三相電壓型-PWM-整流器原理及控制方法

三相電壓型PWM整流器原理及控制方法（常用版）(可以直接使用，可編輯完整版資料，歡迎下載）

摘要三相電壓型PWM整流器原理及控制方法（常用版）(可以直接使用，可編輯完整版資料，歡迎下載）隨著電網(wǎng)諧波污染問(wèn)題日益嚴(yán)重和人們對(duì)高性能電力傳動(dòng)技術(shù)的需要以及綠色能源的發(fā)展，PWM整流器技術(shù)已成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)和亮點(diǎn)。三相電壓型PWM整流器可以做到高功率因數(shù),直流電壓輸出穩(wěn)定,具有良好的動(dòng)態(tài)性能,還可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。因此,成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題之一。論文首先以三相電壓型PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),闡述三相電壓型PWM整流器的基本工作原理并建立了三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型；其次,介紹三相電壓型PWM整流器的控制方法,深入研究三相電壓型PWM整流器的空間電壓矢量脈寬調(diào)制控制方法,以TI公司的TMS320LF2407A芯片作為控制器，選用三菱公司的IPM模塊進(jìn)行三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括主電路、檢測(cè)控制電路,保護(hù)電路等；結(jié)合硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，完成相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞PWM整流器電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制DSPTitleDesignof

three-phase

PWM

RectifierpowerAbstractWiththeseriousproblemofharmonicspollutiontothepowersystemandtheneedofhighperformanceofACdriveapplicationandthedevelopmentofthegreenpowertechnology，PWMrectifierhasbecomeahighlightinthefieldofpowerelectronics.Three-phasePWMrectifiershaverecentlybeenanactiveresearchtopicinpowerelectronicsduetomorevirtues,suchassinusoidalinputcurrents,unitypowerfactor,steadyoutputvoltage,gooddynamicsandbin-directionalenergyflow.Firstly,thethesiselaboratedthebasicprincipleofworkforthePWMrectifieraccordingtomaincircuittopologyofthree-phasevoltage-typePWMrectifier,andtheestablishmentofathree-phasevoltage-typePWMrectifiermodel;Secondly,thethesisproposedthethree-phasevoltage-typePWMrectifier’scontrolstrategy.Basedonthecontrolstrategyithasstudiedthespacevoltagevectorpulsewidthmodulationcontrolmethod.WithTIcompany'sTMS320LF2407Achipascontrollers,chooseMitsubishicompanyIPMmoduleforthree-phasevoltagesourcePWMrectifiersystemhardwaredesign,includingthemaincircuit,detectioncontrolcircuit,protectcircuit,etc.;Combinedwiththebasisofhardwaredesign,softwaredesignofcompletecorresponding.KeywordsPWMrectifierVoltagespacevectorPWM(SVPWM)controlDSP目錄第一章緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2國(guó)內(nèi)外PWM整流器研究發(fā)展現(xiàn)狀 21.3本課題研究的內(nèi)容 61.4本章小結(jié) 6第二章三相電壓型PWM整流器原理及控制方法 72.1方案論證 72.1.1微處理器的選擇 72.1.2功率器件的選用 82.2三相電壓型PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 92.3PWM整流器運(yùn)行的基本原理 102.4三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型 132.4.1三相VSR一般數(shù)學(xué)模型 132.4.2dq坐標(biāo)系下三相VSR數(shù)學(xué)模型 152.5三相電壓型PWM整流器控制方法 152.6電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制 172.6.1SVPWM基本原理 182.6.2SVPWM的合成 192.6.3SVPWM與SPWM控制的比較 212.7本章小結(jié) 22第三章三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 233.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 233.2主電路設(shè)計(jì) 233.2.1進(jìn)線熔斷器 243.2.2功率器件選型 243.2.3交流側(cè)電感設(shè)計(jì) 253.2.4直流側(cè)電容選取 293.2.5IPM保護(hù)及其接口電路 303.3檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì) 323.3.1過(guò)零檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 323.3.2采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì) 333.3.3溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 343.3.4DSP控制電路設(shè)計(jì) 353.4本章小結(jié) 36第四章三相電壓型PWM整流器軟件設(shè)計(jì) 374.1系統(tǒng)資源分配 384.2控制軟件的構(gòu)成 384.2.1主程序設(shè)計(jì) 384.2.2中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 404.2.3子程序設(shè)計(jì) 414.3本章小結(jié) 43結(jié)論 44致謝 45參考文獻(xiàn) 46附錄電氣原理圖 49第一章緒論1.1課題研究背景及意義能源在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展中起著非常重要的作用，如何能夠合理的開(kāi)發(fā)并且高效的利用能源是提倡低碳經(jīng)濟(jì)的今天急切需要解決的重要問(wèn)題。當(dāng)代社會(huì)中電能是非常主要的一種二次能源，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，幾乎電能的75%要通過(guò)電力電子變換后才可以使用，預(yù)料在整個(gè)21世紀(jì)將會(huì)發(fā)展到95%以上[1]。電力電子技術(shù)己被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥制造、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)、家用電器、國(guó)防軍事醫(yī)藥制造以及交通等一些領(lǐng)域。但是在電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也給電網(wǎng)帶來(lái)了一定的諧波污染以及無(wú)功功率損耗增加和電磁干擾等許許多多的負(fù)面效應(yīng)，嚴(yán)重地對(duì)電能的質(zhì)量造成了一定的影響。早些年，日本發(fā)表的一項(xiàng)諧波分布狀況的調(diào)查報(bào)告中表明了[2]:在眾多186家有代表性的電力用戶中，最大的諧波源是整流裝置，約占66%，交流電力電子裝置約占據(jù)1%，辦公和家電大約占據(jù)23%，電弧爐大約占據(jù)4%，其它的一共大約占據(jù)10%。所以，充分開(kāi)發(fā)和研究新型的低諧波，合理利用高功率因數(shù)的整流裝置是很有必要的。隨著功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件技術(shù)有了一定的進(jìn)步，促使了電力電子變流裝置技術(shù)的飛速發(fā)展，同時(shí)也出現(xiàn)了基礎(chǔ)以脈寬調(diào)制(PWM)控制的各種變流裝置：比如高頻開(kāi)關(guān)電源、變流器、逆變電源以及各類特種變頻器等等，電力電子裝置在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。而隨著電力電子裝置的大量使用同時(shí)也帶來(lái)了一些不容忽視的問(wèn)題，比如：目前大量的變流裝置要通過(guò)整流環(huán)節(jié)以獲得直流電壓，傳統(tǒng)的二極管整流和相控整流環(huán)節(jié)，不僅直流側(cè)電壓質(zhì)量低，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)注入大量的諧波及無(wú)功功率，同時(shí)造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。這也引起了各個(gè)國(guó)家的重視，許多國(guó)家都已經(jīng)制定了一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制諧波，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)以及國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)，也都推出了屬于自己的諧波標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)國(guó)際電工學(xué)會(huì)在1988年對(duì)諧波標(biāo)準(zhǔn)的IEC555-2進(jìn)行了一定的修正，歐洲制定的IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)的國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局也在1994年正式頒布了相應(yīng)的《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14549-93)[7]，傳統(tǒng)變流裝置中的大多數(shù)要求已不符合這些新的標(biāo)準(zhǔn)，將面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。一般說(shuō)來(lái)，抑制電力電子裝置對(duì)電網(wǎng)污染的途徑可以是兩種：一種是設(shè)置補(bǔ)償裝置，想法補(bǔ)償諧波和無(wú)功功率，其主要包括有源電力濾波器、無(wú)源濾波器和混合電力濾波器。目前，很多使用的無(wú)源濾波器擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可以抑制諧波又可以補(bǔ)償無(wú)功功率，但也存在適用性不強(qiáng)、只能補(bǔ)償規(guī)定的頻率諧波，它的補(bǔ)償特性也有可能會(huì)受到運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)阻抗特性的影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生一些并聯(lián)諧振，同時(shí)還會(huì)放大諧波，使濾波器過(guò)載還甚至發(fā)生燒毀；另外一種方法是對(duì)電力電子變流裝置自身進(jìn)行改造，使變流裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化并且運(yùn)行于單位功率的因素，這也是治理電網(wǎng)諧波和無(wú)功“污染”非常根本的一個(gè)措施[1]。