pwm整流器的仿真与分析毕业设计论文(编辑修改稿)

pwm整流器的仿真与分析毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

交流电转换为另一种直流或交流电以便供负载使用的电力装置。 因其高效率、高功率密度、高可靠性和低电磁干扰的优点，引起人们越来越多的关注和研究。 特定结构的静止变换器可将航空发电机输出的变频交流电转变为直流电，再将该直流电转变为频率固定的交流电，用于航空变频供电系统，作为特殊 负载的供电电源，即变频转恒频电源（ VFCFC）。 本文涉及的变频转恒频静止变流器 VFCFC 采用双 SPWM 控制的电压型整流器（ VSR Voltage Source Rectifier）加逆变器（ VSI Voltage Source 本科毕业设计论文 13 Inverter）拓扑结构。 本文仅针对变频转恒频电源中的整流部分，进行理论研究和仿真分析。 选定整流级采用间接电流控制的 SPWM 三相半桥全控电压型整流器。 这种控制方法将空间矢量控制与 SPWM 控制相结合，在 dq旋转坐标系模型下，通过解耦控制，采用两个独立的 PI 调节器，分别控制有功、无功分 量，产生的指令电压信号与载波比较得到 SPWM 控制信号 [33][34][35]。 在现行的大、中功率电力系统应用场合，广泛采用的是三相交流供电系统。 本文即针对的航空发动机供电的三相整流器展开研究，功率等级取为 5kW。 在三相整流器的实现拓扑结构中，三相六开关拓扑，即三相半桥全控器件搭建的整流电路，由于其良好的控制特性、能量双向流动及功率因数可调等优点而被采用。 在控制策略方面，滞环比较控制方法，由于其开关频率不固定，并在较大范围内变化，使系统设计、滤波器设计复杂化；直接电流控制方法，其输入电流控制以交流量信号为 参考值，这在调节控制过程中，不可避免的会为控制器输出带来静差，并且这个问题在中频 400Hz 时更为突出。 故本文利用同步旋转坐标变换，将交流输入电压、交流输入电流变换到同步旋转坐标系，然后在同步旋转坐标系对变换后的电压、电流等效直流量进行调节。 由于输入电流的参考值在同步旋转坐标系是直流量，而调节器的直流增益可以近似为无穷大，所以该运用坐标变换的控制方法，可以实现输入交流电流在幅值和相位上的零静差控制。 基于以上总结分析得到的控制方法，本文首先对 整流器基本 概念进行总结；随后，对坐标变换进行了研究和分析，并且，为了 适应本文的整流器控制，对坐标变换进行调整；然后，在静止坐标系下，对三相半桥整流器进行了电路建模分析，并变换到 dq 旋转坐标系下，进行控制结构的设计，据此完成了主电路及控制电路的设计；之后，借助 Saber 仿真软件，在仿真环境下搭建整流电路完整仿真模型，经过仿真实验，验证了所选控制方法可以达到分析预期的控制效果。 主要技术指标如下： 1. 输入电压：三相 115V， 360HZ～ 800Hz。 2. 输入功率因数大于。 3. 输出电压 400Vdc。 4. 输出功率 5kW。 整流器相关工作主要包括：工作原 理分析、系统模型建立、系统控制方案设计、仿真分析调试等几大主要方面，具体工作如下： 1. 前期阅读国内外相关文献资料，构建系统框架。 在查阅了文献和材料的基础上，对课题研究的背景、 PWM 整流器的发展现状、各种 PWM 整流器的主电路拓扑结构、三相 VSR 控制技术、调制方法、三相 VSR 研究现状以及 PWM 整流器进一步的研究方向进行了阐述。 2. 系统建模与分析： 本科毕业设计论文 14 根据三相 VSR 主电路结构分别推导了基于三相静止坐标系以及两相同步旋转坐标系下的系统模型。 并且根据两相同步旋转 dq 坐标系下各电流分量的物理含义，给出了控制无 功电流，以实现单位功率因数调节的控制方法。 3. 对整流器主电路进行设计，包括电路拓扑结构的选择、参数设计、器件选型、开关管的驱动及保护方案等。 4. 根据整流器控制方案，选用 Synopsys 公司的 Saber 软件构建了三相 VSR仿真平台。 