（控制科学与工程专业论文）三相电压型高功率因数pwm整流器研究.pdf

摘要 随着现代经济的飞速发展，人们对电能的需求量在不断的增加，因而对电网 的质量提出了更高的要求。在传统的电网中，为减少无功含量，一般采用相控或 者是不控整流电路，但传统的整流器给电网中注入了大量的谐波污染，因而对电 网的污染也就更加明显。除此之外，电网无功功率的污染，还会导致电能损失， 电网故障以及给予用户生命财产安全带来的危害已经不可以忽视，对此必须采取 行之有效的措施来减少电网中谐波污染。 在科技发展的今天，相控整流电路以及不控整流电路，已经不能满足现代电 力发展的需求，无法更好的使如今电网处在高效工作状态，所以不得不被取代， p w m 整流技术应运而生。p w m 整流器已经弥补了相控整流器或不控整流器功 率因数低，能量只能单相流动，谐波污染严重等缺陷。取而代之的是p w m 整流 器可以实现能量的双向流动，功率因数可以到达单位功率因数，电路性能稳定以 及消除谐波污染等。p w m 整流器是解决谐波污染最有效的方法之一。 论文首先分析了功率因数问题，谐波污染问题，p w m 整流器原理，p w m 整流器控制手段，以及主电路拓扑结构，系统的阐述了空间矢量控制方案，并将 模糊控制引入空间矢量控制中，实现了模糊空间矢量控制；然后，在此基础上设 计出三相电压型高功率因数p w m 整流器硬件电路结构以及控制系统结构，其中 主要包括网侧电流，网侧电感的选择，主开关管的设计，保护电路的设计，驱动 电路的设计以及模糊p i 控制的设计；其次，在硬件设计的基础上，研究了相应 的软件实现方法，主要包含主程序设计，中断程序设计，键盘和显示程序设计等， 最后，对模糊空间矢量控制建立数学模型，并对仿真结果进行总结和分析。 结果表明，基于三相电压型高功率因数p w m 整流器，除了能够实现高功率 因数外，还可以消除谐波，实现能量双向流动，以及改善了整流器整体性能，满 足了消除电网谐波污染的要求。三相电压型高功率因数p w m 整流器已经成为目 前解决谐波污染的主要方法之一。 关键词：谐波污染，p w m 整流器，s v p w m ，功率因数，模糊控制 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h em o d e me c o n o m i cf a s td e v e l o p m e n t ，t h ep e o p l eh a v em o r ea n d m o r er e q u i r e m e n tf o re l e c t r i c i t ye n e r g y ，w h i c hm a k e st h ep o l l u t i o ni nt h en e to f e l e c t r i c i t yv e r ys e v e r i t y t h ep a s tr e c t i f i e rh a sn o ts a t i s f i e dt h em o d e mn e e d b e c a u s e o ft h i sp o l l u t i o n ，t h er a t eo fe l e c t r i c i t ya c c i d e n ti sg o i n gu p ，a n da l s ot a k e st h ed a n g e r i n t ot h el i f eo fp e o p l e s ow em u s tt a k es o m em e a s u r e st or e s o l v et h i sp r o b l e m b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , p w mr e c t i f i e rt e c h n i q u e h a sb e e nr e s e a r c h e d i nt h ep a s t2 0y e a r s ，t h e r ea r es o m el i m i t a t i o n sf o rr e c t i f i e r , f o r e x a m p l e ，t h ep o w e rf a c t o ri sl o w , a n dt h ep o l l u t i o no fh a r m o n i ce l e m e n t si sv e r y s e v e r i t ya n ds oo n b t i tn o wp w m r e c t i f i e rh a so v e r c o m et h e s ep r o b l e m s f o rt h e p w m r e c t i f i e r , t h ep o w e rf a c t o ri si m p r o v e d ；i ta l s oc a ne l i m i n a t eh a r m o n i ce l e m e n t s a n dr e d u c et h es w i t c hf r e q u e n c y