PWM整流器具體的優(yōu)點(diǎn)有三個(gè):一是網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)是可控的[3]:網(wǎng)側(cè)電流可以成正弦化，功率因數(shù)同時(shí)還可以控制在-1到+l之間，也就是說(shuō)PWM整流器既可以運(yùn)行在逆變狀態(tài)，同時(shí)又可運(yùn)行在整流狀態(tài)。二是能量可以發(fā)生雙向流動(dòng)[3]，當(dāng)PWM整流器運(yùn)行在它的整流狀態(tài)時(shí)，能量能夠從電網(wǎng)向負(fù)載的一端進(jìn)行傳遞，當(dāng)PWM整流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)時(shí)，能量能夠從負(fù)載的一端向電網(wǎng)側(cè)傳遞。三是直流電壓是可以調(diào)節(jié)[5]。因?yàn)镻WM整流器具有的上述諸多優(yōu)點(diǎn)，所以以PWM整流器為核心的各種電力電子裝置被廣泛的應(yīng)用在了功率因數(shù)校正、靜止無(wú)功補(bǔ)償、有源電力濾波、統(tǒng)一潮流控制器、電氣傳動(dòng)、可再生能源并網(wǎng)發(fā)電等場(chǎng)合[1]?？梢钥闯觯S著PWM控制技術(shù)的發(fā)展，比較多的智能控制算法在PWM整流器中的應(yīng)用，PWM整流器的性能會(huì)不斷的得到提高，應(yīng)該會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。因此，研究和開(kāi)發(fā)PWM整流器，進(jìn)一步提高它的相關(guān)性能同時(shí)也是集電力諧波污染治理，綠色可再生能源的開(kāi)發(fā)，新型電力電子裝置研制于一體的重要課題，具有非常大的經(jīng)濟(jì)實(shí)用效益，同時(shí)又含有比較豐富的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外PWM整流器研究發(fā)展現(xiàn)狀自20世紀(jì)90年代以來(lái)，PWM整流技術(shù)都一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。隨著研究的深入，PWM整流技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用研究[8-13]也得到了一定的發(fā)展，如有源電力濾波(APF)、超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)、電氣傳動(dòng)(ED)、高壓直流輸電(HVDC)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)、新型UPS以及太陽(yáng)能、風(fēng)能等再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等，并伴隨著現(xiàn)代控制理論、微處理器技術(shù)以及現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷更新，這些應(yīng)用技術(shù)的研究又促使了PWM整流的技術(shù)日趨成熟，其主電路已經(jīng)從一開(kāi)始的半控型器件橋路發(fā)展到現(xiàn)如今的全控型橋路；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也已成從三相、單相的電路向多電平拓?fù)潆娐芳岸嘞嘟M合的方向發(fā)展[12-13]；PWM調(diào)制方式也從由單純的硬開(kāi)關(guān)調(diào)制向軟開(kāi)關(guān)的調(diào)制進(jìn)行發(fā)展；功率等級(jí)也從以前的千瓦級(jí)上升到了兆瓦級(jí)，但是在主電路的類型上既有電流源型整流器，又有了電壓源型整流器，兩者已經(jīng)成功地投入使用在了工業(yè)上，但卻大多采用了模擬芯片PWM波發(fā)生器，在閉環(huán)和智能調(diào)節(jié)比如說(shuō)在風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)等方面均存在著非常大的問(wèn)題，尤其是在我們國(guó)內(nèi)，基于數(shù)字信號(hào)微處理器的PWM整流器相應(yīng)的研究還只是處于初步發(fā)展的階段[2-4]。當(dāng)前對(duì)PWM整流器的研究主要體現(xiàn)在如下的幾個(gè)方面：1.關(guān)于PWM整流器數(shù)學(xué)模型的研究PWM整流器中對(duì)于數(shù)學(xué)模型的研究是PWM整流器及其控制技術(shù)的基礎(chǔ)。曾經(jīng)提出了基于一定的坐標(biāo)變換的PWM整流器連續(xù)、離散的一些動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，R.Wu和S.B.Dewan等較為系統(tǒng)地建立了PWM整流器的一些時(shí)域模型，同進(jìn)也將時(shí)域模型分解成為高頻和低頻模型[10-11]，且給出了相應(yīng)的時(shí)域解。而DongY.Hu和ChunT.Rim等則通過(guò)局部電路的dq的坐標(biāo)變換給出了PWM整流器基于等效模型電路的低頻變壓器[13]，并給出了穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析?；诖嘶A(chǔ)上，HengchunMao等人同時(shí)也建立了一種新穎的降階小信號(hào)的模型，從而簡(jiǎn)化了PWM整流器的數(shù)學(xué)模型以及特性的分析[17]。2.關(guān)于PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將近十幾年來(lái)也沒(méi)有取得特別大的突破[12]，主電路設(shè)計(jì)的基本原則也是在保持原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，盡量地簡(jiǎn)化電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少使用的開(kāi)關(guān)元件個(gè)數(shù)，降低總成本，一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性。PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為電壓型和電流型兩大類。其中電壓型PWM整流器最顯著的特點(diǎn)是電流儲(chǔ)能是在直流側(cè)采用電容，從而使整流器的直流側(cè)輸出特性呈現(xiàn)相應(yīng)低阻抗的電壓源.電流型PWM整流器直流側(cè)電流儲(chǔ)能則是采用一些大電感，使得整流器直流側(cè)輸出特點(diǎn)為高阻抗的電流源。根據(jù)裝置功率要求的不同，同時(shí)研究的側(cè)重點(diǎn)不同。在中小功率場(chǎng)合，研究大多集中在功率開(kāi)關(guān)的減少和改進(jìn)直流輸出性能上；在一些高功率場(chǎng)合，研究大部分集中于變流器組合[20]、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、以及多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16-18]上。PWM整流器的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要用于高壓、大容量場(chǎng)合。但是對(duì)于大電流應(yīng)用場(chǎng)合中，很多都是采用變流器組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也就是將獨(dú)立的電流型PWM整流器進(jìn)行相應(yīng)的并聯(lián)組合。3.對(duì)于電壓型PWM整流器電流控制技術(shù)的研究電壓型PWM整流器有兩個(gè)控制目標(biāo)，一是得到穩(wěn)定的直流電壓，另一個(gè)是使網(wǎng)側(cè)電流正弦化并跟蹤電網(wǎng)電壓變化。為了能夠讓電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)出受控電流源的特性，其網(wǎng)側(cè)電流的控制至關(guān)重要，決定了PWM整流器的動(dòng)靜態(tài)性能。電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類[20]：間接電流控制策略和直接電流控制策略。間接電流控制其網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，且對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)比較敏感，適用性不高，因此逐步被直接電流控制所取代。與間接電流控制相比，直接電流控制電流響應(yīng)速度快，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)，且容易實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，是當(dāng)今PWM整流器電流控制方案的主流。4.PWM整流器系統(tǒng)控制策略的研究控制策略是PWM整流器控制系統(tǒng)的核心，其優(yōu)劣決定著PWM整流器的動(dòng)靜態(tài)性能以及魯棒性。PWM整流器常用的控制方法有滯環(huán)電流控制[18]、固定開(kāi)關(guān)頻率電流控制[19]、預(yù)測(cè)電流控制[20]、直接功率控制[21]、無(wú)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器及無(wú)網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制[22]、電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制[23]、滑模變結(jié)構(gòu)控制[24]、反饋精確線性化控制[25]、基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的控制[26-27]、模糊控制[24]等，具體如下：(1)滯環(huán)電流控制滯環(huán)電流控制是一種反饋瞬時(shí)值的控制模式，它的基本思想是能夠?qū)z測(cè)到的實(shí)際電流信號(hào)與電流給定信號(hào)值相比較，如果實(shí)際電流略大于指令值，則經(jīng)過(guò)變流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的改變就能使之減小，反之增大，使得實(shí)際電流圍繞指令電流做鋸齒狀的變化，并將偏差控制一定范圍內(nèi)，形成滯環(huán)。這種控制方法電流響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便實(shí)現(xiàn)電流限制，且控制與系統(tǒng)參數(shù)無(wú)關(guān)，系統(tǒng)魯棒性好，但是開(kāi)關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期內(nèi)不固定，諧波電流頻譜隨機(jī)分布，網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計(jì)較為困難。(2)固定開(kāi)關(guān)頻率PWM電流控制固定開(kāi)關(guān)頻率PWM電流控制，一般是指PWM載波(如三角波)頻率固定不變，而以電流偏差調(diào)節(jié)信號(hào)為調(diào)制波的PWM控制方法。該控制方法克服了滯環(huán)電流控制開(kāi)關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，電流響應(yīng)速度快，系統(tǒng)魯棒性高，但當(dāng)電流內(nèi)環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)時(shí)，三相靜止坐標(biāo)系中的PI電流調(diào)節(jié)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)靜差控制。