基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型

1、第23卷 第7期 2003年7月文章編號(hào)中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào)Proceedings of the CSEETM461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼Vol.23 No.7 Jul. 20032003 Chin.Soc.for Elec.Eng.4704051基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型張純江1,2, 顧和榮1, 王寶誠(chéng)1, 朱艷萍1, 劉彥民秦皇島 066004A novel algorithm of the phase and amplitudecontrol of three-phase source PWM rectifiers is presented. Thephase an

2、gle of the front end voltage of a rectifier is regardedas the input variable and the output DC voltage UDC is used asthe output variable. The three-order transfer function betweenthe output DC voltage UDC and the phase angle is deducedthrough the coordinate transforming and the small signalanalysis

3、and is reasonably reduced to an one-order transferfunction. The internal relations of the system are unveiled. Themathematical model is used for the system design and thecontrol algorithm are implemented in a digital-signal processor.The theoretical analysis is verified by the simulations andexperim

4、ents.KEY WORDS: Mathematical model; PWM rectifier;Phase and amplitude; Power electroncs摘要結(jié)合三相PWM整流器的狀態(tài)空間方程并合理簡(jiǎn)化成為一階傳遞函數(shù)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)關(guān)鍵詞脈沖寬度調(diào)制整流器電力電子1引言系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型尤其是以傳遞函數(shù)形式表示的數(shù)學(xué)模型是深入分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的依據(jù)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目- 哈爾濱150006它是一個(gè)多變量非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中有3個(gè)電感和1個(gè)電容不但如此, 三相電壓型整流器中另一個(gè)需要解決的問(wèn)題是而且這種跳變?cè)?個(gè)工頻周期內(nèi)是以很高頻率切換的但是在開(kāi)關(guān)頻率很高的情況下在工程中常常

5、采用狀態(tài)空間平均法351個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓可以近似看作不變從而得到連續(xù)的狀態(tài)空間平均模型從而得出輸出電壓Udc相對(duì)于變流器前端電壓向量滯后角 的傳遞函數(shù)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論第7期張純江等設(shè)計(jì)了1臺(tái)10kW三相PWM整流器通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性在輸出電容的中點(diǎn)與輸入交流電壓中點(diǎn)等電位的條件下對(duì)應(yīng)的向量圖如圖2(b)所示Ea為A相輸入相電壓幅值IaL為輸入電感L兩端的電壓L為輸入電感雖然這兩種控制方式都可以使Ea與Ia同相位即達(dá)到單位功率因數(shù)的目的本文根據(jù)圖2(b)提出了新型相位幅值控制算法從圖2可知tan=IaLE (1)a根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)將tan在零點(diǎn)展開(kāi)則式(1)簡(jiǎn)化為=IaLE

6、 (2)a當(dāng)角在較小范圍內(nèi)變化時(shí), 整流器前點(diǎn)電壓幅值可由下式計(jì)算直接控制角就可以實(shí)現(xiàn)Ia與Ea同相位Vpa由式(3)算出因此這種新型相位幅值算法易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制輸入交流電壓三相平衡輸入電流與電壓同相位由圖1可寫(xiě)出系統(tǒng)的狀態(tài)方程Ldidt=eaUdcd1uno (4)Ldidt=ebUdcd3uno (5)Ldidt=ecUdcd5uno (6)CdUdt=i+iUad1bd3+icd5R (7)o式中 eaec為三相輸入相電壓ibuno為三相交流中點(diǎn)與直流端地點(diǎn)的電位差求出unoL000 0L00 ia00L0 ib = 000C ic Udc000(d113di)i=1,3,5000(1

7、) ia d33di i=1,3,5 ib+ 000(d1 i 53di) i=1,3,5 c U dcd1d3d51Ro 1000 e0100 a 0010 eb000R ec (8)1o 0即 Zx=Ax+Bu (9)式(8)中di為高頻的PWM信號(hào)di可以用一個(gè)純正弦波代替將式(10)代入式(9)中并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換30中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào)第23卷1ejtejtT=1 1ej(t23)ej(t23)j(t+2 1e3)ej(t+23)0 = E0 01 (11)000由于穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入三相電流之和為零得Zrrxrr=A*rrxrr+B*rr urr (12)L00式中 Zrr= 0

