畢業(yè)論文三相電壓型高功率因素PWM整流器研究

1、 學科分類號：_湖南人文科技學院本科生畢業(yè)設計題 目：三相電壓型高功率因素PWM整流器研究學生姓名： 周永剛 學號 08421249 系 部： 通信與控制工程系 專業(yè)年級： 自動化2008級 指導教師： 岳 舟 職 稱： 講 師 湖南人文科技學院本科畢業(yè)設計誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權爭議，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設計不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 作者簽名： 年 月 日摘 要

2、隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對電能的需求量在不斷的增加，因而對電網(wǎng)的質(zhì)量提出了更高的要求。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)中，為減少無功含量，一般采用相控或者是不控整流電路，但傳統(tǒng)的整流器給電網(wǎng)中注入了大量的諧波污染，因而對電網(wǎng)的污染也就更加明顯。除此之外，電網(wǎng)無功功率的污染，還會導致電能損失，電網(wǎng)故障以及給予用戶生命財產(chǎn)安全帶來的危害己經(jīng)不可以忽視，對此必須采取行之有效的措施來減少電網(wǎng)中諧波污染。在科技發(fā)展的今天，相控整流電路以及不控整流電路，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電力發(fā)展的需求，無法更好的使如今電網(wǎng)處在高效工作狀態(tài)，所以不得不被取代， PWM整流技術應運而生。PWM整流器己經(jīng)彌補了相控整流器或不控整流器功率因數(shù)低，

3、能量只能單相流動，諧波污染嚴重等缺陷。取而代之的是PWM整流器可以實現(xiàn)能量的雙向流動，功率因數(shù)可以到達單位功率因數(shù)，電路性能穩(wěn)定以及消除諧波污染等。PWM整流器是解決諧波污染最有效的方法之一。論文首先分析了功率因數(shù)問題，諧波污染問題，PWM整流器原理，PWM整流器控制手段，以及主電路拓撲結構，系統(tǒng)的闡述了空間矢量控制方案，并將模糊控制引入空間矢量控制中，實現(xiàn)了模糊空間矢量控制;最后，對模糊空間矢量控制建立數(shù)學模型，并對仿真結果進行總結和分析。結果表明，基于三相電壓型高功率因數(shù)PWM整流器，除了能夠實現(xiàn)高功率因數(shù)外，還可以消除諧波，實現(xiàn)能量雙向流動，以及改善了整流器整體性能，滿足了消除電網(wǎng)諧波污

4、染的要求。三相電壓型高功率因數(shù)PWM整流器已經(jīng)成為目前解決諧波污染的主要方法之一。關鍵詞：諧波污染，PWM整流器，SVPWM，功率因數(shù)，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章緒論11.1課題研究背景1諧波污染問題1功率因數(shù)問題11.2課題研究目的和意義31.3三相電壓型PWM整流器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3關于PWM整流器主電路拓撲結構的研究4關于PWM整流器控制技術的研究41.4論文的主要研究工作7第2章 三相電壓型PWM整流器控制技術的分析72.1PWM整流器工作原理及數(shù)學模型的建立7三相電壓型PWM整流器電路結構及原理8三相電壓型PWM整流器的數(shù)學建模推導102.2空間矢量控制算法的介紹14三相電壓型空間矢量的分布14指令電壓矢

11、量的生成172.3電壓空間矢量調(diào)制控制17電壓矢量的合成18扇區(qū)的判斷18空間矢量作用順序和作用時間的確定192.4模糊邏輯控制算法的實現(xiàn)19模糊控制結構與理論基礎19模糊PI控制設計20模糊量的模糊化與判決方案21量化因子與比例因子的選擇21第3章三相電壓型高功率因數(shù)PWM整流器硬件設計223.1硬件電路主結構223.2控制芯片簡介233.3IGBT開關管選擇243.4交流側電感的選取243.5直流側電容的確定253.6過流過壓保護電路設計253.7IGBT隔離驅動電路的設計253.8信號采集與調(diào)理電路的設計263.9通信電路的設計26第4章三相電壓型高功率因數(shù)PWM整流器軟件設計274.1

12、系統(tǒng)主程序設計274.2PI數(shù)字調(diào)節(jié)的設計294.3SVPWM軟件設計304.4模糊控制子程序控制304.5中斷服務程序設計314.6鍵盤與顯示的軟件設計32第5章基于模糊控制的三相VSR系統(tǒng)的仿真325.1仿真軟件的介紹325.2三相PWM整流器仿真34第6章總結與展望346.1全文總結346.2系統(tǒng)展望35致 謝35參考文獻36第1章緒論 1.1課題研究背景1.1.1諧波污染問題近20年以來，電力電子技術已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展，并廣泛應用到電力、工業(yè)冶金、通訊、家用電器、化學工業(yè)、煤炭等各領域。隨著應用電力電子裝置的普及，電網(wǎng)中存在的諧波污染問題逐漸嚴重。目前大多數(shù)的電力電子裝置都是通過整流

