1、江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 （论文） 1 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 PWM 整流器控制研究现状及趋势 . 1 1.1.1 PWM整流器系统控制策略的研究 . 2 1.1.2 非线性控制策略分析 . 3 1.2 电压型 PWM整流器性能指标 . 3 第二章 电压型 PWM 整流器的原理及基本控制策略 . 6 2.1 电压型 PWM 整流器主电路拓补结构 . 6 2.2 电压型 PWM整流器工作原理 . 7 2.3电压型 PWM 整流器数学模型的建立 . 9 2.3.1 考虑各种因素时的电压型 PWM整流器等效电路 . 10 2.3.2 电源不平衡时电压型 PWM 整流器
2、数学模型 . 11 2.3.3 两相旋转坐 标系 dq 下的数学模型 . 12 2.4 PWM 整流器空间矢量算法 . 14 2.5 电压型 PWM整流器直接功率控制 . 15 2.5.1 功率 理论 . 16 2.5.2 电压型 PWM整流器电压定向直接功率控制 . 16 第三章 硬件平台搭建 . 20 3.1 主电路硬件设计 . 21 3.1.1 主功率开关器件的选择 . 21 3.1.2 交流侧电感的选择 . 23 江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 (论文 ) 2 3.1.3.直流侧电容选择 . 24 3.2 控制电路硬件设计 . 26 3.2.1 控制模块处理器的选择 . 26
3、 3.2.2 事件管理器模块 . 27 3.2.3 信号检测电路 . 32 3.2.4 数字采样调理电路 . 35 3.2.5 驱动及保护电路 . 38 第四章 系统软件设计 . 40 4.1 主程序模块设计 . 40 4.2通用定时器中断程序 . 43 4.3 A/D 转换软件模块 . 45 4.4 直流电压检测模块 . 47 4.5 交流电压检测模块 . 48 4.6 电流检 测模块 . 49 4.7 直接功率控制算法 . 50 第五章 结 论 . 52 参考文献 . 53 致谢 . 54 江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 （论文） 1 第 一 章 绪论 进入 20 世纪 90 年
4、代以后， PWM 整流器一直是研究的热点。对 PWM 整流器相关的应用领域的研究也越来越多，在有源滤波、超导储能、交流传动、高压直流输电及统一潮流控制等方面的应用，使 PWM 整流器进入了越来越多的应用阶段。而这些应用领域的研究，又促进了 PWM 整流器及其控制技术的进步和完善。在小功率应用方面， PWM 整流器主要用于通 讯电源、家用电器等，其功率因数近似为l，而且系统效率在 90以上。许继电源公司在引入东芝技术基础上，开发出POWERSTAR 系列 UPS I 输入功率因数大于 0.97，电流失真率小于 2 5，稳压精度小于 1 5，功率等级可以做到 100 kVA。在中等功率应用方面，
5、PWM 整流器主要用于传动领域，即可以实现输入侧高功率因数、减少直流电压波动，又可以使得能量回馈给电网。例如国外富士公司生产的 RHC系列双 PWM交流传动系统，输入侧功率因数近似为 1，可以高效率地进行能量再生。 ABB 公司生产四象限运行的交流调速系统，如 ACS611 ACS617(容量在 1.5KW-1.12MW)。在大功率应用方面， PWM 整流器主要应用于灵活交流输电 (FACTS)，如有源滤波器 (APF)等，以及轻型直流输电 (LHVDC)方面。但是由于 PWM 整流器的成本较高，控制过程较为复杂，限制了其推广应用的范围。目前，三电平 PWM 整流器的研究也进入了新的阶段，主要
6、应用于高压大功率场合，与两电平整流器相比，其输入电流畸变率低，且每只元件承受的电压较低。因此，三电平 PWM 整流器日益成为新的研究热点。在交流网侧，使用功率二极管或晶闸管实现不控整流和可控整流（相控 整流）的整流器，电流波形畸变给电网注入了大量的谐波及无功功率，造成了严重的电网“污染”；对于可控整流器，在深控时存在功率因数低、直流电压波动等问题，制约了整流器在工业中的应用。 近年来开始对电压型 PWM 整流器进行了研究，电压型 PWM 整流器具有交流侧交流电流低谐波、单位功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制等优点，日益引起人们的关注。由于电压型 PWM 整流器具有上述优点，现已开始应用于
