三相spwm整流課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　svpwm三相整流課程設(shè)計(jì)</p><p>　　指導(dǎo)老師____ ______ _</p><p>　　姓 名 _____ __ </p><p>　　學(xué) 號(hào) ___ _ _ ___ </p><p><b>　　小組成

2、員 </b></p><p>　　班 級(jí) _____</p><p>　　時(shí)間：2013 年 3 月11日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　svpwm三相整流課程設(shè)計(jì)1</p><p><b>　　一．實(shí)驗(yàn)原理2</b>

3、;</p><p><b>　　二．實(shí)現(xiàn)過(guò)程3</b></p><p>　?。?）主電路設(shè)計(jì)3</p><p>　　（2）dq變換電路及解耦算法4</p><p>　?。?）電流環(huán)控制參數(shù)設(shè)定7</p><p>　?。?） 交流側(cè)電感與電容的選擇8</p><p>

4、;　　（5）SVPWM實(shí)現(xiàn)11</p><p>　　三．實(shí)驗(yàn)心得及感想19</p><p><b>　　一．實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　三相電壓型PWM 整流器的原理圖如圖1 示，圖1中各物理量定義如下：ea、eb、ec 為電網(wǎng)電壓，ia、ib、ic 為交流側(cè)各相電流，Udc 代表直流側(cè)電壓，ua、ub、uc 為PWM 整流器交流

5、側(cè)輸入電壓。根據(jù)功率及電壓要求，調(diào)節(jié)電容電感等參數(shù)，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)，完成開關(guān)的時(shí)序控制，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)指標(biāo)要求。</p><p>　　圖１　三相電壓型ＰＷＭ 整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p><b>　　二．實(shí)現(xiàn)過(guò)程</b></p><p><b>　?。?）主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　

6、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求得主電路matlab仿真圖</p><p>　　圖2 主電路matlab仿真圖</p><p>　　根據(jù)圖1，列出PWM整流器的基本方程：</p><p>　　式中、、為0或1，是三相橋臂的開關(guān)函數(shù)：S＝1表示下標(biāo)所對(duì)應(yīng)的橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷；S＝0表示下標(biāo)所對(duì)應(yīng)的橋臂下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷.</p><p>　　（2）dq變換電

7、路及解耦算法</p><p>　　根據(jù)瞬時(shí)功率理論，在dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的有功功率P 和無(wú)功功率Q 可表示為：</p><p>　　當(dāng)d軸以電網(wǎng)電壓矢量定位時(shí)，即eq=0，則上式可以寫為</p><p>　　由式可知，id 和iq 分別與有功功率P 和無(wú)功功率Q 呈線性比例關(guān)系，調(diào)節(jié)id 和iq 就可分別獨(dú)立地控制PWM 整流器的有功功率和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)有功功率

8、和無(wú)功功率的解耦控制。</p><p>　　圖3 MATLAB dq坐標(biāo)變換圖</p><p>　　為了獲得良好的控制性能，控制在兩相同步速旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中實(shí)施。同步速dq軸系中，式（1）變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　由式（2）表示的輸入電流滿足下式：</p>&l

9、t;p><b>　?。?）</b></p><p>　　式（3）表明d、q軸電流除受控制量urd、urq的影響外，還受交叉耦合電壓ωLiq、-ωLid擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓usd和usq擾動(dòng)，因此需要尋找一種解除d、q軸之間電流耦合的控制方法。</p><p>　　為此，采用前饋控制進(jìn)行解耦，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用ＰＩ調(diào)節(jié)器時(shí)，ｕｄ，ｕｑ的控制方程為</p>&

10、lt;p><b>　　（4）</b></p><p>　　表示的結(jié)構(gòu)如下圖所示</p><p>　　圖4　三相電壓型ＰＷＭ 控制原理圖</p><p>　　圖5三相電壓型ＰＷＭ 控制仿真圖</p><p>　　將（4）式帶入（3）中，得到</p><p><b>　?。?）<