13、器與電力網(wǎng)彼此連接。比較經(jīng)典的整流器是由晶閘管或者是二極管組成的非線性電路，但如上所述的電路存在以下幾方面的問題:a)輸入電流諧波含量高;b)從電網(wǎng)吸取無功功率，輸入功率因數(shù)低;c)交流側電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變;d)整流器效率低?，F(xiàn)代電力電子裝置已經(jīng)成為目前電網(wǎng)最主要的諧波源。傳統(tǒng)整流器因對電網(wǎng)的污染，已成為電力公害。因此傳統(tǒng)整流器已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電力網(wǎng)的需要，整流技術也面臨前所未有的挑戰(zhàn)。1.1.2功率因數(shù)問題在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦被定義為功率因數(shù)，用符號cos表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)就是用有功功率除以視在功率所得到的比值，即cos=P/S。對于線性負載組成的電路，如果加的

14、電壓是正弦的，產(chǎn)生的電流是正弦的;而功率因數(shù)在非線性負載的電路中，加上正弦電壓后，它所產(chǎn)生的電流不是正弦的。然而與網(wǎng)側電壓歸結為同一個頻率的周期信號。傅立葉級數(shù)分解如下: (1-1) 如上式，當n=1時，I值為基波電流的大小;當n取其他參數(shù)值時，I值都屬于諧波分量。該諧波分量的電流有效值總和為: (1-2)根據(jù)正弦電路功率因數(shù)定義的公式: (1-3)其中，為輸入電流波形的畸變因數(shù)。在這里，為反映電流畸變程度，專門定義為總諧波畸變率(THD).cos稱為位移因數(shù)。由上述公式可得，功率因數(shù)由輸入電流波形的畸變因數(shù)以及位移因數(shù)cos來決定。目前很大一部分變流裝備都要用到整流這個環(huán)節(jié)，通過這個整流環(huán)節(jié)

15、能夠得到直流電壓。由于整流環(huán)節(jié)廣泛采用的是不可控整流電路或者是相控整流電路，因此給電網(wǎng)注入大量諧波與無功，造成嚴重的電網(wǎng)污染。不控整流電路在帶電容濾波，輕載時稍微超前，但是隨負載增加而滯后，因此諧波也越大，功率因數(shù)隨之而降低。常用相控整流電路的功率因數(shù)由表達式P=0.9cos(單相橋式全控整流電路)和P=0.955cos(三相橋式全控整流電路)可得，電力電子裝置在正常工作時會消耗大量無功功率。大量的無功功率會對電網(wǎng)造成不可小視的破壞。無功功率的增加使總電流增大，無功功率的增加會導致電流的增大和視在功率的增大，線路的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質(zhì)量降低，影

16、響其它設備的正常運行。所以必須研究與傳統(tǒng)整流器不同的高功率因數(shù)整流器來消除或減小電網(wǎng)諧波污染。1.2課題研究目的和意義隨著科學技術的不斷發(fā)展，功率半導體開關器件性能不斷提高，已從早期使用比較普遍的半控型功率半導體開關，如普通晶閘管 (SCR)發(fā)展到現(xiàn)在性能各個都不一樣并且類型繁多的全控性功率開關，如雙極性晶體管(BJT)、門極關斷晶閘管(GTO)、功率場效應管(MOSFET)等。但是這些整流環(huán)節(jié)采用的都是二極管不可控整流電路或晶閘管相控整流電路，對電網(wǎng)注入大量諧波及無功，造成了相當嚴重的電網(wǎng)污染。治理這種電網(wǎng)污染最根本的措施是，要求變流裝置實現(xiàn)網(wǎng)側電流正弦化，且運行于單位功率因數(shù)。消除諧波污染

17、、提高電力電子裝置的電磁兼容性 (EMC)、能量轉換效率和質(zhì)量己成為電力電子應用領域的研究熱點之一。目前來說，有兩種方法來抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波:一是主動式的，這就要求設計人員設計出新的高性能整流器，具有輸入電流為正弦、諧波含量少、功率因數(shù)高等優(yōu)點;另一種方法是被動式的，就是采用有源濾波電路或者無源濾波電路來旁路或補償諧波。相比而言，前一種方法在中小功率范圍內(nèi)具有成本低、性能好、效率高等優(yōu)點。PWM整流器就是在以上原因發(fā)展起來的。PWM整流器作為有源功率因數(shù)校正器，除了能夠實現(xiàn)能量的雙向流動外，電路性能也比較穩(wěn)定。PWM整流器配合PWM逆變器可以構成理想的四象限交流調(diào)速用變流器，即雙PWM

18、變流器。功率因數(shù)校正電路也因此得到了很大的發(fā)展，并成為電力電子學目前研究的重要方向之一。因此，本課題研究的主要目的就是研發(fā)出一種新型的PWM整流器來消除電網(wǎng)中諧波污染，提高電網(wǎng)質(zhì)量;本課題研究的主要意義是解決諧波和無功問題，保證電力電子裝置的正常運行。這種新型高功率因數(shù)整流器可以減少對電網(wǎng)的污染、提高系統(tǒng)效率、體積小、重量輕、模塊化，維護起來也比較方便。1.3三相電壓型PWM整流器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀關于三相PWM變換技術的相關課題研究，國際上目前已經(jīng)處于實用階段;而國內(nèi)目前主要還是以實驗研究為主。近20年以來，PWM整流器技術一直是學術界關注和研究的熱點，隨著研究的不斷深入，基于PWM整流器的拓撲