8、L00Ciq為變換后的電流變量對(duì)各變量加入一個(gè)擾動(dòng)量UDC=Udc+udc和Xrr=xrr+xrrudc和xrr均為擾動(dòng)量Udc和xrr為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)參量經(jīng)拉氏變換有xrr(s)=(sZ*rrArr)1Axrr(s) (14)可以解得Udc和之間的小信號(hào)關(guān)系udc(s)3mrImsinL2s2+38Lmr2Udc34mrImsin(L)2(s)=4L2Cs3+LRs2+3mr2L+(L)2Cs+(L)o8Ro(15)式中 sinU3mERsindc=rmo4L萬(wàn)方數(shù)據(jù) Im=Udcmrsin2Lsin=116L16L2(+3m)rRo3mrRo式中 Im為輸入相電流的最大值Em為輸入相電壓

9、幅值工程中L1二次項(xiàng)系數(shù)與一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)相比小得多3udc(s)Lm2rUdc3mrI2msin(L)(s)=3 (16)2(L)8mrL+(L)2Cs+Ro4 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)給定整流器系統(tǒng)參數(shù)Em=57 VRo=15L=7.5 mHMatlab對(duì)推導(dǎo)的三階傳遞函數(shù)即式(15)進(jìn)行仿真所示兩者幾乎同時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)說(shuō)明推導(dǎo)的傳遞函數(shù)是正確的在時(shí)間為0.7s時(shí)加入百分之百負(fù)載擾動(dòng)調(diào)整時(shí)間十分接近利用上述分析結(jié)果設(shè)計(jì)了10kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)第7期張純江等輸入電感L=7mH輸入線電壓為210 V(有效值)輸入電壓和三相輸入電流實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示(1蹤為相電流波形可以看到測(cè)得功率因數(shù)為96%(輸入電壓畸變率較

10、大)圖6是當(dāng)負(fù)載電阻百分之百變化即由30 突增到60 時(shí)輸出電壓Udc和輸入電流ia的動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)可穩(wěn)定工作格/格A05PWM整流器系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)系參考文獻(xiàn)1 丘水生開(kāi)關(guān)功率變換器符號(hào)分析的原理電子學(xué)報(bào)（） Rim C T, Jong G.B, Cho G H. A state-space modeling of non-linearDC-DC convertersA. IEEE PESC RecC., 1988(Zhan Changjiang, Qin Quanhua,HanYingduo, et al)三電平脈寬調(diào)制高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真分析(Study on mathematical

11、 model and system simulation of the three-leverl PWM reversible rectifier)J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings ofthe CSEE),1999, 19(7)(Zhou Louwei, Luo Quangming).基于DQ變換三相三開(kāi)關(guān)Boost 型開(kāi)關(guān)整流器的DC和AC分析(DC and AC analysisof three phase three-switch boost type SMR based on DQtransformation)J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CS

12、EE),2002,22(7)355-363.7 Hanchun Mao, Dushan Boroyevich, Fred C Y Lee. Novel reduced-order small-signal model of a three-phase PWM rectifier and itsapplication in control design and system analysisJ. IEEE Trans onIndustrial Electronics, 1998, 13(3)FengJiangtao (Qinhuangdao2000. 收稿日期作者簡(jiǎn)介1961-男碩士主要研究方向

13、為高頻功率變換及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)顧和榮河北秦皇島市人副教授 王寶誠(chéng)河北秦皇島市人副教授朱艷萍河北秦皇島市人講師劉彥民河北秦皇島市人研究方向?yàn)樽兞骷夹g(shù)和直流脈寬調(diào)速責(zé)任編輯王彥駿基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次數(shù)：張純江， 顧和榮， 王寶誠(chéng)， 朱艷萍， 劉彥民張純江(燕山大學(xué),河北,秦皇島,066004;哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江,哈爾濱,150006)， 顧和榮,王寶誠(chéng),朱艷萍,劉彥民(燕山大學(xué),河北,秦皇島,066004)中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)PROCEEDINGS OF THE CHINESE SOCIETY FOR ELECTRICAL

14、ENGINEERING2003，23(7)24次參考文獻(xiàn)(8條)1.丘水生 開(kāi)關(guān)功率變換器符號(hào)分析的原理 1997(1)2.Domingos S L Simonetti.Jose Luiz FVieira Modeling of the high-power-factor discontinous boost rectifiers 1999(4)3.Rim C T.Jong G.B.Cho G H A state-space modeling of non-linear DC-DC converters 19884.詹長(zhǎng)江.秦荃華.韓英鐸.王仲鴻.陳堅(jiān) 三電平脈寬調(diào)制高頻整流器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿

