1、毕业设计题目三相电压型PWM整流器设计院系电气信息学院专业电气工程及其自动化班级0705学号200701010513学生姓名导师姓名完成日期2011年6月诚信声明本人声明1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名日期年月日毕业设计（论文）任务书题目三相电压型PWM整流器设计姓名院系电气信息学院专业电气工程班级0705学号200701010
2、513指导老师职称讲师/博士教研室主任一、基本任务及要求掌握整流器的类型和控制方法。设计三相电压型PWM整流器，设计内容如下1、PWM整流器控制策略；2、输出电压可调的PWM整流器的方案实现；3、PWM整流器的建模仿真；设计要求1、提出完整的PWM整流器控制策略；2、有较详细硬件实现及元器件选择方案。3、建模、仿真与验证。二、进度安排及完成时间1、1月3日1月15日查阅资料；撰写文献综述和开题报告；确定总体方案；2、3月20日4月20日毕业实习、撰写实习报告；3、4月21日5月20日毕业设计；4、5月21日6月5日撰写毕业设计论文；5、6月6日6月10日指导老师评阅、电子文档上传FTP；6、6
3、月11日6月14日毕业设计答辩；目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111引言112三相电压型PWM整流器国内外研究的现状213研究的目的及意义314本课题所做的工作5第2章三相电压型PWM整流器的拓扑结构与工作原理621三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构622三相电压型PWM整流器的工作原理623本章小结9第3章三相电压型PWM整流器的控制方法与系统仿真的研究1031三相电压型PWM整流器的控制方法1032等量坐标变换1033三相电压型PWM整流器的空间电压矢量脉宽调制方法12331三相电压型PWM整流器空间电压矢量分布12332空间电压矢量的合成14333基于正交坐标系（,的空间电
4、压矢量PWM算法15334SVPWM与SPWM控制的比较1834PI控制器的设计与数字化实现19341PID控制原理19342PID控制器的数字化实现21343三相电压型PWM整流器的PI控制器的设计2235三相电压型PWM整流器系统仿真的研究22351三相电压现PWM整流器主电路的仿真模型22352空间电压矢量PWM控制模块的仿真模型25353三相电压型PWM整流器的PI控制器的仿真模型28354系统仿真28第4章三相电压型PWM整流器的硬件设计3341主电路硬件设计33411主功率开关器件的选择33412交流侧电感的设计34413直流侧电容的设计3942驱动及保护电路的设计4043本章小结
5、40结束语41参考文献42致谢45三相电压型PWM整流器设计I三相电压型PWM整流器设计摘要随着电网谐波污染问题日益严重和人们对高性能电力传动技术的需要，PWM整流技术引起人们越来越多的注意。三相电压型PWM整流器可以做到高功率因数，直流电压输出稳定，具有良好的动态性能，并可实现能量的双向流动。因此,成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。首先,本文根据三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构，阐述了三相电压型PWM整流器的基本工作原理。其次,介绍三相电压型PWM整流器的控制方法，深入研究三相电压型PWM整流器的空间电压矢量脉宽调制控制方法，进行三相电压型PWM整流器的PI控制调节器的设计。然后
6、,进行三相电压型PWM整流器系统的仿真研究，建立主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器的仿真模型，进行三相电压型PWM整流器整个系统的仿真。最后,在对三相电压型PWM整流器工作原理及控制方法进行深入分析的基础上，进行了系统的部分硬件结构和主电路参数设计。实验结果表明,论文所设计的三相电压型PWM整流器实现了高功率因数运行,解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低等问题，实现了直流侧母线电压的稳定控制,具有良好的工程实用价值。关键词PWM整流器；空间电压矢量；功率因数；仿真三相电压型PWM整流器设计IIDESIGNOFTHREEPHASEVOLTAGETYPEPWMRE