f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ep r o b l e mo fp o w e rf a c t o r , t h ep r i n c i p l eo f p w mr e c t i f i e r , t h ec o n t r o li n s t r u m e n to fp w mr e c t i f i e r , a n dt h ec o n f i g u r a t i o no f c i r c u i t n l em o d u l a t i o np r i n c i p l eo ft h ev o l t a g es p a c ev e c t o r ( s v p w m ) a n di t sd i g i t a l r e a l i z a t i o nm e t h o da r ea n a l y z e dt o o s e c o n d l y ，t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h et h r e e p h a s e v o l t a g e - t y p ep w m r e c t i f i e ra r ep r e s e n t e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fi n d u c t a n c e a n dc a p a c i t a n c e ，t h ed e s i g no fm a i nc i r c u i t ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，c o n t r o lc i r c u i t ，t h e c i r c u i tp a r a m e t e r sa n dt h ec o n t r o lo ff u z z yp ic i r c u i t ；t h i r d l y , p r o g r a m m i n go fc o n t r o l i sd e s c r i b e d 1 1 1 ep r o g r a m m i n gm a i n l yc o n t a i n si n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e s ，d i g i t a lp i c o n t r o la l g o r i t h m ，s v p w mm o d u l a t i o na n dk e y b o a r da n d d i s p l a yp r o g r a m f i n a l l y , a m a t hf o r m e rw a se s t a b l i s h e df o rs v p w m a n ds u m m a r i z ea n dd i s c u s st h er e s u l to f e m u l a t o r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a to p e r a t i o no ft h eb i d i r e c t i o n a lp w m r e c t i f i e rb a s e o ns v p w mm o d u l a t i o nc a n n o to n l ye l i m i n a t eh a r m o n i ce l e m e n t sa n di m p r o v ep o w e r f a c t o r , b u ta l s or e d u c et h es w i t c hf r e q u e n c y r e s e a r c ho nt h et h r e e - p h a s eh i g h p o w e rf a c t o rp w mr e c t i f i e rh a sb e e no n eo ft h em o s tm e a s u r e sf o rh a r m o n i c p o l l u t i o n k e yw o r d s ：h a r m o n i cp o l l u t i o n ，p w mr e c t i f i e r , s v p w m ，p o w e rf a c t o r , f u z z y c o n t r o l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了说明并表示了致谢。 叫g 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：f 名导师( 签名) ：加碾 f li l 朝。