19、結構以及控制的拓展等，相關的應用研究也隨之發(fā)展起來，如有源濾波器、交流傳動、超導儲能、統(tǒng)一潮流無功補償控制以及高壓直流輸電等，這些研究也因此而促進了PWM整流以及控制技術的進步和完善。1.3.1關于PWM整流器主電路拓撲結構的研究PWM整流器技術，經(jīng)過近20多年的研究和探索，得到了很大的改進和完善。PWM整流器的電路拓撲結構從單相、三相電路發(fā)展到目前多相組合或者是多電平拓撲電路;開關由以往比較簡單的硬開關改進成目前的軟開關控制;功率等級也有所上升，從千瓦上升到兆瓦。下面對單相橋式PWM整流器主電路拓撲結構和三相橋式PWM整流器主電路拓撲結構作簡單介紹。單相橋式PWM整流器主電路結構如圖(1一l

20、)所示，通過四個功率開關管TI一幾來進行PWM控制，交流輸入端可以產(chǎn)生正弦調(diào)制PWM波飾。在正弦調(diào)制PWM波飾中，只含有與被調(diào)制的正弦信號波頻率相同并且幅值成一定比例關系的基波分量，以及與三角載波相關的高次諧波，而沒有低次諧波。對于電路中高次諧波成分，電感L的濾波作用會使其產(chǎn)生很小脈動。圖1-1單相橋式PWM整流器主電路結構三相橋式PWM整流器主電路通過功率開關管對電路正弦波PWM控制，使網(wǎng)側電流與電壓正弦化并同相位，可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)。對于三相電壓型PWM整流器，能量從交流側流向直流側，可以實現(xiàn)能量的雙向流動。直流側電容可以實現(xiàn)直流儲能。此三相PWM整流器交流側采用三相對稱無中線連接方式，

21、功率開關6只。1.3.2關于PWM整流器控制技術的研究控制技術是PWM整流器中至關重要的因數(shù)之一。一般來講，PWM整流器所控制的對象是輸入電流或者是輸出電壓，其中對網(wǎng)側輸入電流的控制是整流器控制的關鍵所在，這是由于應用PWM整流器的目的是使輸入電流正弦化，讓網(wǎng)側電壓與電流同相位，從而使系統(tǒng)達到單位功率因數(shù)運行。目前PWM整流器的電流控制方法主要有直接電流控制和間接電流控制方式(又稱為幅相控制)兩種。由于直接電流控制方式引入網(wǎng)側電流反饋參與控制器設計，因而其網(wǎng)側電流響應速度較快，控制精度也比較高，但是由于此方案需要增加電流傳感器來對網(wǎng)側電流進行檢測，因而增加了整個系統(tǒng)的設計成本。而間接電流控制方

22、式的設計，是建立在PWM整流器的低頻穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型基礎上的，因而其動態(tài)響應相比直接電流控制來說速度較慢，控制效果相對于直接電流控制方式較差，但是由于間接電流控制設計時不需要電流傳感器引入電流反饋，因而其電路整體實現(xiàn)起來簡單，系統(tǒng)成本相比較低些，從而也獲得了廣泛的應用。一般而言，基于空間矢量的PWM控制在電壓型PWM整流器電流控制中取得了廣泛應用。至于間接電流控制，它不是直接對輸入電流進行控制，而是通過間接控制三相PWM整流橋的交流輸入端電壓，以達到對輸入電流的控制。這種控制方法沒有引入交流電流反饋信號，而是通過對整流橋的交流輸入端電壓嶸的控制間接控制輸入電流，故稱間接電流控制。又因為其直接控制量

23、為珠，所以又稱為相位和幅值控制。圖1-2間接電流控制結構圖如上圖1一2所示，間接電流控制方法引進電壓環(huán)，通過此電壓環(huán)得到一個交流電流幅值，然后經(jīng)過兩個乘法器將無功分量和有功分量分離，經(jīng)過山L和R環(huán)節(jié)之后，得到一個電壓信號，與電源電壓比較，得到給定的電壓調(diào)制正弦信號，此正弦信號與三角波交截而產(chǎn)生PWM信號來控制主電路的正常工作。采用此控制電路，結構簡單，但輸入電流響應速度慢。而直接電流控制是通過相關運算來算得網(wǎng)側電流的指令值，來控制網(wǎng)側電流，主要采用的是網(wǎng)側電流閉環(huán)控制方法。它不但提高了網(wǎng)側電流的動態(tài)和靜態(tài)性能，還增強了系統(tǒng)魯棒性。因此，在PWM整流器控制技術的發(fā)展過程中，直接電流控制方法受到熱