(3)預(yù)測(cè)電流控制預(yù)測(cè)電流控制的思想是先由開(kāi)關(guān)的在線優(yōu)化出發(fā)，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的負(fù)載大小以及所給定的電流矢量的變化率，進(jìn)而可以推算出使下一周期電流滿足期望值的電壓矢量來(lái)進(jìn)行對(duì)PWM整流器開(kāi)關(guān)的控制。預(yù)測(cè)電流控制是擁有非常快的電流響應(yīng)速度，而其控制的效果必須要依賴于系統(tǒng)參數(shù)，魯棒性也不太高，且受控制延時(shí)和處理器采樣的影響非常大。(4)直接功率控制直接功率控制通過(guò)對(duì)PWM整流器瞬時(shí)有功和無(wú)功進(jìn)行直接控制，達(dá)到控制瞬時(shí)輸入電流的目的。該方法具有結(jié)構(gòu)、算法簡(jiǎn)單，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，魯棒性強(qiáng)，容易數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，對(duì)交流側(cè)電壓不平衡和諧波失真也具有一定補(bǔ)償作用。(5)無(wú)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器及無(wú)網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制無(wú)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器及無(wú)網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制是為進(jìn)一步簡(jiǎn)化電壓型PWM整流器的信號(hào)檢測(cè)而提出的控制方法。無(wú)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器控制主要包括兩類電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)的重構(gòu)方案：其一是基于網(wǎng)側(cè)電流偏差調(diào)節(jié)的電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)的重構(gòu)，它采用網(wǎng)側(cè)電流偏差的PI調(diào)節(jié)來(lái)控制電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)誤差，是一種閉環(huán)估計(jì)算法，其精度非常高；其二是通過(guò)復(fù)功率的估計(jì)來(lái)重構(gòu)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)，是一種開(kāi)環(huán)估計(jì)算法，因而精度不是太高，并且由于含有微分項(xiàng)，在復(fù)功率估計(jì)算法中容易引入干擾。無(wú)網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制是通過(guò)直流側(cè)電流的檢測(cè)來(lái)重構(gòu)交流側(cè)電流。(6)電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制為了使PWM整流器在電網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運(yùn)行，學(xué)術(shù)界提出了在不平衡的條件下，直流電壓和網(wǎng)側(cè)電流的時(shí)域表達(dá)式，電網(wǎng)負(fù)序分量被認(rèn)為是導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流畸變的原因，同時(shí)指出，在電網(wǎng)不平衡條件下，常規(guī)的控制方法會(huì)使直流電壓產(chǎn)生偶次諧波分量，交流側(cè)會(huì)有奇次諧波電流。為此，D.Vincenti等人較為系統(tǒng)地提出了正序dq坐標(biāo)系中的前饋控制策略，即通過(guò)負(fù)序分量的前饋控制來(lái)抑制電網(wǎng)負(fù)序分量的影響。但是由于該方法的負(fù)序分量在dq坐標(biāo)下不是直流量，導(dǎo)致PI調(diào)節(jié)不能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制。因此，又有人提出了正、負(fù)序雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制，該方法實(shí)現(xiàn)了無(wú)靜差控制，是較完善的理論，但是其控制的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，運(yùn)算量大。(7)滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一種非線性控制，其非線性特性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)不斷變化，迫使系統(tǒng)按照指定的滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)。采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，可以使PWM整流器不依賴于電網(wǎng)電壓、開(kāi)關(guān)器件以及負(fù)載參數(shù)，對(duì)參數(shù)變化及干擾具有不變性，即強(qiáng)魯棒性，但控制器設(shè)計(jì)中滑模系數(shù)的選取比較困難，選取不當(dāng)容易給系統(tǒng)帶來(lái)不利抖動(dòng)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)。(8)反饋精確線性化控制利用微分幾何理論對(duì)相應(yīng)的非線性系統(tǒng)進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)分解、分析及控制設(shè)計(jì)的反饋精確線性化控制，通過(guò)采用相應(yīng)的非線性狀態(tài)反饋量和非線性坐標(biāo)變換，能夠使得非線性系統(tǒng)可在大范圍內(nèi)甚至是整個(gè)全局范圍內(nèi)線性化，這樣就能夠很方便地使用線性控制理論對(duì)相應(yīng)的非線性系統(tǒng)進(jìn)行一定的控制器的設(shè)計(jì)。將反饋精確線性化用于PWM整流器的控制，可以使輸入電流快速跟蹤網(wǎng)壓且畸變較小，具有良好的魯棒性。該方法非線性控制器設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，涉及多次坐標(biāo)變換，運(yùn)算量較大。(9)基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的控制現(xiàn)有大多數(shù)基于小信號(hào)模型的PWM整流器，應(yīng)用相應(yīng)的線性控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，只有在系統(tǒng)的狀態(tài)和輸入在非常小的干擾的下才能夠保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在大范圍干擾下，很難使系統(tǒng)得到，為了保證PWM整流器穩(wěn)定運(yùn)行在大范圍干擾的情況并且有的動(dòng)靜態(tài)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)中將Lyapunov穩(wěn)定理論得到了應(yīng)用。對(duì)于給定的非線性系統(tǒng)，如果能夠找到相應(yīng)的Lyapunov函數(shù)，就可以利用這個(gè)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，采用Lyapunov相應(yīng)的穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)的PWM整流器，解決了系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)電流跟蹤的影響，同時(shí)電流在跟蹤給定值時(shí)的效果也變的很好，在大范圍干擾的情況下也能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)具有比較優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，但構(gòu)造Lyapunov函數(shù)比較困難，最佳能量函數(shù)的確定比較困難。(10)模糊控制模糊控制是將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)映射關(guān)系通過(guò)模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)體現(xiàn)出來(lái)，首先是模糊化確定性輸入量，利用相應(yīng)的模糊推理就可以得到模糊輸出，然后用清晰化的方法得到相應(yīng)的輸出確定量，這樣輸入輸出是有一定的規(guī)則。采用模糊控制可以使PWM整流器能夠有下述特點(diǎn)：控制頻率不受輸入電源頻率的限制，而是只與程序執(zhí)行周期有關(guān)；輸入電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓，諧波低，功率因數(shù)高；對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，且能適用負(fù)載的非線性變化；模型完全離散化，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于電壓型PWM整流器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗較低、控制方便，所以一直是人們研究的重點(diǎn)，而電流型PWM整流器由于需要較大的直流儲(chǔ)能電感，以及存在交流側(cè)濾波問(wèn)題，它的控制和結(jié)構(gòu)有一定的復(fù)雜，也就制約了電流型PWM整流器的研究和應(yīng)用，但是隨著發(fā)展一定的超導(dǎo)技術(shù)，電流型PWM整流器在超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展中可以具有更大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈的損耗非常低，可以用作電流型PWM整流器直流儲(chǔ)能電感，克服了電流型PWM整流器本來(lái)的不足。1.3本課題研究的內(nèi)容本課題研究對(duì)象是三相電壓型PWM整流器，闡述PWM整流器的工作原理，并建立其數(shù)學(xué)建模，通過(guò)運(yùn)用瞬時(shí)無(wú)功功率理論對(duì)其進(jìn)行分析，然后根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了電壓型PWM整流器。本課題的主要內(nèi)容歸納為以下幾個(gè)方面：1)簡(jiǎn)單介紹了PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述了PWM整流器的工作原理，在三相靜止坐標(biāo)系下建立PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。分析PWM整流器四象限運(yùn)行的基本原理和換流過(guò)程。2)根據(jù)三相電壓型PWM整流器的控制目標(biāo)，采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論，電流內(nèi)環(huán)采用基于輸入輸出線性化控制方法，電流響應(yīng)速度快，具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能，并在此基礎(chǔ)上引入變結(jié)構(gòu)控制思想，設(shè)計(jì)了基于線性化的變結(jié)構(gòu)電流控制器，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗擾性。在完成三相電壓型PWM整流器控制器理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析了空間矢量調(diào)制原理，并介紹了傳統(tǒng)SPWM和新穎差值SVPWM的實(shí)現(xiàn)方法。3)根據(jù)電壓型PWM整流器的性能指標(biāo)，構(gòu)建基于TI公司TMS320系列的DSP為控制核心的PWM整流器。