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PWM整流器及其非线性控制策略的研究

刘坤  
【摘要】: 传统的二极管整流器以及由半可控的晶闸管组成的相控整流器,由于其整流环节不可控,导致网侧功率因数低,电流谐波大,能量不可逆等缺点。采用自关断器件组成的PWM整流器可以实现网侧电流接近正弦波、单位功率因数以及四象限运行,并能主动消除由其他传统整流装置对电网带来的谐波污染,节约能源,具有较快的动态响应、输出直流电压可控和抗负载扰动能力强等优点。 本文主要针对三相电压型PWM整流器及其非线性控制策略进行了研究。通过对电压型PWM整流器四象限运行工作原理的分析可知,只要控制其网侧电流便可实现PWM整流器的控制目标。在三相静止坐标系下,对PWM整流器基于开关函数和占空比的数学模型进行了推导。在此基础上,根据坐标变换分别建立了其在两相静止和两相旋转坐标系下的数学模型。分析表明:三相电压型PWM整流器具有时变、强耦合、非线性等特点。对于这类系统,常规的控制策略及其控制器设计一般采用稳态工作点附近的小信号模型及线性化控制方案。但这种方案需要较大的直流侧电容,而且理论上无法实现系统的全局稳定。 本文采用非线性控制策略对由三相电压型PWM整流器组成变流器系统的控制方案进行了设计。具体实现过程为:根据三相电压型PWM整流器系统的控制目标,设计了电压外环和电流内环的双闭环控制结构。采用电压定向控制策略,通过输入输出反馈线性化以及滑模变结构控制的方法对三相电压型PWM整流器电流内环和电压外环的控制器进行了设计。 针对三相异步电机交流调速系统,重点对由双端PWM变流器组成的异步电机的交流调速系统进行了研究。在分析了三相异步电机的数学模型及其矢量控制的基础上,给出了整个调速系统的设计方案及其相应的控制策略。对于网侧变流器,采用基于输入输出反馈线性化的串级结构非线性控制方案;对于电机侧的变流器,采用转子磁链定向的矢量控制方案。 为了验证上述方案的有效性,本文借助于MATLAB对上述各种类型的控制方案进行了仿真研究。仿真结果表明:三相电压型PWM整流器直流侧输出电压稳定并可控,且抗干扰能力强,网侧功率因数可控(如单位功率因数),并能实现能量双向流动;对于由双端PWM变流器组成的三相异步电机调速系统,除了具有上述PWM整流器的优点外,还可完成异步电机对转速的控制目标,且对于负载变化等扰动也具有较强的鲁棒性。


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