7、CTIFIERABSTRACTWITHTHEGROWINGPROBLEMOFHARMONICPOLLUTIONANDPEOPLENEEDHIGHPERFORMANCEELECTRICDRIVETECHNOLOGY,PWMRECTIFIERTECHNOLOGYISCAUSINGMOREANDMOREATTENTIONTHREEPHASEPWMRECTIFIERVOLTAGECANBEHIGHPOWERFACTOR,DCVOLTAGEOUTPUTSTABILITY,GOODDYNAMICPERFORMANCE,ANDCANREALIZETWOWAYFLOWOFENERGYTHEREFORE,THE
8、FIELDOFPOWERELECTRONICSHASBECOMETHEHOTISSUEOFRESEARCHFIRSTLY,THEPAPERELABORATEDTHEBASICPRINCIPLEOFWORKFORTHEPWMRECTIFIERACCORDINGTOMAINCIRCUITTOPOLOGYOFTHREEPHASEVOLTAGETYPEPWMRECTIFIERSECONDLY,THEPAPERPROPOSEDTHETHREEPHASEVOLTAGETYPEPWMRECTIFIERSCONTROLSTRATEGYBASEDONTHECONTROLSTRATEGYITHASSTUDIEDT
9、HESPACEVOLTAGEVECTORPULSEWIDTHMODULATIONCONTROLMETHODASWELLASDESIGNEDPIREGULATORFORTHETHREEPHASEVOLTAGETYPEPWMRECTIFIERTHEN,THETHREEPHASEVOLTAGETYPEPWMRECTIFIERSYSTEMSIMULATION,THEESTABLISHMENTOFTHEMAINCIRCUIT,THESPACEVOLTAGEVECTORPWMCONTROLOFTHECONTROLMODULEANDTHEPIREGULATOROFTHESIMULATIONMODEL,THE
10、THREEPHASEVOLTAGETYPEPWMRECTIFIERSIMULATIONOFTHEENTIRESYSTEMFINALLY,ACCORDINGTOTHEENTIRETHREEPHASEVOLTAGEPWMRECTIFIERSYSTEMSIMULATIONTHEARTICLEHASCARRIEDONTHEHARDWAREANDMAINCIRCUITPARAMETERDESIGNEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEPAPERISDESIGNEDTOACHIEVETHREEPHASEVOLTAGEPWMCONVERTERWITHHIGHPOWERFACTOROPE
11、RATION,TOSOLVETHETRADITIONALSENSEOFTHERECTIFIERHARMONICCONTENTPRESENTINALARGE,THELOWPOWERFACTORANDENERGYPROBLEMSCANNOTBEFEEDBACKTOACHIEVETHEENERGYTWOWAYFLOWANDASTABLEDCBUSVOLTAGECONTROLHASGOODPRACTICALVALUEKEYWORDSPWMRECTIFIERSPACEVOLTAGEVECTORPOWERFACTORSIMULATION三相电压型PWM整流器设计1第1章绪论11引言在现代工业、交通、国防、
12、生活等领域中，很多场合需要大量各种类型的变流装置，这些变流装置将一种频率、幅值、相位的电能变换为另一种频率、幅值、相位的电能，使得用电设备处于理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获得最大的技术经济效益。当今，经过交换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比，已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一。晶闸管SCR在美国的问世标志着电力电子技术的开端，我国上世纪70年代将其列为节能技术在全国推广。晶闸管是一种只能控制导通而不能控制关断的半控型开关器件，其在交流传动和变频电源领域中的应用受到了一定的限制。功率半导体开关器件性能的不断提高，从早期广泛使用的半控型功率半导体开关