順利完成了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要包括主電路設(shè)計(jì)、檢測(cè)控制電路設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等；軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)及子程序設(shè)計(jì)等。1.4本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了課題研究背景和研究意義以及國(guó)內(nèi)外PWM整流器的研究發(fā)展的現(xiàn)狀，并根據(jù)實(shí)際要求，擬訂本課題的主要研究?jī)?nèi)容。第二章三相電壓型PWM整流器原理及控制方法2.1方案論證在現(xiàn)實(shí)生活中，對(duì)于PWM整流器即可以使用單片機(jī)也可以用DSP器件為核心進(jìn)行控制。開(kāi)關(guān)器件即可以使用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)也可以使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。下面分別介紹微處理器及開(kāi)關(guān)器件的各自特點(diǎn)，從而選擇出合適的控制方式。微處理器的選擇所謂單片機(jī)，就是在一塊芯片上有CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、時(shí)鐘、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、多種功能的串行和并行I/O口的通用IC。如Intel公司的8031、8051以及后來(lái)的AT89C51等。除了以上基本功能外，有的還集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列?？偟膩?lái)說(shuō)，單片機(jī)一般具有如下特點(diǎn)：(1)具備位處理能力。(2)可一側(cè)的執(zhí)行周期。(3)擅長(zhǎng)終端處理，特別是外部異步事件。(4)既有豐富的I/O功能。(5)價(jià)格低廉，便于開(kāi)發(fā)。單片機(jī)經(jīng)過(guò)了很多年的發(fā)展，開(kāi)發(fā)環(huán)境完備，開(kāi)發(fā)工具齊全，應(yīng)用資料眾多。后備人才充足。國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校都開(kāi)設(shè)了單片機(jī)課程和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。但是單片機(jī)本身的資源有限，在本設(shè)計(jì)中如若選用單片機(jī)做控制核心的話，還需要外加A/D轉(zhuǎn)換模塊，會(huì)給設(shè)計(jì)造成一定的難度。與單片機(jī)對(duì)比，DSP器件一般具有更快的CPU、更高的集成度以及容量非常大的存儲(chǔ)器，其內(nèi)部有FIFO緩沖器和波特率發(fā)生器。同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)異步串口和高速同步串口，有的集成了一定的A/D采樣電路在片內(nèi)，用于控制領(lǐng)域的DSP還提供多路PWM輸出，用于電機(jī)控制，可減少開(kāi)發(fā)人員的工作量。DSP的器件采用了改進(jìn)之后的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序空間，允許同時(shí)存取數(shù)據(jù)和程序。內(nèi)置加強(qiáng)的多級(jí)流水線以及高速硬件乘法器，使DSP器件具備了比較高的數(shù)據(jù)運(yùn)算的能力。DSP可以比一些高檔的16位的單片機(jī)中的單指令執(zhí)行周期降低8～10倍，可以在一個(gè)周期內(nèi)完成相應(yīng)的一次乘加運(yùn)算，比單片機(jī)運(yùn)算要加快大約16～30倍，可以大幅度提高濾波器的運(yùn)算速度以及存在很多乘加運(yùn)算的FFT（快速的傅里葉變換）。另外，JTAG接口也存在于DSP器件中，而且有更加先進(jìn)的開(kāi)發(fā)手段，這使得批量生產(chǎn)和進(jìn)行必要的測(cè)試更加方便，開(kāi)發(fā)工具還能夠?qū)崿F(xiàn)全空間相應(yīng)的透明仿真，用戶可以看到全部存儲(chǔ)空間或I/O空間的變化而不必占用一些用戶的任何資源。開(kāi)發(fā)軟件配有匯編/鏈接C編譯器、C源碼調(diào)試器等，使用戶不必過(guò)多關(guān)心編譯細(xì)節(jié)，從而可以更加專注于算法設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)。總而言之，DSP是為了滿足數(shù)字信號(hào)處理、控制開(kāi)發(fā)而制造的一類專用微處理器。一般具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有兩天總線，即數(shù)據(jù)總線和程序總線。采用程序與數(shù)據(jù)空間分開(kāi)結(jié)構(gòu)，分別有各自的地址數(shù)據(jù)總線和總線，能夠同時(shí)完成指令操作和數(shù)據(jù)操作。(2)每條指令在執(zhí)行時(shí)采用流水操作劃分為執(zhí)行、譯碼、取數(shù)、取指令等很多步驟，完成是通過(guò)片內(nèi)多個(gè)功能單元，并支持并行處理的任務(wù)。(3)在實(shí)現(xiàn)一次或者多次乘法累加（MAC）運(yùn)算的一個(gè)指令周期內(nèi)，從而節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。(4)地址產(chǎn)生單元集成了許多個(gè)，至此循環(huán)尋址和位倒序等特殊指令，實(shí)現(xiàn)FFT、卷積等運(yùn)算中的選址、排序等，使得計(jì)算速度大大提高。(5)DMA控制邏輯有一組或者很多組獨(dú)立的，提升了數(shù)據(jù)的脫兔寬帶，為數(shù)字信號(hào)處理和高速數(shù)據(jù)交換提供了一定的保障。(6)支持一些重復(fù)的運(yùn)算，避免循環(huán)操作過(guò)多時(shí)間。(7)擁有豐富的片內(nèi)內(nèi)存和外擴(kuò)存儲(chǔ)器接口。(8)提供多個(gè)穿行或并行I/O接口以及特別I/O接口（如PWM等），考完成特殊的數(shù)據(jù)處理或控制，從而提高系統(tǒng)的性能并且降低了成本。目前國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用最為廣泛的DSP器件是美國(guó)德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的TMS320系列。已有不少高校計(jì)劃建立DSP實(shí)驗(yàn)室，TI公司和北京聞亭公司都已制訂了高校支持計(jì)劃，將帶動(dòng)國(guó)內(nèi)DSP器件的應(yīng)用和推廣，同時(shí)更多開(kāi)發(fā)人員的參與也使得可利用的開(kāi)發(fā)資源越來(lái)越多。因?yàn)閱纹瑱C(jī)和DSP各自有其特點(diǎn)，所以各自有不同的使用領(lǐng)域。一般單片機(jī)多應(yīng)用于一些簡(jiǎn)單的控制領(lǐng)域，這些應(yīng)用一般不要求很高的精度和數(shù)字信號(hào)處理；而在一些高精度控制領(lǐng)域，特別是需要對(duì)各種傳感器信號(hào)進(jìn)行處理的場(chǎng)合，DSP的應(yīng)用就更好一些，在本文中采用TMS320LF2407A芯片來(lái)完成PWM整流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。功率器件的選用PWM整流器需要通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的關(guān)閉來(lái)進(jìn)行控制，需要開(kāi)關(guān)器件可以瞬間導(dǎo)通和關(guān)斷。電力半導(dǎo)體器件的種類非常多，在目前經(jīng)常使用的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)及功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)來(lái)說(shuō)，它們各有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。低功率低電壓場(chǎng)合較使用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)頻率高(可以達(dá)到500KHz)等特點(diǎn)，但是它對(duì)電壓的依靠性非常之高，很易發(fā)生靜電擊穿，當(dāng)它接有一定的電機(jī)負(fù)載時(shí)，在進(jìn)行相應(yīng)的停止和起動(dòng)時(shí)，也許會(huì)產(chǎn)生比較高的電流而使開(kāi)關(guān)管損壞也有可能產(chǎn)生比較高的電壓進(jìn)而擊穿開(kāi)關(guān)管。因此，對(duì)過(guò)電流和過(guò)壓都應(yīng)該有相應(yīng)的保措施來(lái)進(jìn)行保護(hù)。出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代的絕緣柵雙極晶體管，是基于電力MOSFET工藝的產(chǎn)物，它具有MOSFET高速特性、高輸入阻抗以及雙極晶體管BJT(GTR)所具有的優(yōu)點(diǎn)：大電流密度特性等的混合器件。IGBT正常的在600～1800V范圍內(nèi)的通態(tài)壓降要比具有相同額定電壓的MOSFET通態(tài)壓降小得多。由于通過(guò)IGBT形成的變頻器噪聲比較低，同時(shí)還有比較穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)、非常高的工作頻率以及比較簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路。IGBT多用于中小型功率的變頻器作為其相應(yīng)的開(kāi)關(guān)元件。隨著不斷進(jìn)步的生產(chǎn)工藝，20世紀(jì)出現(xiàn)的智能電力模塊器件(IPM)將IGBT開(kāi)關(guān)器件和保護(hù)電路以及檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路等都集成在了相同的模塊內(nèi)，是功率集成電路的一種。其具有的主要特點(diǎn)如下述：(1)電流傳感器集成在了模塊內(nèi)，能夠檢測(cè)電路中的短路電流及過(guò)電流，不必再像以往檢測(cè)電流時(shí)還需要使用電流互感器，為實(shí)現(xiàn)小型化、減低成本打下了基礎(chǔ)。(2)保護(hù)回路與驅(qū)動(dòng)回路等都相應(yīng)的做到了集成化，能夠盡量縮短開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的時(shí)間。(3)智能模塊本身就有短路、過(guò)流、電源電壓不足、過(guò)熱等的一些保護(hù)功能。當(dāng)這些保護(hù)功能中的某種保護(hù)動(dòng)作時(shí)，智能模塊就能夠自動(dòng)封鎖內(nèi)部開(kāi)關(guān)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并向外部輸出警告標(biāo)記，進(jìn)而充分保證了器件的安全使用。(4)能在有故障的情況下啟動(dòng)相應(yīng)的自我保護(hù)功能，減少了器件在使用和開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)過(guò)載情況而照成損壞的機(jī)會(huì)。也不再需要實(shí)施防靜電措施如以往的MOS系列功率模塊所采用的，操作起來(lái)也很方便。綜上所述，IPM模塊的出現(xiàn)和使用降低了這些廠家的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和制造上的成本，與IGBT相比，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，縮小了裝置體積，簡(jiǎn)化了接線，縮短了開(kāi)發(fā)周期，更主要的是，它提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，使設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)變的簡(jiǎn)單。