15、真分析期刊論文-中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 1999(7)5.周雒維.羅全明 基于DQ變換三相三開(kāi)關(guān)Boost型開(kāi)關(guān)整流器的DC和AC分析期刊論文-中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2002(7)6.Rusong Wu.Shashi B.Dewan Analysis of an AC/DC voltage source converter using PWM with phase and amplitude control1991(2)7.Hanchun Mao.Dushan Boroyevich.Fred C Y Lee Novel reduced-order small-signal model of a thre

16、e-phase PWM rectifier andits application in control design and system analysis 1998(3)8.馮江濤 三相可逆變流器的雙CPU滑模控制的研究學(xué)位論文 2000相似文獻(xiàn)(2條)1.期刊論文 王久和.李華德.王立明.WANG Jiu-he.LI Hua-de.WANG Li-ming 電壓型PWM整流器直接功率控制系統(tǒng) -中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)2006,26(18)根據(jù)三相電壓型PWM整流器在dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型,建立整流器功率控制數(shù)學(xué)模型.根據(jù)功率控制數(shù)學(xué)模型,結(jié)合整流器直接功率控制(DPC)系統(tǒng)的特點(diǎn),提

17、出新的電壓型PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)的主電路交流側(cè)濾波電感值、直流側(cè)電壓和直流側(cè)電容值設(shè)計(jì)方法.根據(jù)整流器的數(shù)學(xué)模型,得到整流器DPC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制器設(shè)計(jì)方法.同時(shí),討論了橋路損失和直流側(cè)電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)對(duì)整流器的影響.計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)表明,提出設(shè)計(jì)方法是可行的,具有應(yīng)用參考價(jià)值.2.期刊論文 蔡政英.鄒云屏.CAI Zheng-ying.ZOU Yun-ping 一款單相三電平整流電源研究 -兵工學(xué)報(bào)2007,28(4)建立了單相三電平整流器的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型,介紹了一種橋臂組合的多電平變換器拓?fù)渥儞Q方法,推導(dǎo)了一種七開(kāi)關(guān)三電平橋式整流器,分析了其工作原理和控制方法,同時(shí)對(duì)

18、三電平變換器的控制方式進(jìn)行了探討,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了拓?fù)渥儞Q和控制方案的正確性.引證文獻(xiàn)(26條)1.陳德傳.張奇松 帶制動(dòng)能量回饋單元的放卷張力控制系統(tǒng)期刊論文-電氣傳動(dòng) 2009(6)2.楊秀.郭晨吉.金紅核 輕型高壓直流輸電綜述期刊論文-華東電力 2009(4)3.黃凱征.汪萬(wàn)偉.王旭 基于滑?？刂频腜WM整流器建模與仿真期刊論文-電網(wǎng)技術(shù) 2009(8)4.張加勝.潘大偉 四象限變流器的一種準(zhǔn)降壓式新型拓?fù)淦诳撐?中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2008(06)5.郭寶寧 PWM整流器直接功率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)期刊論文-金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2007(04)6.梁中華.林志明.劉鑫.許娟 基于模糊控制的

19、PWM整流器的抗負(fù)載擾動(dòng)性能期刊論文-沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2007(06)7.Hadian Amrei S R.徐殿國(guó).郎永強(qiáng) 一種PWM整流器直接功率控制方法期刊論文-中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2007(25)8.李和明.李亞斌.彭詠龍 基于FPGA的三相電流型PWM整流器過(guò)調(diào)制策略的研究期刊論文-中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2007(22)9.童建東.張新宇.白憲慶.文高登 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變換器電壓空間矢量電流滯環(huán)控制期刊論文-中國(guó)電力 2007(07)10.張加勝.張磊 PWM逆變器的直流側(cè)等效模型研究期刊論文-中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2007(04)11.呂寶良.李國(guó)勇.王丙全.馬春紅 一種三相電壓型PWM整流器控制方法仿真期刊論文-哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào) 2007(01)12.喬樹(shù)通.姜建國(guó) 三相Boost型PWM整流器輸出誤差無(wú)源性控制期刊論文-電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2007(02)13.李時(shí)杰.李耀華.陳睿 背靠背變流系統(tǒng)中優(yōu)化前饋控制策略的研究期刊論文-中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2006(22)14.方宇.裘迅.邢巖.胡育文 基于預(yù)測(cè)電流控制的三相高功率因數(shù)PWM整流器研究期刊論文-中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2006(20)15.王久和.李華德.王立明 電壓型