11、/b></p><p>　　從而實(shí)現(xiàn)了解耦控制。</p><p>　　由（5式）得到整流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。</p><p>　　圖6　三相電壓型ＰＷＭ 雙閉環(huán)原理圖</p><p>　?。?）電流環(huán)控制參數(shù)設(shè)定</p><p>　　由圖6得到電流環(huán)結(jié)構(gòu)</p><p><b>

12、;　　圖7電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　ＫＰＷＭ為三相橋路的等效增益；1.5Ｔｓ為考慮電流環(huán)的采樣延遲和ＰＷＭ 控制的小慣性</p><p>　　特性后得到的時(shí)間常數(shù)；１／（ｓＬ＋Ｒ）為網(wǎng)側(cè)線路的傳遞函數(shù)。</p><p>　　對(duì)于電流內(nèi)環(huán), 它的主要作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制, 如實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦電流控制, 因此電流調(diào)節(jié)

13、器一般采用PI 調(diào)節(jié)器。文獻(xiàn)[PWM整流器及其控制]按典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)整定關(guān)系給出了PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　式中: K iP , K iI是電流內(nèi)環(huán)比例、積分增益; T s 為電流內(nèi)環(huán)電流采樣周期( 即亦為PWM 開關(guān)周期) ;K PWM 為橋路PWM 等效增益,在使用SVPWM時(shí)取1。</p><p>　　電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后就可以進(jìn)行電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)。。由文獻(xiàn)[PWM

14、整流器及其控制] 可得三相VSR電壓外環(huán)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中K V 、T V 為電壓外環(huán)PI 調(diào)節(jié)器參數(shù); 為電壓采樣小慣性時(shí)間常數(shù)與電流內(nèi)環(huán)等效小時(shí)間常數(shù)的合并。</p><p>　　圖8 pi調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)論文[3三相電壓型PWM整流器設(shè)計(jì)方法的研究.pdf]得到電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　?。?） 交流側(cè)電感與電容的

15、選擇</p><p>　　三相正弦空間矢量調(diào)制的電壓型整流器在直流電壓利用率、抑制電機(jī)的諧波電流等方面都比正弦脈沖寬度調(diào)制的整流器優(yōu)越的多，大部分研究都集中在SVPWM 的控制部分，而對(duì)其主電路參數(shù)的研究較少。SVPWM 主電路參數(shù)包括交流側(cè)電壓源、電感、電阻和直流側(cè)電容、負(fù)載參數(shù)等，其中交流側(cè)電感和直流側(cè)電容參數(shù)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)都有很重要的作用，直接影響著電路的諧波抑制、功率的雙向流動(dòng)等，因此有必要對(duì)電路

16、的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)地分析。</p><p><b>　　電感選擇</b></p><p>　　在VSR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其交流側(cè)電感的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這是因?yàn)閂SR 交流側(cè)電感的取值不僅影</p><p>　　響電流環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)，而且還制約著VSR 輸出功率、功率因數(shù)以及直流電壓，它在整流電路系統(tǒng)中還起著隔離電壓、濾除諧波、傳輸無(wú)功功率等作用，可見(jiàn)V

17、SR 交流側(cè)電感對(duì)VSR 系統(tǒng)的影響和作用是多方面的。</p><p>　　3.1 穩(wěn)態(tài)單位功率因數(shù)條件下</p><p>　　在穩(wěn)態(tài)單位功率因數(shù)條件下，PWM 整流器交流側(cè)矢量關(guān)系（R小很可以忽略）如圖所示。</p><p>　　從圖可以看出，直流側(cè)和交流側(cè)存在這樣的關(guān)系：三相VSR 的數(shù)學(xué)模型包括兩部分，</p><p>　　即交流部分和