24、切關注。下面對PWM電流控制方法中的滯環(huán)PWM電流控制與定時瞬時電流比較法作簡要闡述。滯環(huán)電流比較法控制是一種瞬時值反饋控制的模式，其原理是將給定電流信號與實際檢測的輸入電流信號進行比較，當實際電流小于給定值，就通過改變整流器開關狀態(tài)來增加電流，相反，當實際電流大于給定值，就通過改變整流器開關狀態(tài)來減小電流，因而使實際電流跟蹤指令電流。在這里，跟蹤誤差是固定的，由滯環(huán)環(huán)寬決定。其基本的控制框圖如下圖1一3所示。圖1一3滯環(huán)電流比較法控制框圖電流滯環(huán)控制方式存在如下缺點:(l)其開關頻率不固定，引起開關狀態(tài)的任意性;(2)開關頻率變化的范圍太大。圖1一4定時瞬時電流比較控制框圖定時瞬時電流比較控

25、制法，與滯環(huán)電流比較控制法相比較，不同的是定時瞬時電流比較控制法是通過時鐘信號將時間固定，即定時將檢測電流與指令電流比較，從而產(chǎn)生控制系統(tǒng)電路中功率開關管的驅動信號，使輸入的電流呈鋸齒形狀來跟蹤指令電流信號。雖然定時瞬時電流比較控制法克服了滯環(huán)電流比較控制法開關頻率不好控制這個缺點，但是就整個控制電路來說，比較復雜，并使電流的跟蹤誤差受到電網(wǎng)電壓負面影響。1.4論文的主要研究工作針對電網(wǎng)諧波污染問題，研究三相電壓型PWM整流器，以使網(wǎng)側電壓與電流正弦并且同相位，實現(xiàn)單位功率因數(shù)。在硬件設計基礎上，建立整流器數(shù)學模型，通過仿真實驗驗證設計可行性。本文第一章簡述諧波污染與功率因數(shù)問題，以及本課題研

26、究的主要目的和意義，介紹了關于PWM整流器主電路拓撲結構，電流控制方法，并概括了本文的主要研究工作;第二章分析了單相與三相電壓型PWM整流器工作原理，詳細闡述空間矢量控制方案，引入模糊PID控制算法，并對模糊邏輯控制作簡要介紹;第三章在對PWM整流器工作原理以及控制方法分析的基礎上，進行硬件設計，主要包括開關器件設計，控制電路設計，保護電路的設計，驅動電路設計以及通信電路的設計;第四章在硬件電路設計基礎上，對三相電壓型高功率因數(shù)PWM整流器的軟件包括主程序以及各子模塊程序的設計;第五章在前面幾章的基礎上對模糊電壓型空間矢量控制系統(tǒng)建立數(shù)學模型，并進行仿真分析;最后一章對全文作總結，并對本課題研

27、究作展望。第2章 三相電壓型PWM整流器控制技術的分析2.1PWM整流器工作原理及數(shù)學模型的建立PWM整流器按直流儲能形式分類可以分為電流型和電壓型PWM整流器;按電網(wǎng)的相數(shù)來劃分又可以分為單向，三相以及多相電路;按開關調(diào)制分可分為軟開關和硬開關調(diào)制;按橋路結構分又可以分為半橋式和全橋式電路;按調(diào)制電平分可分為二電平、三電平和多電平電路。按上面的分類方式，盡管多種多樣，但將PWM整流器分為電流型和電壓型PWM整流器兩類是最基本的分類方法，其原因是由于電流型以及電壓型PWM整流器，不管在主電路的結構，它們的控制策略以及PWM信號發(fā)生等各方面都有各自獨特的特點。除此之外，其他分類方法都可以劃分在電

28、流型或者是電壓型分類中。下面主要就三相電壓型PWM整流器作詳細分析，闡述三相電壓型PWM整流器電路的工作原理，然后對其作數(shù)學建模分析。2.1.1三相電壓型PWM整流器電路結構及原理三相電壓型PWM整流器電路結構大致框圖如下圖2一1所示。圖2一1三相電壓型PWM整流器電路結構如上圖所示，系統(tǒng)結構主要分三個部分，整流電路由主電路、控制電路、驅動電路三部分組成。其中，主電路完成電能的AC到DC變換，是整流器電路的核心部分;控制電路對主電路進行控制，并根據(jù)具體需求結合一定的控制策略，實現(xiàn)直流輸出電壓穩(wěn)定和輸入電流正弦化。通過弱電控制強電，獲取接近于單位輸入功率因數(shù)，是整流器能否滿足性能指標的關鍵部分。

29、驅動電路起連接的作用，傳遞主電路和控制電路之間的信號，同時實現(xiàn)主電路和控制電路之間的電氣隔離，達到抗干擾的效果，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。三相電壓型PWM整流器主電路拓撲結構如圖2一2所示。圖2一2三相橋式PWM整流器主電路結構作為整流電路中功率變換部分的主電路，它由三相可逆整流橋構成。突出優(yōu)點是整流橋輸入端電流及功率因數(shù)可控且電能可實現(xiàn)雙向流動，能用于單位功率因數(shù)整流。圖2-3三相PWM整流器控制結構圖三相高功率因數(shù)PWM整流器控制電路結構框圖如圖2一3所示。整個控制電路引進了模糊PID控制器，系統(tǒng)將引進的模糊控制與PI控制結合，除此之外，控制系統(tǒng)主要功能還有三相靜止坐標與兩相旋轉坐標的