本課題采用一個(gè)六合一的IPM模塊作為主電路的開(kāi)關(guān)器件用于PWM整流。2.2三相電壓型PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行研究知道，整流器是一種較早的應(yīng)用于AC/.DC中的變換裝置，整流器發(fā)展經(jīng)歷了由不可控整流器、相控整流器到PWM整流器的程。PWM整流器對(duì)傳統(tǒng)的相控整流器及二極管都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，其比較重要的改進(jìn)在于采用了PWM的調(diào)制方式和全控型的率器件，進(jìn)而才能讓PWM整流器具有電能雙向流動(dòng)及較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制、網(wǎng)側(cè)電流正弦控制等比較多的優(yōu)良性能。PWM整流器又可以分為電流型整流器(CurrentSourceRectifer-CSR)和電壓型整流器(VoltageSourceRectifer-VSR)兩大類，電壓型PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型有很多，而電壓型PWM整流器一個(gè)最顯著的特點(diǎn)就是直流側(cè)接電容器，對(duì)直流電壓進(jìn)行濾波，從而能夠獲得比較平穩(wěn)的直流電壓，而本設(shè)計(jì)主就是將三相電壓型PWM整流器作為研究對(duì)象。圖2-1三相電壓型PWM整流器主電路拓?fù)淙嚯妷盒蚉WM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示，其中在所示的電路中三相電感L起濾波作用，因此交流側(cè)電流可近似認(rèn)為是三相正弦電流，C為直流側(cè)電容，起穩(wěn)壓濾波的作用，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，可保持直流母線電壓基本不變，故可看作是直流電壓源。R為線路與開(kāi)關(guān)管的等效電阻，RL為負(fù)載。2.3PWM整流器運(yùn)行的基本原理根據(jù)PWM整流器的主電路得到其簡(jiǎn)化電路如圖2-2所示[1]圖2-2PWM整流器簡(jiǎn)化電路圖中i是網(wǎng)側(cè)電流，e是交流電動(dòng)勢(shì)，v是開(kāi)關(guān)管交流側(cè)的輸入電壓，udc是直流側(cè)電壓，idc是包括電容，負(fù)載在內(nèi)的直流側(cè)的總電流。從圖2-2可以看出，PWM整流器的交流回路的組成有電網(wǎng)電源，開(kāi)關(guān)管交流側(cè)輸入電壓，交流側(cè)電感。設(shè)V為開(kāi)關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量，E是交流側(cè)電網(wǎng)電壓矢量，K為交流側(cè)電感電壓矢量，I為交流側(cè)電流矢量。為簡(jiǎn)化對(duì)電路的分析，忽略PWM整流器對(duì)應(yīng)物理量的諧波分量，只是考慮它的基波分量。設(shè)不變，則也固定不變，根據(jù)文獻(xiàn)[l]的分析，PWM整流器包含四個(gè)特殊的運(yùn)行狀態(tài)：正阻狀態(tài)運(yùn)行，純電感狀態(tài)運(yùn)行，負(fù)阻狀態(tài)運(yùn)行，純電容狀態(tài)運(yùn)行，當(dāng)整流器在這四個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，PWM整流器開(kāi)關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端點(diǎn)的軌跡形成了一個(gè)圓，其半徑為。 圖2-3PWM整流器純電感運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖PWM整流器的純電感狀態(tài)運(yùn)行的交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖2-3所示[1]。在圖2-3中的A點(diǎn)，因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓矢量E超前交流側(cè)電流矢量I九十度，矢量E，I之間的相位關(guān)系和純電感上電流，電壓相位關(guān)系相同，因此稱PWM整流器此時(shí)交流側(cè)呈現(xiàn)純電感運(yùn)行特性，所以此時(shí)整流器將從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。當(dāng)開(kāi)關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端點(diǎn)從圓的A運(yùn)行到B的過(guò)程中，PWM整流器從電網(wǎng)吸收無(wú)功和有功功率，整流器便處于整流狀態(tài)。 圖2-4PWM整流器正阻特性運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖 PWM整流器的正阻狀態(tài)運(yùn)行的交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖2-4所示[l]。在圖2-4中的B點(diǎn)，電網(wǎng)電壓矢量E和交流側(cè)電流矢量I的相位相同，矢量I，E之間的相位關(guān)系同電阻上電流，電壓相位關(guān)系一樣，因此PWM整流器的交流側(cè)可以處于單位功率因數(shù)運(yùn)行的狀態(tài)，只有電網(wǎng)中的有功功率才能被整流器吸收，無(wú)功功率則不能被吸收。在開(kāi)關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端從B點(diǎn)運(yùn)行到C點(diǎn)的過(guò)程中，整流器依然運(yùn)行于整流狀態(tài)。這時(shí)，整流器吸收電網(wǎng)中的容性無(wú)功和有功功率。圖2-5PWM整流器純電容特性運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖PWM整流器的純電容特性運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖2-5所示[1]。在圖2-5中的C點(diǎn)，由于電網(wǎng)電壓矢量E滯后交流側(cè)電流矢量I九十度，矢量E，I之間的相位關(guān)系和電容上電流，電壓相位關(guān)系一樣，因此稱PWM整流器此時(shí)交流側(cè)運(yùn)行特性呈現(xiàn)純電容性，這時(shí)只有電網(wǎng)中的容性無(wú)功功率才能被整流器吸收。當(dāng)開(kāi)關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端從C運(yùn)行到D的過(guò)程中，PWM整流器運(yùn)行于有源逆變的狀態(tài)。這時(shí)，電能夠從PWM整流器直流側(cè)傳輸流向電網(wǎng)。 圖2-6PWM整流器負(fù)阻特性運(yùn)行時(shí)交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖PWM整流器的負(fù)阻狀態(tài)運(yùn)行交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖2-6所示[1]。在圖2-6中的D點(diǎn)，由于電網(wǎng)電壓矢量E和交流側(cè)電流矢量I的相位相差180度，此時(shí)整流器只吸收電網(wǎng)中的有感性無(wú)功功率。當(dāng)開(kāi)關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V端點(diǎn)從D運(yùn)行到A過(guò)程中，電能從PWM整流器直流側(cè)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。PWM整流器仍然處于同上的逆變狀態(tài)。綜上所述:如果要對(duì)PWM整流器的交流側(cè)輸入電流矢量I進(jìn)行合適的控制，可以通過(guò)控制交流側(cè)電感電壓矢量VL，而VL則可根據(jù)PWM整流器的交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量圖，轉(zhuǎn)化為對(duì)開(kāi)關(guān)管交流側(cè)輸入電壓矢量V的控制，所以開(kāi)關(guān)管交流側(cè)的輸入電壓矢量V可以由直流電壓和SPWM或者SVPWM技術(shù)結(jié)合得出，從而完成對(duì)PWM整流器的控制過(guò)程。整個(gè)控制過(guò)程可以由下圖形象的描述。圖2-7PWM整流器電流矢量控制過(guò)程2.4三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型是深入分析和研究PWM整流器的工作機(jī)理及動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的重要前提。本節(jié)將分別建立PWM整流器在三相靜止坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，方便進(jìn)一步研究三相電壓型PWM整流器的控制策略。三相VSR一般數(shù)學(xué)模型PWM整流器主電路如圖2-8所示。圖中ua，ub，uc為三相對(duì)稱電源相電壓，ia，ib，ic為三相相電流，udc為直流側(cè)電壓，L為交流側(cè)濾波電感，RL為負(fù)載電阻，VT1至VT6為整流器的開(kāi)關(guān)管。為方便對(duì)PWM整流器數(shù)學(xué)模型的建立，不失一般性，可以做如下近似A.三相電源為對(duì)稱三相交流電源，其B.交流側(cè)濾波電感L為理想電感。C.開(kāi)關(guān)管的能量損耗由交流側(cè)等效電阻R代替。 圖2-8三相電壓型PWM整流器主電路定義單極性二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)1 （2-1）0其中當(dāng)時(shí)表示開(kāi)關(guān)管上橋臂導(dǎo)通下橋臂關(guān)斷，時(shí)表示開(kāi)關(guān)管下橋臂導(dǎo)通上橋臂關(guān)斷，其中j=(a，b，c)?？紤]a相回路，當(dāng)VT1導(dǎo)通VT4關(guān)斷時(shí)，即當(dāng)時(shí)有（2-2）當(dāng)VT1關(guān)斷VT4導(dǎo)通時(shí)即 （2-3）由式(2-2)，（2-3）得 （2-4）根據(jù)基氏定律中的電壓定律，結(jié)合(2-4)式對(duì)a相回路列電壓回路方程得 （2-5）同理，可得b,c相方程如下： （2-6） （2-7）考慮到電網(wǎng)的電壓和輸入交流電流為對(duì)稱三相電壓，電流則有（2-8）聯(lián)立(2-1)～(2-8)得 （2-9）在圖2-8中，任意瞬間都有三個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，其直流側(cè)電流可表示為 (2-10)在圖2-8中,根據(jù)基氏電流定律，對(duì)直流側(cè)電容的正極點(diǎn)列電流方程得(2-11)整理式(2-1)至(2-11)得到PWM整流器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為[1] (2-12)當(dāng)負(fù)載為純電阻負(fù)載時(shí)，。dq坐標(biāo)系下三相VSR數(shù)學(xué)模型由于PWM整流器在三相靜止坐標(biāo)中的各個(gè)物理量是時(shí)變量，可以將整流器在三相靜止坐標(biāo)系中的各個(gè)物理量變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)DQ坐標(biāo)系中避免了不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的弊端，電網(wǎng)電壓矢量和網(wǎng)側(cè)電流矢量為直流分量，有利于控制器的設(shè)計(jì)。坐標(biāo)變換采用等功率變換。等功率變換矩陣為[27](2-13)結(jié)合式(2-12)，(2-13)得整流器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為[1](2-14)2.5三相電壓型PWM整流器控制方法目前，三相PWM整流器廣泛采用雙閉環(huán)的控制方法，控制方法的研究也主要集中在控制網(wǎng)側(cè)電流取得網(wǎng)側(cè)電流給定值并抑制直流側(cè)電壓波動(dòng)的電壓外環(huán)這兩個(gè)方面。歷經(jīng)數(shù)十年的研究與探索，PWM整流器技術(shù)已日漸趨于成熟。