7、单位功率因数整流、工业直流电源、交流传动等工业领域中。 1.1 PWM 整流器控制研究现状及趋势 为了使电压型 PWM 整流器网侧呈 现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。在 PWM 整流器技术发展过程中，电压型 PWM 整流器网侧电流控制策略主要分成两类 :一类是由 J.W.Dixon 提出的间接电流控制策略 ;另一类就是目前占主导地位的直接电流控制策略。间接电流控制实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型 PWM 整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于间接电流控制的网侧电流动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略己经逐步被直接电
8、流控制策略取代。直接电流控江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 (论文 ) 2 制以其快速的电流响应和鲁棒性受到了重视， 出现了不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的 SPWM 控制，以及滞环电流控制。为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的 PWM 控制在电压型 PWM 整流器中取得了广泛的应用，并提出了多种方案。目前电压型 PWM 整流器网侧电流控制已开始将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合，以使其在大功率有源滤波等需快速电流响应场合获得优越的性能。此外，控制策略上还出现了状态反馈控制。 1.1.1 PWM 整流器系统控制策略的研究 在对 PWM 整流器的
9、研究过程中，出现了一些较为新颖的控制策略 : (1) PWM 整 流器的时间最优控制常规的 dq 模型的电压型 PWM 整流器控制 一般通过前馈解祸控制，并采用两个独立的 PI 调节器，分别控制相应的有功、无功分量。而有功、无功分量间的动态祸合和 PWM 电压利用率的约束，影响了电压型 PWM 整流器有功分西华大学硕士学位论文量的动态响应。针对这一问题，有学者提出了直流电压时间最优控制。其基本方法是根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低无功分量的响应速度，提高有功分量的响应速度，实现了时间最优控制。 (2) 无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制 为了
10、简化信号的检测， TNgouchi 等学者提出了一种无电网电动势传感器 PWM整流器控制策略。这一研究主要包括两类电网电动势重构方案 :一种是通过功率估计，另一种是通过电流的偏差求导重构电动势。 M.Riese 则通过直流侧电流的检测来重构交流侧电流，进而实现无交流电流传感器控制。 (3) 电网不平衡条件下的 PWM 整流器控制 一般的策略研究总是假设电网是平衡的。实际上，电网经常处于不平衡状态。当电网出现不平衡时，以三相电网平衡为约束所设计的整流器会出现不正常运行，表现为 :PWM 整流器直流侧电压和交流侧的低次谐波幅值增大 ，且产生非特征波形，同时损耗相应增大。 PWM 整流器的交流侧电流
11、不平衡，严重时可使整流器故障烧毁。为了能使整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，有学者提出了不平衡条件下，网侧电流和直流电压的时域表达式，认为电网负序分量使导致网侧电流畸变的原因。电网不平衡条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，交流侧会产生奇次谐波分量。 DVincneti 等人较为系统地提出了正序dq 坐标系中地前馈控制策略，即通过负序分量地前馈控制来抑制电网负序分量地影响。但是由于该方法地负序分量在 dq 坐标下不是直流量，导致 Pl调节不 能实现无静差控制。因此，又有学者提出了正、负序双旋转坐标系控制，该方法实现了无静差控制。但是，双旋转坐标系控制度的结构比较复杂，运算量大