建立整流器数学模型及相应的仿真模型，进行仿真分析，参考仿真结果，详细设计控制结构及各部分的控制参数。 本文的总体结构安排 第一章 绪论 介绍课题的研究背景、现状及意义，综述所研究的整流器控制。 第二章 介绍 PWM 整流器基本工作原理，研究 SPWM 调制技术。 确定变频转 恒频变换前提下整流器的主电路拓扑结构，建立其静止坐标系下数学模型，根据三相 VSR 主电路结构分别推导了基于三相静止坐标系以及两相同步旋转坐标系下的系统模型。 并且根据两相同步旋转 dq 坐标系下各电流分量的物理含义，给出了控制无功电流，以实现单位功率因数调节的控制方法。 第三章 参照控制目标，确定整流器控制方案，进行控制系统的详细设计，设计各环节控制器参数。 第四章 在 Saber 环境下建立系统仿真模型，对前文所进行的理论分析和元器件参数选定进行仿真验证；依据相关标准，对电路不同运行状态下动态特性和稳态特性进行仿真， 观察、分析系统运行特性，以期优化控制性能。 第五章 总结归纳全篇，总结经验。 本科毕业设计论文 15 第二章 PWM 整流器工作原理及主电路拓扑结构 整流器基本工作原理 PWM 整流器相对传统的相控与二极管整流器进行了全面改进。 关键的改进是用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以 PWM 斩控整流取代了相控整流或不控整流。 因此， PWM 整流器具有以下优良特性：（ 1）网侧电流为正弦波（ 2）网侧功率因数控制（比如单位功率因数控制）（ 3）电能双向传输（ 4）较快的动态控制响应 [9]。 由此可知， PWM 整流器实际上 是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。 因为电能的双向传输，当 PWM 整流器从电网吸取电能时，运行于整流工作状态；当 PWM 整流器向电网传输电能时，运行于有源逆变工作状态。 所谓的单位功率因数就是指：当 PWM 整流器处于整流状态时，网侧电压、电流同相（正阻特性）；当 PWM 整流器处于有源逆变工作状态时，其网侧电压、电流反相（负阻特性）。 通过进一步的研究表明， 因为 PWM 整流器的网侧电流及功率因数均可控，所以可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。 随着 PWM 整流技术的发展 ,已经设计出多 种 PWM 整流器 ,并可进行如下所示的分类，它们在主电路结构 PWM 信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点。 本科毕业设计论文 16 电压型 按直流储能形式分类 电流型 单相电路 按电网相数分类 多相电路 三相电路 硬开关调制 PWM 整流器 按 PWM 开关调制分类 软开关调制 半桥电路 按桥路结构分类 全桥电路 二电平电路 按调制电平分类 三电平电路 多电平电路 本文 PWM整流器，能够双向传输电能，这也是 PWM 整流电路的最大特点，为便于分析 PWM整流原理，可采用图 21 所示的基波等效电路。 LV dcULREUI dcIC LE 图 21 PWM整流电路简化框图 简化后整流电路由交流输入电动势 E 、升压电感 L 、整流桥、直流滤波电容C 和直流负载 LR 、负载电动势 LE 共同构成。 输入电源、电感、功率管及负载组成了一个功率回路。 流过电感的电流 I 为整流桥输入电流， LU 为电感电压， U 为整流桥输入电压，直流输出电流 dcI 为流过阻容网络的电流之和。 不计开关和线路损耗，理想情况下，电路输入输出满足功率守恒定律： dc dcEI U I （ 21） 为便于分析和建模，忽略 PWM 控制的谐波分量，不考虑电感和开关管的寄生参数，分析整流器在理想工作状态下的运行方式。 以输入电动势 E 合成矢量的正 本科毕业设计论文 17 方向为参考方向，通过控制桥侧交流电压矢量 U 的大小和方向，可实现 PWM 整流器在图 22所示的以 A、 B、 C、 D四点为间隔的四象限运行。 