電流。等功率變換（）三相交流變量從兩相靜止坐標(biāo)系（口，）到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（，）的變換稱為變換，兩種坐標(biāo)系的位置關(guān)系如圖所示：兩相靜止坐標(biāo)系中軸超前口軸度，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸超前軸度。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸與兩相靜止坐標(biāo)系口軸正方向之間夾角為。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文尹磊×譬乞圖矢量變換圖兩相靜止坐標(biāo)系（口，）到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（，）的等功率變換式為：白，篇咧羽（）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（，）到兩相靜止坐標(biāo)系（口，）的等功率變換即反變換為：蹦咖矽劣甜億舊利用的反變換，可

24、以將三相在三相靜止坐標(biāo)系的開關(guān)函數(shù)模型式（）轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系，從而得到三相在兩相靜止坐標(biāo)系上的開關(guān)函數(shù)模型如式（）。式（）中。，為三相電源電壓變換為兩相靜止坐標(biāo)系筇軸上的電壓分量，屯、占為三相輸入電流變換到兩相靜止坐標(biāo)系軸上的電流分量，、為兩相靜止坐標(biāo)系中的單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)，口、口為整流橋中點電壓變換到兩相靜止坐標(biāo)系中的電壓值?；?，缸（口）一三等城氣一虬（）魯嶼一其中：以吃礦出利用反變換，將三相的兩相靜止坐標(biāo)系模型轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，從而得到三相在，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)出互（）一屯哮砒城一（）唾塒心：勺一其中吃出礙第章三相系統(tǒng)模型作原理分析式中、為三相電源電壓變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓

25、值，乙、為三相輸入電流變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流值，、為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)，、。為整流橋中點電壓變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓值。三相的調(diào)制方法采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的控制方法得到兩相的電壓給定后，可以采用正弦脈寬調(diào)制（）技術(shù)來得到三相六個開關(guān)管的開關(guān)信號?；驹硎侵v兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓給定變換到三相靜止坐標(biāo)系中，標(biāo)幺化后與頻率固定的三角波進行比較，就可以得到脈寬調(diào)制信號。這種方法在早期的三相控制中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著算法的不斷改進和控制芯片的迅速發(fā)展，電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（）技術(shù)被引入到高頻變流領(lǐng)域。是一種優(yōu)化的憎技術(shù)，此方法控制簡單，電流波形畸變小，數(shù)字化實現(xiàn)方便

26、，能明顯減少交流側(cè)電流的諧波成分，提高電壓利用率，比控制技術(shù)提高了，已有取代傳統(tǒng)】的趨勢。其基本控制思想如下：三相空間電壓矢量描述了三相交流側(cè)相電壓（口、）在復(fù)平面上的空間分布，由式（）一式（）易得：口【一（毛）】【一（。）】心（）】（）（）（）式中路、為三相單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)。將中開關(guān)函數(shù)組合代入式（）式（），即得到相應(yīng)的三相交流側(cè)電壓值，如表所示。表不同開關(guān)組合時候的電壓值屹一現(xiàn)礬砜覘耐仉一礬礬礬乩礬?，F(xiàn)乩乩現(xiàn)礬砜分析表可以知道，三相不同開關(guān)組合時的交流側(cè)電壓可以用一個模為的空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來，由于三相開關(guān)的有限組合，因此其空間電壓矢量只有條，如圖所示。其中，（）和（）由于

27、模為零而稱為零矢量。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文顯然，某一開關(guān)組合就對應(yīng)一條空間矢量，該開關(guān)組合時的口、屹、即為該空間矢量在三軸（，）上的投影：。（）一，一礦、廣，、餅飛、，、圖三相空間電壓矢量分布復(fù)平面上三相空間電壓矢量可定義為溉號木“扣州（），上式可以表達成開關(guān)函數(shù)形式，即¨（。棚足已一棚）（，）（）對于任意給定的三相基波電壓瞬時值吃、。，若考慮三相為平衡系統(tǒng)，可以得到，則可以在復(fù)平面內(nèi)定義電壓空間矢量為吾（棚一枷）（）三相空間電壓矢量一共有條，除條零矢量外，其余條非零矢量對稱均勻分步在復(fù)平面上。對于任一給定的空間電壓矢量，均可以用兩個相鄰的非零矢量和兩個零矢量合成，例如，在區(qū)間，可