12、。 (4) 基于 LyPamiov 稳定理论的 PWM 整流器控制 针对 PWM 整流器的非线性多变量强祸合的特点，常规的控制策略和控制器的江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 (论文 ) 3 设计一般采用稳态工作点小信号扰动线性处理方法，这种方法的不足之处是无法保证控制系统大范围扰动的稳定性。为此，有学者提出了基于 LyPaunov 稳定性理论的控制策略。这一新颖的控制方案以电感、电容储能的定量关系建立了Lypamioav 函数，并由三相 PwM 整流器的 dq 模型以及相应的空间矢量西华大学硕士学位论文 PWM 约束条件，推导出相应的控制算法。这一方案较好的解决了PWM 整流器的大范围
13、稳定控制问题。 1.1.2 非线性控制策略分析 由于电压型 PWM 整流器属于非线性混合控制系统，基于小信号模型用线性控制方法进行研究已不适应。对此，为提高整流器的性能，应用非线性控制理论或新的方式研究电压型 PWM 整流器控制系统，成为国内外学者研究的新热点。 (1) 功率控制 从能量的角度看，在交流电压一定的情况下，如果能控制 PWM 整流器的瞬时功率在允许的范围内，也就间接地控制了 瞬时电流在允许的范围内，此种控制策略即为直接功率控制。直接功率控制（ DPC）系统结构是以直流侧电压为外环、瞬时功率控制为内环的双闭环系统。从功率守恒的角度看，直接功率控制 PWM整流器是在交流侧电压一定的情
14、况下，通过控制流入整流器瞬时有功功率和无功功率，来达到控制瞬时输入电流的目的，从而获得预设的功率因数和功率流动方向。实现了高性能整流，与通常的电流控制策略相比，直接功率控制 PWM 整流器具有更高的功率因数、响应快、高效率、算法和系统结构简单等优点。 (2) 反馈线性化控制 反馈线性化控制通过适当的非线性状态和 反馈变化，是系统实现状态或输入、输出的精确线性化，从而将复杂的非线性系统综合问题转化为线性系统的综合问题。它的理论基础是微分几何理论。非线性系统反馈线性化与传统的利用泰勒级数展开进行局部线性化近似的方法不同，在线性化过程中没有忽略任何高阶非线性项，因此，这种线性化不仅是精确的，而且是整
15、体的，即线性化对变换有定义的整个区域都适用。 1.2 电压型 PWM 整流器性能指标 对电压型 PWM 整流器最基本性能要求是：交流侧功率因数高（接近于 1），交流电流的谐波电流在允许范围内；直流侧的直流电压可控，直流电压中的交流分量， 即纹波电压被控制在允许的范围内。整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰和电磁兼容以及静态和动态控制精度、对控制指令的响应特性也是评价整流器的重要指标。 1.电压波形系数电压波形系数定义为输出电压有效值 UD 与直流电压平均值UDC之比，即 江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 (论文 ) 4 （ 1-1） 2. 电压纹波系数 电压纹波系数定义为整流器输出
16、电压 uDC 中除 UDC外的交流谐波电压分量的有效值 UH （又称为纹波电压）与输出直流电压 平均值 UDC之比，常用 u表示，即 （ 1-2） 输出直流电压中交流谐波电压分量的有效值 UH 可用输出电压有效值 UD与直流电压平均值 UDC 表示，即 UUUDCDH 22 。则有 （ 1-3） 3. 电压脉动系数 电压脉动系数 Sn 定义为 n次谐波幅值 Unm 与直流电压平均值 UDC之比 ， 即 ： （ 1-4） 4. 输入功率因数 输入功率因数定义为交流电源输入有功功率平均值 PAC与其视在功率 S 比， 即： IUPSSAC SSPF ,（ 1-5） 若输入电 压、电流为无畸变的正弦
17、波，若谐波电压、电流在一个周期内平均功率为 0（瞬时功率不为 0），只有同频率的基波电压、电流形成有功功率，则有 C O SIUP SISIAC （ 1-6） COS 为功率因数。 UDCUDFFUUDCHu RF 11 22 FFUUUUDCDDCHuUUS DCnmn江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 (论文 ) 5 5. 输入电流总畸变率 交流输入电流中的除基波电流外通常还有含有各次谐波电流，输入电流谐波因数或总畸变率（ Total Harmonic Distortion ,THD）定义为基波电流外所有谐 波电流有效值与基波电流有效值之比，即 （ 1-7） 式中， Isn 为第次
