三相電壓型PWM整流器的仿真講解

1、武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書摘要為了解決電壓型 PWM 整流器直接功率控制系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)問題,根據(jù)整流器在 dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型建立了其功率控制數(shù)學(xué)模型.基于功率控制數(shù)學(xué)模型 ,結(jié)合整流器直接功率控制系統(tǒng)的特點(diǎn) ,推得交流側(cè)電感是由功率、功率滯環(huán)比較器環(huán)寬及開關(guān)平 均頻率決定的 ; 直流側(cè)直流電壓是由交流電壓、電感及負(fù)載決定的;突加負(fù)載時(shí)直流側(cè)電容是由直流電壓波動(dòng)、功率、電感及負(fù)載決定的.根據(jù)上述影響主電路參數(shù)的諸多因素,提出交流側(cè)電感、直流側(cè)電壓及直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)方法.計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了本文提出的設(shè)計(jì)方法是可行的 .關(guān)鍵詞 PWM 整流器 ; 直接功率控制

2、; 直流電壓 ; 交流側(cè)電感 ; 直流電容武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書目錄1 電壓型 PWM 整流器 21.1電壓型 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型 31.2 電壓型 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理 32 電壓型 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 52.1 交流側(cè)電感的選擇 52.2 直流側(cè)直流電壓的選擇 62.3 直流側(cè)電容的選擇 73 電壓型 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn) 93.1 系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 93.2 系統(tǒng)仿真 93.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 104 總結(jié)與體會(huì) 12參考文獻(xiàn) 13武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書1 電壓型 PWM 整流器1.

3、1電壓型 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型電壓型 PWM 整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示.圖中U a ， U b ,U c為三相對 稱電源相電壓 ia,ib,ic 為三相線電流 ; Sa , Sb, Sc為驅(qū)動(dòng)整流器開關(guān)管 (絕緣柵雙極型 晶體管 IGBT)開關(guān)函數(shù) ;Sj 定義為單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù) ,Sj =1(j=a,b,c)則上橋 臂開關(guān)導(dǎo)通 ,下橋臂開關(guān)關(guān)斷 ,Sj=0 下橋臂開關(guān)導(dǎo)通 ,上橋臂開關(guān)關(guān)斷； U dc為直流 電壓;R,L為濾波電抗器的電阻和電感 ;C為直流側(cè)電容 ;RL 為負(fù)載; U ra ,U rbU rc為整流器的輸入相電壓 ;iL 為負(fù)載電流。圖 1-1 電

4、壓型 PWM 整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由圖 1-1 可知 :為便于系統(tǒng)分析 ,將 PWM 整流器在三相對稱坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型變換到 dq 兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 ,正交變換矩 陣為武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書式中,為電源電壓角頻率。經(jīng) T3s/2r 變換,得到整流器在 dq 兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型：式中,urd SdU dc ,; urq SqU dc , urd ，urq與Sd , Sq分別為整流器輸入電壓矢量、 開關(guān) 函數(shù)在 d,q 軸上的分量 ;Ud， Uq,與id,iq為交流電源電壓矢量、與電流矢量在 d,q 軸上的分量 .根據(jù)式(2)及三相對稱系統(tǒng)功率計(jì)算 p 23umi

5、d ,q23umiq(um為電源相電壓幅值 )可得以 p,q 為變量的功率控制數(shù)學(xué)模型式中，1.2 電壓型 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理電壓型 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)有多種方案 ,經(jīng)綜合比較采用有電壓互感器方 案,如圖 1-2 所示.整流器 DPC 系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成 .主電路由交流電 源、濾波電抗器、整流器、直流電解電容器、負(fù)載組成 ;控制電路為直流電壓外 環(huán)功率內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu) ,由交流電壓、電流檢測電路和直流電壓檢測電路、功率估算器、 扇形劃分器、功率滯環(huán)比較器、開關(guān)表及 PI調(diào)節(jié)器組成 .瞬時(shí)有功與無功功率根武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書據(jù)檢測到的電流 i

6、a,ib，ic，及ua,ub,進(jìn)行計(jì)算 ,得到瞬時(shí)有功和無功功率的估算值 p,q 及三相電壓 ua，ub，uc在兩相靜止坐標(biāo)系中的 ,u u 扇形劃分器根據(jù) u ， u 劃分扇區(qū),得到扇區(qū)n信號.p和 q與給定的 Pref和qref比較后的差值信號送入 功率滯環(huán)比較器得到 Sp ,Sq開關(guān)信號; Pref由直流電壓外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的輸出 （代表 電流）與直流電壓的乘積設(shè)定 , qref設(shè)定為 0,以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù) .根據(jù) Sp,Sq,n 在開關(guān)表中選擇所需的 Sa,Sb,Sc，去驅(qū)動(dòng)主電路開關(guān)管 .圖 1-2 中略去了電阻 R圖 1-2 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)武漢理工大學(xué)電力裝置