13、，发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管BTT、门极关断晶闸管GTO、绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换向晶闸管IGCT、功率场效应晶体管MOSFET以及场控制晶闸管MCT等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块IPM则开创了功率半导体开关器件的发展方向。功率半导体的进步促进了电力电子变流技术的迅速发展，如变频器、逆变电源、高频开关电源等，这些变流装置在国民经济中得到广泛应用。但是这些变流装置大部分都需要整流环节，以获得直流电压。常规的整流环节一般采用二极管不可控整流或晶闸管相控整流，并且输出侧常使用大电容或大电感滤波来降低纹波。传统的整流装置在引起谐波的同时，
14、也会引起系统无功功率的大量流动。无功功率的增加不仅增加线路损耗，降低发电量和用电设备的利用率，而且冲击性的无功负载，还会使电网电压产生剧烈波动，严重影响供电质量。二极管整流电路简单、经济可靠。因此它的应用十分广泛，但是这种整流器的广泛使用也带来了以下几个方面的问题1二极管整流会使网侧电流波形严重畸变，造成功率因数较低，最高功率因数只可能为08左右。大量无功功率的消耗会给电网带来额外的负担，不仅增加了输电线路的损耗，而且严重地影响了供电质量。2对二极管整流器输入电流的频谱进行分析，发现输入电流中含有丰富的低次谐波电流。3对于交流变频调速系统，由于二极管的单向导电性，电机制动的再生能量无法回三相电
15、压型PWM整流器设计2馈给电网。为了装置的安全运行，这部分能量必须通过一定的途径消耗掉。在中小容量系统中，一般采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单，但是有如下缺点浪费能量，系统效率低；电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作；简单的能耗制动不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了性能的提高。传统晶闸管SCR构成的相控整流电路已经非常成熟，并获得了广泛应用，但存在以下几个主要弊端1交流侧输入端电流波形畸变严重；2整流器工作在深度相控状态下，交流侧功率因数极低；3由换流引起电网电压波形畸变；4直流侧输出电压波动大；5由相
16、控整流电源构成的直流调速系统动态响应较慢。目前解决电网污染的途径主要有两种（1）对电网来说，采用在电力系统中加入补偿器来补偿电网中的谐波，如LC滤波器，有源滤波APFACTIVEPOWERFILTER等。（2）设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。前者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除了谐波源，是解决谐波问题的根本措施。把PWM技术应用于由MOSFET、IGBT等全控器件组成的整流电路，可运行于高功率因数，甚至能量可以双向流动，真正实现绿色电能转换，因而备受关注。这种整流器称为PWM整流器，又称为高功率因数变流器。12三相电压型PWM整流器国内外研究的现状随着电力电子技术的发展，
17、功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关，尤其是20世纪90年代发展起来的智能型功率模块IPM和功率IC则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子交流技术的迅速发展，出现了以脉宽调制PWM控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、不间断电源（UPS、高频开关电源等各类变流器。目前，这些变流装置大部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不可控整流或晶闸管相控整流，对电网注入了大量谐波及无功功率，造成了严重的电网“污染”。因此，作为电网主要“污染”源的整流
18、器得到了大家的关注，并开展了大量研究工作，主要是将PWM技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且运行于高功率因数，甚至实现能量的双向流动。能量可双向流动的PWM整流器不仅具有整流特性，而且还具有逆变特性，三相电压型PWM整流器设计3所以说PWM整流器是一种新型的可逆PWM变流器。70年代初，国外就开始了PWM整流逆变技术的基础研究。80年代后期随着全控器件的问世，采用全控型器件实现PWM高频整流的研究进入高潮。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路，其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓
