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电力机车单相电压型PWM整流器研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-21  浏览次数:717
核心提示:  【摘要】:高频PWM整流器能够实现可控的AC/DC变换性能,在提供稳定的直流输出电压的同时,获得正弦、低谐波的输入电流,可控的功
   【摘要】:高频PWM整流器能够实现可控的AC/DC变换性能,在提供稳定的直流输出电压的同时,获得正弦、低谐波的输入电流,可控的功率因数,并且可以实现能量的双向流动。由于PWM整流器不仅能够实现能量从交流侧流向直流侧,工作在整流状态,还可以实现能量从直流侧流向交流侧,工作在有源逆变状态,因此PWM整流器是一种可以四象限运行的变流器。 根据单相电压型PWM整流器不同时刻开关管的开关状态,建立不同的电路结构模型,在此基础上建立单相电压型PWM整流器的数学模型。应用状态空间平均法建立了整流器状态空间平均模型,将非线性的PWM整流器系统线性化,在此模型的基础上进行了单相电压型PWM整流器工作原理分析和控制器设计。 该单相电压型PWM整流器采用双环控制,电压外环采用PI控制器,用于稳定直流输出电压,电压外环控制器的输出作为整流器输入电流指令,电流内环控制器来控制整流器输入电流,使整流器输入电流是与电网电压同相位的正弦电流,实现整流器输出稳定直流电压的同时获得单位功率因数和低谐波电流。为了使单相电压型PWM整流器工作在单位功率因数,必须设置锁相环系统,本文对数字锁相环的工作原理进行了简单的分析,给出了数字锁相环检测电路和实验结果。 在电压型PWM整流器控制技术中,主要有两类控制方案:第一类是间接电流控制,间接电流控制主要以幅相控制(Phase and Amplitude Control——PAC)为代表。间接电流控制的优点在于控制简单,无需设计电流环进行电流反馈控制。这种控制方式的主要问题在于输入侧电流响应较慢,对系统的参数波动较为敏感,难以控制得到良好的整流器输入电流,因而常适合于对动态响应要求不高的应用场合。另一类是直接电流控制,这一类控制方式主要包括固定开关频率双环PWM电流控制(Current Control with Fixed Switch Frequency——CCFF)和滞环电流控制(Hysteresis Current Control——HCC)。这类直接电流控制可以获得较高品质的电流响应,但控制结构和算法较间接电流控制复杂。由于以上原因,直接电流控制目前占主导地位。本文对以上三种控制方案分别做了控制器的分析设计,对于各控制方案,在MATLAB2006a/Simulink环境下,基于S-function的C语言程序进行了仿真,控制系统仿真全部由C语言程序实现。本文搭建了基于DSP2812和FPGA为处理器的单相电压型PWM整流器系统,对单相电压型PWM整流器的控制方案进行了仿真和实验验证。 本文基于电力机车牵引应用场合研制的单相电压型PWM整流器,在这种大功率应用场合中,开关器件的开关频率受到限制。本文在后面章节对这种低开关频率工况做了仿真和实验,出现了在高开关频率下的双环PI控制不一致的实验现象,本文对这种特殊的实验现象做了分析,并给出了启发性的解决方案。

  【关键词】:PWM整流器 幅相控制 双环控制 滞环控制

  【学位授予单位】:华中科技大学

  【学位级别】:硕士

  【学位授予年份】:2009

  【分类号】:TM461

  【目录】: 摘要4-6

  ABSTRACT6-10

  1 绪论10-14

  1.1 PWM 整流器产生背景10

  1.2 PWM 整流器的发展状况10-11

  1.3 PWM 整流器的研究热点11-13

  1.4 本文研究内容13

  1.5 本章小结13-14

  2 单相电压型PWM 整流器建模与工作原理14-18

  2.1 单相电压型PWM 整流器的数学建模14-16

  2.2 单相电压型PWM 整流器的工作原理16-17

  2.3 本章小结17-18

  3 电压型PWM 整流器控制方法分析18-38

  3.1 直接电流控制18-25

  3.2 电压外环控制器设计25-32

  3.3 间接电流控制32-36

  3.4 电网电压锁相控制器设计36-37

  3.5 本章小结37-38

  4 低开关频率下的单相电压型PWM 整流器工作特性分析38-43

  4.1 低开关频率下的单相电压型PWM 整流器外环PI 内环P 控制实验现象38-40

  4.2 低开关频率下电流内环设计方案40-42

  4.3 本章小结42-43

  5 单相电压型PWM 整流器硬件及软件系统设计43-54

  5.1 单相电压型PWM 整流器主电路系统设计43-48

  5.2 信号采样电路设计48-50

  5.3 控制板电路设计50-51

  5.4 IGBT 驱动电路设计51-52

  5.5 控制系统软件设计52-53

  5.6 本章小结53-54

  6 全文总结54-56

  6.1 本文的研究内容54-55

  6.2 工作展望55-56

  致谢56-57

  参考文献57-60

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