7、與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書2 電壓型 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交流電源電壓及負(fù)載一定的情況下 ,主電路設(shè)計(jì)主要是 確定網(wǎng)側(cè)濾波電感值、直流側(cè)電壓和直流側(cè)電容值 .2.1 交流側(cè)電感的選擇根據(jù)交流電感的主要作用是濾除交流側(cè) PWM 諧波電流 ,當(dāng)在整流器穩(wěn)定于單位 功率因數(shù)運(yùn)行時(shí) ,瞬時(shí)有功功率決定了交流電流 .對此 ,需找出功率與電感的關(guān)系 根據(jù)式 （2）,略去了電阻 R,考慮到整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行單位功率因數(shù)時(shí) ,q=0,式（3）可變：，由（ 4）式可知根據(jù)式（ 5）得令（T 為開關(guān)周期 ,2Hp 為有功功率滯環(huán)比較器滯寬 ）,則有武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

8、說明書式中， fmaxp， fminp， favp分別為對應(yīng)于有功功率在 H p范圍內(nèi)的最高、最低及平 均開關(guān)頻率。同理，根據(jù)式( 6)(T 為開關(guān)周期 ,2H q為有功功率滯環(huán)比較器滯寬 ),則有式中， 分別為對應(yīng)于無功功率在 2Hq 范圍內(nèi)的最高、最低及 平均開關(guān)頻率。由于整流器輸入電壓空間矢量同時(shí)對 p和q進(jìn)行調(diào)節(jié) ,則開關(guān)頻率平均值取 favp 和 favq 幾何平均值 ,即由式( 11)可得：式(12)可以看出 ,當(dāng)U m, Pref (U dc )一定, fav的平方與電感 L 和HpH q成反比,因而 HpHq不能太小,以免 fav 過高;當(dāng) Um ,L 及一定, HpH q ,

9、 Pref (Udc) 升高, fav 變高;當(dāng) U m, Pref (Udc)及 L 一定, fav變高,HpH q就變小,當(dāng) fav 時(shí), H p H q 0,則無動(dòng)態(tài)跟 蹤偏差由于 Um,pref,為定值,可根據(jù)選定的滯環(huán)寬度 HpH q及 fav確定電感值 L。2.2 直流側(cè)直流電壓的選擇武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書,下面從功率角度來進(jìn)行分析 .直流側(cè)直流電壓與交流電壓、電感及負(fù)載有關(guān)整流器在 兩相靜止坐標(biāo)系中功率計(jì)算式為：略去 R 的影響，由式（ 13）可知：在穩(wěn)定時(shí)，2 p Pref udcrRLq0Sp q 0 ,則由式（ 14）可得等效 Seq，S eq ：直流電壓

10、的選擇在滿足負(fù)載要求的同時(shí) ,必須滿足控制交流側(cè)電流波形的需要 ,即，可S 使交流電流不發(fā)生畸變并可控 ,在不考慮過調(diào)時(shí)等效 Seq= 得：16)當(dāng) RL4L 時(shí),Udc,r 存在,可由式 （16）確定 Udc,r。2.3 直流側(cè)電容的選擇直流電容的主要作用是穩(wěn)定直流電壓和抑制直流側(cè)諧波電壓,同時(shí)在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)可減少直流電壓波動(dòng) .對于電壓型 PWM 整流器 ,應(yīng)考慮在嚴(yán)重負(fù)載變化時(shí)使 直流電壓波動(dòng)在允許的范圍內(nèi)選擇直流電容器 .對此 ,研究突加負(fù)載時(shí)直流電壓波動(dòng)與電容之間的關(guān)系 .考慮負(fù)載電流由額定值突 I LN 增到 I LM 情況 .此情況下 ,為滿 足負(fù)載功率的要求 ,導(dǎo)致有功功率突增

11、,直流電壓下降 .當(dāng)Sd23 時(shí),由式 2）和式（4）可得有功功率最大上升速率和直流電壓最大下降速率為：武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書令 t0 為突變開始時(shí)刻，則有式（ 17 ）的初始條件：根據(jù)初始條件式（ 18），由式（ 17）可得最小直流電壓 Udc.min 及最大直流電壓波動(dòng)Udc.m,不能瞬間完成 ,式 （21）所確定出根據(jù)給定的 Udc.m和I LN由式（20）可確定出 Udc.m滿足給定的最小電容值為：在實(shí)際工程中 ,負(fù)載電流突增需要一個(gè)暫短的時(shí)間 的電容值偏大。8武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書3 電壓型 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)3.1 系統(tǒng)主電路