19、扑电路，PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制，而在主电路类型上，有电压型整流器也有电流型整流器，目前以电压型为主，本文主要讨论电压型整流器。目前，国内外对于三相电压型PWM整流器的系统的建模分析研究较少，主要是集中于电流控制方法和系统控制策略的实验研究，分析各参数与系统性能之间的关系，并找到改善电流跟踪性能，提高输入功率因数的方法，仿真和实验是主要手段。三相电压型PWM整流器的网侧电流控制策略主要分成两类一类是间接控制策略；另一类就是目前研究较多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，即根据整流器的稳态电压平衡关系，通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基
20、波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流，最显著的优点是结构简单，检测量少，无需电流传感器，成本低，实现容易，静态特性良好，但其电流的动态响应慢，适用于对控制性能和动态响应要求不高的场合。为了提高电压利用率并降低开关损耗，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器电流控制中取得了广泛应用。直接电流控制策略以其快速的电流响应和鲁棒性得到学术界的广泛关注，并先后研究出不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的PWM电流控制，以及以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制等。直接电流控制的优点为动态响应速度快、限流容易、控制精度高，缺点是要实现PWM整流器电压矢量控制，需要解决正弦函数和反正
21、切函数等算法，需要复杂的算法由DSP或多片单片机实现和调制模块。在交流源电压一定时，如能直接控制PWM整流器的瞬时有功和无功，同样可达到控制输入电流的效果，这种控制技术称为直接功率控制。直接功率控制的主要思路是由全控型器件开关状态来估计有功和无功。当整流器的全控型开关器件在不同的开关状态时，有着不同的瞬时有功和无功，通过控制开关状态，就可以直接对功率进行控制，目前这种控制策略引起了很多研究人员的关注，以直接功率控制为基础的控制算法主要有基于电压的直接功率控制和基于虚拟磁链的直接功率控制。13研究的目的及意义众所周知，电能是现代社会的主要能源，在各行各业中有着最广泛的应用，是人类三相电压型PWM
22、整流器设计4现代文明的重要物质基础之一。而随着电力电子技术的迅速发展，电力电子设备的应用日益广泛，从而使得电网的谐波污染日益严重。一方面使电力系统的供电效率下降并且威胁电力系统自身的安全运行，另一方面影响了电力系统的供电质量。为了避免谐波的危害，保持高的供电品质，许多国家和国际组织出台了治理措施和相关标准，对产生电力污染的用电设备提出了明确的限定。在这些标准当中，被广泛接受的有IEEE519标准和IEC5552标准。IEEE519标准和IEC5552标准1995年修订后为IEC100032对负载产生的谐波进行限制，使负载对电网注入的谐波在规定的范围内。在我国也有相关的标准颁布，如SD12684
23、电力系统谐波管理暂行规定，GB/T1454993电能质量公用电网谐波以及GB/Z1762542000电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估等。目前，抑制谐波电流将电力电网的谐波水平控制在谐波限值标准的范围之内的途径主要有两条一是对电力电子设备本身进行改造，研究开发高功率因数变流器，使其不产生谐波污染二是装设补偿装置来抑制谐波的污染和扩散，从而提高电能供电质量。从长远来看，研究开发高功率因数的变流器，则是一种更为有效和积极的措施。另外，随着电力传动及控制技术的发展，具有能够节约能源、降低功耗、提高生产效率、改善产品质量等优点的变频调速制系统越来越广泛地应用于工农业等各领域中。然而，
24、在大多数变频调速控制系统中，通用变频器大都为电压型的交直交的电路结构，一般都是先通过二极管不可控的整流电路得到直流，然后通过电容的滤波稳定，最后经过逆变输出电压频率可调的交流电。一方面通用变频器的二极管不可控整流电路对电网注入了大最谐波及无功功率，造成了电网的严重污染。另一方面，在频繁正反转的调速系统中，如电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床等，当电机减速、制动或带有势能的重物下放时，电机处于再生发电状态，由于二极管整流桥能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧的滤波电容上，产生泵升电压，过高的泵升电压有可能损坏功率开关器件、滤波电容，为了解决电机处于再生发电时所产生的泵升电压问题，一般都