30、相互轉換。2.1.2三相電壓型PWM整流器的數(shù)學建模推導此節(jié)就電壓型PWM整流器在坐標系，d-q坐標系以及ABC坐標系的數(shù)學模型作初步的介紹，為后面章節(jié)的理論分析，系統(tǒng)仿真等作鋪墊。l)坐標系坐標系，也叫做兩相靜止坐標系。利用空間坐標轉換，能實現(xiàn)ABC坐標系和坐標系的相互轉換。下面對坐標系作簡要介紹:以坐標變換前后的功率相等為前提，擬定矩陣與。是: 在坐標系基礎上進行3s/2s轉換，數(shù)學模型為公式2一3中同時，在a一刀坐標系基礎上定義下列空間矢量:電源電壓合成矢量:交流側電流合成矢量:開關函數(shù)合成矢量:橋臂中點電壓合成矢量:可得直流側電流為:其中，j代表虛數(shù)，由以上等式可得有功功率P與無功功率

31、Q方程:2)d-q坐標系d-q坐標系與坐標系相比，向坐標系是兩相旋轉的。通過兩相靜止坐標系可以轉換成兩相旋轉坐標系，定義矩陣為:式中，。為A相電壓與d軸向量夾角的初始值，在d一q坐標系下建立的數(shù)學模型與a一刀坐標系相同，如下式2一12。又有:由以上等式可得有功功率P與無功功率Q方程:3)ABC坐標系在電壓型PWM整流器主電路圖中，假如網(wǎng)側三相電壓處于對稱狀態(tài)，IGBT管工作在理想情況下，定義開關函數(shù)如下:于是，與三相電壓型PWM整流器主電路等效的開關電路如圖2一4所示:由上圖可知，當a相上橋臂截止，下橋臂接通，;當a相上橋臂接通，下橋臂截止，所以，于是，綜合以上等式可得:(以下等式中狀態(tài)變量為

32、電容電壓與電感電流)由條件:三相電壓對稱可得因此得，綜合以上等式計算得三相PWM整流器在ABC坐標系下的數(shù)學模型為式2一26中，由ABC坐標系數(shù)學模型可知，三相電流解藕后才能實現(xiàn)單獨控制其三相的電流相位與波形。2.2空間矢量控制算法的介紹2.2.1三相電壓型空間矢量的分布空間矢量PWM(SVPWM)控制思想的基本原理是利用逆變器各橋臂開關控制信號的不同組合，使逆變器的輸出電壓空間矢量的運行軌跡盡可能接近圓形。三相VSR空間矢量是三相輸入端電壓在復平面上的對應分布，相應的開關函數(shù)如下:由上式可以得到八種開關函數(shù)組合時，對應的比例關系。根據(jù)通用矢量等效原理，在滿足條件(t)+(t)+(t)=O情況

33、下，對矢量v(t)在復平面上可以用如下等式表達:式2-28中的與表示兩相靜止坐標下的量值，為V(t)在復平面上的投影， =。現(xiàn)假設三相對稱的正弦波為，則有:于是，在PWM情況下，可分別得到如下等式:式2一30中，為前端電壓幅值，為電源電壓與整流器輸入點電壓相位的差值。綜合以上等式可得:因此，可以看出V(t)是一個以逆時針旋轉，以為半徑的圓?？臻g矢量V(t)在靜止坐標系ABC上的投影如下圖所示:于是V(t)可換作另外一種表達，如下所示:將8種工作狀態(tài)(000)，(001)，(010)，(011)，(100)，(101)，(110)，(111)帶入得:由式2一33可知，對一給定的空間電壓矢量V，都

34、能夠用8條三相電壓型PWM整流器空間電壓矢量來合成。如下圖所示存在6條模為2/3的空間電壓矢量，將復平面平均分為六個扇形區(qū)域I一VI，對于這六個扇形區(qū)域中任何一區(qū)的電壓矢量V，均可由該扇形區(qū)兩邊的空間電壓矢量來合成。空間矢量調(diào)制正是利用兩個零電壓矢量與六個非零的電壓矢量形成如上圖所示的空間電壓矢量圓，并且空間矢量脈寬調(diào)制信號是由三相開關時序提供的。本文實用空間電壓矢量控制方法的最終目標是將基本空間矢量合成，將輸入端電壓與指令電壓相等。2.2.2指令電壓矢量的生成假設在(d，q)的坐標系條件下，存在如下的三相電壓型空間矢量數(shù)學模型:則有: 從方程2-35可以知道，由于、與三相VSR之間存在禍合，

35、導致設計電流控制器的復雜性。所以，為了消除因為、與三相VSR之間相互藕合而出現(xiàn)的問題，必須引進解禍控制方案;在引進禍合控制的同時，都使用PI調(diào)節(jié)來控制、的電流環(huán)。于是，在(d，q)坐標系下，電流控制相應的電壓指令是:在方程2一36中，、代表在(d，q)坐標系下三相電壓空間矢量的指令電壓;而叮、獷則代表在(d，q)坐標系下三相電壓空間矢量網(wǎng)側的指令電流。這樣一來，不僅完成了解藕控制，同時將PI控制調(diào)節(jié)也運用在毛、凡的電流環(huán)上。除此之外，上式中的三相電壓空間矢量廠還能完成三相VSR跟蹤電流控制。2.3電壓空間矢量調(diào)制控制三相電壓型PWM整流器的SVPWM調(diào)制技術步驟為:l)電壓矢量V*的合成;2)

