三相电压型PWM整流器的仿真

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1、武汉理工大学电力装置与系统课程设计说明书 摘要 为了解决电压型PWM整流器直接功率控制系统主电路参数设计问题,根据整流器在dq两相同步旋转坐标系中的数学模型建立了其功率控制数学模型.基于功率控制数学模型,结合整流器直接功率控制系统的特点,推得交流侧电感是由功率、功率滞环比较器环宽及开关平均频率决定的;直流侧直流电压是由交流电压、电感及负载决定的;突加负载时直流侧电容是由直流电压波动、功率、电感及负载决定的.根据上述影响主电路参数的诸多因素,提出交流侧电感、直流侧电压及直流侧电容的设计方法.计算机仿真和实验证明了本文提出的设计方法是可行的. 关键词 PWM整流器; 直接功率控制; 直流电压; 交

2、流侧电感; 直流电容 目录1 电压型PWM整流器.2 1.1电压型PWM整流器拓扑结构及数学模型.3 1.2 电压型PWM整流器DPC系统结构及原理.32 电压型PWM整流器DPC系统主电路参数设计.5 2.1交流侧电感的选择.5 2.2直流侧直流电压的选择.6 2.3直流侧电容的选择.73电压型PWM整流器DPC系统仿真与实验.9 3.1系统主电路参数设计.9 3.2系统仿真.9 3.3系统实验.104 总结与体会.12参考文献.131电压型PWM整流器1.1电压型PWM整流器拓扑结构及数学模型 电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图1所示.图中，,为三相对称电源相电压为三相线电流;为驱动整流

3、器开关管(绝缘栅双极型晶体管IGBT)开关函数;定义为单极性二值逻辑开关函数,=1(j=a,b,c)则上桥臂开关导通,下桥臂开关关断,=0下桥臂开关导通,上桥臂开关关断；为直流电压;R,L为滤波电抗器的电阻和电感;C为直流侧电容;RL为负载;为整流器的输入相电压;为负载电流。 图1-1电压型PWM整流器主电路拓扑结构由图1-1可知: 为便于系统分析,将PWM整流器在三相对称坐标系中的数学模型变换到dq两相同步旋转坐标系,正交变换矩阵为 式中,为电源电压角频率。 经T3s/2r变换,得到整流器在dq两相同步旋转坐标系中的数学模型： 式中,;,，与,分别为整流器输入电压矢量、开关函数在d,q轴上的

4、分量;，,与,为交流电源电压矢量、与电流矢量在d,q轴上的分量. 根据式(2)及三相对称系统功率计算,（为电源相电压幅值)可得以p,q为变量的功率控制数学模型 式中，。1.2 电压型PWM整流器DPC系统结构及原理 电压型PWM整流器DPC系统有多种方案,经综合比较采用有电压互感器方案,如图1-2所示.整流器DPC系统主要由主电路和控制电路组成.主电路由交流电源、滤波电抗器、整流器、直流电解电容器、负载组成;控制电路为直流电压外环功率内环结构,由交流电压、电流检测电路和直流电压检测电路、功率估算器、扇形划分器、功率滞环比较器、开关表及PI调节器组成.瞬时有功与无功功率根据检测到的电流,，及,进

5、行计算,得到瞬时有功和无功功率的估算值p,q及三相电压，在两相静止坐标系中的,扇形划分器根据，划分扇区,得到扇区n信号.p和q与给定的和比较后的差值信号送入功率滞环比较器得到,开关信号;由直流电压外环PI调节器的输出(代表电流)与直流电压的乘积设定,设定为0,以实现单位功率因数.根据,n在开关表中选择所需的，去驱动主电路开关管.图1-2中略去了电阻R 图1-2 PWM整流器DPC系统结构2 电压型PWM整流器DPC系统主电路参数设计 在主电路拓扑结构、交流电源电压及负载一定的情况下,主电路设计主要是确定网侧滤波电感值、直流侧电压和直流侧电容值.2.1交流侧电感的选择 交流电感的主要作用是滤除交

6、流侧PWM谐波电流,当在整流器稳定于单位功率因数运行时,瞬时有功功率决定了交流电流.对此,需找出功率与电感的关系.根据式(2),略去了电阻R,考虑到整流器稳态运行单位功率因数时,q=0,式(3)可变： 根据，由（4）式可知 根据式（5）得 令(T为开关周期,2为有功功率滞环比较器滞宽),则有 式中，分别为对应于有功功率在范围内的最高、最低及平均开关频率。同理，根据式（6）（T为开关周期,2为有功功率滞环比较器滞宽),则有 式中，分别为对应于无功功率在2范围内的最高、最低及平均开关频率。 由于整流器输入电压空间矢量同时对p和q进行调节,则开关频率平均值取和几何平均值,即 由式（11）可得： 式(