25、采用能耗制动，将再生的电能转化成热能而白白浪费掉了，这样不但严重浪费能源，而且也不能有效的解决二极管整流的谐波问题。针对以上问题，本课题所研究的三相电压型PWM整流器具有高功率因数、直流电压稳定控制等特性，解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低等问题。目前，随着电力系统理论的发展和对电力系统中所存在问题的深入研究，如无功功率补偿、谐波抑制、负载对电网冲击的抑制等，三相电压型PWM整流器已被广泛用于改造电网污染和提高电能利用率。另外，三相电压型PWM整流器已被广泛应用于新能源的利用，如用作并网装置时可把本地装置消耗不了的电能回馈到电网，可以以高功率三相电压型PWM整流器设计5因数
26、运行，消除谐波，最终可以提高对风能、太阳能的利用率。总之，这种整流器性能优越，可以替代传统的整流电路实现装置的“绿色”运行，有着更为广泛的应用前景和重要的研究价值。14本课题所做的工作本课题以三相电压型PWM整流器为研究对象，分析三相电压型PWM整流器的工作原理，介绍一种空间电压矢量脉宽调制间接控制方法，进行系统仿真，具体工作如下1分析三相电压型PWM整流器的基本工作原理，建立基于开关函数的三相电压型PWM整流器的数学模型。2介绍三相电压型PWM整流器的控制方法，在等量坐标变换的基础上，深入研究三相电压型PWM整流器的空间电压矢量脉宽调制控制算法，进行三相电压型PWM整流器的PI控制调节器的设
27、计。3进行三相电压型PWM整流器系统的仿真研究，建立主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器的仿真模型，进行三相电压型PWM整流器系统的仿真。4在对三相电压型PWM整流器的工作原理及控制方法进行深入分析的基础上，根据对三相电压型PWM整流器系统的仿真，从而进行了系统的部分硬件设计。主要有（1）功率开关器件的选择设计；（2）交流侧电感的设计；（3）直流侧电容的设计；（4）智能功率模块IPM的隔离驱动电路及保护电路设计。三相电压型PWM整流器设计6第2章三相电压型PWM整流器的拓扑结构与工作原理从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC的变换装置。整流器的发展经历了由不控整
28、流器、相控整流器到PWM整流器的发展历程。PWM整流器已对传统的二极管及相控整流器进行了全面改进，其关键性的改进在于用全控型功率开关器件取代了二极管或半控型功率开关器件，以PWM整流器取代了不控整流或者相控整流，从而使得PWM整流器具有了网侧电流正弦控制、网侧功率因数控制、电能双向流动及较快的动态控制响应等优良性能。21三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图21所示。三相电压型PWM整流器的主体包括电压源型整流器和串联连接在电网中的三个大小相等的控制电感L。三个控制电感L一端连接在三相电源，另一端连接在电压源型整流器的输入端。电压源型整流器由智能功率模I
29、PMINTELLIGENTPOWERMODULE和直流母线电容C组成。另外，由三个电阻在三个控制电感与三相电源连接处构造电压参考点O。图21三相电压型PWM整流器主电路22三相电压型PWM整流器的工作原理对三相电压型PWM整流器的控制，旨在稳定直流侧电压的同时，实现其交流侧在受控功率因数条件下的正弦波电流控制。由于交流电感的滤波作用，整流器交流侧的输入可近似认为是三相正弦电流，直流侧有大电容稳压，输出呈直流电压源特性，稳态时三相电源ABCRRRONLLLAITBITCITABCAKBKCKLIDCICLRDCVAKBKCK三相电压型PWM整流器设计7输出直流母线电压可认为保持不变。由于交流滤波
30、电感等效电阻及开关器件损耗等效电阻较小，在忽略交流滤波电感及开关器件等效电阻的条件下，根据三相电压型PWM整流电路拓扑结构，三相电压型PWM整流器的单相等效电路和相量图如下所示。图22单相等效电路图23整流状态向量图图24逆变状态向量图在图23与图24中，E为电网电动势的电压相量，V为三相电压型PWM整流器的网侧电压相量，LV为交流滤波电感两端间的电压相量，I为交流电源输出的电流相量。由图23和图24可见，适当控制V的大小和E之间的相位角，就能控制输入电流I的大小与相位，就能控制整流器传送能量的大小，就控制了直流侧电压，就能够控制功率因数，甚至实现能量的双向流动。如何控制输入电流，得到理想的功
