基于PWM技术的大功率直流电源系统研究

论文摘要

近年来,随着电力电子器件性能的提升,电力电子技术的飞速发展,使得电力电子设备的应用随处可见。电力电子设备的广泛应用在给人类带来便利的同时对电网的污染越来越严重,尤其是传统的二极管整流和晶闸管相控整流方式的大功率直流电源,功率因数低,谐波含量高,对电网污染严重。PWM整流器是真正意义上的绿色电源,它具备交流输入侧电流正弦、功率因数接近1、能量双向传输、响应速度快等优点,能够从根本上解决了传统整流器对电网污染的问题。为了得到直流输出范围更宽的直流电源,常在PWM整流器后加入一级DC/DC变换器,从而使输出电压的范围更宽,应用更广泛。本文设计一个低谐波含量、高功率因数运行、宽输出范围的直流电源,该直流电源的拓扑结构由两级构成,其中前级是三相电压型PWM整流器,目的是减小谐波含量,提高功率因数；后级是ZVS移相全桥变换器构成,目的是扩大PWM整流器直流侧的输出范围。本文研究了三相电压型PWM整流器和ZVS移相全桥DC/DC变换器的拓扑结构,分析了两种变换器的工作原理,给出了两种变换器的控制策略。重点研究了三相电压型PWM整流器,建立了其在三相静止坐标系、两相静止坐标系以及两相旋转坐标系下的数学模型,给出了基于电压空间矢量PWM调制技术的双闭环控制策略和系统参数的设计方法。在建立了三相电压型PWM整流器的数学模型和计算系统相关参数后,利用Matlab仿真平台,分别在三相静止坐标系、两相静止坐标系、两相旋转坐标系下建立了其仿真模型,进行仿真验证,仿真结果实现了交流侧正弦,高功率因数运行的目的；本文继续分析了ZVS移相全桥变换器的工作原理,进行了ZVS移相全桥变换器的系统设计,利用Matlab仿真平台,搭建了ZVS移相全桥变换器的仿真模型,采用电压外环电流内环的双闭环控制策略,进行了仿真,仿真结果实现了扩大直流输出范围和软开关技术。本文最后采用TI公司的TMS320F28335做控制器设计了一个三相电压型PWM整流器的实验样机,进行了软硬件的调试。实验结果实现了PWM整流器交流侧电流正弦、单位功率因数运行的特点,证明了本文所阐述的理论及系统的设计是正确的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 PWM整流技术的发展与现状
• 1.2 DC/DC变换器的研究
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第2章 PWM整流器的分析和仿真
• 2.1 PWM整流器的分类和拓扑结构
• 2.1.1 PWM整流器的分类
• 2.1.2 三相电压型PWM整流器的拓扑结构
• 2.2 PWM整流器的工作原理
• 2.3 三相电压型PWM整流器的数学建模
• 2.3.1 三相VSR在三相静止坐标系abc坐标系下的数学模型
• 2.3.2 三相VSR在两相静止坐标系αβ坐标系下的数学模型
• 2.3.3 三相VSR在两相旋转坐标系dq坐标系下的数学模型
• 2.4 电压空间矢量脉宽调制技术的原理和实现
• 2.4.1 三相VSR空间电压矢量分布
• 2.4.2 空间电压矢量的合成
• 2.4.3 SVPWM算法的实现
• 2.5 三相电压型PWM整流器系统设计
• 2.5.1 三相VSR交流侧电感的设计
• 2.5.2 三相VSR直流侧电容的设计
• 2.5.3 电流内环的设计
• 2.5.4 电压外环的设计
• 2.6 三相电压型PWM整流器系统仿真
• 2.6.1 坐标变换模块的建立
• 2.6.2 SVPWM模块的建立
• 2.6.3 三相VSR在Matlab下的系统仿真
• 2.7 本章小结
• 第3章 ZVS移相全桥变换器的分析和仿真
• 3.1 ZVS移相全桥变换器的基本拓扑结构和工作原理
• 3.1.1 ZVS移相全桥变换器的基本拓扑结构
• 3.1.2 ZVS移相全桥变换器的工作过程分析
• 3.2 ZVS移相全桥存在的两个问题分析
• 3.2.1 超前和滞后桥臂开关管零电压开关的条件
• 3.2.2 副边占空比丢失与减小办法
• 3.3 ZVS移相全桥变换器系统设计
• 3.3.1 隔离变压器设计
• 3.3.2 输出滤波器的设计
• 3.3.3 谐振电感电容设计
• 3.4 ZVS移相全桥变换器在Matlab下的系统仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 三相电压型PWM整流器的硬软件设计
• 4.1 三相电压型PWM整流器的整体设计
• 4.2 三相电压型PWM整流器的主电路设计
• 4.2.1 主电路功率开关器件的选择
• 4.2.2 IGBT驱动电路和保护电路的设计
• 4.3 三相电压型PWM整流器的控制电路设计
• 4.3.1 微控制器选型
• 4.3.2 传感器电路设计
• 4.3.3 信号调理电路设计
• 4.3.4 人机接口单元电路的设计
• 4.4 软件系统的设计
• 4.4.1 主程序的设计
• 4.4.2 相关控制算法软件设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统调试及实验结果分析
• 5.1 系统的调试
• 5.2 各模块调试结果及分析
• 5.2.1 IGBT驱动调试结果及分析
• 5.2.2 SVPWM信号调试结果及分析
• 5.2.3 电流内环调试及结果分析
• 5.2.4 电压外环调试及结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