三相電壓型PWM整流器的仿真

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據(jù)檢測(cè)到的電流,，，及,,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，，在αβ兩相靜止坐標(biāo)系中的,扇形劃分器根據(jù)，劃分扇區(qū),得到扇區(qū)θn信號(hào).p和q與給定的和比較后的差值信號(hào)送入功率滯環(huán)比較器得到,開關(guān)信號(hào);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,設(shè)定為0,以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù).根據(jù),,θn在開關(guān)表中選擇所需的，去驅(qū)動(dòng)主電路開關(guān)管.圖1-2中略去了電阻R圖1-2PWM整流器DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(duì)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：根據(jù)，由（4）式可知根據(jù)式（5）得令(T為開關(guān)周期,2為有功功率滯環(huán)比較器滯寬),則有式中，，，分別為對(duì)應(yīng)于有功功率在范圍內(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,2為有功功率滯環(huán)比較器滯寬),則有式中，分別為對(duì)應(yīng)于無功功率在2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(duì)p和q進(jìn)行調(diào)節(jié),則開關(guān)頻率平均值取和幾何平均值,即由式（11）可得：式(12)可以看出,當(dāng),一定,的平方與電感L和成反比,因而不能太小,以免過高;當(dāng),L及一定,,升高,變高;當(dāng),及L一定,變高,就變小,當(dāng)→∞時(shí),→0,則無動(dòng)態(tài)跟蹤偏差由于Um,pref,ω為定值,可根據(jù)選定的滯環(huán)寬度及確定電感值L。2.2

直流側(cè)直流電壓的選擇直流側(cè)直流電壓與交流電壓、電感及負(fù)載有關(guān),下面從功率角度來進(jìn)行分析.整流器在αβ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)，，,,,則由式（14)可得等效，：直流電壓的選擇在滿足負(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=，可得：（16）當(dāng)RL≥4ωL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(duì)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(duì)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)載電流由額定值突增到情況.此情況下,為滿足負(fù)載功率的要求,導(dǎo)致有功功率突增,直流電壓下降.當(dāng)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：令為突變開始時(shí)刻，則有式（17）的初始條件：根據(jù)初始條件式（18），由式（17）可得最小直流電壓及最大直流電壓波動(dòng)：根據(jù)給定的和由式(20)可確定出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,不能瞬間完成,式(21)所確定出的電容值偏大。3

電壓型PWM整流器DPC系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)3.1

系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)給定,V,，，，,,按本文設(shè)計(jì)方法可得，,,,電壓調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。3.2

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3-1電壓型PWM三相整流電路的仿真模型圖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(hào)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)與同相位,且非常接近正弦波;直流輸出電壓穩(wěn)定在給定值附近;p的平均值穩(wěn)定在給定值,q的平均值穩(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3-3PWM整流器DPC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與同相位,略有諧波;穩(wěn)定在給定值;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。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)殡妷盒蚉WM整流器比較流行，所以我們就采用這個(gè)方案而不采用電流型PWM整流，在對(duì)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(duì)仿真圖形的觀測(cè)，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(duì)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Matlab／Simulink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(duì)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(cè)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(hào)、直流信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)，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(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行建模，對(duì)不同控制角、橋故障情況下進(jìn)行了仿真分析，既進(jìn)一步加深了三相橋式全控整流電路的理論，同時(shí)也為現(xiàn)代電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[