31、率因数以及实现能量的双向流动，根本任务在于得到各功率开关器件的控制规律和通断时间。PWM技术已广泛应用于整流系统以提高功率因数并改善电流波形。本文基于空间电压矢量脉宽调制原理，通过空间电压矢量PWM控制，在整流器交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压。该电压与电网电动势共同作用于整流器交流侧，在整流器交流侧形成正弦基波电流，谐波电流则由整流VLELV当AK关断,而AK导通时，开关函数0AS，且0ANV。则ANDCAVVS，式340可改写成；AAAODCANODILRIUVSVDT048同理，可得B相、C相方程如下BBBODCBNODILRIUVSVDT049CCCODCCNODILRIUVS
32、VDT050若考虑三相对称系统，则0AOBOCOUUU051又有0ABCIII052联立式（341）（343）得,3DCNOKKABCVVS053当忽略桥路损耗时，其交、直流侧的功率平衡关系为三相电压型PWM整流器设计24,JJNDCDCJABCIVIV054又因为JNJDCVSV055联立式（346）、（348）并化简，得DCAABBCCBIISISISI056另外，直流侧负载自电阻LR和一个电流源SI并联组成，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得DCDCAABBCCSLDVVCISISISIDTR057联立式（341）、（342）、（343）和（350），并引入状态变量X，且有T
33、ABCDCXIIIV058则采用单极性二极逻辑开关函数描述的三相电压PWM整流器的一般数学模型的状态变量表达式为XAXBE059其中,0000001000AKABCBKABCCKABCLRSSLRSSLARSSLRC（）（）（）三相电压型PWM整流器设计25111LLBL0000000001000CTAOBOCOSEUUUI这里，L是每相交流滤波电感的值，R是每相功率开关损耗等效电阻与交流滤波电感等效电阻LR的和，C是直流输出侧的电容值，SI是电流源的电流值。由三相电压型PWM整流器的数学模型，在MATLAB软件的SIMULINK交互式仿真集成环境下利用S函数建立了三相电压型PWM整流器的主电
34、路的仿真模型，如图38所示。ECVDC4IC3IB2IA1SFUNCTIONPWM_II_SUPPLY76EB5EA4SC3SB2SA1图38PWM整流器主电路仿真模型在这里ISUPPLY为直流测电流源电流IS、EA、EB、EC为交流侧三相平稳的纯正弦波电动势，SA、SB、SC为整流器桥路驱动信号的输入，IA、IB、IC为交流侧三相平稳的纯正弦波电动势输出的相电流，VDC为直流侧母线电压输出。352空间电压矢量PWM控制模块的仿真模型根据本章333节分析，在SIMULINK交互式仿真集成环境下建立了空间电压矢量PWM控制模块的仿真模型，具体如下1目标电压矢量扇区的判断模型如图39所示。三相电压
35、型PWM整流器设计261SECTORSWITCH2SWITCH1SWITCHRELATIONALOPERATOR2RELATIONALOPERATOR1RELATIONALOPERATOR4CONSTANT80CONSTANT70CONSTANT62CONSTANT50CONSTANT41CONSTANT30CONSTANT20CONSTANT10CONSTANTADD3VREF32VREF21VREF1图39电压矢量扇区的判断模型2计算X、Y、Z的模型如图310所示。Z3Y2X1PRODUCT1PRODUCTGAIN305GAIN205GAIN1KGAINKADD1ADDUBETA3M2UA
36、LFA1图310计算X、Y、Z的模型3计算T1、T2的模型如图311所示。T22T11SUBSYSTEM1UALFAMUBETAXYZSUBSYSTEMVREF1VREF2VREF3SECTORMULTIPORTSWITCH1MULTIPORTSWITCHGAIN51GAIN41GAIN31GAIN21GAIN11GAIN1UBTEA6M5UALFA4VREF33VREF22VREF11图311计算T1、T2的模型三相电压型PWM整流器设计274计算TAON、TBON、TCON的模型如图312所示。TCON3TBON2TAON1SUBTRACTSUBSYSTEMVREF1VREF2VREF3U