12、參數(shù)設(shè)計(jì)給 定 RL 10 , U 85 V, 314rad s 1 ， Hp H q 200w ， fav 6kHz ， Udc.m 20v , ILN 20A, I LM 60A , 按 本 文 設(shè) 計(jì) 方 法 可 得 U dc.r 200v ， Pref 4KW , L 4mH , C 2200 F , 電 壓 調(diào) 節(jié) 器 采 用 PI 調(diào) 節(jié) 器 GPI (s ) 0 . 0 01 .915 7 83.2 系統(tǒng)仿真按上述參數(shù)和圖 1-2 構(gòu)建了 Simulink 環(huán)境下的電壓型 PWM 整流器 DPC 系 統(tǒng)仿真模型 ,其仿真結(jié)果如圖 3-1 所示。其產(chǎn)生波形如圖 3-2 所示。圖 3

13、-1 電壓型 PWM 三相整流電路的仿真模型武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書圖 3-2PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)仿真3.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由智能功率模塊 6MBP20RH060、電抗器、電解電容器、功率電阻、 LEM 電流傳感器、 LEM 電壓傳感器、 ICETEK-LF2407-A 數(shù)字信號處理器 ,構(gòu)成了電壓 型 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)硬件電路 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3-3 所示 .由圖 3-1的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的仿真結(jié)果可以看出 :穩(wěn)態(tài)時(shí) Ua與Ia同相位,且Ia非常接近正弦波;直流輸出電壓 U dc穩(wěn)定在給定值 Udc.r附近;p 的平均值穩(wěn)定在給定值 Pref ,q 的10武漢理工大學(xué)電

14、力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書平均值穩(wěn)定在給定值 ,并接近于 0.由圖 3-3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出 :穩(wěn)態(tài)時(shí)圖 3-3 PWM 整流器 DPC 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)U a與ia同相位, ia略有諧波 ; U dc穩(wěn)定在給定值 U dc.r ;p的平均值為 4kW,q的平均值為 0.仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的主電路設(shè)計(jì)方法是可行的11武漢理工大學(xué)電力裝置與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書4 總結(jié)與體會(huì)最初拿到課設(shè)題目的時(shí)候，感到十分的迷茫與困惑，不知如何著手開始，于 是，頭幾天都是在查閱資料，閱讀相關(guān)書籍，詢問了同學(xué)后，仿佛有一種山窮水 盡疑無路，柳暗花明又一村的感覺，瞬間豁然開朗。因?yàn)殡妷盒?PWM 整流器比 較流行，所以

15、我們就采用這個(gè)方案而不采用電流型 PWM 整流，在對電路原理， 波形產(chǎn)生的介紹中并不感覺有何困難。比較困難的是基于 MATLAB 的三相電壓 PWM 整流仿真的調(diào)試，期間，因?yàn)閰?shù)的選擇不正確，不合理，導(dǎo)致所產(chǎn)生的 波形與理論值不一致，進(jìn)過多次的校正與改進(jìn)后， 才出現(xiàn)本文的較為理想的波形。本文著重介紹了三相電壓型 PWM 整流電路原理， 其輸入與輸出電壓， 電流 之間的關(guān)系，并利用 Simulink 建立了仿真圖形，通過對仿真圖形的觀測，驗(yàn)證 輸入與輸出電壓之間的聯(lián)系是否正確，驗(yàn)證了本文所建模型的正確性。采用 Matlab Simulink 對三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析，避免了常 規(guī)分析

16、方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程， 得到了一種直觀、 快捷分析整流電路的新 方法。應(yīng)用 MatlabSimulink 進(jìn)行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)， 并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。應(yīng)用 Matlab 對整流電路故障 仿真研究時(shí)， 可以判斷出不同橋臂晶閘管發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的波形現(xiàn)象， 為分析三 相橋式整流電路打下較好的基礎(chǔ)， 是一種值得進(jìn)一步應(yīng)用推廣的功能強(qiáng)大的仿真 軟件，同進(jìn)也是電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)較好輔助工具。隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 整流電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)、 測量系統(tǒng)和發(fā) 電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等 領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。由于整流電路涉及到交流信號、直流信 號以及觸發(fā)信號，同時(shí)包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電 路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣， 高壓情況下實(shí)驗(yàn)也難順利進(jìn)行。 Matlab 提供的可視化 仿真工具 Simtlink 可直接建立電路仿真模型， 隨意改變仿真參數(shù)， 并且立即可得 到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用 Simulink 對三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模， 對不同控制角、 橋故障情況下進(jìn)行了