电压型PWM整流器(VSR)及控制系统的matlab仿真

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A
• 各相正弦调制信号uga,ugb,ugc,幅值均为Ugm,频率与网压频率

相同;
论 部
uga U gm sin(t )
ugb
U gm
sin(t
2
3
)

ugc
U gm
sin(t
2
3
)
• Ψ:各相正弦调制信号滞后网压的角度, arctan LN
• 调制比m: m U gm
RN
U cm
• Ucm:对称三角波的幅值。

并把它作为电流调节器指令电流。

• 电流内环能根据指令电流对网侧相电流进行快速跟踪控制。
从电压外环得到的指令电流与网侧相电流比较,差值经电流PI
调节器处理后与一个频率固定的三角波信号相比较得到PWM控
制信号大,其差值信号为正,经正弦

波与三角波调制后,可使下桥臂整流器件导通,从而使网
)U0
3.三相桥式 VSR的数学模型
A
• 三相VSR在三相静止坐标系下(a,b,c)的一般数学

模型:



LN
d dt
ia
ib
ic
U AO
U
BO
RN
UCO
ia uaO
ib
ubO
ic ucO
4.电压矢量定向控制策略
A
• 电压矢量控制方案即为:为基于d-q轴同步速旋转坐标系的
Ume jt
.
IN
2 3
(ia
aib
a2ic )
Ime j(t )

j 2
ae 3
4.电压矢量定向控制策略
A
• 电压矢量UN和电流矢量IN在α-β坐标系中以角速度ω随时间

按逆时针方向旋转,并保持相位差φ不变。

• 设旋转直角d-q坐标系也以角速度ω在空间按逆时针方向旋 转,则在该坐标中的电压、电流矢量均为静止矢量,它们在
- sin( - sin(
2
3
2
) )
iidq**
3
5.双闭环控制系统的设计
B
• 三相VSR控制电路应具有以下基本功能:
仿

1.实现网侧电流正弦化,保证λ=1(或-1);

2.调压:直流输出电压随给定值U0*而变; 3.稳压:给定值不变时,UO应在网压波动和负载变化时维持恒

定。
4.电路具有双向传输电能的能力,即可实现电流的双象限运
• iL:负载电流;
• N、O点:别为直流输出中点和电源的中性点。
3.三相桥式 VSR的数学模型
A
整流电路桥侧线电压分析

• 桥侧线电压表示为uab,ubc,uca。由于各相平衡,以uab为例:


uab=uaN-ubN

• uaN是a对直流中点N间的电压;ubN是b对N间的电压.
uaN =
U0/2
• U0 —— PWM整流器的输出电压;Ua* —— 脉宽调制器的控制电压。
• 脉宽调制器和PWM整流器的延时最大不超过一个开关周期,一般取开 关周期的一半,所以T=0.5Tc。
5.双闭环控制系统的设计
B
• PWM整流系统的传递函数—电流内环
仿

Gi
(K p
Ki s
)
KPWM 0.5Tcs 1
sLN
行。
5.双闭环控制系统的设计
B
• 设计双环控制系统的一般原则是:
仿

先设计内环后设计外环。

• 设计步骤:

先选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的控 制精度。
再选择调节器的参数,满足动态性能指标。
B 仿 真 部 分
5.双闭环控制系统的设计
• PWM整流系统的传递函数—电流内环
i0 Saia Sbib Scic
5.整流器开关控制信号的产生
A
• 各相开关控制脉冲的宽度由ug和uc的交点决定。


• 各相开关控制脉冲的特点:

1.各相桥上下臂控制信号在相位上互补,以避免上、下桥

臂直通而造成短路;
2.各相开关控制信号的幅值相同,均为Ugm;
3.任何时间,桥中有三个开关控制脉冲处于高电位,与此 对应,此时有三个开关管处于导通状态。

坐标轴上的分量均为直流量。电流IN在d轴和q轴的分量可表

示为:
Id Im cos Iq Im sin
4.电压矢量定向控制策略
A


• 电压矢量定向控制策略是将两相旋转d-q坐标系的d轴 定向为与电网电压矢量UN同轴,把对网侧相电流的控制

转化为对电流IN在d轴和q轴的直流分量的控制,从而简
B 仿 真 部 分
• 交流侧电感参数 1.电感不能太小
ia
Tc LN
(U Am
sin t
U
aO
)
U aO
(Sa
Sa
Sb 3
Sc
)
iamax
Tc LN
(U Am
2 3
U
0
)
LN
Tc ia max
(
2U AO
2 3
U
0
)
t
2
,U aO
2 3
U
0
2.电感不能太大
ia Tc
iam sin(Tc )