37、ALFAMUBTEAT1T2GAIN05ADD1ADDUBTEA7M6UALFA5VREF34VREF23VREF12PWMPRO1图312计算TAON、TBON、TCON的模型5计算TA、TB、TC的模型如图313所示。TC3TB2TA1SUBSYSTEM1VREF1VREF2VREF3SECTORSUBSYSTEMPWMPROVREF1VREF2VREF3UALFAMUBTEATAONTBONTCONMULTIPORTSWITCH2MULTIPORTSWITCH1MULTIPORTSWITCHUBTEA7M6UAFLA5PWMPRO4VREF33VREF22VREF11图313计算TA、T
38、B、TC的模型6根据以上所建立的模型，建立的空间电压矢量PWM控制模块的仿真模型如图314所示。三相电压型PWM整流器设计28SC3SB2SA1SUBSYSTEMVREF1VREF2VREF3PWMPROUAFLAMUBTEATATBTCSINESIN2PIUREPEATINGSEQUENCE1RELATIONALOPERATOR2RELATIONALOPERATOR1RELATIONALOPERATORDATATYPECONVERSION2CONVERTDATATYPECONVERSION1CONVERTDATATYPECONVERSIONCONVERTCOSINE2COS2PIUCOSIN
39、E1COS2PIUCOSINECOS2PIUCONSTANT12PI/3CONSTANT2PI/3ADD2ADD1ADDPWMPRO4M3ANGLE_CTRL2REPEATINGSEQUENCE1图314空间电压矢量PWM控制模块的仿真模型根据PWM控制的基本原理，在空间电压矢量PWM控制模块仿真模型中，TA、TB、TC为控制输出的调制信号，与等腰三角波载波信号调制，输出控制主电路功率开关器件的PWM脉冲信号。353三相电压型PWM整流器的PI控制器的仿真模型由本章31节与343节分析，建立了三相电压型PWM整流器PI控制器的仿真模型，如图317所示。PI_OUT1UNITDELAYZ1SWI
40、TCH4SWITCH3SWITCH2SWITCH1SWITCHSUBTRACT1SUBTRACTSATURATIONRELATIONALOPERATOR1PRODUCT2PRODUCT1PRODUCTINTEGRATOR1SCONSTANT21CONSTANT11CONSTANT002ADD1ADDABS1|U|ABS|U|I_S7I_D6P_S5P_D4LIMIT3VDC2VDC_COM1图317三相电压型PWM整流器PI控制器的仿真模型根据本章343节所设计的PI控制器的方法，通过仿真结果表明，本文设计的PI控制器与常规的PI控制器相比，具有响应速度快、超调小的优点。354系统仿真根据建立
41、的三相电压型PWM整流器的系统仿真模型如图321所示。三相电压型PWM整流器设计29PII_SUPPLYVDC_COM11VDC_COM650SUBSYSTEM2REPEATINGSEQUENCEPWMPROMANGLE_CTRLSASBSCSUBSYSTEM1SASBSCEAEBECI_SUPPLYIAIBICVDCSINECSINEBSINEASCOPE1SCOPESATURATIONREPEATINGSEQUENCEINTERPOLATEDP_S1P_D1PIVDC_COMVDCLIMITP_DP_SI_DI_SPI_OUTLIMIT60I_S1I_D0GAIN1DIVIDECONSTA
42、NT1图321三相电压型PWM整流器的系统仿真模型系统的仿真参数如下交流侧电动势为频率为60HZ，相电压为600V的三相对称电压源，交流侧电感的电感值为20MH，直流侧电容值为7500F，主功率开关器件开关频率为6KHZ。系统仿真结果如下00020040060080101201401601802150010005000500100015002000图322整流运行时交流侧A相电流仿真曲线三相电压型PWM整流器设计30000200400600801012014016018026004002000200400600图323整流运行时交流侧A、B之间电压的仿真曲线图322和图323分别是整流运行时A
43、相电流仿真曲线和整流运行时交流侧A、B相之间电压的仿真曲线。由图322知电流不但波形发生了一定的畸变，幅值也发生了一定的畸变，但是经过在短时间01秒后电流的幅值开始稳定，且波形接近正弦化；同样可以从图323看出A、B之间电压也在经过01秒后迅速稳定，且波形接近正弦化。01750180185019019502164071640751640816408516409164095图324交流侧有功分量的仿真曲线三相电压型PWM整流器设计3101750180185019019502411564115741158411594116411614116241163图325交流侧无功分量的仿真曲线图324和图3
