三相電壓型PWM整流器的仿真

1、 摘要 為了解決電壓型PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題,根據(jù)整流器在dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型建立了其功率控制數(shù)學(xué)模型.基于功率控制數(shù)學(xué)模型,結(jié)合整流器直接功率控制系統(tǒng)的特點(diǎn),推得交流側(cè)電感是由功率、功率滯環(huán)比較器環(huán)寬及開關(guān)平均頻率決定的;直流側(cè)直流電壓是由交流電壓、電感及負(fù)載決定的;突加負(fù)載時(shí)直流側(cè)電容是由直流電壓波動(dòng)、功率、電感及負(fù)載決定的.根據(jù)上述影響主電路參數(shù)的諸多因素,提出交流側(cè)電感、直流側(cè)電壓及直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)方法.計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了本文提出的設(shè)計(jì)方法是可行的. 關(guān)鍵詞 PWM整流器; 直接功率控制; 直流電壓; 交流側(cè)電感; 直流電容 目錄1 電壓型PW

2、M整流器.2 1.1電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型.3 1.2 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理.32 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì).5 2.1 交流側(cè)電感的選擇.5 2.2 直流側(cè)直流電壓的選擇.6 2.3 直流側(cè)電容的選擇.73 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn).9 3.1 系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì).9 3.2 系統(tǒng)仿真.9 3.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn).104 總結(jié)與體會(huì).12參考文獻(xiàn).131電壓型PWM整流器1.1電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型 電壓型PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.圖中，,

3、為三相對(duì)稱電源相電壓為三相線電流;為驅(qū)動(dòng)整流器開關(guān)管(絕緣柵雙極型晶體管IGBT)開關(guān)函數(shù);定義為單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù),=1(j=a,b,c)則上橋臂開關(guān)導(dǎo)通,下橋臂開關(guān)關(guān)斷,=0下橋臂開關(guān)導(dǎo)通,上橋臂開關(guān)關(guān)斷；為直流電壓;R,L為濾波電抗器的電阻和電感;C為直流側(cè)電容;RL為負(fù)載;為整流器的輸入相電壓;為負(fù)載電流。 圖1-1 電壓型PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由圖1-1可知: 為便于系統(tǒng)分析,將PWM整流器在三相對(duì)稱坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型變換到dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,正交變換矩陣為 式中,為電源電壓角頻率。 經(jīng)T3s/2r變換,得到整流器在dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型

4、： 式中,;,，與,分別為整流器輸入電壓矢量、開關(guān)函數(shù)在d,q軸上的分量;，,與,為交流電源電壓矢量、與電流矢量在d,q軸上的分量. 根據(jù)式(2)及三相對(duì)稱系統(tǒng)功率計(jì)算,（為電源相電壓幅值)可得以p,q為變量的功率控制數(shù)學(xué)模型 式中，。1.2 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)有多種方案,經(jīng)綜合比較采用有電壓互感器方案,如圖1-2所示.整流器DPC系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成.主電路由交流電源、濾波電抗器、整流器、直流電解電容器、負(fù)載組成;控制電路為直流電壓外環(huán)功率內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu),由交流電壓、電流檢測(cè)電路和直流電壓檢測(cè)電路、功率估算器、扇形劃分器、功率滯環(huán)比較器、

5、開關(guān)表及PI調(diào)節(jié)器組成.瞬時(shí)有功與無(wú)功功率根據(jù)檢測(cè)到的電流,，及,進(jìn)行計(jì)算,得到瞬時(shí)有功和無(wú)功功率的估算值p,q及三相電壓，在兩相靜止坐標(biāo)系中的,扇形劃分器根據(jù)，劃分扇區(qū),得到扇區(qū)n信號(hào).p和q與給定的和比較后的差值信號(hào)送入功率滯環(huán)比較器得到,開關(guān)信號(hào);由直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出(代表電流)與直流電壓的乘積設(shè)定,設(shè)定為0,以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù).根據(jù),n在開關(guān)表中選擇所需的，去驅(qū)動(dòng)主電路開關(guān)管.圖1-2中略去了電阻R 圖1-2 PWM整流器DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)   在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交流電源電壓及負(fù)載一定的情況下,主電路設(shè)計(jì)主要是確定

6、網(wǎng)側(cè)濾波電感值、直流側(cè)電壓和直流側(cè)電容值.2.1 交流側(cè)電感的選擇 交流電感的主要作用是濾除交流側(cè)PWM諧波電流,當(dāng)在整流器穩(wěn)定于單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí),瞬時(shí)有功功率決定了交流電流.對(duì)此,需找出功率與電感的關(guān)系.根據(jù)式(2),略去了電阻R,考慮到整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行單位功率因數(shù)時(shí),q=0,式(3)可變： 根據(jù)，由（4）式可知 根據(jù)式（5）得 令(T為開關(guān)周期,2為有功功率滯環(huán)比較器滯寬),則有 式中，分別為對(duì)應(yīng)于有功功率在范圍內(nèi)的最高、最低及平均開關(guān)頻率。同理，根據(jù)式（6）（T為開關(guān)周期,2為有功功率滯環(huán)比較器滯寬),則有 式中，分別為對(duì)應(yīng)于無(wú)功功率在2范圍內(nèi)的最高、最低及平均開關(guān)頻率。 由于