扒 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 谐波污染问题 第1 章绪论 近2 0 年以来，电力电子技术已经得到了飞速的发展，并广泛应用到电力、 工业冶金、通讯、家用电器、化学工业、煤炭等各领域。随着应用电力电子装 置的普及，电网中存在的谐波污染问题逐渐严重。目前大多数的电力电子装置 都是通过整流器与电力网彼此连接。比较经典的整流器是由晶闸管或者是二极 管组成的非线性电路，但如上所述的电路存在以下几方面的问题： a ) 输入电流谐波含量高： ”从电网吸取无功功率，输入功率因数低； c ) 交流侧电网电压产生畸变； d ) 整流器效率低i l 引。 现代电力电子装置已经成为目前电网最主要的谐波源。传统整流器因对电 网的污染，已成为电力公害。因此传统整流器已经无法满足现代电力网的需要， 整流技术也面临前所未有的挑战。 1 1 2 功率因数问题 在交流电路中，电压与电流之间的相位差( 西) 的余弦被定义为功率因数，用 符号c o s ( p 表示，在数值上，功率因数就是用有功功率除以视在功率所得到的比 值，即c o s q ，- - e _ p s 。 对于线性负载组成的电路，如果加的电压是正弦的，产生的电流是正弦的； 而功率因数在非线性负载的电路中，加上正弦电压后，它所产生的电流不是正 弦的。然而与网侧电压归结为同一个频率的周期信号。 傅立叶级数分解如下： ，= 忸s i n ( n c a + # ) ( 1 1 ) n = - i 如上式，当刀= 1 时，i 值为基波电流的大小；当i i 取其他参数值时，i 值都 属于谐波分量。该谐波分量的电流有效值总和为： 武汉理工大学硕士学位论文 lh = ( 1 2 ) 根据正弦电路功率因数定义的公式： 尸= 坐哑：掣(1_3)ii = 。c o s d 其中，为输入电流波形的畸变因数。在这里，为反映电流畸变程度，专 门定义为总谐波畸变率( t h d ) t h d ：生1 0 0 ( 卜4 ) 厶 e o s 矽称为位移因数。由上述公式可得，功率因数由输入电流波形的畸变因 数u 以及位移因数c o s ，来决定。 目前很大一部分变流装备都要用到整流这个环节，通过这个整流环节能够 得到直流电压。由于整流环节广泛采用的是不可控整流电路或者是相控整流电 路，因此给电网注入大量谐波与无功，造成严重的电网污染。 不控整流电路在带电容滤波，轻载时稍微超前，但是随负载增加而滞后， 因此谐波也越大，功率因数随之而降低。常用相控整流电路的功率因数由表达 式p = 0 9 c o s t r ( 单相桥式全控整流电路) 和p = 0 9 5 5 c o s a ( 三相桥式全控整 流电路) 可得，电力电子装置在正常工作时会消耗大量无功功率。 大量的无功功率会对电网造成不可小视的破坏。无功功率的增加使总电流 增大，无功功率的增加会导致电流的增大和视在功率的增大，线路的电压降增 大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量降低， 影响其它设备的正常运行。所以必须研究与传统整流器不同的高功率因数整流 器来消除或减小电网谐波污染。 1 2 课题研究目的和意义 随着科学技术的不断发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期 使用比较普遍的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管( s c r ) 发展到现在性能 各个都不一样并且类型繁多的全控性功率开关，如双极性晶体管( b j t ) 、门极 关断晶闸管( g t o ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 等。但是这些整流环节采用的 都是二极管不可控整流电路或晶闸管相控整流电路，对电网注入大量谐波及无 2 武汉理工大学硕士学位论文 功，造成了相当严重的电网污染。治理这种电网污染最根本的措施是，要求变 流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数【i 引。 消除谐波污染、提高电力电子装置的电磁兼容性( e m c ) 、能量转换效率和 质量己成为电力电子应用领域的研究热点之一。目前来说，有两种方法来抑制 电力电子装置产生的谐波：一是主动式的，这就要求设计人员设计出新的高性 能整流器，具有输入电流为正弦、谐波含量少、功率因数高等优点；另一种方 法是被动式的，就是采用有源滤波电路或者无源滤波电路来旁路或补偿谐波【2 9 1 。 相比而言，前一种方法在中小功率范围内具有成本低、性能好、效率高等优点。 p w m 整流器就是在以上原因发展起来的。p w m 整流器作为有源功率因数 校正器，除了能够实现能量的双向流动外，电路性能也比较稳定。p w m 整流器 配合p w m 逆变器可以构成理想的四象限交流调速用变流器，即双p w m 变流器。 功率因数校正电路也因此得到了很大的发展，并成为电力电子学目前研究的重 要方向之一。 因此，本课题研究的主要目的就是研发出一种新型的p w m 整流器来消除电 网中谐波污染，提高电网质量；本课题研究的主要意义是解决谐波和无功问题， 保证电力电子装置的正常运行。