44、25分别是整流前交流侧有功分量和无功分量的仿真曲线，从仿真波形可以看出，二者均在经过019秒后趋于稳定。因此可以得出，本文的设计参数配合根本系统很理想，达到了设计的目的。01750180185019019502248250252254256258260图326整流后直流侧母线电流仿真曲线三相电压型PWM整流器设计3200020040060080101201401601802300350400450500550图327整流后直流侧母线电压仿真曲线图326和图327分别是整流后直流侧母线电流仿真曲线和整流后直流侧母线电压仿真曲线。由图326仿真曲线可得，整流后的电流有一定波动，但基本在控制范围之内
45、；而由图326的仿真曲线和相关仿真结果可以看出，直流侧母线电压相比在二极管不控整流下，电压水迅速提高，经过01秒的微小超调后，电压趋于稳定。三相电压型PWM整流器设计33第4章三相电压型PWM整流器的硬件设计41主电路硬件设计411主功率开关器件的选择在大功率电力电子器件的应用中，IGBT已取代了GTR或MOSFET成为应用的主流。IGBT的优点在于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、开关速度快、热稳定性能好、驱动电路简单。目前，由IGBT单元构成的功率模块在智能化方面得到了迅速发展，智能功率模块IPMINTELLIGENTPOWERMODULE不仅包括基本组合单元和驱动电路，还具有保护和报警
46、功能，以其完善的功能和较高的可靠性为我们创造了很好的应用条件，简化了电路设计。本文设计的三相电压型PWM整流器功率为50KW，三相交流输入电压的相电压有效值为600V，主功率开关器件采用IPM来实现。假设效率为90，则每相输入的额定电流有效值为500003086A600390NI060则网侧电流的峰值为308624364ANMI061考虑2倍的安全系数，取IPM的电流额定为100A。最大反向电压URM2RMMUU062式43中，UM是电源线电压的振幅值，当电源相电压为600V时223600293885VRMUV063选3000VRMU064综合以上分析，选取日本富士公司的智能功率模块7MBP1
47、00RA120作为主功率开关器件。三相电压型PWM整流器设计34412交流侧电感的设计三相电压型PWM整流器的交流侧电感的取值不仅影响到交流侧电流的动、静态响应，而且还制约着整流器的输出功率及功率因数。PWM整流器交流侧电感的主要作用如下1使电流受控，是电流源特性，可将电流控制转化为电压控制，通过交流侧电压或是电流幅值、相位的控制均可实现在高功率因数下能量的双向流动。2抑制交流侧PWM谐波电流，从而实现交流侧正弦波电流或一定频带范围内的电流控制。3使三相电压型PWM整流器获得良好的电流波形的同时，还可向电网传输无功功率，甚至实现网侧的纯电感、纯电容运行特性。4121稳态条件下满足功率指标时交流
48、侧电感的设计根据第二章在22节分析，当三相电压型PWM整流器在最大功率输出运行时，交流侧电压矢量与电网电动势矢量相位相差/6,此时，交流侧电感上的电压值为2SIN12LVE065则流经电感的电流值为2SIN12LLEVILL066则每相电网电动势发出或吸收的有功功率为COS12LPEI067将式46代入（47），得2COS122LEPEIL068则三相电网电动势发出或吸收的有功功率为3E2/2L，本文设计的三相电压型PWM整流器功率为50KW，为了满足稳态条件下功率指标的要求，则有23500002EL069由式（49）得三相电压型PWM整流器设计352340000EL070将E600V、100
49、代入式410，计算得2155MHL0714122满足瞬态电流跟踪指标时交流侧电感的设计除了考虑稳态功率指标外，电感的设计还需考虑满足瞬态电流跟踪指标要求，既要抑制纹波电流，又要快速电流跟踪。为了抑制谐波电流较大的脉动，此时电感应足够大，以满足抑制谐波电流要求；另一方面，当电流过零时，其电流变化率最大，此时电感应足够小，以满足快速跟踪电流要求。根据第2章图21所示的拓扑结构，考虑A相电压方程,3ADCAADCAKKABCDIVLRIEVSSDT072若忽略交流侧电阻R，则上式简化为,3ADCADCAKKABCDIVLEVSSDT073式中SK二值逻辑开关函数。因此，三相电压型PWM整流器交流侧A相等效电路如图41所示。图41三相电压型PWM整流器交流侧A相等效电路根据第3章31节和33节，可得三相电压型PWM整流器在最大负载整流输出运行时的空间电压矢量关系如图42所示，此时E与V之间的夹
