矢量控制PWM整流器的建模与仿真

第２７卷第５期　２０１１年９月　齐齐哈尔大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｉｑｉｈａｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．５　Ｓｅｐ．，２０１　１　

基于Ｍａｔｌａｂ的三相电压型ＰＷＭ整流器的仿真研究　

朱霞清　

（山东英才学院，济南２５０１０４）　

摘要：建立了三相电压型ＰＷＭ整流器在三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型，研究了基于空间矢量　

的控制策略。在此基础上设计了三相电压型ＰＷＭ整流器控制系统，并在Ｍａｔｌａｂ中进行了系统仿真。仿真结果表　

明，设计方法可行，仿真模型正确。　关键词：整流器；空间矢量；仿真　中图分类号：ＴＰ３９１．９９　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—９８４Ｘ（２０１１）０５一ＯＯ０６—０５　

三相ＰＷＭ整流器一般采用电压型拓扑，经过电压、电流双闭环控制可以实现三相输人的高功率因数　

校正。它具有结构简单，能实现能量双向流动，响应速度快等优点。以ＰＷＭ整流取代了不控整流或相控　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。　

本文在研究基于空间矢量调制的算法基础上，设计了三相电压型ＰＷＭ整流器控制系统，并通过仿真　

实验验证了采用此控制策略的整流器具有动态响应快，输出直流电压稳定、输出电流ＴＨＤ低等优点。　

１　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ｌ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　。三个控制电感　一端连接在三相电源，另一端连　接在电压源型整流器的输人端。电压源型整流器由智能功率模块ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍｏｄｕｌｅ）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０。　

垃．量－　

。　图１三相电压型ＰＷＭ整流器主电蹄　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　

电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ．４２

，Ｎｏ．６

Ｊｕｎｅ

，２００８第４２卷第６期

２００８年６月

三相电压型

ＰＷＭ整流器

ＶＯＣ的仿真及硬件实现

孙磊１，２，王得利

３，钱照明

１

（

１．浙江大学，浙江杭州

３１００２７；

２．四川东方电气集团公司，四川成都

６１００３６；

３．上海大学，上海

２０００７２）

摘要：建立了三相电压型整流器的数学模型，并使用功能强大的

Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对其进行了仿真。在

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ

环境下，对一种广泛应用的控制策略即电压矢量控制（

ＶｏｌｔａｇｅＯｒｉｅｎｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌ，简称

ＶＯＣ）进行了仿真分析。之后在

ＤＳＰ２４０７的硬件平台上，搭建样机，编写程序，实现了该控制策略。

关键词：整流器；脉宽调制；电压空间矢量

中图分类号

：ＴＭ４６１文献标识码

：Ａ文章编号

：１０００－１００Ｘ（

２００８）

０６－００５８－０２

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＶＯＣｉｎＴｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＶｏｌｔａｇｅ－ｓｏｕｒｃｅＰＷＭＲｅｃｔｉｆｉｅｒ

ＳＵＮＬｅｉ１，２，

ＷＡＮＧＤｅ－ｌｉ３，

ＱＩＡＮＺｈａｏ－ｍｉｎｇ１

（

１．ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００２７，

Ｃｈｉｎａ；

２．ＤｏｎｇＦａｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，

Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３６，

Ｃｈｉｎａ；

３．ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，

Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｉｓｓｅｔｕｐａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｄｏｎｅｗｉｔｈＭａｔｌａｂ／

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ（

ＶＯＣ），

ｏｎｅｔｙｐｅｏｆｔｙｐｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，

ｗｈｉｃｈｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ，

武汉理工大学《电力装置与系统》课程设计说明书

I 摘要

为了解决电压型PWM整流器直接功率控制系统主电路参数设计问题,根据整流器在dq两相同步旋转坐标系中的数学模型建立了其功率控制数学模型.基于功率控制数学模型,结合整流器直接功率控制系统的特点,推得交流侧电感是由功率、功率滞环比较器环宽及开关平均频率决定的;直流侧直流电压是由交流电压、电感及负载决定的;突加负载时直流侧电容是由直流电压波动、功率、电感及负载决定的.根据上述影响主电路参数的诸多因素,提出交流侧电感、直流侧电压及直流侧电容的设计方法.计算机仿真和实验证明了本文提出的设计方法是可行的.