36、V*扇區(qū)的判斷;3)空間矢量作用順序的確定;4)空間矢量作用時間的計算。具體的調(diào)制過程如下。2.3.1電壓矢量的合成三相VSR跟蹤電流控制的指令電壓矢量廠的確定是建立在、確定的基礎上，因此可以通過三相VSR空間電壓矢量 (k=0，7)來推導出V，從而完成VSR的跟蹤電流控制?，F(xiàn)假設V*矢量在I區(qū)，如圖2一7所示:由正弦定理得所以有2.3.2扇區(qū)的判斷定義開關線為ABC三相軸線，則得到下式:依據(jù)下面表格中對應的扇區(qū)就可以得到V*的扇區(qū)，表格如下:2.3.3空間矢量作用順序和作用時間的確定2.4模糊邏輯控制算法的實現(xiàn)2.4.1模糊控制結構與理論基礎模糊邏輯控制把模擬人的思維方式作為模糊邏輯控制的基

37、本準則。模糊邏輯控制在設計結構的時候需要確定模糊輸入變量與輸出變量，但是在選取模糊邏輯控制輸入變量和輸出變量的時候，還得參考人是如何獲取，如何操作等為基礎的。對于模糊邏輯控制的分類來說，可以分為單變量模糊邏輯控制和多模糊邏輯控制。顧名思義，單變量模糊邏輯控制就是輸入變量和輸出變量只有一個，多變量模糊邏輯控制存在多個輸出變量與輸入變量。就目前的模糊邏輯控制來說，基本的模糊PI控制結構如下所示:圖2一10模糊PI控制結構框圖模糊控制最主要也是核心的部位就是模糊控制器，它是通過人將預先設計好的控制步驟編入電腦，并由電腦實施控制的。如上圖所示，將反饋值與給定值比較，獲取一個誤差信號，然后由模糊控制器將

38、誤差信號模糊化，從而得到一個模糊量。但是，目前的模糊邏輯控制還不夠完善，主要有以下不足:穩(wěn)定性能和準確度不是很好，隨控制對象變化的隨機性不是很完善，還有就是目前在多變量模糊控制上研發(fā)深度不夠，有待加深。2.4.2模糊PI控制設計目前在工業(yè)控制領域，使用的各種控制系統(tǒng)，或多或少存在問題，比如存在隨機干擾，非線性變化，滯后或者無法建立精確的數(shù)學模型。模糊PI控制就是在這樣的基礎上發(fā)展起來，以解決之前控制系統(tǒng)的缺陷。因為模糊PI控制系統(tǒng)的建立不需要建立非常精確的數(shù)學模型，除此之外，模糊邏輯PI控制系統(tǒng)能夠隨機符合變化著的各種輸入因數(shù)，以及精確度很高。根據(jù)上面提到的，模糊邏輯控制對控制對象的要求與以往

39、的控制系統(tǒng)不同，它的控制對象是人為化的語言變量控制對象。通過監(jiān)控語言變量這個監(jiān)控對象，在系統(tǒng)各動態(tài)參數(shù)分析的基礎上，得到模糊邏輯控制量。也就是說，它的適應能力很強。模糊PI控制系統(tǒng)不僅響應快，并且超調(diào)非常小。就現(xiàn)在普遍使用的模糊PI控制系統(tǒng)結構而言，大致可以歸結為三種方案:第一種結構是模糊邏輯控制器對PI控制系統(tǒng)里面的部分參數(shù)作修正，來達到減小上升時間和超調(diào)的目的，如圖2一11所示;第二種結構是串聯(lián)模糊控制與PI控制器，如圖2一12所示;第三種結構是并聯(lián)模糊控制與PI控制器，如圖2一13所示。這樣一來，當控制對象檢測值與時間給定值出現(xiàn)大的偏差時，并聯(lián)環(huán)節(jié)中的模糊邏輯控制器工作，來減少過度時間;

40、當出現(xiàn)小的偏差時，PI控制器工作來維持偏差的準確度與穩(wěn)定度。圖2一11模糊控制調(diào)節(jié)PI控制系統(tǒng)參數(shù)結構圖圖2一12模糊控制與Pl控制串聯(lián)結構圖 圖2一13模糊控制與PI控制并聯(lián)結構圖2.4.3模糊量的模糊化與判決方案2.4.4量化因子與比例因子的選擇所謂量化因子，就是將輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊集的論域，這是模糊轉換過程中必須存在的因子，用凡來表示量化因子，有如下等式:對于量化因子的取值而言，由于模糊集的論域與基本論域比較來說較廣，也因此遠遠超過單位I。雖然輸入變量經(jīng)過了模糊邏輯控制，但其輸出的控制量還不能用來控制被控對象，還必須要將得到的控制量用對應公式轉換成被控對象所能接受的論域中