这种新型高功率因数整流器可以减少对电网的 污染、提高系统效率、体积小、重量轻、模块化，维护起来也比较方便。 1 3 三相电压型p w m 整流器国内外研究现状 关于三相p w m 变换技术的相关课题研究，国际上目前已经处于实用阶段； 而国内目前主要还是以实验研究为主。近2 0 年以来，p w m 整流器技术一直是 学术界关注和研究的热点，随着研究的不断深入，基于p w m 整流器的拓扑结构 以及控制的拓展等，相关的应用研究也随之发展起来，如有源滤波器、交流传 动、超导储能、统一潮流无功补偿控制以及高压直流输电等，这些研究也因此 而促进了p w m 整流以及控制技术的进步和完掣1 4 j 。 1 3 1 关于p w m 整流器主电路拓扑结构的研究 p w m 整流器技术，经过近2 0 多年的研究和探索，得到了很大的改进和完 善。p w m 整流器的电路拓扑结构从单相、三相电路发展到目前多相组合或者是 多电平拓扑电路；开关由以往比较简单的硬开关改进成目前的软开关控制：功 武汉理工大学硕士学位论文 率等级也有所上升，从千瓦上升到兆瓦。下面对单相桥式p w m 整流器主电路拓 扑结构和三相桥式p w m 整流器主电路拓扑结构作简单介绍。 单相桥式p w m 整流器主电路结构如图( 1 1 ) 所示，通过四个功率开关管 t l 。t 4 来进行p w m 控制，交流输入端可以产生正弦调制p w m 波u 。在正弦调 制p w m 波u n 中，只含有与被调制的正弦信号波频率相同并且幅值成一定比例 关系的基波分量，以及与三角载波相关的高次谐波，而没有低次谐波。对于电 路中高次谐波成分，电感l 的滤波作用会使其产生很小脉动。 图1 1 单相桥式p w m 整流器主电路结构 三相桥式p w m 整流器主电路通过功率开关管对电路正弦波p w m 控制，使 网侧电流与电压正弦化并同相位，可以实现单位功率因数。 对于三相电压型p w m 整流器，能量从交流侧流向直流侧，可以实现能量的 双向流动。直流侧电容可以实现直流储能。此三相p w m 整流器交流侧采用三相 对称无中线连接方式，功率开关6 只。 1 3 2 关于p w m 整流器控制技术的研究 控制技术是p w m 整流器中至关重要的因数之一。一般来讲，p w m 整流器 所控制的对象是输入电流或者是输出电压，其中对网侧输入电流的控制是整流 器控制的关键所在，这是由于应用p w m 整流器的目的是使输入电流正弦化，让 网侧电压与电流同相位，从而使系统达到单位功率因数运行。 目前p w m 整流器的电流控制方法主要有直接电流控制和间接电流控制方 式( 又称为幅相控制) 两种。由于直接电流控制方式引入网侧电流反馈参与控制器 设计，因而其网侧电流响应速度较快，控制精度也比较高，但是由于此方案需 要增加电流传感器来对网侧电流进行检测，因而增加了整个系统的设计成本。 4 武汉理工大学硕士学位论文 而间接电流控制方式的设计，是建立在p w m 整流器的低频稳态数学模型基础上 的，因而其动态响应相比直接电流控制来说速度较慢，控制效果相对于直接电 流控制方式较差，但是由于间接电流控制设计时不需要电流传感器引入电流反 馈，因而其电路整体实现起来简单，系统成本相比较低些，从而也获得了广泛 的应用【2 6 】。一般而言，基于空间矢量的p w m 控制在电压型p w m 整流器电流控 制中取得了广泛应用。 至于间接电流控制，它不是直接对输入电流进行控制，而是通过间接控制 三相p w m 整流桥的交流输入端电压，以达到对输入电流的控制。这种控制方法 没有引入交流电流反馈信号，而是通过对整流桥的交流输入端电压呓的控制间 接控制输入电流，故称间接电流控制。又因为其直接控制量为吃，所以又称为 相位和幅值控制。 v ： 图1 - 2 间接电流控制结构图 如上图1 2 所示，间接电流控制方法引进电压环，通过此电压环得到一个交 流电流幅值，然后经过两个乘法器将无功分量和有功分量分离，经过c o l 和尺环节 之后，得到一个电压信号，与电源电压比较，得到给定的电压调制正弦信号， 此正弦信号与三角波交截而产生p w m 信号来控制主电路的正常工作。采用此控 制电路，结构简单，但输入电流响应速度慢。 而直接电流控制是通过相关运算来算得网侧电流的指令值，来控制网侧电 流，主要采用的是网侧电流闭环控制方法。它不但提高了网侧电流的动态和静 态性能，还增强了系统鲁棒性。因此，在p w m 整流器控制技术的发展过程中， 直接电流控制方法受到热切关注。下面对p w m 电流控制方法中的滞环p w m 电 流控制与定时瞬时电流比较法作简要阐述。 滞环电流比较法控制是一种瞬时值反馈控制的模式，其原理是将给定电流 信号与实际检测的输入电流信号进行比较，当实际电流小于给定值，就通过改 5 武汉理工大学硕士学位论文 变整流器开关状态来增加电流，相反，当实际电流大于给定值，就通过改变整 流器开关状态来减小电流，因而使实际电流跟踪指令电流。在这里，跟踪误差 是固定的，由滞环环宽决定。其基本的控制框图如下图l 。3 所示。 卜咂卜_ 岬乞： s 4 i j i 厂t 一一 - j _ 一 - - - - 士日离j b 莹e 毛 a 吓h 1 日j p l 酉了 z 口 图卜3 滞环电流比较法控制框图 电流滞环控制方式存在如下缺点： ( 1 ) 其开关频率不固定，引起开关状态的任意性； ( 2 ) 开关频率变化的范围太大。 