三相電壓型PWM整流器

摘要：以電壓空間矢量控制的基本原理和概念為基礎(chǔ)，結(jié)合Matlab/Simulink軟件包構(gòu)建了三相PWM整流器空間矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并詳細(xì)給出各模型的具體參數(shù)。仿真結(jié)果顯示，該方法簡(jiǎn)單，控制精度高，用于三相PWM整流器中具有良好動(dòng)、靜態(tài)性能。 敘詞：矢量控制，整流器， 仿真 Abstract：Based on the basic principles and concepts of voltage space vector control ,and based on which Matlab/simulink is used to design the simulation model of the three phase PWM rectifier system with voltage space vector control,the detailed parameters of the model is given.the simulation results show the method is simple and has high precision of control,and the system has good characteristics in steady state and during transients with permanent magnet synchronous machine. Keyword：Vector control RectifierSimulation
    1.概述[1]
        傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)多用于兩電平電路的驅(qū)動(dòng)控制，其主要方法是正弦脈寬調(diào)制（SPWM），調(diào)制波為正弦波，依靠三角載波和調(diào)制波的比較得出交點(diǎn)實(shí)施控制，其電壓利用率低，諧波含量大。而隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和多電平電路的出現(xiàn)，涌現(xiàn)出很多新的控制方法，如優(yōu)化PWM方式、滯環(huán)電流控制方式、空間電壓矢量控制方式等等。其中，空間電壓矢量控制通過合理地選擇、安排開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換順序和通斷持續(xù)時(shí)間，改變多個(gè)脈沖寬度調(diào)制電壓的波形寬度及其組合，達(dá)到較好的控制。相對(duì)SPWM控制，具有電壓利用率高、諧波含量小、大大改善了系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、控制精度高等特點(diǎn)。本文采用空間矢量控制的控制策略，并對(duì)整流電路采用電壓外環(huán)PI和電流內(nèi)環(huán)PI控制相結(jié)合的方法，建立三相電壓型PWM矢量控制方案的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行分析研究。

    2.三相電壓型PWM整流器控制方案[2 3 4]
        圖1為三相電壓型PWM整流器空間矢量控制框圖，它由主電路和控制回路兩部分組成。其中，控制回路主要由輸入電流和輸出電壓檢測(cè)、坐標(biāo)變換、PI控制器和SVPWM脈沖產(chǎn)生等部分組成。其原理如下：三相交流電通過三相電壓型整流電路整流為穩(wěn)定的直流電壓。同時(shí)，控制回路對(duì)主電路的輸入電流和輸出直流電壓進(jìn)行檢測(cè)，一方面，將檢測(cè)值 與給定值 進(jìn)行比較后送入PI控制調(diào)節(jié)器，輸出值與電流 比較并將其輸出送入PI控制器變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)坐標(biāo)變換送入SVPWM脈沖產(chǎn)生單元，完成電壓閉環(huán)控制；另一方面，將檢測(cè)的輸入電流經(jīng)坐標(biāo)變換與給定電流 比較，送入PI控制器變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)坐標(biāo)變換送入SVPWM脈沖產(chǎn)生單元，完成電流的閉環(huán)控制。矢量控制單元通過矢量運(yùn)算，生成所需要的PWM波，控制雙向變換器，達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定和輸入側(cè)交流電流的正弦化。

                  圖1 三相電壓型PWM空間矢量控制方框圖

        控制系統(tǒng)框圖中的PI控制模塊、坐標(biāo)變換模塊和矢量控制模塊的工作原理參考文獻(xiàn)1，其具體參數(shù)需要在仿真中確定。

    3.空間矢量控制的PWM整流器仿真模型建立和分析
        3.1仿真模型的建立[4 5]

    利用Matlab/Simulink軟件包，根據(jù)控制框圖建立仿真模型。仿真模型主要包括主電路模型、控制電路模型和功率因數(shù)計(jì)算模型等。
        (1) 主電路模型
        主電路仿真模型如圖2所示。它主要由輸入電源模塊、三相整流器模塊和一些電壓、電流測(cè)量單元組成。

                                               圖2主電路模型

        （2）控制電路模型

                        
                                                     圖3控制電路模型

        控制電路仿真模型如圖3所示。它主要由PI控制器模型、坐標(biāo)變換模型以及矢量控制器模型等部分組成。其中，坐標(biāo)變換和矢量控制器仿真模型的建立主要根據(jù)矢量控制原理搭建而成[2]，其仿真模型如圖4所示。

         
                              圖4 SVPWM仿真模型

        （3）功率因數(shù)計(jì)算模型

            
                                圖5 功率因數(shù)計(jì)算模型

    3.2仿真結(jié)果
        根據(jù)上面搭建的仿真模型，給定仿真參數(shù)假定如下：交流側(cè)輸入為三相260V交流電壓，交流側(cè)電感取3.4mH，直流側(cè)濾波電容為1000µf，給定直流輸出電壓為650V，開關(guān)頻率10KHZ，負(fù)載電阻為40Ω。在t=0.05s時(shí)，突加負(fù)載使負(fù)載電阻由40Ω變?yōu)?0Ω。仿真結(jié)果如下所示。[!--empirenews.page--]

             
圖6 輸入a相電壓和電流穩(wěn)態(tài)波形             圖7 輸出直流電壓穩(wěn)態(tài)波形

                            
                                    圖8 功率因數(shù)響應(yīng)曲線

             
圖9 輸入電流隨負(fù)荷波動(dòng)曲線  圖10 輸出直流電壓隨負(fù)荷波動(dòng)曲線

        4.結(jié)束語

    根據(jù)電壓空間矢量控制的基本概念和控制框圖，建立三相電壓型PWM整流器空間矢量控制的仿真模型，并對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的分析。從圖6～圖8可以看出采用這種控制方案輸出直流電壓響應(yīng)速度快，輸入交流側(cè)電流波形為正弦波且與輸入交流電壓相位相同，基本實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。另外從圖9和圖10可以看出，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，整流器輸入側(cè)電流幅值變大并有少許的波動(dòng)，但很快就恢復(fù)為正弦波，同時(shí)輸出側(cè)直流電壓降低，但很快也恢復(fù)到給定的650V直流電壓。通過仿真結(jié)果可以看出采用空間矢量控制的整流器具有很好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。