7、12)可以看出,当,一定,的平方与电感L和成反比,因而不能太小,以免过高;当,L及一定,升高,变高;当,及L一定,变高,就变小,当时,0,则无动态跟踪偏差由于Um,pref,为定值,可根据选定的滞环宽度及确定电感值L。2.2直流侧直流电压的选择 直流侧直流电压与交流电压、电感及负载有关,下面从功率角度来进行分析.整流器在两相静止坐标系中功率计算式为： 略去R的影响，由式（13）可知： 在稳定时，,则由式（14)可得等效，： 直流电压的选择在满足负载要求的同时,必须满足控制交流侧电流波形的需要,即使交流电流不发生畸变并可控,在不考虑过调时等效=，可得： （16） 当RL4L时,Udc,r存在,可

8、由式(16)确定Udc,r。2.3直流侧电容的选择直流电容的主要作用是稳定直流电压和抑制直流侧谐波电压,同时在负载扰动时可减少直流电压波动.对于电压型PWM整流器,应考虑在严重负载变化时使直流电压波动在允许的范围内选择直流电容器.对此,研究突加负载时直流电压波动与电容之间的关系.考虑负载电流由额定值突增到情况.此情况下,为满足负载功率的要求,导致有功功率突增,直流电压下降.当时,由式2)和式(4)可得有功功率最大上升速率和直流电压最大下降速率为： 令为突变开始时刻，则有式（17）的初始条件： 根据初始条件式（18），由式（17）可得最小直流电压及最大直流电压波动： 根据给定的和由式(20)可确

9、定出满足给定的最小电容值为： 在实际工程中,负载电流突增需要一个暂短的时间,不能瞬间完成,式(21)所确定出的电容值偏大。3电压型PWM整流器DPC系统仿真与实验3.1系统主电路参数设计 给定,V,，,按本文设计方法可得，,电压调节器采用PI调节器。3.2系统仿真按上述参数和图1-2构建了Simulink环境下的电压型PWM整流器DPC系统仿真模型,其仿真结果如图3-1所示。其产生波形如图3-2所示。 图3-1 电压型PWM三相整流电路的仿真模型 图3-2PWM整流器DPC系统仿真3.3系统实验 由智能功率模块6MBP20RH060、电抗器、电解电容器、功率电阻、LEM电流传感器、LEM电压传

10、感器、ICETEK-LF2407-A数字信号处理器,构成了电压型PWM整流器DPC系统硬件电路,实验结果如图3-3所示.由图3-1的系统稳态的仿真结果可以看出:稳态时与同相位,且非常接近正弦波;直流输出电压稳定在给定值附近;p的平均值稳定在给定值,q的平均值稳定在给定值,并接近于0.由图3-3实验结果可以看出:稳态时 图3-3 PWM整流器DPC系统实验 与同相位,略有谐波;稳定在给定值;p的平均值为4kW,q的平均值为0.仿真结果和实验结果表明本文的主电路设计方法是可行的。4 总结与体会 最初拿到课设题目的时候，感到十分的迷茫与困惑，不知如何着手开始，于是，头几天都是在查阅资料，阅读相关书籍

11、，询问了同学后，仿佛有一种山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村的感觉，瞬间豁然开朗。因为电压型PWM整流器比较流行，所以我们就采用这个方案而不采用电流型PWM整流，在对电路原理，波形产生的介绍中并不感觉有何困难。比较困难的是基于MATLAB的三相电压PWM整流仿真的调试，期间，因为参数的选择不正确，不合理，导致所产生的波形与理论值不一致，进过多次的校正与改进后，才出现本文的较为理想的波形。 本文着重介绍了三相电压型PWM整流电路原理，其输入与输出电压，电流之间的关系，并利用Simulink建立了仿真图形，通过对仿真图形的观测，验证输入与输出电压之间的联系是否正确，验证了本文所建模型的正确性。采用Ma

12、tlabSimulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用MatlabSimulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用Matlab对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。 随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等 领域的应用日益广泛。由于整流电路涉及到

13、交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。 参考文献1 电力电子技术.机械工业出版社. 王兆安.第五版2 计算机仿真技术与CAD-基于MATLAB的控制系统.电子工业出版社. 李国勇.第二版3 现代电力电子技术及其应用.东南大学出版社，王维平.4 电力电子技术计算机仿真实验.北京：电子工业出版社.李传琦.5 电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社.周渊深.12