毕业设计-三相电压型PWM整流器的研究.docx

随着社会的高速开展，电能在工农业生产和人民日常生活中发挥着起来越重要的作用，然而与之同时与国民生产生活密切相关的电力电子换流装置，如变频器、高频开关电源、逆变电源等各种换流装置在广泛的运用中给电网带来了大量的无功功率与严重的谐波污染。随着电力电子技术的开展，具有网侧电流接近正弦波、功率因数近似为1、直流侧输出电压稳定、抗负载扰动能力强并且能够在四象限运行的PwM整流器应运而生，成功地取代了不可控二极管整流器和相控的晶闸管整流器，并成为电力电子技术研究的热点。本言研究的主要对象就是应用最为广泛的三相电压型PWM整流器。首先，本文介绍了PWM整流器研究的背景与意义，综述了PwM技术的开展及现状，引出了三相电压型PWM整流器，并分析了三相电压型PWM整流器的工作原理，并在此根底上建立了其在ABC三相静止坐标系、d-q同步旋转坐标系和两相静止坐标系三个不同坐标系下的数学模型。其次，本文对PWM整流器的电流控制策略进行了深入的研究，分析了间接电流控制和直接电流控制的优缺点，确定了采用直接电流控制，并对双闭环控制器及PWM整流器主回路参数进行了系统的设计；引入了电压空间矢量，阐述了空间电压矢量控制的控制算法。最后，本文在理论分析的根底上，利用MTALAB提供的电力电子工具箱，在SinIUink仿真环境下建立了三相VSR型PWM整流器主回路及控制器的模型并进行了仿真实验，通过对仿真结果的分析，说明了该方案能够满足网侧电流近似正弦和高功率因数的要求，验证了方案的正确性和可行性。关键词：三相电压型PWM整流器；直接电流控制；双闭环控制；电压空间矢量PWM；Matlab仿真ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofmodernsociety,thepowerinmodernindustryplaysanincreasinglyimportantrole,butinthenationalproductionandlifearecloselyrelatedwithIhepowerelectronicconverterdevices,suchasthefrequencyconverters,high-frequencyswitchingpowersupplies,powerinvertersandothervariousconverterstheuseofthedevicewillgiveourpowergridtobringalotofunfavorablefactors,suchasalargeamountofreactivepowerandharmonic,lowpowerfactor,orevencausesevereelectromagneticpollution,resultingintheuseofotherequipmentsarenotnormalinsamenetwork.WiththedevelopmentofpowerClectronicandPWMtechnoIogy,therectifierhasthecharacteristicsofhighpowerfactor,harmonicminor,DCoutputvoltagestabilityandhasoperateinthefour-quadrant,etc.Itbecomesagreenpowerconversiondevice.Therefbre,themainresearchsubjectofthispaperisthethree-phasevoltagesourcePWMrectifier.Firstly,thearticleintroducesthebackgroundandsignificanceofthePWMrectifer'sresearch,overviewsPWMtechnology'sdevelopmenthistoryandstatus,raisesthethree-phasevoltagesourcePWMrectifier,andanalysedtheworkingprincipleofthree-phasevoltagesourcePWMrectifier,onthisbasisestablisheditsmathematicalmodelonABCstaticcoordinatesystem,d-qsynchronousrotatingreferenceframeandatwo-phasestaticcoordinatesystemthreedifferentcoordinatesystem,inaddition.Secondly,thisarticleresearchescurrentcontrolstrategyofPWMrectifierindepth,analysestheshortcomingandadvantagebetweenindirect-currentcontrolanddirectcurrentcontrol,makeadecisionofemploymentofdirectcurrentcontrolbasedonfixedswitchingfrequency,andsystematicdesignsparameterofdoubleclosedloopcontrollerandPWMconvertermaincircuitparameters.BringinVoltageSpaceVector,andoverviewthearithmeticofitFinallyJnthefoundationoftheoryanalysis,usingPowerElectrictoolboxofferedbyMATLABtofinishthesimulationexperimentunderSimulinkenvironmentandtoverifysystematicexactnessandfeasibilitybyanalysingthesimulationresults.Keywords：Three-phaseVoltageSourcePWMRectifiers;Directcurrentcontrol;Doubleloopcontrol;SpaceVectorPWM;dual-loopcontrolsystem;Matlabsimulation目录1绪论O1. 1PWM整流器研究的背景与意义OL2PWM整流器的产生与开展现状11.2 .1PwM整流器的产生1L2.1电流型PwM整流器1L2.3电压型PWM整流器21.2.4PWM整流器的开展现状21.3 本课题研究的主要内容32三相VSR原理分析与建模42. 1三相VSR的拓扑结构42. 2PWM根本原理分析43. 3三相VSR的数学模型62. 3.1三相VSR在三相静止坐标系的数学模型62.3.2三相VSRd-q模型的建立93三相VSR控制系统设计1231VSR的电流控制123. 1.1间接电流控制123. 1.2直接电流控制133. 2三相VSR双闭环控制系统的设计143. 2.1电流内环控制系统设计154. 2.2电压外环控制系统设计163. 2三相PWM整流器参数的设计173 .2.1交流侧电感的设计174 .2.2直流侧电容的设计214三相VSR的空间矢量控制234. 1三相VSR空间矢量PWM控制的根本原理234. 2三相VSR空间电压矢量分布234.3SVPWM整流器的控制算法254.3.1扇区确实定254.3.2矢量作用时间确实定264.3.3开关矢量确实定285Matlab仿真295.1基于空间电压矢量的直接电流控制的三相VSRPWM整流器的仿真295.1.1基于空间电压矢量PWM波生成模块SilnUIink模型建立295.1.2PWM整流器的主回路及控制系统SimUIink模型的建立315.2PWM整流器仿真波形326名吉>j33致谢34参考文献341绪论1.1 PWM整流器研究的背景与意义随着现代社会的高速开展，在现代工业生产和人们日常生活中，很多场合都离不开对电的需求，但是由于近些年来煤炭、石油、天然气等不可再生能源不断地被大量过度地开采，有专家预测在未来的80多年以后，人类将再无这些能源可以使用，人类将面临能源枯竭的为难境地，随之而来将会引起人们对电能的恐慌。如何更好的节约能源,开发环保和可持续利用的新能源成了当今世界亟待解决的问题，特别是与国民生产生活密切相关的电力电子变换装置，如变频器、高频开关电源、逆变电源等各种变换装置的研究备受关注。因为这些变换装置大量被使用的同时，必定会带来一些不利因素：在这些大局部变换装置使用中首先需要整流环节将交流电压转换成直流电压，而整流环节主要是通过功率二极管或者晶闸管组成的整流电路；这种方式在交流侧容易造成电流波形畸变，并向电网注入大量的无功功率和谐波，将会给电网造成严重的电磁污染，以致影响同网其他设备的正常使用，同时还存在功率因数低、直流电压波动等问题，所以既能有效治理电网污染并提高电能利用率，又能环保节能的绿色能源措施越来越受到众多研究组织的关注和重视。能够有效解决变换装置所带来的负面效应的根本措施就是需要求变换装置实现整流环节网侧电流到达正弦化，工作于单位功率因数等特性。一般来说，要想能够消除电网谐波且获得高功率因数的途径，主要有两种：一种是在系统中参加补偿器，如静止无功补偿器(StatiCVarCompensator)有源电力滤波器(ACtiVePowerFiIter)等到达补偿无功功率和谐波的目的；一种是改良整流环节的装置，优化电路拓扑结构和控制算法，使自身实现抑制谐波并可调节功率因素的效能。随着现代电力电子技术的进步与飞速开展，功率半导体器件的性能也在逐步地提高，特别是全控型功率开关器件的不断出现，以及PWM控制技术的应用，使PWM整流器得以诞生。PWM整流器采用的是全控开关器件，电路结构简单，工作频率高且容易实现，通过控制开关器件的通断就可以控制整流器输入的电流波形，实现电压电流同相位或反相位，网侧功率因数近似到达1,谐波含量少，直流侧电压可控，并且这种结构的整流器能在四象限运行，可以工作在整流或逆变状态，是真正意义上的绿色装置，因此对PWM整流器的控制研究意义重大。1.2 PWM整流器的产生与开展现状1.2.1 PWM整流器的产生1957年,美国通用电气公司研制出第一个商用晶闸管,标志着电力电子技术的诞生。它由于能够根据不同的用电场合，完成交一直、交一交、直一交、直一直的电能形式的变换，满足生产与生活的需求，在此后的几十年间得到大规模的应用。八十年代初，随着对电力电子装置产生的谐波对电网产生的影响的认识不断加深，一些学者开始研究如何提高功率因数.Bellini和FigaIli首先用GTO实现了真正意义上的单相PWM整流器，其功率因数接近1。到了80年代后期，由于GTR的普遍应用以及IGBT的大量使用促使PWM整流器向高频化开展，高频化可以大大提高了交流输入电流波形的正弦度，减少了直流输出电压纹波，提高了功率因数，增强了系统的稳定性。PWM整流器按直流储能形式可分为电压型和电流型；按电网相数可分类为单相电路、三相电路和多相电路；按PWM开关调制可分为硬开关调制和软开关调制；按桥路结构可分类为半桥电路和全桥电路；按