28、以由、合成，如圖所示，并且滿足：瓦互互（）二兀石瓦（）圖電壓矢量合成圖根據(jù)式（）與式（），從圖得互：（），壓（）互魄一互一乃（）如果王嗎，則過飽和。所以需要對五和互進行歸一化處理，同時得到零矢量的開通時間：互互志互疋志（）以空間矢量在第一扇區(qū)為例來分析開關(guān)管導(dǎo)通時間的分配。第一扇區(qū)相鄰兩個向量為別為（）和（），如果采用零矢量對稱的插法，則三相橋臂導(dǎo)通的情況可以用圖表示：！一野：珥：孥：二。，呸；（）；（）；（）（）（“）；（）；（）；（）圖空間矢量在第一扇區(qū)時的開關(guān)模式西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文整流器常用的控制策略目前，整流器有許多種控制方法，并且還在不斷發(fā)展。就電壓型整流器的控制方式而言，主要

29、分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制又稱為幅值和相位控制，是指通過控制整流器輸入端電壓，使其與電源電壓保持一定的幅值相位關(guān)系，從而控制交流側(cè)輸入電流呈正弦波形，使裝置運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。直接電流控制通常在控制系統(tǒng)中引入實際的交流輸入電流的反饋信號，將其與給定信號比較，通過對其誤差的調(diào)節(jié)，來控制器件的通斷，使得在一定誤差范圍內(nèi)，保證實際電流與給定信號的一致，形成電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。直接電流控制具有比間接電流控制更好的控制性能，因此在實際中得到了廣泛應(yīng)用，其主要分為滯環(huán)電流控制、預(yù)測電流控制、定頻控制等。下面分別對幅值相位控制、滯環(huán)電流控制和雙閉環(huán)電流解耦控制進行闡述。幅值

30、相位控制幅值相位控制屬于間接電流控制方案，由控制調(diào)制電壓的幅值“。和控制調(diào)制電壓與電源電壓的相位差來達到控制輸出直流電壓和調(diào)節(jié)功率因數(shù)的目的釘。設(shè)電源電壓為：。（）等】，（）交流調(diào)制電壓的基波為：擾?；ヒ灰唬ǎ┑龋ǎ┢渲?，為電源電壓的有效值，為調(diào)制電壓的有效值。若滿足單位功率因數(shù)關(guān)系，則有圖所示的矢量圖?？傻檬噶糠匠蹋痕夔笠灰魂悾ǎ┓辔环悼刂剖噶繄D將調(diào)制電壓沿橫軸和縱軸進行投影，則有：圪珞一打吆國（）（）由以上兩式，可以得到電源電壓與調(diào)制電壓的相位差角：第章三相系統(tǒng)模型及工作原理分析甜畦。些腎堅；生硼屠，屹，一扣（）調(diào)制電壓為：，（）設(shè)調(diào)制比為：，竹：（）因此，只要測得電源電壓的有效值、直

31、流側(cè)電壓，與直流參考電壓比較得出負(fù)載電流的變化量（一吃），則可以計算出和，從而確定調(diào)制比，控制調(diào)制波的輸出。產(chǎn)生調(diào)制波的基本原則是將正弦波與三角波比較來確定脈寬，若定義三角載波為單位幅值，則正弦調(diào)制波為。（研一目），通過調(diào)整占空比的大小和網(wǎng)側(cè)電壓與調(diào)制電壓之間的相位差可以使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為，而且還可以使超前和滯后，從而達到調(diào)節(jié)功率因數(shù)的目的。相位幅值控制的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以省去昂貴的電流傳感器，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及控制精度都會有所降低。滯環(huán)電流控制和在年提出了基于滯環(huán)電流控制的高頻整流器哪。滯環(huán)電流控制是通過反饋電流，與給定電流進行滯環(huán)比較，將兩者的偏差限制在設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)反饋電流，一