图1 - 4 定时瞬时电流比较控制框图 定时瞬时电流比较控制法，与滞环电流比较控制法相比较，不同的是定时 瞬时电流比较控制法是通过时钟信号将时间固定，即定时将检测电流与指令电 流比较，从而产生控制系统电路中功率开关管的驱动信号，使输入的电流呈锯 齿形状来跟踪指令电流信号。虽然定时瞬时电流比较控制法克服了滞环电流比 较控制法开关频率不好控制这个缺点，但是就整个控制电路来说，比较复杂， 并使电流的跟踪误差受到电网电压负面影响。 1 4 论文的主要研究工作 针对电网谐波污染问题，研究三相电压型p w m 整流器，以使网侧电压与电 流正弦并且同相位，实现单位功率因数。在硬件设计基础上，建立整流器数学 6 武汉理工大学硕士学位论文 模型，通过仿真实验验证设计可行性。 本文第一章简述谐波污染与功率因数问题，以及本课题研究的主要目的和 意义，介绍了关于p w m 整流器主电路拓扑结构，电流控制方法，并概括了本文 的主要研究工作； 第二章分析了单相与三相电压型p w m 整流器工作原理，详细阐述空间矢量 控制方案，引入模糊p i d 控制算法，并对模糊逻辑控制作简要介绍； 第三章在对p w m 整流器工作原理以及控制方法分析的基础上，进行硬件设 计，主要包括开关器件设计，控制电路设计，保护电路的设计，驱动电路设计 以及通信电路的设计； 第四章在硬件电路设计基础上，对三相电压型高功率因数p w m 整流器的软 件包括主程序以及各子模块程序的设计； 第五章在前面几章的基础上对模糊电压型空间矢量控制系统建立数学模 型，并进行仿真分析； 最后一章对全文作总结，并对本课题研究作展望。 7 武汉理工大学硕七学位论文 第2 章三相电压型p w m 整流器控制技术的分析 2 1p w m 整流器工作原理及数学模型的建立 p w m 整流器按直流储能形式分类可以分为电流型和电压型p w m 整流器； 按电网的相数来划分又可以分为单向，三相以及多相电路：按开关调制分可分 为软开关和硬开关调制；按桥路结构分又可以分为半桥式和全桥式电路；按调 制电平分可分为二电平、三电平和多电平电路【3 6 。 按上面的分类方式，尽管多种多样，但将p w m 整流器分为电流型和电压型 p w m 整流器两类是最基本的分类方法，其原因是由于电流型以及电压型p w m 整流器，不管在主电路的结构，它们的控制策略以及p w m 信号发生等各方面都 有各自独特的特点。除此之外，其他分类方法都可以划分在电流型或者是电压 型分类中【6 j 。下面主要就三相电压型p w m 整流器作详细分析，阐述三相电压型 p w m 整流器电路的工作原理，然后对其作数学建模分析。 2 1 1 三相电压型p w m 整流器电路结构及原理 三相电压型p w m 整流器电路结构大致框图如下图2 1 所示。 图2 1 三相电压型p w m 整流器电路结构 如上图所示，系统结构主要分三个部分，整流电路由主电路、控制电路、 驱动电路三部分组成。其中，主电路完成电能的a c 到d c 变换，是整流器电路 的核心部分；控制电路对主电路进行控制，并根据具体需求结合一定的控制策 略，实现直流输出电压稳定和输入电流正弦化。通过弱电控制强电，获取接近 于单位输入功率因数，是整流器能否满足性能指标的关键部分。驱动电路起连 8 武汉理工大学硕士学位论文 接的作用，传递主电路和控制电路之间的信号，同时实现主电路和控制电路之 间的电气隔离，达到抗干扰的效果，保证系统工作的稳定性和可靠性。 三相电压型p w m 整流器主电路拓扑结构如图2 2 所示。 un u c 图2 2 三相桥式p w m 整流器主电路结构 作为整流电路中功率变换部分的主电路，它由三相可逆整流桥构成。突出 优点是整流桥输入端电流及功率因数可控且电能可实现双向流动，能用于单位 功率因数整流。 图2 - 3 三相p w m 整流器控制结构框图 三相高功率因数p w m 整流器控制电路结构框图如图2 - 3 所示。整个控制电 路引进了模糊p i d 控制器，系统将引进的模糊控制与p i 控制结合，除此之外， 控制系统主要功能还有三相静止坐标与两相旋转坐标的相互转换。 2 1 2 三相电压型p w m 整流器的数学建模推导 9 武汉理工大学硕十学位论文 此节就电压型p w m 整流器在a 一坐标系，如坐标系以及a b c 坐标系的 数学模型作初步的介绍，为后面章节的理论分析，系统仿真等作铺垫。 1 ) 口一夕坐标系 口一坐标系，也叫做两相静止坐标系。利用空问坐标转换，能实现a b c 坐 标系和口一夕坐标系的相互转换。下面对a 一夕坐标系作简要介绍：以坐标变换 前后的功率相等为前提，拟定矩阵时，印与乙，。解是： t：厘 a p a b c y 3 1 一三一1 22 o 巫一鱼 22 t 僦邸一删a 蠢 在口一坐标系基础上进行3 s 2 j 转换，数学模型为： z p x = a x + b e 公式2 - 3 中： z = d i a g l , ，t ，c ) ；= 之，玩l 彳= 一r s0 一s ； 0 一r s p s s 。一瓦1 s ，岛 7 = 乙，俄【只，最，足】7 。 同时，在口一坐标系基础上定义下列空间矢量： ( 2 _ 1 ) ( 2 。