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三电平脉冲整流器的控制研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-08-01  浏览次数:804
核心提示:脉冲整流器是一种以脉宽调制(PWM)方式工作的整流器,又称为四象限变流器。脉冲整流器与传统的相控变流器具有功率因数高、谐波含量低、体积小、重量轻及动态响应快等优点。
 【摘要】:脉冲整流器是一种以脉宽调制(PWM)方式工作的整流器,又称为四象限变流器。脉冲整流器与传统的相控变流器具有功率因数高、谐波含量低、体积小、重量轻及动态响应快等优点。

经过几十年的发展传统的两电平脉冲整流器已经相当成熟,但是在大功率的应用中有很多的问题难以解决,如需要昂贵且笨重的变压器、较高的开关损耗及功率开关难以达到规定的耐压要求等。从而出现了三电平脉冲整流器,三电平脉冲整流器每个桥臂上使用的IGBT的个数是两电平的两倍,因此它的每个回路中每个开关所承受的电压只有两电平的一半,从而增加了功率开关的使用寿命。而且三电平脉冲整流器能产生五种电平的线电压,在相同开关频率及控制方式下,其输出电压和电流中的谐波含量远小于传统的两电平脉冲整流器。最后,功率器件的造价是随着电压等级的提高而增加的,所以对于一些大功率电路来说三电平的性价比是优于两电平的。

正是由于三电平脉冲整流器的优越性能,目前我国生产的CRH2型动车组正是采用的三电平脉冲整流器。 三电平脉冲整流器的主要控制方法包括间接电流控制直接电流控制两大类,直接电流控制又主要包括滞环电流控制、固定开关频率的瞬态电流控制及预测电流控制三种。

本文详细分析了三电平脉冲整流器上述的几种控制方式及中点电位不平衡的原因和危害及中点电位滞环控制法和判断H桥功率法两种控制中点电位平衡的主要策略,给出了三电式脉冲整流器主要参数的计算方法,分析验证了在一定程度上增加支撑电容从而去除二次滤波回路的可能性。最后以CRH2型车上使用的二极管钳位型三电平脉冲整流器的主要参数在Matlab/Simulink环境下分别搭建了以间接电流控制,瞬时直接电流控制及预测电流控制方式的仿真模型,并分别针对其在不同负载之间切换时电路各主要性能指数进行了详细系统的仿真分析。

结果表明:在三种控制方式下的三电平脉冲整流器的功率因数都始终接近于1,针对中点电位控制方案快速有效。间接电流控制下输出电压纹波较大,且直流侧支撑电容电压均衡度较差,负载由再生满载向牵引满载切换时输出电压存在震荡。瞬时直接电流控制与预测控制输出电压纹波小,负载切换时直流输出电压跌落小、调整较快,但瞬时直接电流控制下负载由再生满载向牵引满载切换时直流输出电压跌落较大,而预测电流控制下直流侧支撑电容电压均衡度在再生情况下较差。总体来看,瞬时直接电流控制与预测控制策略能满足脉冲整流器对各种工况下的动静态性能要求。

【学位授予年份】:2011

【分类号】:TM461

【目录】: 摘要6-7

Abstract7-10

第1章 绪论10-17

1.1 研究背景和意义10-13

1.2 脉冲整流器的控制13-15

1.3 脉冲整流器的调制技术15

1.4 研究的主要内容15-17

第2章 三电平脉冲整流器的原理17-29

2.1 整流电路概述17-18

2.2 脉冲整流器电路模型18-21

2.3 脉冲整流器的分类21-22

2.4 三电平脉冲整流器的结构与工作原理22-27

2.5 三电平脉冲整流器的数学模型建立27-28

2.6 小结28-29

第3章 三电平脉冲整流器的控制方法29-39

3.1 间接电流控制29-30

3.2 直接电流控制30-33

3.2.1 滞环PWM电流控制30-31

3.2.2 固定开关频率的瞬态电流控制31-32

3.2.3 预测电流控制32-33

3.3 三电平脉冲整流器中点电位平衡策略33-36

3.3.1 中点电位滞环控制法35-36

3.3.2 判断H桥功率流向法36

3.4 三电平脉冲整流器的PWM调制原理36-38

3.5 小结38-39

第4章 主电路参数设计39-51

4.1 交流侧电感的设计39-44

4.1.1 满足脉冲整流器有功(无功)功率指标时电感的设计39-41

4.1.2 满足脉冲整流器瞬态电流跟踪指标时的电感设计41-42

4.1.3 单相双桥臂脉冲整流器电感设计42-43

4.1.4 交流侧电阻对电感上限值的影响43-44

4.2 支撑电容器的选择44-46

4.3 二次滤波电路设计46-47

4.4 针对支撑电容的仿真研究分析47-49

4.5 针对取消二次滤波回路的仿真研究分析49-50

4.6 小结50-51

第5章 三电平脉冲整流器控制策略仿真研究比较51-68

5.1 控制系统51-55

5.1.1 调制方式52

5.1.2 系统仿真及控制整定52-53

5.1.3 电流参考值53

5.1.4 PI调节器53

5.1.5 电压电流控制环53-54

5.1.6 PWM脉冲产生电路54-55

5.1.7 中点电位控制55

5.2 脉冲整流器间接电流控制仿真55-58

5.3 脉冲整流器瞬时直接电流控制仿真58-62

5.4 脉冲整流器预测电流控制仿真62-66

5.5 小结66-68

结论68-69

致谢69-70

参考文献70-74

攻读硕士期间发表的论文74

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