侧相电流增加; • 如果差值信号为负,经正弦波与三角波调制后,可使上桥

臂整流器件导通,网侧相电流将减小。

• 指令电流信号正弦波形越好,三角波的频率越高(载波比 高),则整流器网侧相电流波形的正弦因数就越高。
• 这种方案,整流系统的开关频率是固定的且与三角波的频 率相同,是一种线性化的PWM方法。
(Kup
Kui s
) Gi
1 sC
• 闭环:

Gi
K s(0.5Tcs 1)
K
1
1
1 s 0.5Tc
s2
1
1 1
s
1 1 Tcs

KK
K
Gu
(Kup
Kui s
) 1 1 Tcs
1 sC
Kui
(
Kup Kui
s 1)
C s2 (Tcs 1)
• 按典型II型系统参数的整定关系:
Kui C
hv 1 2hv 2Tc 2

电压矢量控制方案。其中d-q轴是以指定速度转动的二相旋

转坐标系。λ是d轴的定向角。 • 电网相电压为:

uAO Um cos t

uBO
Um
cos(t
2
3
)
uCO
Um
cos(t
2
3
)
• 各相电流基波分量:
ia Im cos(t )
ib
Im cos(t
2
3
)
ic
Im cos(t
2
3
仿
• 按典型I型系统参数的整定关系,当取系统阻尼比ξ=0.707时,系统
真 部
的动态性能最佳。
0.5K
Tc
1 2

• PI电流调节器参数整定:
Kp
LN Tc K PWM
Ki
RN Tc KPWM
• 积分饱和问题
5.双闭环控制系统的设计
B
• PWM整流系统的传递函数—电压外环
仿

• 电流内环的化简:
Gu
4.各相脉冲占空比由调制比决定。
6.总结
A
• 采用电压矢量定向控制策略的三相桥式VSR双闭环控制系统结

构图



6.总结
A
• 电压外环控制直流侧的输出电压,并向电流内环提供指令电

流。直流电压调节器的直流输出量作为电流IN的d轴分量的给

定值,将它与q轴分量给定值一起利用二相旋转d一q坐标系进 行Park变换,将直流电流分量给定转化为三相正弦电流给定,
4.坐标变换
B
计算定向角λ
仿
λ是电网电压矢量UN的定向角。
真 部
cos UN ,sin UN
UN
UN

dq-abc变换
Id*:电流矢量IN在d轴的分量,有功分量; Iq*:电流矢量IN在q轴的分量,无功分量。
iiba** ic*
cos
cos(
cos(
- 2 )
3
2 )
3
- sin
1
RN

• 考虑到电流环快的跟随性能,采用典型I型系统设计电流调节器。

• PI电流调节器的零点抵消控制对象中一个大的惯性环节,可使系响
应更快;
Ki RN K p RL
Gi
K s(0.5Tc s
1)
• 其中:
K KP KPWM LN
5.双闭环控制系统的设计
B
• PWM整流系统的传递函数—电流内环
)
5.双闭环控制系统的设计
B
• PWM整流系统的传递函数—电流内环
仿
• 虑到当控制电压改变时,PWM整流器的输出要到下一个周期才能改变
真 部
,所以将脉宽调制器和PWM整流器合起来近似成一阶小惯性环节,它
的传递函数可以近似为:
WPWM
K PWM Ts 1

• KPWM = U0/Ua* ——脉宽调制器和PWM整流器的放大倍数;
LN
dia dt
1 uAO RN ia (U 0Sa 2 U 0 ) U NO
LN
dib dt
uBO
RN ib
(U 0Sb
1 2
U
0
)
U NO
LN
dic dt
uCO
RN ib
(U 0Sc
1 2U0)
U NO
uNO
1 3U0 (Sa
Sb
Sc )
1 2U0
uaO
(Sa
Sa
Sb 3
Sc
)
φ是相电流基波对相电压 的相位角,PWM整流器可 以在φ为任意值下运行。
4.电压矢量定向控制策略
A
• 将两相静止坐标系的α轴与三
理 论 部
相静止坐标系中的a轴重合。将 a相电压定在两相静止坐标的β 轴上.定义整流器网侧相电压和 相电流的空间矢量分别为:
.
UN
2 3
(uao
a ubo
a2uco )
1.三相VSR系统控制结构图
B 仿 真 部 分
2.主电路滤波环节
B
• 直流侧滤波
仿