PWM整流器主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到現(xiàn)在的全控型器件橋路;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已從單相、三相電路發(fā)展到多相組合及多電平拓?fù)潆娐?PWM開(kāi)關(guān)控制由從前單純的硬開(kāi)關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開(kāi)關(guān)調(diào)制;功率等級(jí)也從千瓦發(fā)展到如今的兆瓦級(jí)[3]。隨著對(duì)PWM整流器及其控制策略的研究日益深入，研究人員也陸續(xù)提出了一些較為新穎的系統(tǒng)控制策略，如無(wú)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器及無(wú)網(wǎng)側(cè)電流傳感器控制、、直接功率控制，PWM整流器的時(shí)間最優(yōu)控制、電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制略關(guān)于Lyapunov穩(wěn)定性理論的PWM整流器控制等其他控制策略。這些控制系統(tǒng)都各有優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于電壓型PWM整流器目前應(yīng)用較多的是電流控制策略。PWM整流器的電流控制策略包含“直接電流控制”和“間接電流控制”兩種控制策略。根據(jù)有沒(méi)有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制，的稱為間接電流控制沒(méi)有引入交流電流反饋。實(shí)際上間接電流控制是幅相控制，根據(jù)系統(tǒng)低頻穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型(反映穩(wěn)態(tài)下電壓平衡關(guān)系)要控制網(wǎng)側(cè)電流，可以通過(guò)控制電壓型PWM整流器的交流側(cè)電壓基波的幅值、相位來(lái)實(shí)現(xiàn)?！伴g接電流控制”策略著優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需電流傳感器、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靜態(tài)特性良好，但這種控制方式的缺點(diǎn)是:動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，穩(wěn)定性差、動(dòng)態(tài)過(guò)程中存在直流電流偏移和很大的電流過(guò)沖、自身無(wú)限流保護(hù)、需有過(guò)流保護(hù)限制了該種策略的實(shí)際應(yīng)用?！爸苯与娏骺刂啤辈呗允峭ㄟ^(guò)對(duì)交流電流的直接控制而使其跟隨電流給定信號(hào)的控制方法，采用交流電流內(nèi)環(huán)、直流電壓外環(huán)構(gòu)成整流器控制系統(tǒng)，既可恒定控制直流電壓因數(shù)，又可實(shí)現(xiàn)單位功率。直接電流控制的PWM整流器采用SPWM調(diào)制方式，采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)輸出作為電流指令，電流內(nèi)環(huán)則控制輸入電流，使之快速跟蹤電流指令，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快、控制精度高、限流容易在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是其缺點(diǎn)是對(duì)硬件和CPU的要求比較高[2]。直接電流方法的提出引起了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注，從系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)形式分，直接電流控制分為三種類型[24]:1)電壓電流雙閉環(huán)控制。這是目前應(yīng)用最廣泛，最為實(shí)用化的控制方式。他們的共同特點(diǎn)是:輸入電流和輸出電壓分開(kāi)控制，電壓外環(huán)的輸出作為電流指令信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)控制輸入電流，使之快速地跟蹤電流指令。電流內(nèi)環(huán)控制電流，而且起到了改善控制對(duì)象的作用。由于電流內(nèi)環(huán)的存在，只要把電流指令限幅就可自然起到過(guò)流保護(hù)的作用，這是雙閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電流控制器的實(shí)現(xiàn)形式，又分以下幾種形式電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器。它具有相當(dāng)快的電流控制特性，適應(yīng)參數(shù)變化的能力也很強(qiáng)。其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)的頻率不固定，開(kāi)關(guān)應(yīng)力較大，現(xiàn)在已基本淘汰。代替滯環(huán)控制器被串比例或比例積分等線性控制器所代替，并結(jié)合電流狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)電流解耦的控制方法應(yīng)用比較廣泛，其動(dòng)態(tài)特性和滯環(huán)控制接近。當(dāng)不考慮直流電壓的變化時(shí)，整流器輸入電流的模型是線性時(shí)不變系統(tǒng)。所以也有采用狀態(tài)反饋的方法配置電流響應(yīng)的閉環(huán)極點(diǎn)，這種方法和前述串聯(lián)比例電流調(diào)節(jié)器加電流反饋解禍的控制方式的本質(zhì)上是一樣的。假設(shè)是在離散電流模型中設(shè)置極點(diǎn)，并使得電流在采樣點(diǎn)后一拍或數(shù)拍跟蹤上電流指令，這就是所謂的無(wú)差拍電流控制或預(yù)測(cè)電流控制。對(duì)于電流的控制既可以在靜止坐標(biāo)系中，也可以是在兩相同步坐標(biāo)中進(jìn)行。在同步坐標(biāo)系下可以實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)靜差跟蹤，電流響應(yīng)也較為快一些。早期的控制電路主要采用模擬電路，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換十分復(fù)雜，所以控制器一般選擇在靜止坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)。為彌補(bǔ)控制器在靜止坐標(biāo)系下的不足，可以通過(guò)在靜止坐標(biāo)系的電流控制器中引入電網(wǎng)反電勢(shì)信號(hào)作為前饋補(bǔ)償可以增加靜止坐標(biāo)系的電流控制效果和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的接近度。隨著處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬電路正逐步被數(shù)字化系統(tǒng)所代替。在數(shù)字化系統(tǒng)中進(jìn)行坐標(biāo)變換非常方便，因此使用靜止坐標(biāo)系的控制器便會(huì)越來(lái)越少。2)第二類控制方式是以整流器的小信號(hào)線性化狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)。電壓、電流控制不分開(kāi)，而是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)極點(diǎn)配置或設(shè)計(jì)最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)器。這種控制方式需要先離線算出每個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)的狀態(tài)空間模型及其對(duì)應(yīng)的反饋矩陣，然后將其存入存儲(chǔ)器。當(dāng)整流器工作時(shí)，應(yīng)該檢測(cè)等效負(fù)載電阻或負(fù)載電流以確定當(dāng)前工作點(diǎn)，然后查表讀取相應(yīng)的反饋矩陣。這種方式的控制效果不錯(cuò)，只是要對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的劃分很細(xì)，所以造成計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。3)非線性控制方法。因?yàn)檎髌鞅举|(zhì)上是非線性的，所以用非線性控制方法更為適合。這類方法目前還只是處于研究階段，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的新熱點(diǎn)。本文采用的電流電壓雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是基于d-q坐標(biāo)變換的矢量控制方法，根據(jù)矢量控制的觀點(diǎn)，把整流器里三相靜止坐標(biāo)系中的各變量變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩相分量，得出兩相電流分量和電流有功分量、無(wú)功分量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)控制采用電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)PWM整流器有功和無(wú)功電流的單獨(dú)控制，達(dá)到控制功率因數(shù)的目的。2.6電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制空間矢量PWM(SVPWM)控制策略是根據(jù)整流器空間電壓矢量切換來(lái)控制整流器的一種新的控制策略?；驹砭褪前讶郟WM整流器輸入端電壓在復(fù)平面上轉(zhuǎn)換為空間電壓矢量，通過(guò)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合構(gòu)成8個(gè)空間矢量去逼近電壓圓，從而形成SVPWM波。早期的空間矢量PWM控制策略由日本學(xué)者在20世紀(jì)80年代初針對(duì)交流電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)而提出的，主要思路為拋棄了之前的正弦波脈寬調(diào)制，采用了逆變器空間電壓矢量的切換來(lái)獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以至于可以在開(kāi)關(guān)頻率（1～3kHz）不高的條件下，使交流電動(dòng)機(jī)獲得了比SPWM控制更好的性能，這種性能主要變現(xiàn)在：SVPWM提高了電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和電壓型逆變器的電壓利用率，同時(shí)也減小了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。另外，簡(jiǎn)單矢量模式切換更有利于于單片微處理的實(shí)現(xiàn)。下面簡(jiǎn)單介紹一下SVPWM控制方式的基本原理。2.6.1SVPWM基本原理空間矢量控制產(chǎn)生于交流異步電機(jī)磁場(chǎng)理論中準(zhǔn)圓形磁通的控制思想，并廣泛被運(yùn)用于三相三橋臂無(wú)中線的變流器系統(tǒng)，是根據(jù)變流器空間電壓(電流)矢量切換來(lái)控制變流器的一種思路較為新穎的控制方法[32]。圖2-9典型三相整流器結(jié)構(gòu)圖2-9是典型的三相整流器電路結(jié)構(gòu)圖，圖中uab、ubc、uca為其相應(yīng)的輸出線電壓，ua、ub、uc為變流器三相的輸出相電壓,根據(jù)三相變流器工作原理，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)器件受開(kāi)關(guān)變量Sa、Sb、Sc的控制，所以變流器的線電壓矢量開(kāi)關(guān)變量矢量T和T相電壓矢量T之間的關(guān)系可以用表示為以2-15，2-16兩個(gè)關(guān)系式:=Udc(2-15)=Udc(2-16)其中Udc是直流母線電壓，或是變流器的直流供電電壓。容易得出，由于開(kāi)關(guān)變量矢量T有8種不同的組合值（只能取1和0），則變流橋上半部分的3個(gè)功率開(kāi)關(guān)狀態(tài)就會(huì)有8中不同的組合，故其輸出的相電壓和線電壓也有8中對(duì)應(yīng)的組合。