关键词 PWM整流器; 直接功率控制; 直流电压; 交流侧电感; 直流电容

武汉理工大学《电力装置与系统》课程设计说明书

1

目录

1 电压型PWM整流器.................................................................................................2

1.1电压型PWM整流器拓扑结构及数学模型........................................................3

1.2 电压型PWM整流器DPC系统结构及原理......................................................3

2 电压型PWM整流器DPC系统主电路参数设计....................................................5

2.1 交流侧电感的选择..............................................................................................5

１１Ｏ　ＰＷＭ整流器电流控制策略仿真比较　ＰＷＭ整流器电流控制策略仿真比较　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＷＭ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　Ｃｕｒｒｅｎｔｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　周亚群　付周兴　张　钢　（西安科技大学电气控制工程学院，陕西西安７１００５４）　摘要　通过分析三相电压型ＰＷＭ整流器的数学模型，建立了ＰＷＭ整流器的数学模型，根据同步电动机励磁系统主回路中　ＰＷＭ整流电路不同的调制方法，介绍了ＳＰＷＭ电流控制，滞环电流控制和空间矢量控制的基本原理和三种不同控制方法　下的触发方式。在ＭＡＴＬＡＢ的ＳＩＵＭＬＩＮＫ环境下对三种控制方法建立仿真模型，并对仿真结果进行了分析比较，结果表　明，在空间矢量控制方法下整流器直流侧电压利用率高，降低了谐波污染，使系统更接近单位功率因数运行，从而使电机运　行更加稳定，运行精度更高。　关键词：ＳＰＷＭ电流控制，滞环电流控制，空间矢量控制，仿真比较　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ＰＷＭ　ｃｏｍｍｕｔｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｌｏｏｐ　ｏｆ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ＳＰＷＭ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　Ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＭＡＴＬ　Ｂ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｔｈｅｎ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＤＣ　ｓｉｄｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｇｅｔｓ　ｈｉｇｈ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｇｅｔｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｐｅｒａｔｅｓ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｕｎｉｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｍｏｒｅ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈｅｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏ￣ｓ：ＳＰＷＭ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　随着电力电子技术的发展和功率半导体开关器件技术的进　步，变流装置在国民经济各领域得到了广泛的应用，但这些变流　装置在很大一部分需要整流环节来获得直流电压。常规整流环　节采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，向电网注　入了大量的谐波和无功，从而对电网造成了严重的“污染”。为此　将ＰＷＭ整流技术运用到控制之中，使整流器实现网侧电流的　正弦化且可运行于单位功率因数，实现了“绿色电能的变换”。　在ＰＷＭ整流器技术发展的过程中，电压型ＰＷＭ整流器电　流控制策略主要分为间接电流控制和直接电流控制。问接电流　控制是相幅控制，即通过控制电压型ＰＷＭ整流器交流侧电压　基波幅值、相位进而间接控制网侧电流，但其网侧电流的动态响　应慢，且对系统参数变化敏感，交流侧电流中含有直流分量，已　经被直接电流控制策略取代。直接电流控制策略主要包括固定　开关频率的ＳＰＷＭ控制、快速电流跟踪的滞环电流控制、基于　空间矢量的ＰＷＭ控制等［１］。目前，电压型ＰＷＭ整流器电流控　制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势。本文　在ＭＡＴＬＡＢ环境下，分别对ＳＰＷＭ控制、滞环控制、空间矢量　控制进行仿真比较。　同步电动机励磁系统的主回路采用三相电压型ＰＷＭ整流　器，其拓扑结构电路中整流桥采用全控型的功率开关器件ＩＧＢＴ，　同时反并联二极管为ＩＧＢＴ的寄生二极管。主回路如图１所示。　１　电流控制策略的基本原理　１．１电流正弦（ＳＰＷＭ）控制的基本原理　电流正弦ＰＷＭ技术是从电源的角度触发，在于生成可调　压的三相对称正弦波供电电源。ＳＰＷＭ控制技术是将等腰三角　形的三角载波与调制波进行比较，根据采样控制理论的面积等　效原理，把等宽不等幅的脉冲用相应数量的等幅不等宽的矩形　脉冲序列来代替，形成一系列的触发脉冲，通过一定的规律控制　开关元件的通断，就可以生成ＳＰＷＭ波。当改变三角波的幅值　图１三相电压型ＰＷＭ整流器原理图　时，控制信号的脉宽也随之改变，从而改变了输出电压的大小。　ＳＰＷＭ生成原理采用对称规则采样法，它是以每个三角波　的对称轴与所对应的时间作为采样时刻，过三角波的对称轴与　正弦波的交点，作平行ｔ轴的平行线，该平行线与三角波的两个　腰的交点作为ＳＰＷＭ的“开”“关”时刻［２］。ＳＰＷＭ是通过改变输　出方波的占空比来改变等效的输出电压。由三角波相似关系得：　丁　＝　（１－Ｍｓｉｒ￣ｔ）　（１）　其中Ｍ＝ＵＭ／Ｕｓ，是调制度即正弦波峰值与三角波峰值之　比，三角波周期，采样时刻。　１．２滞环电流控制的基本原理　滞环电流控制原理是把输出的直流电压ｕｄｃ和给定的输　出电压ｕ：　之间的误差作为外环电压控制的输入，经ＰＩ调节器　后的输出量作为ｄ轴的指令电流ｉｄ。输入的电流分量ｉ　、ｉｂ、ｉ。与　指令电流分量　、ｉ　、ｉ　比较后的差值作为滞环比较器的输入，