18、n 谐波电流有效值；对于 380V 交流电源， %5THD 。 IIIIIIISIn snSISISSIST H D 2221221江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 (论文 ) 6 第二章 电压型 PWM 整流器的原理及基本控制策略 因为自关断功率器件的出现和日益发展成熟， PWM 控制技术得到了飞速发展，成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子装置的性能， 推动电力电子的发展起着巨大作用。 PWM 作为现代电力电子装置中常用的一种功率变换方式，它的基本原理是通过对功率器件的导通与关断进行控制，使输出一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，并按一定的规则对脉冲信号的宽度进行
19、调制，既可改变输出电压的大小，也可改变输出频率，大大加快系统的动态响应。 2.1 电压型 PWM 整流器主电路拓补结构 PWM 整流器分为电压型和电流型两类。电压型 PWM 整流器主电路拓补结构有多种类型。电压型 PWM 整流器显著特点是直流侧接电容器，对直流电压进行滤波，获得平稳的直流电压。近年来对于三相电压型 PWM 整流器拓扑结构的研究在小功率场合主要集中在减少功率开关和改进直流输出性能上；对于大功率场合主要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上。目前较成熟的拓扑有两电平和三电平 PWM 整流器结构。如图 2-1 是三相电压型两电平 PWM 整流器电路拓补结构，图 2-2 是三相电压型
20、三电平 PWM 整流器电路拓补结构。 图 2-1 电压型两电平 PWM 整流器电路拓补结构 三相电压型两电平 PWM 整流器是最基本的 PWM 整流电路，因为结构简V1 V3 V5V6 V4 V2+-Uu+-Uv+-UwRLRRRLLLCVD1VD2VD3VD4VD5VD6+_uDC江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 (论文 ) 7 单、控制算法相对成熟，得到了广泛应用。与其相比三电平 PWM 整流器每个桥臂多了两个开关管和两个箝位二极管，电路结构复杂、存在中点电位平衡问题、控制算法繁琐，但因此种电路具有更大的变换功率、更低的输入电流畸变率等优点，也被广泛研究应用。 图 2-2 电压型三
21、电平 PWM 整流器电路拓补结构 2.2 电压型 PWM 整流器工作原理 1. 电压型 PWM 整流器的两种工作状态 电压型 PWM整流器的工作状态分整流和逆变两种，均采用 PWM调制方式。当正常工作时， PWM 整流器将交流电能转换成直流电能，再由 PWM 逆变器将直流电能转变成交流电能供给 交流电动机；在这种情况下， PWM 逆变器将工作于整流工作状态。当电动机处于回馈制动状态时，电动机将能量通过逆变器向电容充电，当电容电压上升到一定值时，电能再通过 PWM 整流器回馈给电源；在这种情况下， PWM 整流器工作于逆变工作状态。 2. 电压型 PWM 整流器电压电流矢量关系 +-Uu+-Uv
22、+-UwC1C2D1D2D3D4D5D6LLLRRRRLVTVTVTVTVTVTVTVTVTVTVTVTabcpN江西理工大学 2012 届本科生毕业设计 (论文 ) 8 十九世纪的 90 年代末期， PARK 提出了著名的 PARK 方程，为交流电机及电力系统暂态过程分析奠定了基础。随后 Kron 将他的理论系统化，形成了“交流电机统一理论”。按照这一理论，常对电机作如下假设： (1) 忽略空间谐波，假设三相绕组对称，且在 空问上互差 1200 (2) 磁势沿着气隙圆周，按照正弦规律分布 (3) 忽略铁心损耗、磁路饱和 (4) 忽略温度和频率变化对三相绕组的影响 在三相 VSR 中，不存在空
23、间对称分布的三相绕组，但从纯数学的角度看，依然可以定义数学意义上的空间以及在它上三个互差 1200 的坐标系概念。这样交流电机统一理论中的空间坐标系概念可以直接移植过来，可以定义出三相 VSR系统中相应的电压电流合成矢量和开关函数向量。整流器可以等效为一个三相交流电压源，其单项（以 A 项为例）基波等效电路如图 2-3 所示。 图 2-3 单项等效电路 3. 整流器开关工作状态 对上述拓扑，用“ 1”表示某相上桥臂导通，下桥臂关断 (上下不能同时导通或关断 )；用“ 0”表示上桥臂关断，下桥臂导通。 组合起来，共有 8 种开关状态 (000 111)，其中 001 110 为 6 个非零向量，称为有效开关状态； 000、 111 为 2 个零向量，此时整流器只有上桥臂或下桥臂的器件导通。一般应按照功率开关切换次数最少原则来选择零向量。三位的数值分别对应 a、 b、 c 三相的开关状态。 4. 开关表 开关表是根据式（ 2-1）、 及电压电流矢量与功率的关系，确 定整流器 DPC系统所需要的开关状态，及 的取值。 取决于所需要的 ur ；LRu u+- -+