2 ) ( 2 3 ) ；肛慨( 1 ，1 ，去) ； 电源电压合成矢量： 疋= 一心= 层( + d + 口2 ) ( 2 4 ) 捌懒撇引= 之吨= 信( ”一2 k ) ( 2 - 5 ) 开关函数合成矢量：s = 最+ 群= 信( 邑+ 口鼠+ 口2 & ) ( 2 6 ) 1 0 桥臂中点电压合成矢量：= 量+ 配( 2 7 ) 可得直流侧电流为：f = 屯+ 瓯k + 疋k = 疋+ s 乜 ( 2 8 ) 其中，j 代表虚数，口= e j 了；口2 = p 吖了： 由以上等式可得有功功率p 与无功功率q 方程： q p - = - e 龟s o & + + e s , 乏 协9 ， 【q = 龟+ 屺哼7 2 ) 如坐标系 d - q 坐标系与口一坐标系相比，d - q 坐标系是两相旋转的。通过两相静止 坐标系可以转换成两相旋转坐标系，定义矩阵为： = l _ s c o $ i n 秒啷s i no 秒i 协 厅 7 ：三 由懈、3 c o s 秒一c o s 目+ 二垒s i n 9 2 2 一s m 秒昙s i n 矽+ 型垒c o s 秒 22 一c o s o s 秒一一一 2 一三s i n 口一一一s l n6 ，一 2 ( 2 1 1 ) 式中，秒= c o t + 够o ，( d 0 为 相电压与d 轴向量夹角的初始值，在d q 坐 标系下建立的数学模型与口一坐标系相同，如下式2 - 1 2 。 等式2 1 2 中， z p x = a x + b e z = d i a g l 三c ) ；x = 乜乜虬 r ；么： 又有： ( 2 1 2 ) = 纰【1 l 去】； 伊 秒 l s 0 s c 插了压了 母只土r- _ r ，足 鲫 墨 r t 1 锄 s 武汉理工大学硕士学位论文 “= 【圪匕一l 】。 ( 2 - 1 3 ) 龟气 = 乙，缏阮龟 7 ( 2 1 4 ) 屯酊= 乙，由匿订 ( 2 1 5 ) r 岛s - r 审，脚晦ss c 7 ( 2 1 6 ) 由以上等式可得有功功率p 与无功功率q 方程： p 叫s 。1 s 。+ e s j s 。( 2 - 1 7 ) l q 。龟一e s 3 ) a b c 坐标系 在电压型p w m 整流器主电路图中，假如网侧三相电压处于对称状态，i g b t 管工作在理想情况下，定义开关函数如下： 墨= e 1k = 嚣，罴( 嘞 c ， 协” i ， 相上桥臂导通，下桥臂关断 于县与三相电乐嚣! ip w m 罄流器丰电路等效的开关申路如图2 - 4 所示： 一 s d 4 彳 莲 旦贫、! r 点 ，g 兰 b 莲 ， c m 图2 - 4 三相电压型p w m 整流器主电路等效开关电路 由上图可知，当a 相上桥臂截止，下桥臂接通，则= o ，吒= 0 ；当a 相上桥臂接通，下桥臂截止，则s = 1 ，= u d 。所以， = s 以 ( 2 - 1 9 ) 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 u 黼= s ud 吒= s c 于是， - w 之s s b s c 十s 最s c 十( + i c ) s s b s + 乞咒墨s c + ( 之+ 之) s , s c + ( i + ) s 最s c + ( 之+ f 。+ 之) 瓯s = s j 4 + s j b + s c i c 综合以上等式可得：( 以下等式中状态变量为电容电压与电感电流) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) r i = u 一( 甜删+ 矽们) r s i b = u b 一( 甜删+ ) r i = 酢一( + ) ( 2 - 2 3 ) e 警寸鼍+ 鼍 由条件：三相电压对称可得： 因此得： f u 。+ + = 0 1f + f ，+ f = 0 【之+ + 之= “加= 一坐雩趔 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 综合以上等式计算得三相p w m 整流器在a b c 坐标系下的数学模型为： 1 3 + + + 旃一衍呶一班西一出 厶 厶 厶 武汉理工大学硕士学位论文 丘冬= 一r 之一( 一墨) 配 d t 丘皇= 一愿一( 叉曼) a t 丘拿= 一r 之一( 篷一是) 玑 2 - 2 6 ) a t e 警吨峨盼鼍噜 式2 2 6 中，墨= 鱼量鼬3 。由a b c 坐标系数学模型可知，三相电流解耦 后才能实现单独控制其三相的电流相位与波形。 2 2 空间矢量控制算法的介绍 2 2 1 三相电压型空间矢量的分布 空间矢量p w m ( s v p w m ) 控$ 1 j 思想的基本原理是利用逆燹器各桥臂开关控 制信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。 三相v s r 空间矢量是三相输入端电压在复平面上的对应分布，相应的开关 函数如下： 匕= 一三( 屯+ + & ) v 6 = l 一了1 ( + 怕c ) 卜 。2 讲， v ：= i 一三( s 口+ & + ) i 由上式可以得到八种开关函数组合时，虬。，吃。