開(kāi)關(guān)變量矢量T與輸出的線電壓和相電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2-1所示。表2-1不同開(kāi)關(guān)組合對(duì)應(yīng)的三相電壓cbauaubucuabubcuca0000000000010010001101000101011001110000002.6.2SVPWM的合成分析上表不難發(fā)現(xiàn)，用一個(gè)模為的空間電壓矢量就可以把三相電壓型PWM整流器不同開(kāi)關(guān)組合時(shí)的交流側(cè)電壓可以在復(fù)平面表示出來(lái)，可以形成六個(gè)扇區(qū)區(qū)域1～6,如圖2-10所示圖2-10電壓空間矢量分區(qū)及合成任何一個(gè)扇區(qū)域中的電壓矢量可由該扇形區(qū)兩邊的電壓型PWM整流器空間電壓矢量合成得到。倘若在復(fù)平面上勻速旋轉(zhuǎn)，就得到了對(duì)應(yīng)的三相對(duì)稱的正弦量。事實(shí)上，由于矢量組合和開(kāi)關(guān)頻率的限制，的合成矢量只能以某一步進(jìn)速度旋轉(zhuǎn)，所以便使矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡為一多邊形準(zhǔn)圓軌跡。顯然，隨著PWM開(kāi)關(guān)頻率的不斷升高，步進(jìn)的間隔越小，多邊形準(zhǔn)圓軌跡就越接近標(biāo)準(zhǔn)的圓形。在圖2-10中，當(dāng)在1扇區(qū)時(shí)，則可由、和合成得到，依根據(jù)平行四邊形法則，有（2-17）式中、——矢量、在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的持續(xù)時(shí)間；——PWM開(kāi)關(guān)周期。令零矢量的持續(xù)時(shí)間為，則（2-18）令與的夾角為，由正弦定律算得（2-19）又因?yàn)?，則聯(lián)立式（2-18）、式（2-19），可以得到（2-20）式中m——SVPWM調(diào)制系數(shù)，而且到（2-21）對(duì)于零矢量的選擇，主要考慮選擇或應(yīng)使開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化盡量的少，以降低開(kāi)關(guān)損耗，減少開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作次數(shù)。在開(kāi)關(guān)的一個(gè)周期中，令零矢量插入時(shí)間為，若其中插入的時(shí)間為，則插入的時(shí)間則為其中。在電壓空間矢量控制方式中，計(jì)算出各矢量的作用時(shí)間，還需要確定各矢量的切換順序。各電壓空間矢量的切換次序必須依照以下規(guī)則：任意一次電壓矢量的變化只能有一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，表現(xiàn)在二進(jìn)制矢量表示中只有一位變化。只有這樣在電機(jī)控制中，才可以避免在線電壓的半周期內(nèi)出現(xiàn)反極性的電壓脈沖，以至于產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲。2.6.3SVPWM與SPWM控制的比較一般的的SPWM控制是將對(duì)稱的三相正弦調(diào)制波和三角載波比較且生成PWM波形，實(shí)際上這是一種相電壓的控制方式。當(dāng)調(diào)制比m取1時(shí)，三相電壓型PWM整流器相電壓的峰值為，根據(jù)相電壓與線電壓的關(guān)系，可以得到線電壓的峰值為。顯然，普通的SPWM的直流電壓利用率不高。對(duì)于三相電壓型PWM整流器SVPWM控制，當(dāng)矢量位于1區(qū)間時(shí)，由式（2-20）、式（2-21）分析易得SVPWM線性調(diào)制時(shí)的約束條件為（2-22）聯(lián)立上述三個(gè)等式，得（2-23）若對(duì)于任意的值，式（2-23）均成立，則（2-24）上式說(shuō)明：當(dāng)采用SVPWM控制是，三相電壓型PWM整流器相電壓峰值的最大值為，和SPWM控制的最大相電壓的峰值相比，SVPWM控制將電壓利用率提高了很多。依次變動(dòng)所在區(qū)間，所得結(jié)論不變。因而，和常規(guī)的SPWM控制相比，SVPWM控制更具有電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)?；赟VPWM的三相電壓型整流器控制除了以上的有點(diǎn)之外還有下列突出優(yōu)點(diǎn)：(1)與SPWM控制相比，在相同的波形品質(zhì)條件下，SVPWM控制具有較低的開(kāi)關(guān)頻率，可以行之有效地減少了功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗。(2)與SPWM控制相比，SVPWM具有更好的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)采用SVPWM進(jìn)行電壓型PWM整流器電流控制時(shí)，可以根據(jù)被跟蹤的電流矢量，優(yōu)化選擇三相電壓型整流器電壓空間矢量進(jìn)行PWM電流跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)了在相對(duì)低的開(kāi)關(guān)頻率條件下較好地跟蹤電流指令。SVPWM控制能改進(jìn)SPWM驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)時(shí)的不足，其關(guān)鍵在于SVPWM更加直接地控制了交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，雖然SVPWM不輸出三相平衡PWM波形，但它不僅在靜態(tài)，而且任意在暫態(tài)期間都能形成準(zhǔn)圓形選擇磁場(chǎng)。然而，普通的SPWM則將控制重點(diǎn)集中在波形的改進(jìn)上，使得在不高的開(kāi)關(guān)頻率條件下，很難產(chǎn)生較為完善的正弦波電壓，即使有較高的開(kāi)關(guān)頻率，由于電壓型整流器固有的開(kāi)關(guān)死區(qū)延時(shí)，從而降低了電壓利用率，甚至導(dǎo)致波形畸變，因而難以獲得更為穩(wěn)定的交流電機(jī)動(dòng)驅(qū)動(dòng)性能。2.7本章小結(jié)本章首先對(duì)微處理器的選擇及功率器件的選擇假設(shè)方案進(jìn)行了解釋與論述，分析了PWM整流器四象限工作原理和換流，并通過(guò)對(duì)PWM整流器的開(kāi)關(guān)過(guò)程的分析，建立了基于開(kāi)關(guān)函數(shù)的PWM整流器數(shù)學(xué)模型，同時(shí)介紹了兩電平的三相電壓型PWM整流器的主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并介紹了其基本的工作原理，同時(shí)詳細(xì)分析了電流和電壓的矢量關(guān)系圖，形象的說(shuō)明了PWM整流器兩種基本的工作狀態(tài)。其次，本章還分析了一些坐標(biāo)變換的知識(shí)，同時(shí)建立了三相電壓型PWM整流器在三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)還詳細(xì)介紹了電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制，介紹了兩種控制的基本原理，以及SVPWM的合成，最后比較了SVPWM與SPWM的優(yōu)缺點(diǎn)。第三章三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)三相電壓型PWM整流器硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)由整流器主電路，過(guò)零檢測(cè)電路，采樣電路，DSP控制電路，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路部分等構(gòu)成。圖3-1三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整流器主電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要實(shí)現(xiàn)電能的DC/AC或AC/DC轉(zhuǎn)換，采樣電路實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流以及直流側(cè)電壓，過(guò)零檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的鎖相、電流的檢測(cè)，DSP控制電路功能主要是用數(shù)字實(shí)現(xiàn)控制策略并生成SVPWM的波形，對(duì)主電路開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，?qū)動(dòng)保護(hù)電路是主電路與控制電路的接口，其功能是實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的隔離與功率放大，同時(shí)對(duì)功率器件進(jìn)行監(jiān)測(cè)保護(hù)。3.2主電路設(shè)計(jì)由圖3-1可知，功率電路為典型的三相BOOST整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中F為進(jìn)線熔斷器；L為交流側(cè)輸入電感；為三相對(duì)稱正弦電壓源；等效電阻，包括電感和功率器件的內(nèi)阻；C為直流側(cè)輸出電容；開(kāi)關(guān)器件為IGBT；為電阻型負(fù)載。其主要性能指標(biāo)如下：A.輸入額定電壓220V，額定功率15KW，B.整流器輸出的直流電壓：650V。主電路設(shè)計(jì)主要包括以下五個(gè)方面：交流側(cè)電感計(jì)算與設(shè)計(jì)、功率器件選型、進(jìn)線熔斷設(shè)計(jì)、直流側(cè)電容設(shè)計(jì)。3.2.1進(jìn)線熔斷器進(jìn)線熔斷器主要是起到對(duì)功率單元整體進(jìn)行短路故障保護(hù)的作用，它必須選用保護(hù)開(kāi)關(guān)器件用的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥鞯闹饕獏?shù)有：額定電流、額定電壓和分?jǐn)嗄芰Α?duì)于功率單元的輸入快速熔斷器設(shè)計(jì)，可根據(jù)功率單元的額定輸入電流和電壓進(jìn)行的指標(biāo)進(jìn)行選擇?？焖偃蹟嗥鞯念~定電壓應(yīng)比交流進(jìn)線電壓的有效值要大，但由于電網(wǎng)電壓會(huì)有波動(dòng)(一般+15%)，還應(yīng)適當(dāng)?shù)牧粲锌障叮矗?3-1)式中U為功率單元進(jìn)線電壓有效值快速熔斷器的額定電流Ie，應(yīng)根據(jù)功率單元進(jìn)線電流的有效值I計(jì)算，并留有一定的裕量，即(3-2)I為進(jìn)線電流有效值，如下式所示：(3-3)Idc為直流電流最大值，則 (3-4)3.2.2功率器件選型功率電路中可以選用IGBT模塊來(lái)搭建整流電路，對(duì)IGBT模塊的選擇應(yīng)考慮如下四個(gè)方面：a)額定電流ICEI的選擇對(duì)于額定電流ICE的選擇，要根據(jù)實(shí)際電路中最大額定電流Ie、負(fù)載的類型、允許過(guò)載的程度等因素進(jìn)行選擇。一般的在電阻性負(fù)載的電壓變換裝置中，當(dāng)實(shí)際電路中電流最大有效值為Ie，則要選ICE=1.5Ie。在任何情況下，通過(guò)集電極的最大電流必須在安全工作區(qū)的規(guī)定范圍內(nèi)。b)額定電壓UCE的選擇考慮電網(wǎng)電壓瞬態(tài)尖峰、開(kāi)關(guān)電流引起電壓尖峰、電壓波動(dòng)等，如果穩(wěn)態(tài)時(shí)，外加最高電壓為UM，通?？蛇x取耐壓值UCE=1.5~2UM的IGBT。c)散熱條件在良好的冷卻條件下，可選用額定值較小的IGBT模塊。d)實(shí)際條件根據(jù)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品樣本規(guī)格，以及電壓型PWM整流器所處的工作環(huán)境，選擇合適的器件。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到整個(gè)裝置能短時(shí)間輸出2~3倍功率，選用三菱公司生產(chǎn)的PM50RSA120型IPM模塊。具體參數(shù)最大電壓為1200V，最大通態(tài)電流為50A。