41、，這就要引進比例因子，比例因子等于: 通過上面提及到的兩個等式可知，比例因子的實質(zhì)是用作比例關系而存在的，量化因子卻對被控對象有量化的作用。在設計模糊邏輯控制系統(tǒng)的同時，必須要重點考慮量化因子與比例因子該如何設計才能最好的滿足系統(tǒng)的需求，根據(jù)理論與實驗分析，如果不能很好的處理這兩者之間的相互關系或者是不同量化因子之間的相對聯(lián)系，對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性以及控制性能將帶來很大的影響。在這里擇取如下表達式為量化因子:從上式可以看出，選取量化因子的規(guī)則就是取叮，叮，叮中絕對值最大一個。之所以這樣選擇，是為了盡可能的降低規(guī)則數(shù)量。關于選取比例因子與量化因子，在實際操作過程中，兩者并非獨一無二，恰恰相反，存在多

42、種組合，并且各種組合都能讓整個模糊邏輯控制系統(tǒng)得到不錯的響應特性。相比那些相對來說復雜的控制系統(tǒng)，有些特定的比例因子與邏輯因子無法達到預期的效果，可以考慮在控制對象的同時去相應改變比例因子和量化因子，這樣一來，通過改變控制期間不同時期的控制特性，能夠得到更好控制效果。第5章基于模糊控制的三相VSR系統(tǒng)的仿真5.1仿真軟件的介紹一般而言，如今的電力電子系統(tǒng)中不僅包含有模擬電路部分，與此同時，還包含有數(shù)字電路部分，對于這樣一個模擬電路和數(shù)字電路同時存在的系統(tǒng)來說，是一個比較復雜的非線性系統(tǒng)，因而人們在對整個系統(tǒng)進行分析時，往往遇到很多困難。隨著現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展，此問題已經(jīng)不在是問題。對于一

43、個系統(tǒng)設計來講，如果用戶能夠根據(jù)自己設計系統(tǒng)的需求繪制出精確的系統(tǒng)電路模型，就可以利用如今己經(jīng)開發(fā)出的先進軟件在計算機中建立虛擬電路模型，然后將相關電路原理以及電路運行計算方法輸入電腦，就能夠仿真到系統(tǒng)實際運行而得到的準確結論。這樣一來，為設計人員節(jié)省了大量的時間和精力，從而也提高了設計效率。鑒于設計人員從事的諸多項目，如電路原理圖的設計，系統(tǒng)優(yōu)化，PCB板的設計等，使得對相關軟件，比如CAD的需求更加大，因而也推動了CAD軟件的更進一步升級，并且同時帶動了電力電子電路的EDA軟件工具的前進。對于 EDA軟件工具來說，包含以下幾個部分:對于傳統(tǒng)電力電子電路設計需求的軟件來講，很多不夠完善，如果

44、在此基礎之上加入先進的電力電子器件模型，那么此軟件就可以應用于電力電子系統(tǒng)的研發(fā)設計里面;對于專門用來仿真的軟件來說，比如仿真軟件EMTP和MATLAB，如果將理想開關模型加進去，應用范圍更加廣泛;在現(xiàn)有仿真軟件的基礎上，研發(fā)出新型的仿真軟件。 MatrixLaboratory簡稱MATLAB，是一種相對來說比較科學的仿真軟件，它是以矩陣為基礎建立起來的一種交互式程序計算語言。此軟件有很多優(yōu)點，比如:能夠用來繪制電路圖，繪制簡單，使用方便，效率很高，以及適應范圍廣，因此而廣受研發(fā)人員的應用，并已經(jīng)成為仿真軟件的主導。建立在MATLAB環(huán)境上，并以此為仿真平臺的SIMULINK，也因此擁有強大的

45、計算功能。由于它豐富的軟件模塊庫，讓系統(tǒng)仿真變的更加簡單，準確以及高效。在SIMULINK仿真平臺上作業(yè)時，可以直接選擇和連接典型的模塊來繪制仿真圖形，可讀性和可操作性加強，從而讓設計人員在系統(tǒng)仿真時不需要去記錄或者是調(diào)用過多的M函數(shù)，提高了仿真效率，簡化了仿真操作。SIMUL創(chuàng)K比起MATLAB來說更加強大，之前的MATLAB在解決線性與非線性系統(tǒng)時，遇到很到困難，但是SIMULINK能夠支持離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的仿真，以及離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)混合的系統(tǒng)仿真，除此之外，還能夠支持幾種采樣頻率系統(tǒng)同時存在的仿真。在SIMULINK不斷使用與改進的過程中，對于那些經(jīng)常使用或者成熟的程序能夠當作模塊放

46、入SIMUL研K中，成為模塊庫，從而使用起來更加快捷。比較典型的模塊庫就是電力系統(tǒng)模塊庫 (powerSystemBloekset)，在此模塊庫中，包含了大量的電氣元器件，電工測量儀表以及交直流電源等等。在仿真時，以此模塊為基礎，能夠模擬很多電路，比如含有電感，電容或者電阻電路，含有整流以及逆變的電路，含有電力電子開關器件的電路等。對于電力電子電路仿真來說，仿真模塊是被接入電路回路中，所以，電路回路中的每個模塊全都包含輸入輸出端，回路中并非和SIMULINK相同，流動的是電流;SIMULINK模塊里面流動的是信號流程。下面針對電力系統(tǒng)模塊庫分類如下:5.2三相PWM整流器仿真 根據(jù)前面所講的三