18、直流部分。這兩部分之間通過(guò)脈寬調(diào)制建立聯(lián)系，交流側(cè)電壓由直流電壓調(diào)制而來(lái)，而直流側(cè)輸入電流由交流側(cè)電流調(diào)制而來(lái)。</p><p>　　式中：M 為PWM 相電壓最大利用率（與PWM 控制方式相關(guān)），這說(shuō)明PWM 控制方式確定后，一定的直流電壓條件下，即為定值，這樣可以將確定交流側(cè)電壓矢量幅值的最大值。</p><p><b>　　已知：</b></p>

19、<p>　　可以求出電感L 的取值范圍為：</p><p><b>　　電容選擇</b></p><p>　　直流電容的選擇是三相VSR 功率電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，選擇的是否合適將直接影響</p><p>　　系統(tǒng)的特性及安全性。以電容電壓波動(dòng)量為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)分析得出引起電壓波動(dòng)的原因在于負(fù)載變化引起的瞬態(tài)過(guò)程中輸入及輸出的

20、功率不平衡。三相VSR 工作有兩種模式，一是由最大功率整流到最大功率逆變突變；二是由最大功率逆變變到最大功率整流。這兩種工作模式最直觀的表現(xiàn)是輸入電流由正最大值變?yōu)樨?fù)最大值（或反之），電流變化量為電流最大值的2 倍。而迫使電流產(chǎn)生該變化量的電壓是電感兩端的電壓差。在這個(gè)瞬態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)控制橋式電路輸出盡可能大的電壓以減小瞬態(tài)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間電源電壓，因此可以認(rèn)為瞬態(tài)過(guò)程最長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生在電源電壓最大并且和橋式電路輸出電壓符號(hào)相同時(shí)，據(jù)此可以估

21、算瞬</p><p><b>　　態(tài)時(shí)間為：</b></p><p>　　在瞬態(tài)過(guò)程的開始時(shí)刻，系統(tǒng)輸入輸出功率偏差最大，為額定功率的2 倍，然后逐漸減小，到瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束時(shí)減到0。從平均的角度來(lái)講，可近似認(rèn)為瞬態(tài)過(guò)程中平均功率偏差為額定功率。由分析得知，功率偏差引起的能量偏差全部積累在直流電容上，由此引起的電容電壓波動(dòng)為：</p><p>　　

22、便可得到電容的計(jì)算表達(dá)式為：</p><p>　　則可以得出電容的取值范圍為：</p><p>　　電感電容的計(jì)算方法：</p><p><b>　　由功率守恒關(guān)系式：</b></p><p>　　Pdc=3/2(VdId+VqIq)</p><p>　　有已知負(fù)載參數(shù)vdc、Pdc、f、fc可以

23、先推出Id</p><p>　　再由Id=Im，Em=電動(dòng)勢(shì)幅值 計(jì)算L的大小。</p><p>　　再通過(guò)已推出的L值推算電容C的范圍。</p><p>　?。?）SVPWM實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　扇區(qū)判斷</b></p><p>　　根據(jù)圖中各扇區(qū)Ur，與Ualfa,Ubeta的關(guān)系

24、，判斷如</p><p>　　下：當(dāng)Ubeta>0時(shí)，令A(yù)=1，否則A=0；當(dāng)Ualfa-Ubeta>0</p><p>　　時(shí)，令B=1，否則B=O；當(dāng)-Ualfa-Ubeta>0時(shí)，令</p><p>　　C=1，否則C=O。設(shè)定三個(gè)輔助變量Ur1,Ur2,Ur3，</p><p>　　確定當(dāng)前N=A+2B+4C可以由下

25、面的算法獲得。</p><p>　　Ur1=Ubeta(1)</p><p>　　Ur2=Ualfa-Ubeta(2)</p><p>　　Ur3=-Ualfa-Ubeta(3)</p><p>　　N=sign(Ur1)+2sign(Ur2)+4sign(Ur3)(4)</p>

26、<p>　　確定N值得仿真模型如下圖：</p><p>　　圖9 扇區(qū)值獲取仿真模型</p><p><b>　　確定X,Y,Z的值</b></p><p>　　例如：對(duì)于（c,b,a）=001對(duì)應(yīng)的空間矢量為U0，8種空間矢量和開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系如圖所示。</p><p>　　SVPWM技術(shù)的目標(biāo)是選擇合適的