与。对应的比例关 系。根据通用矢量等效原理，在满足条件u 。( f ) + ( f ) + 甜。( f ) = 0 情况下，对矢 量v ( t ) 在复平面i - 可以用如下等式表达： 咐= j 2 ( 屹+ + a 2 ) 巩+ 鹏 ( 2 2 8 ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 式2 2 8 中的屹与表示两相静止坐标下的量值， ，垒 平面上的投影，口= e 一。 现假设三相对称的正弦波为虬，则有： 虬= 巩c o s ( r o t ) = u m c o s ( r o t - 2 x 3 ) 虬= 砜c o s ( r o t + 2 7 r 3 ) 屹，k 为v ( t ) 在复 ( 2 2 9 ) 于是，在p w m 情况下，屹，v 6 ，k 可分别得到如下等式： 屹= 圪c o s ( r o t 一厂) v b = 圪c o s ( r o t 一厂一1 2 0 0 )( 2 3 0 ) v ：= 吃c o s ( r o t y 一2 4 0 0 ) 式2 - 3 0 中，m 为前端电压幅值，7 为电源电压与整流器输入点电压相位的 差值。 综合以上等式可得： v ( t ) = v m e 鲫一， ( 2 3 1 ) 因此，可以看出矿( f ) 是一个以国逆时针旋转，以圪为半径的圆。空间矢量 矿o ) 在静止坐标系a b c 上的投影如下图所示： 口 图2 5 空间矢量v ( t ) 在坐标系a b c 下的投影 于是y ( f ) 可换作另外一种表达，如下所示： v ( t ) = - i u d ( s o + 蹋+ 口2 ) ( 2 3 2 ) j 将8 种工作状态( o o o ) ，( 0 0 1 ) ，( 0 1 0 ) ，( 0 1 1 ) ，( 1 0 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 1 0 ) ，( 1 1 1 ) 带 入得： 武汉理工大学硕士学位论文 圪= 詈p m - l 号州1 ，2 ，“) ( 2 - 3 3 ) v o = 巧= 0 由式2 - 3 3 可知，对一给定的空间电压矢量y ，都能够用8 条三相电压型 p w m 整流器空f 日- - j 电压矢量来合成。如下图所示： 图2 - 6 空间矢量合成图 存在6 条模为2 3 的空间电压矢量，将复平面平均分为六个扇形区域 i v i ，对于这六个扇形区域中任何一区的电压矢量旷，均可由该扇形区两边的 空间电压矢量来合成。 空间矢量调制正是利用两个零电压矢量与六个非零的电压矢量形成如上图 所示的空间电压矢量圆，并且空间矢量脉宽调制信号是由三相开关时序提供的。 本文实用空间电压矢量控制方法的最终目标是将基本空间矢量合成，将输入端 电压与指令电压相等。 2 2 2 指令电压矢量的生成 假设在( d ，q ) 坐标系条件f ，存在如f 的三相电压型空i 司矢量数学模型： 尺品卅蹦 协3 4 ， 则有： f v o = e a + c o l i q 一( 印+ 尺) 艺 1 = 气一彩三艺一( l p + 尺) ( 2 - 3 5 ) 从方程2 - 3 5 可以知道，由于屯、乙与三相v s r 之间存在耦合，导致设计电流 1 6 武汉理工大学硕十学t 7 = 论文 控制器的复杂性。所以，为了消除因为、乞与三相v s r 之间相互耦合而出现的 问题，必须引进解耦控制方案；在引进耦合控制的同时，都使用p i 调节来控制乞、 乞的电流环。于是，在( d ，q ) 坐标系下，电流控制相应的电压指令是 r矿 i 屹= ( k 尸+ ! 边) ( 乞一易) + 国毛+ ： ( 2 3 6 ) 1 = ( 坼+ 警) ( - i q ) - a , l i d + l d 在方程2 - 3 6 中，v d 。、代表在( d ，q ) 坐标系下三相电压空间矢量的指令电压； 而屯、l 口则代表在( d ，g ) 坐标系下三相电压空间矢量网侧的指令电流。这样一来， 不仅完成了解耦控制，同时将p i 控制调节也运用在、的电流环上。除此之 外，上式中的三相电压空间矢量v 还能完成三相v s r 跟踪电流控制。 2 3 电压空间矢量调制控制 三相电压型p w m 整流器的s v p w m 调制技术步骤为： 1 ) 电压矢量v 的合成； 2 ) v 扇区的判断； 3 ) 空间矢量作用顺序的确定； 4 ) 空间矢量作用时间的计算。具体的调制过程如下【2 1 。 2 3 1 电压矢量的合成 三相脚跟踪电流控制的指令电压矢量矿的确定是建立在屹、确定的基 础上，因此可以通过三相v s r 空间电压矢量圪( 七= 0 ，7 ) 来推导出v ，从而完 成v s r 的跟踪电流控制。现假设v 矢量在i 区，如图2 7 所示： 8 图2 7 矿矢量的合成 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 盟：塑：盟协3 7 ， s i n t 2 7 s i n ps i n 争d 一“。 五 五 r o = 霉一互一互 2 3 2 扇区的判断 定义开关线为a b c 三相轴线，则得到下式： 。