32、。（為滯環(huán)寬度）時，調(diào)制電路的輸出使系統(tǒng)輸入側(cè)電流增大；當(dāng)，。時，調(diào)制電路的輸出使系統(tǒng)輸入側(cè)電流減小。這樣不斷進行滯環(huán)比較調(diào)節(jié)，使始終跟蹤給定電流，圍繞給定電流波形作鋸齒狀變化，并將誤差限制在滯環(huán)寬度范圍內(nèi)。若給定電流波形為正弦，滯環(huán)寬度恒定，則的波形就會接近于正弦。以單相為例，電流滯環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制如圖所示。圖電流滯環(huán)控制框圖（單相）（）滯環(huán)電流控制響應(yīng)快，可靠性好，易于硬件實現(xiàn)，特別適合于高性能的矢量控制系統(tǒng)。同時它能實現(xiàn)功率因數(shù)為，具有交流側(cè)輸入電流波形接近正弦波及可以實現(xiàn)能量回饋等西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文優(yōu)良特性。雙閉環(huán)電流解耦控制電流雙閉環(huán)控制的特點是引入電流內(nèi)環(huán)，并采用前饋解耦的方式

33、消除軸電流的耦合關(guān)系。電流內(nèi)環(huán)的引入使得系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整性能較好，電流跟蹤速度較快。對該控制方法的算法和控制結(jié)構(gòu)，仿真的詳細分析將在第三章完成。對以上三種控制方法，分別用進行仿真，在比較三種結(jié)構(gòu)的性能后，得出以下結(jié)論：幅相控制策略動態(tài)性能不好，電流調(diào)整能力不強，計算模塊依賴參數(shù)精確性，穩(wěn)態(tài)性能有偏差；滯環(huán)電流控制策略性能最優(yōu)異，其穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能都很好，但固定的滯環(huán)寬度會導(dǎo)致開關(guān)頻率波動，滯環(huán)寬度越小，最大開關(guān)頻率越高；雙閉環(huán)電流解耦控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)性能很好，動態(tài)性能也較好，但實現(xiàn)上計算較為復(fù)雜。通過以上分析，本文選取了雙閉環(huán)電流解耦控制，并最終在實驗樣機上得以實現(xiàn)。而其他的控制策略，如直接功率控制、

34、滑模變結(jié)構(gòu)控制、時間最優(yōu)快速控制、非線性控制，從文獻看，能夠進一步提升系統(tǒng)性能。但限于研究生階段的時間和個人能力，這些控制策略本人尚未深入研究，故不再詳述。第章三相的系統(tǒng)設(shè)計和仿真三相的系統(tǒng)設(shè)計和仿真本文采用電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓外環(huán)的作用是根據(jù)直流電壓的大小決定三相變換器輸出功率的大小和方向以及三相電流給定信號。電流內(nèi)環(huán)的作用是使整流器的實際輸入電流能夠跟蹤電流給定，實現(xiàn)單位功率因數(shù)或者功率因數(shù)可變。雙閉環(huán)控制器的設(shè)計根據(jù)式（），選取軸與電網(wǎng)電動勢弓重合，則軸為有功分量參考軸，軸為無功分量參考軸，可以實現(xiàn)有功電流和無功電流的獨立控制，從而可以控制三相的功率因數(shù)。根據(jù)

35、式（）可知：一一一幼厶一生出吼一足緲匯由上式知道在坐標(biāo)系中，有功電流和無功電流相互耦合，任何一軸方向上電流的變化都會引起另外一軸方向電流的變化。所以一般的調(diào)節(jié)很難達到理想的控制效果，為此將檢測到的實際電流補償兩相電流間的耦合，從而消除電流之間的相互影響，實現(xiàn)電流的解耦控制，當(dāng)采用調(diào)節(jié)時，則可以得到如下控制方程：一睇一一紈厶彩一翰一一白一十緲憶有功電流指令值，：與負(fù)載電流成正比，其值為電壓調(diào)節(jié)器的輸出：藝：（如魚）（吒一）（）式（）中，睇、為電流調(diào)節(jié)器的，調(diào)節(jié)參數(shù)，式（）中如、為電壓調(diào)節(jié)器的，調(diào)節(jié)參數(shù)。綜合以上分析，可以得到整流器的電流解耦控制結(jié)構(gòu)如圖所示：圖的控制方案采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙

36、環(huán)控制結(jié)構(gòu)，物理意義清晰，計算比較復(fù)雜；可以通過設(shè)置有功、無功電流比率來控制三相的功率因數(shù)，并且在控制中限制有功、無功電流指令的幅值，就可以達到限制三相運行時實際電流的大小，從而實現(xiàn)軟件對功率開關(guān)管的保護。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖三相電流解耦控制結(jié)構(gòu)圖對于三相系統(tǒng)，需要設(shè)計的環(huán)節(jié)有：（）（）（）（）電流內(nèi)環(huán)控制器；電壓外環(huán)控制器；網(wǎng)側(cè)電感；直流側(cè)電容；按照系統(tǒng)設(shè)計的原則，先進行電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計。電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計根據(jù)式（）可以得到如圖（）所示的三相電流控制模型：電流內(nèi)環(huán)的輸出電壓給定：幺也（）一其中髓三篙暑“分另是同步坐標(biāo)系中，軸上的電流髓如果電流環(huán)采用調(diào)節(jié)器，則有第章三相的系統(tǒng)設(shè)計和

37、仿真圖三相系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制模型髟護礦疊一其中彩、為軸電流調(diào)節(jié)器的比例、積分增益；其中、為軸電流調(diào)節(jié)器的比例、積分增益。如果考慮電流內(nèi)環(huán)的采樣延時和控制的小慣性特點，同時忽略電壓擾動的影響，可以得到解耦的電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，如下圖所示：副一（）軸（）軸圖電流內(nèi)環(huán)解耦控制模型西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文以軸電流為例進行分析，此時的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：忐半¨生魚一一志（）由于瓦去，所以毛“妄“，和再言蠆，故上述傳遞函數(shù)：掣擊（）簡化后的控制系統(tǒng)可用如下的框圖表示：（）軸（）軸圖簡化后的電流內(nèi)環(huán)控制模型考慮到系統(tǒng)的對稱性，軸和軸電流選用同樣的調(diào)節(jié)器。令如，如！，可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：簡化為：吒

38、糍撼笫章三相的系統(tǒng)設(shè)計和仿真（）如果選取適當(dāng)?shù)碾娏髡{(diào)節(jié)器參數(shù)，可以使得堡去，則可以得到：吒器捕彘毒慨同理可以得到軸的閉環(huán)傳遞函數(shù)卟器萄彘毒、塒鉺去測電流內(nèi)環(huán)可以等效為個慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為巧。當(dāng)主電路越、調(diào)節(jié)比例系數(shù)如越大，電流內(nèi)環(huán)動態(tài)響應(yīng)越快。電壓外環(huán)的設(shè)計根據(jù)第二章的分析，三相直流側(cè)的電流么可用開關(guān)函數(shù)描述如下：乒（）為了簡化控制系統(tǒng)設(shè)計，當(dāng)開關(guān)頻率遠高與電網(wǎng)電壓頻率，可以忽略諧波分量，只考慮開關(guān)函數(shù)的低頻分量，同時假設(shè)電流能夠完全跟蹤電壓波形，則有：屯（）（）（）【（）（），卵（一奶）（）【。（）式中一一開關(guān)函數(shù)基波初始相位角；一調(diào)錯比（）。將式（）、式（）代入式（），化簡得：如。（）西

39、安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文綜合上述分析，三相電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如下圖所示圖電壓外環(huán)控制框圖其中，乙為電壓環(huán)采樣時間。忽略負(fù)載擾動，同時以代替比例增益，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：弘南半囂，豎妒合并系統(tǒng)中電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個小慣性環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：面幣：兩萬）考慮到電壓外環(huán)的主要作用是抑制三相直流母線電壓的波動，故系統(tǒng)整定時，應(yīng)著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能，可以按照典型型系統(tǒng)設(shè)計電壓調(diào)節(jié)器。根據(jù)式（），玩彘根據(jù)典型型系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定關(guān)系，可以得到：（）（）（，正。）綜合考慮電壓環(huán)的抗擾性能和跟隨性能，工程上一般選取玩，將玩代入上式，可以計算出電壓環(huán)的調(diào)節(jié)參數(shù)為：“揣揣（）第章三相的系統(tǒng)設(shè)計和仿真交流側(cè)電