27、開關(guān)狀態(tài)可開關(guān)時(shí)間來(lái)近似一個(gè)給定的電壓矢量Uout，給定電壓矢量Uout通過(guò)Ualfa、Ubeta給定，下圖給出了給定電壓矢量和兩個(gè)基本電壓矢量U0和U60。圖中還給出了U0和U60在兩個(gè)軸上的分量。</p><p>　　兩個(gè)基本矢量的占空比為</p><p>　　采用類似的方法，如果Uout在U60和U120兩個(gè)電壓矢量之間，則可以得到兩個(gè)占空比為</p><p>

28、;　　現(xiàn)在我們定義三個(gè)變量X,Y,Z，</p><p>　　由Udc和Ts，Ualfa，Ubeta到X，Y，Z的變換仿真模型如下圖：</p><p>　　圖 10 X，Y，Z的變換仿真模型</p><p><b>　　確定T1,T2</b></p><p>　　N值到扇區(qū)號(hào)的對(duì)應(yīng)分別是[123456]到[261435]，

29、不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的T1,T2如下表所示：</p><p>　　并且當(dāng)T1，T2兩時(shí)間之和大于開關(guān)周期Ts時(shí)T1+T2-Ts>0時(shí)，確定新的T1，T2，T1=T1Ts/（T1+T2）；T2=T2Ts/（T1+T2）</p><p>　　則在不同N值情況下，確定后的T1,T2的仿真模型如下圖所示：</p><p>　　圖 11 T1,T2的仿真模型</p>

30、<p>　　確定矢量的切換點(diǎn)Tcm1，Tcm2，Tcm3</p><p>　　第一個(gè)切換點(diǎn) Ta=0.25（Ts-T1-T2）</p><p>　　第二個(gè)切換點(diǎn) Tb=Ta+0.5Ts</p><p>　　第三個(gè)切換點(diǎn) Tc=Tb+0.5T2</p><p>　　在不同的扇區(qū)上，abc三相上的IGBT開通切換點(diǎn)的時(shí)間由下表格所示

31、：</p><p>　　則三相的切換點(diǎn)的仿真如下設(shè)計(jì)</p><p>　　圖12三相的切換點(diǎn)的仿真模型</p><p><b>　　生成三相脈沖</b></p><p>　　利用tcm1，tcm2，tcm3和等腰直角三角波進(jìn)行比較，就可以生成對(duì)稱空間矢量PWM波形，將PWMl、PWM3、PWM5進(jìn)行與非運(yùn)算就可以生成PW

32、M2、</p><p>　　PWM4、PWM6。脈沖生成的仿真圖如下所示：</p><p>　　圖13脈沖生成的仿真模型圖</p><p><b>　　仿真參數(shù)</b></p><p>　　直流側(cè)給定電壓500V，三相電源電壓有效值220V，負(fù)載功率14KW，網(wǎng)側(cè)電感取值8ml，網(wǎng)側(cè)電阻0.5歐，直流側(cè)電容4000uF，

33、負(fù)載電阻18歐，開關(guān)頻率10KHz，電流環(huán)Kp取值1.6，Ki取值104，電壓環(huán)Kp取值0.15，Ki5.7。</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下：</b></p><p><b>　　直流側(cè)電壓仿真圖</b></p><p>　　由圖可知直流電壓的紋波是0.12%</p><p>　　三相網(wǎng)

34、側(cè)三相電壓電流</p><p>　　由圖可知三相電壓電流完全同向，功率因素為1。三．實(shí)驗(yàn)心得及感想</p><p>　　建立整流器在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的dq模型是必要的，不僅能方便PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，更能使有功無(wú)功電流得到獨(dú)立控制，這也是整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)的基礎(chǔ)。</p><p>　　通過(guò)這次三相橋式PWM整流電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試，我們加深了對(duì)課本