3.2.3交流側(cè)電感設(shè)計(jì)在三相VSR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)交流側(cè)電感相當(dāng)重要。這是因?yàn)槿郪SR交流側(cè)電感的取值不僅影響到電流環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)，而且還限制了三相VSR功率因數(shù)、輸出功率以及直流電壓。經(jīng)深入研究可得，總結(jié)三相VSR交流側(cè)電感的主要作用[1]如下：(1)濾除VSR交流側(cè)PWM諧波電流，從而實(shí)現(xiàn)VSR交流側(cè)正弦波電流或一定頻帶范圍內(nèi)的任意電流波形控制。(2)隔離電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)與VSR交流側(cè)電壓。通過(guò)VSR交流側(cè)電壓幅值、相位的PWM控制，或通過(guò)VSR交流側(cè)電流幅值、相位的PWM控制均可實(shí)現(xiàn)VSR四象限運(yùn)行。(3)使VSR獲得良好電流波形的同時(shí)，還可向電網(wǎng)傳輸無(wú)功功率，基至實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)純電感、純電容運(yùn)行特性(4)使VSR具有BoostPWMAC/DC變換性能以及直流側(cè)受控電流源特性。(5)使VSR控制系統(tǒng)獲得了一定的阻尼特性，從而有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行?？梢?jiàn)，三相VSR交流側(cè)電感所起到的影響和作用是綜合的。對(duì)交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)涉及到兩個(gè)方面[1]：一方面是電感的設(shè)計(jì)；另一方面是電感值的計(jì)算。然而，交流側(cè)電感量的選擇需在穩(wěn)態(tài)條件下應(yīng)滿足兩個(gè)指標(biāo)：一是滿足滿足電流波形品質(zhì)，二是VSR輸出有功(無(wú)功)功率。一、電感值的計(jì)算1．滿足VSR有功(無(wú)功)功率指標(biāo)時(shí)電感值在忽略VSR交流側(cè)電阻R，且只討論基波正弦量的條件下，穩(wěn)態(tài)條件VSR交流側(cè)矢量關(guān)系圖如圖所示。圖3-2VSR單位功率因素穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系圖中矢量：V為交流側(cè)控制電壓E為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)I為交流側(cè)電流VL為電感電壓隨著VSR直流側(cè)電壓Udc的確定，VSR交流側(cè)電壓最大峰值也跟著確定，即(3-5)其中，PWM相電壓最大利用率M，采用三角載波SPWM控制時(shí)，M取1/2；采用空間矢量(SVPWM)控制時(shí)，。由正余弦定理可知：（3-6）將代入式（3-6）中求得：（3-7）式中：Vm——VSR交流側(cè)基波相電壓峰值Im——VSR交流側(cè)基波相電流峰值Em——電網(wǎng)相電壓峰值由式(3-7)可知：（3-8）聯(lián)立兩個(gè)等式得VSR交流側(cè)電感取值為： （3-9）顯然可知>0，即。假設(shè)三相VSR采用SPWM控制，且忽略VSR損耗，則（3-10）M=1/2在式中，Q為三相VSR交流側(cè)無(wú)功功率，P為三相VSR交流側(cè)有功功率。當(dāng)三相VSR實(shí)現(xiàn)單位功率因素控制時(shí)，代入上式則(3-11)將式（3-10）代入（3-9）(3-12)2.滿足動(dòng)態(tài)和靜態(tài)電流響應(yīng)時(shí)電感的設(shè)計(jì)除了要考慮穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率要求外，設(shè)計(jì)交流側(cè)電感時(shí)，還要考慮滿足三相VSR的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)電流響應(yīng)要求，既要能有效抑制電流諧波又要能快速跟蹤交流側(cè)電流指令。為方便分析，只討論三相VSR正弦波電流控制時(shí)電感設(shè)計(jì)規(guī)則，當(dāng)交流電流過(guò)零時(shí)電流變化速度最快，此時(shí)電感應(yīng)該足夠小，使得交流側(cè)電流能快速跟蹤電流的指令，而在正弦波電流峰值時(shí)電流諧波含量最大，如果電感不足過(guò)大，那么電流諧波便抑止不住在三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，A相電壓方程（3-13）若忽略VSR交流側(cè)電阻，且令則以上A相電壓方程簡(jiǎn)化： （3-14）Sa為二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)三相VSR交流側(cè)A相等效電路如下圖所示。首先分析滿足快速電流跟蹤要求：圖3-3三相VSR交流側(cè)A相等效電路分析電流過(guò)零(ωt=0)處附近一個(gè)PWM開(kāi)個(gè)周期Ts內(nèi)的瞬時(shí)電流跟蹤過(guò)程。穩(wěn)態(tài)條件下，當(dāng)0≤t≤T1時(shí)，sa=0，ea≈0，由式(3-14)可得到：（3-15）當(dāng)T1≤t≤Ts時(shí)，sa=1，T1+T2=Ts，由式(3-14)可得到：（3-16）若要滿足電流跟蹤的快速性要求，則必須滿足：（3-17）聯(lián)立式（3-15）~（3-17），可得：（3-18）當(dāng)T1=Ts時(shí)，獲得最大電流變化率，即：（3-19）在交流電流峰值附近主要考慮電感抑制電流諧波的要求，考察電流峰值附近一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)的瞬時(shí)電流跟蹤過(guò)程。穩(wěn)態(tài)條件下，當(dāng)0≤t≤T1時(shí)，sa=0，e=Em，式(3-14)可化簡(jiǎn)為：（3-20）當(dāng)T1≤t≤Ts時(shí)，sa=1，式(3-14)可化簡(jiǎn)為：（3-21）因?yàn)榉逯蹈浇?，，，所以，?lián)立式（3-20）和（3-21）可得：（3-22）式中，Δimax為允許的最大電流諧波脈動(dòng)量。綜上所述，滿足電流瞬態(tài)跟蹤要求時(shí)，三相VSR系統(tǒng)電感L取值范圍為：（3-23）將三相VSR系統(tǒng)參數(shù)：，，，，，代入式(3-12)、(3-23)得：（3-24）（3-25）根據(jù)式(3-24)、(3-25)，并考慮到電感尺寸及成本，選得交流側(cè)電感值為4mH。直流側(cè)電容選取上述分析的是交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)方法，在三相VSR系統(tǒng)中，直流側(cè)電容C的測(cè)試也相當(dāng)重要。C選擇的是否合適將直接影響到系統(tǒng)直流側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性能，它所起到的主要作用有以下三個(gè)方面：1)濾波作用，濾除的波為由于開(kāi)關(guān)高頻動(dòng)作所帶來(lái)的直流電壓的高次諧波；2)穩(wěn)定直流側(cè)電壓，在整流器的慣性延時(shí)環(huán)節(jié)內(nèi)，將直流電壓的波動(dòng)維持在限定的范圍；3)儲(chǔ)存能量的作用，作為與交流側(cè)能量交換的媒介完成與交流側(cè)電能的交換。直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)既要滿足其抗干擾性又要的直流電壓的跟隨性能要求，當(dāng)滿足直流側(cè)電壓的跟隨性時(shí)電容的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量小，而考慮其抗干擾性時(shí)其設(shè)計(jì)又應(yīng)該盡量大。一般而言，在滿足電壓環(huán)控制的跟隨性指標(biāo)的角度看，VSR直流側(cè)電容應(yīng)盡量小，從而確保VSR直流側(cè)電壓的快速跟蹤控制；而從滿足電壓環(huán)控制的抗擾性指標(biāo)的角度分析，VSR直流側(cè)電容值應(yīng)盡量大，以限制負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的直流電壓動(dòng)態(tài)的變化，提高其穩(wěn)定性。只考慮負(fù)載存在擾動(dòng)的情況，假定負(fù)載功率在穩(wěn)態(tài)t=0時(shí)到時(shí)間t=t1內(nèi)的最大變化為ΔPLmax，則由負(fù)荷引起電容電壓的最大變化量可以表示為：（3-26）而，因此可以得到：（3-27）考慮整流器最大慣性時(shí)間常數(shù)為Timax，因此，輸出電容的電壓應(yīng)該滿足下式：（3-28）將三相VSR系統(tǒng)參數(shù)，，，代入（3-28）可得：（3-29）在實(shí)際應(yīng)用工程中，若從體積、重量、價(jià)格和動(dòng)態(tài)性能考慮，電容值又不能夠選太大；如果選擇太小，直流電壓的濾波平滑作用將下降。因此，應(yīng)該綜合評(píng)價(jià)選擇電容的大小，根據(jù)所解得的數(shù)據(jù)，選取電容由兩個(gè)電容C1和C2串聯(lián)而成C1=C2=4700/400V。3.2.5IPM保護(hù)及其接口電路三菱智能功率模塊IPM(IntelligentPowerModule)內(nèi)部不僅存在集成功率開(kāi)關(guān)器件IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路，而且還存有過(guò)電流，過(guò)電壓，欠壓，短路和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，能夠做到輸出錯(cuò)誤信號(hào)。PM50RSA120型號(hào)IPM主要參數(shù)如下：(1)集成柵極驅(qū)動(dòng)電路；(2)完整的功率輸出電路，直接連接負(fù)載；(3)使用第五代低功耗IGBT開(kāi)關(guān)；(4)集成短路保護(hù)電路，過(guò)溫保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電壓欠壓保護(hù)電路；雖然IPM模塊內(nèi)部存在保護(hù)電路和柵極驅(qū)動(dòng)，但是它需要0V，15V的PWM波來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而DSP模塊輸出的PWM信號(hào)幅值為3.3V，可以間接用來(lái)驅(qū)動(dòng)IPM模塊，所以，需要為IPM模塊設(shè)計(jì)接口電路。與此同時(shí)，接口電路有主功率部分與控制部分的電氣隔離的功能。如圖3-4,即為IPM接口電路。圖3-4IPM接口電路IPM驅(qū)動(dòng)電源要求的范圍是13.5V—16.5V，最好是在15V值下工作，當(dāng)電壓低于13.5V時(shí)損耗會(huì)有所增加，保護(hù)特性會(huì)出現(xiàn)漂移，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)功能不夠充分，致使IPM損壞。因此就IPM而言，控制電源是十分重要的，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。IPM控制電源可以采用開(kāi)關(guān)電源，如7815等組成的電源也可以采用TOPSwitch系列的單片開(kāi)關(guān)電源。本文采用7815電源設(shè)計(jì)，電路比較簡(jiǎn)單，如圖3-5所示。圖3-5由7815組成的+15V電源電路圖在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，若IPM中的IGBT過(guò)流或出現(xiàn)短路故障，驅(qū)動(dòng)板將檢測(cè)的過(guò)流故障信號(hào)通過(guò)光耦隔離后，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，從而輸出端的光敏三極管接收到光偏置，會(huì)使此光敏三極管飽和導(dǎo)通，那么光耦的上輸出端就會(huì)輸出低電平，從而給DSP的引腳一個(gè)故障信號(hào)——低電平，DSP馬上關(guān)閉PWM波的輸出，保護(hù)了IPM，于此同時(shí)也會(huì)提出中斷請(qǐng)求。IPM處于正常工作狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)O引腳會(huì)呈現(xiàn)