ABCDIABCDIABCDIABCDILU( a )( b ) ( c )( d )E E E EU LU LU LUU 图 22 PWM整流器的四种运行模式 假定电感为线性理想电感，则电感两端电压为： | | | |LU L I （ 22） 电路在稳态工作时，电流 I幅值不变，即 ||I 恒定，则 ||LU 也为恒值，若整流器输入电动势 E 的大小也固定不变，则由基尔霍夫电压定律有： LE U U （ 23） 四象限运行时，桥侧电压矢量 U 的端点运行轨迹，是一个以 ||LU 为半径的圆。 由整流器输入电压与电流矢量的幅值与相位关系可以看出，整流器稳态运行有四种工作模式，主要由桥侧电压的幅值和方向决定其运行象限。 当桥侧电压矢量 U 的端点在 A 时（图 22a），电动势矢量 E 与电感电压 LU 平衡，纯电感电路中，电感电流滞后于电感电压 90176。 ，所以电流矢量 I 滞后电动势 E 相位 90176。 ， PWM 整流器的输入呈纯感性。 当 U 的端点在 B时（图 22b），电感电流滞后其电压 90176。 ，可知 I与 E 的方向一致， PWM 整流器的输入呈纯阻性；U 的端点在 C时（图 22c）， I 较电动势矢量 E 超前 90176。 ，整流器输入呈纯容性；当矢量 U 端 点在 D时（图 22d）， I与 E 反向，整流器输入呈负阻性。 取 A、 B、C、 D 作为 PWM 整流器运行的特殊工作点，进一步分析可以获得 PWM 整流器在整个象限运行规律。 当 U 的端点运行在 ABC 段时， PWM 整流器工作在整流状态，从电网吸收有功和无功功率。 在 A 点时为纯感性，仅吸收感性无功，在 B 点是纯阻性，仅吸收有功功率，可实现单位功率因数整流；在 AB 段，整流器从电网吸收有功和感性无功功率； C点是纯容性，仅吸收容性无功 ，在 BC 段， PWM 整流器吸收有功和容 本科毕业设计论文 18 性无功功率。 当 U 的端点运行在 CDA 段时， PWM 整流器工作在有源逆变状态，向电网传输有功和无功功率。 在 D 点是负阻性， PWM整流器可实现单位功率因数有源逆变； CD 段， PWM 整流器向电网传输有功和容性无功功率； DA段， PWM 整流器向电网传输有功和感性无功功率。 由 PWM 整流器运行状态可知，控制网侧电压 U 即可实现整流器的四象限运行。 通过控制使电路稳定在 B 点，即可实现单位功率 因数整流。 以 PWM 整流器作为电机控制器的输入级，可以提高系统的功率因数，并可以在电机向直流环回馈功率时，通过控制使整流器运行于有源逆变模式，将能量馈送至交流侧，实现系统节能运行。 更重要的是，整流器的四象限运行，可以根据供电系统需要，向电网提供感性或容性无功功率，这对改善供电系统的运行，具有重要意义。 正弦脉宽调制技术 正弦脉宽调制 SPWM 脉冲序列中，各脉冲宽度及相互间隔由正弦调制波和等腰三角载波的交点决定。 进行脉宽调制时，脉冲序列的占空比按正弦规律变化。 当正弦值为最大时，脉冲宽度也最大，脉冲间隔 则最小；反之，当正弦值较小时，脉冲宽度也相对小，脉冲间隔则较大。 这样的电压脉冲序列可以减小负载电流中的高次谐波含量。 SPWM 基本控制原理 采 样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其作用效果基本相同。 冲量指窄脉冲的面积。 这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 用傅立叶变换对各输出波形进行分析，其低频段非常接近，仅高频段略有差异。 例如，图 23 所示三个不同形状的窄脉冲，其中图（ a）为矩形脉冲，图（ b）为三角形脉冲，图（ c）为正弦半波脉冲， 它们的面积即冲量都等于 1。 当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。 当窄脉冲变为图 23（ d）的单位脉冲函数 ()t 时，。