C
du0 dt
i0
iL

• i0为直流侧输出电流,iL是负载电流。

• 交流侧滤波
LN
d dt
ia
ib
U AO
U
BO
RN
ia uaO
ib
ubO
ic UCO
ic ucO
3.主电路参数选择
电压型PWM整流器(VSR)及控制系统的matlab仿真
A.理论部分 理论数学模型的建立 B.仿真部分 simulink模型的建立 C.验证部分 simulink模型的验证
1.PWM整流器原理与分类
A

• PWM(Pulse Width Modulation)整流器是采用全控

型器件组成的高频整流电路。
Tc
U0 3LN
LN
U 0Tc
3iam sin(Tc )
3.主电路参数选择
B
• 直流侧电容参数C
仿
直流侧电容起到如下作用:

稳定直流输出电压;

设计电容时应兼顾两个方面:
抑制直流环节谐波电压。

1.满足电压环控制的跟随性指标,直流环节电容应尽量小,以确保
系统直流输出电压的快速跟踪控制;
2.满足电压环控制的抗扰性能指标,直流环节电容应尽量大,以限 制负载扰动时直流电压的降落。

化了PWM整流系统控制器的设计。
5.整流器开关控制信号的产生
A

• 关键:确定六个开关管的开通状态和时间。


• 整流电路中GIBT的开关控制信号是采用SPWM方式,将正弦调制 信号ug和对称三角波载波信号uc进行比较产生的。

• IGBT的开关频率固定,等于三角波载波信号的频率fc。
5.整流器开关控制信号的产生
开关函数描述模型
3.三相桥式 VSR的数学模型
A
• 三相电压型PWM整流器主电路




3.三相桥式 VSR的数学模型
A
• uAO,uBO,uCO:对称三相交流电源相电压;

• ia,ib,ic:网侧相电流;

• U0:直流输出电压;

• RL:负载;

• uab,ubc,uca:整流器的输入电压:
S1导通
-U0/2 S4导通
• 桥侧线电压是单极性PWM波,幅值为U0。
3.三相桥式 VSR的数学模型
A 理 论 部 分
3.三相桥式 VSR的数学模型
A
整流电路桥侧相电压分析

• Sa,Sb,Sc为开关信号,Sp(p=a,b,c)=1(上桥臂导通,上桥臂关
论 部 分
断); Sp(p=a,b,c)=0(下桥臂导通,上桥臂关断); • 对整流器的交流侧应用KVL:


电压型(VSR) 按直流储能形式分类
电流型(CSR)
PWM整流器
按桥路结构分类
半桥电路
全桥电路
1.PWM整流器原理与分类
A



• VSR
• CSR
• 显著特征:直流侧采用 • 显著特征:直流侧采用

电容进行直流储能,从
电感进行直流储能,从
而使VSR直流侧呈低阻
而使VSR直流侧呈高阻
抗的电压源特性。
ia Im cos(t )
ib
Im cos(t
2 3
)
ic
Im
cos(t
2 3
)
Sa m cos(t )
Sb
m cos(t
2 3
)
Sc
m cos(t
2 3
))
以a相为例,Ψ是桥侧 线电压Uba滞后UAO的相 角。考虑电路工作在 整流状态时,Ia和UAO
同相,φ=0。
i0
3 2
mIm
cos(
hv:中频宽 工程上一 般取5
6C Kui 50Tc2
Kup
3C 5Tc
6.开关信号的生成
B
仿
• 三角波载波发生器


抗的电流源特性。
2.PWM整流器的控制方式
A
• 间接电流控制(Indirect Current Control):又称为幅

相控制,通过对整流器交流侧电压基波分量的幅值和相位

进行控制,间接实现对网侧电流的控制.

• 直接电流控制(Direct Current Contorl) :与间接电流

控制主要区别在于引入了电流环,提高了系统的动态响 应速度。
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