= 哆 协孚嘭7 i v 铲一孚吃7 1 v - o ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) n = s 劬( 1 ) + 2 木s 劬( 2 ) + 4 木s 切( 3 ) ( 2 4 0 ) 依据下面表格中对应的扇区就可以得到v 的扇区，表格如下： 表2 1 对应扇区查询表 n315462 所属扇区 ii ii i ii vv v i 2 3 3 空间矢量作用顺序和作用时间的确定 由上文提到的结论：扇形区任何一个区的空间矢量旷都可以用与此扇区相 1 8 万一3 臼 3 0 川 n 鲫 吼 c e 矿 矿 压一历一 武汉理工大学硕士学位论文 邻的两个扇区的空间矢量来合成。现选取扇区i 作简要的分析，令k 与砭作为v 的合成矢量，设时间c 为一个整流周期，则在一个z 内，有如下等式： 专打! y = 专( 石k + 互屹) ( 2 4 1 ) 其中，巧与作用时间由j r i 与五表示。 如果p w m 整流频率远高于5 0 h z ，则上式可近似得 y 将零矢量( o o o ) 代入，可由巧 的合成示意图如下所示。 图2 8 空间矢量v 的合成示意图 根据上图与等式矿。= j 1 。( t i v l + 正圪) 可得 由此可推导出： 一喊) 按如上方法依次推导其他扇区，能够得到通用表达式： 1 9 ( 2 4 2 ) r , - r , 一互。则y ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 乙 间 时用 ) 作 圪 量 乏 矢 + 零 k 一下 k 示 表 土c 戌 一 与 盟2 06s0 c 匕 旷毛一乃们 弓； k 匕 石一乃互一霉 = l i 护。 驴口 。屹 。 如 。 每亟 互 互 武汉理工大学硕士学位论文 x = 以碱 j ，：亟2 + 三2 碱 p口 z = 譬嵋一吾娥 上式中后= 薏。其中互和互可根据下表来求取对应的时间值。 表2 2 扇区与对应时间查询表 ( 2 - 4 5 ) 扇区号i 扇区i i 扇区i i i 扇区扇区v 扇区v i 扇区 t i zzxxyy 乃xy yzzx 如果假设 乃= 坠尸 瓦：乏+ 冬 二 互= z ( 2 4 6 ) 式中，乙，瓦，互是通过和三角波比较后得到的整流波形的比较值，各个扇区具体 对应的瓦，瓦，乙如下表所示： 表2 = 3 扇区对应的瓦，瓦，瓦表 扇区号 ii ii l li vvv i a 相 瓦 瓦疋i瓦瓦 b 相 瓦瓦乃瓦乃z c 相 互瓦 瓦z 瓦瓦 武汉理工大学硕十学位论文 下面对第1 扇区的s v p w m 开关信号作相关图形说明。 l f 么 兀 协 瓦- 瓦 一 一 一 r 丁r 图2 - 9s v p w m 开关信号示意图 顾及到调制现象，如果互+ 互 瓦，那么 互= 丧t 互= 焘e 2 4 模糊逻辑控制算法的实现 2 4 1 模糊控制结构与理论基础 霉 瓦 ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) 模糊逻辑控制把模拟人的思维方式作为模糊逻辑控制的基本准则。模糊逻 辑控制在设计结构的时候需要确定模糊输入变量与输出变量，但是在选取模糊 逻辑控制输入变量和输出变量的时候，还得参考人是如何获取，如何操作等为 基础的。 对于模糊逻辑控制的分类来说，可以分为单变量模糊逻辑控制和多模糊逻 辑控制。顾名思义，单变量模糊逻辑控制就是输入变量和输出变量只有一个， 多变量模糊逻辑控制存在多个输出变量与输入变量。 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 就目前的模糊逻辑控制来说，基本的模糊p i 控制结构如下所示： 图2 1 0 模糊p i 控制结构框图 模糊控制最主要也是核心的部位就是模糊控制器，它是通过人将预先设计 好的控制步骤编入电脑，并由电脑实施控制的。如上图所示，将反馈值与给定 值比较，获取一个误差信号，然后由模糊控制器将误差信号模糊化，从而得到 一个模糊量。 但是，目前的模糊逻辑控制还不够完善，主要有以下不足：稳定性能和准 确度不是很好，随控制对象变化的随机性不是很完善，还有就是目前在多变量 模糊控制上研发深度不够，有待加深。 2 4 2 模糊p i 控制设计 目前在工业控制领域，使用的各种控制系统，或多或少存在问题，比如存 在随机干扰，非线性变化，滞后或者无法建立精确的数学模型。模糊p i 控制就 是在这样的基础上发展起来，以解决之前控制系统的缺陷。因为模糊p i 控制系 统的建立不需要建立非常精确的数学模型，除此之外，模糊逻辑p i 控制系统能 够随机符合变化着的各种输入因数，以及精确度很高1 3 。7 1 。 根据上面提到的，模糊逻辑控制对控制对象的要求与以往的控制系统不同， 它的控制对象是人为化的语言变量控制对象。通过监控语言变量这个监控对象， 在系统各动态参数分析的基础上，得到模糊逻辑控制量。也就是说，它的适应 能力很强。模糊p i 控制系统不仅响应快，并且超调非常小。 就现在普遍使用的模糊p i 控制系统结构而言，大致可以归结为三种方案： 第一种结构是模糊逻辑控制器对p i 控制系统里面的部分参数作修正，来达到减 小上升时间和超调的目的，如图2 1 1