7、整流器輸入電壓空間矢量同時(shí)對(duì)p和q進(jìn)行調(diào)節(jié),則開關(guān)頻率平均值取和幾何平均值,即 由式（11）可得： 式(12)可以看出,當(dāng),一定,的平方與電感L和成反比,因而不能太小,以免過(guò)高;當(dāng),L及一定,升高,變高;當(dāng),及L一定,變高,就變小,當(dāng)時(shí),0,則無(wú)動(dòng)態(tài)跟蹤偏差由于Um,pref,為定值,可根據(jù)選定的滯環(huán)寬度及確定電感值L。2.2 直流側(cè)直流電壓的選擇 直流側(cè)直流電壓與交流電壓、電感及負(fù)載有關(guān),下面從功率角度來(lái)進(jìn)行分析.整流器在兩相靜止坐標(biāo)系中功率計(jì)算式為： 略去R的影響，由式（13）可知： 在穩(wěn)定時(shí)，,則由式（14)可得等效，： 直流電壓的選擇在滿足負(fù)載要求的同時(shí),必須滿足控制交流側(cè)電

8、流波形的需要,即使交流電流不發(fā)生畸變并可控,在不考慮過(guò)調(diào)時(shí)等效=，可得： （16） 當(dāng)RL4L時(shí),Udc,r存在,可由式(16)確定Udc,r。2.3 直流側(cè)電容的選擇直流電容的主要作用是穩(wěn)定直流電壓和抑制直流側(cè)諧波電壓,同時(shí)在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)可減少直流電壓波動(dòng).對(duì)于電壓型PWM整流器,應(yīng)考慮在嚴(yán)重負(fù)載變化時(shí)使直流電壓波動(dòng)在允許的范圍內(nèi)選擇直流電容器.對(duì)此,研究突加負(fù)載時(shí)直流電壓波動(dòng)與電容之間的關(guān)系.考慮負(fù)載電流由額定值突增到情況.此情況下,為滿足負(fù)載功率的要求,導(dǎo)致有功功率突增,直流電壓下降.當(dāng)時(shí),由式2)和式(4)可得有功功率最大上升速率和直流電壓最大下降速率為： 令為突變開始時(shí)刻，則

9、有式（17）的初始條件： 根據(jù)初始條件式（18），由式（17）可得最小直流電壓及最大直流電壓波動(dòng)： 根據(jù)給定的和由式(20)可確定出滿足給定的最小電容值為： 在實(shí)際工程中,負(fù)載電流突增需要一個(gè)暫短的時(shí)間,不能瞬間完成,式(21)所確定出的電容值偏大。3 電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)3.1 系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 給定,V,，,按本文設(shè)計(jì)方法可得，,電壓調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。3.2 系統(tǒng)仿真按上述參數(shù)和圖1-2構(gòu)建了Simulink環(huán)境下的電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)仿真模型,其仿真結(jié)果如圖3-1所示。其產(chǎn)生波形如圖3-2所示。 圖3-1 電壓型PWM三相整流

10、電路的仿真模型 圖3-2PWM整流器DPC系統(tǒng)仿真3.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 由智能功率模塊6MBP20RH060、電抗器、電解電容器、功率電阻、LEM電流傳感器、LEM電壓傳感器、ICETEK-LF2407-A數(shù)字信號(hào)處理器,構(gòu)成了電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)硬件電路,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-3所示.由圖3-1的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的仿真結(jié)果可以看出:穩(wěn)態(tài)時(shí)與同相位,且非常接近正弦波;直流輸出電壓穩(wěn)定在給定值附近;p的平均值穩(wěn)定在給定值,q的平均值穩(wěn)定在給定值,并接近于0.由圖3-3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:穩(wěn)態(tài)時(shí) 圖3-3 PWM整流器DPC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 與同相位,略有諧波;穩(wěn)定在給定值;p的平均值為4kW,q的平均值為

11、0.仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的主電路設(shè)計(jì)方法是可行的。4 總結(jié)與體會(huì) 最初拿到課設(shè)題目的時(shí)候，感到十分的迷茫與困惑，不知如何著手開始，于是，頭幾天都是在查閱資料，閱讀相關(guān)書籍，詢問(wèn)了同學(xué)后，仿佛有一種山窮水盡疑無(wú)路，柳暗花明又一村的感覺，瞬間豁然開朗。因?yàn)殡妷盒蚉WM整流器比較流行，所以我們就采用這個(gè)方案而不采用電流型PWM整流，在對(duì)電路原理，波形產(chǎn)生的介紹中并不感覺有何困難。比較困難的是基于MATLAB的三相電壓PWM整流仿真的調(diào)試，期間，因?yàn)閰?shù)的選擇不正確，不合理，導(dǎo)致所產(chǎn)生的波形與理論值不一致，進(jìn)過(guò)多次的校正與改進(jìn)后，才出現(xiàn)本文的較為理想的波形。 本文著重介紹了三相電壓型PWM整流電

12、路原理，其輸入與輸出電壓，電流之間的關(guān)系，并利用Simulink建立了仿真圖形，通過(guò)對(duì)仿真圖形的觀測(cè)，驗(yàn)證輸入與輸出電壓之間的聯(lián)系是否正確，驗(yàn)證了本文所建模型的正確性。采用MatlabSimulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過(guò)程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用MatlabSimulink進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。應(yīng)用Matlab對(duì)整流電路故障仿真研究時(shí)，可以判斷出不同橋臂晶閘管發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的波形現(xiàn)象，為分析三相橋式整流電路打下較好的基礎(chǔ)，是一種值得進(jìn)一步應(yīng)用推廣的功能

13、強(qiáng)大的仿真軟件，同進(jìn)也是電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)較好輔助工具。 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，整流電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等 領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。由于整流電路涉及到交流信號(hào)、直流信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣，高壓情況下實(shí)驗(yàn)也難順利進(jìn)行。Matlab提供的可視化仿真工具Simtlink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用Simulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，對(duì)不同控制角、橋故障情況下進(jìn)行了仿真分析，既進(jìn)一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時(shí)也為現(xiàn)代電力電子實(shí)驗(yàn)教