47、相PWM整流器的的數(shù)學模型和控制方法，在MATLAB中建立了三相PWM整流器的仿真模型。三相PWM整流器控制系統(tǒng)仿真以以下幾點為主:(l)對內(nèi)部電流環(huán)Pl控制參數(shù)進行PWM整流調(diào)節(jié);(2)獲得單位功率因數(shù)，即交流電壓和電流同相位;第6章總結與展望6.1全文總結在過去20年的歷史發(fā)展過程中，由于諧波污染對電網(wǎng)污染的日益嚴重，給傳統(tǒng)的整流器提出了更高的要求，以至于傳統(tǒng)整流器己經(jīng)無法再滿足電網(wǎng)高效運作的需求。在此基礎之上，三相電壓型高功率因數(shù)PWM整流器應運而生。鑒于三相電壓型高功率因數(shù)PWM整流器能夠實現(xiàn)能量的雙向流動，功率因數(shù)可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代整流器研究的主要對象。本文

48、就三相電壓型PWM整流器主電路結構圖，主控電路，工作原理，模糊邏輯控制以及系統(tǒng)硬件設計，軟件設計都作了詳細的研究，具體情況為:(l)分析了三相電壓型高功率因數(shù)PWM整流器拓撲結構以及相應的工作原理，在電壓外環(huán)引入模糊PI控制調(diào)節(jié)，并建立數(shù)學模型，針對建立的數(shù)學模型在Matlab下進行系統(tǒng)仿真，給出設計系統(tǒng)的可行性;(2)對系統(tǒng)硬件進行了系統(tǒng)性設計，包括開關管型號的選擇，交流電感與直流側電容的設計，IGBT開關管驅動電路的設計以及電路保護模塊等等;(3)在硬件設計的基礎上，規(guī)劃了軟件實現(xiàn)程序流程圖，主要包括主程序設計框圖，SVPWM軟件設計流程圖，模糊邏輯控制流程圖以及中斷子模塊流程圖等等;通過

49、對系統(tǒng)仿真圖進行分析總結，可以看出，三相高功率因數(shù)PWM整流器不僅使得輸入電流正弦性能好，實現(xiàn)了能量的雙向流動，也完成了三相電壓型單位功率因數(shù)，消除了電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波污染成份，系統(tǒng)設計總體比較完善。6.2系統(tǒng)展望由于論文在硬件設計過程中受到自己專業(yè)知識欠缺，以及時間限制，論文中存在很多缺陷與不足，比如設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，整體兼容性，交流電感以及直流電容大小設計的合理性等等，以下對本文的展望作如下總結:(1)對系統(tǒng)硬件設計元器件布局進行優(yōu)化，以便更小的減小高低頻信號之間的相互干擾;(2)對于本系統(tǒng)來說，雖然可以實現(xiàn)PWM整流器能量的雙向流動，但是在實際使用過程中，依然有很多疑點和難點，比如說當負載

50、變化速度很大時，系統(tǒng)不穩(wěn)定;三相PWM整流器能量在逆變狀態(tài)下，回饋能量不好規(guī)劃大小等等問題;(3)對于三相電壓型PWM整流器的研究，國外已經(jīng)基本成熟，而國內(nèi)還處在初步研發(fā)階段。在國內(nèi)，雖然小容量領域有所收獲，但是在高壓大容量領域還需更深層的學習和研究。致 謝本論文是在尊敬的導師岳舟講師的悉心指導下完成的。導師給予我的課題研究以及論文莫大的關心和指導。在此論文完成之際，謹向導師表示衷心的感謝。導師勤勉的工作精神，以及高度的負責精神，都使我受益非淺，并將永遠激勵我不斷進步。感謝我的父母，家人在生活上和經(jīng)濟上所給與的關懷、支持和理解，在這么多年的求學道路上，是他們給予我最大的精神動力和支柱!感謝我的

51、母校湖南人文科技學院給予我深造的機會。在校四年的時間里，母校深厚的人文底蘊、淳樸嚴謹?shù)男ｏL、朝氣蓬勃的氛圍，豐富的校園資源都讓我受益匪淺，在武湖南人文科技學院的這段學習經(jīng)歷將會是我一生的寶貴財富!感謝自動化學院的領導和老師們對我的培養(yǎng)、教育和關懷!同時，我也深感不安。由于自己專業(yè)水平相當有限，時間又倉促，在論文撰寫中一定存在著很多不完善的地方，懇請各位老師、同學批評指正。最后，對評審論文的各位專家、學者表示衷心的感謝!參考文獻l王兆安，王俊.電力電子技術J.西安交通大學.北京:機械工業(yè)出版社，第4版， 2005:36一422張祟巍，張興.PWM整流器及其控制J.北京:機械工業(yè)出版社.2003:

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