基于三相电压型变流器的馈能与滤波系统设计

摘要

在如今绝大多数变频器结构中，电网侧整流器多采用不可控的二极管，在电动机减速及制动过程中将处于再生发电状态，这会导致直流侧电容两端的电压上升，威胁到系统的正常运行。传统方法是加装耗能式的制动单元，为此可采用能量回馈装置将再生的能量回馈至电网。在变频器正常运行时，该能量回馈装置将闲置。由于能量回馈装置与传统的有源电力滤波器在拓扑结构上具有一致性，可在此时使其进入有源滤波工作模式，对由变频器的整流产生的谐波进行补偿，实现一机两用功能，提高设备性价比。
　　本论文主要基于三相电压型变流器结构设计了能量回馈及有源滤波控制系统。文中首先分析了变流器的四象限运行模式，介绍了瞬时无功理论及谐波检测原理，接着对锁相环及低通滤波器等关键结构进行设计。然后对系统的控制方法进一步研究，分析了三相电压型变流器的数学模型，讨论了装置的换流过程及有关的变流方法，设计电压及电流控制器，仿真验证了系统的合理性。
　　接着在系统整体硬件设计平台上，以瑞萨RX63t型DSP为处理器，设计了软件算法，介绍了系统软件开发环境HEW，对算法整体结构、锁相环、能量回馈、谐波补偿及电压抬升的工作流程详细阐述。
　　论文最终在设计完成的样机上，对其进行实验验证，记录了能量回馈状态及有源滤波状态下的电压电流波形，并对实验结果进行分析。实验表明设计的算法及装置能够实现预期的功能，能够及时回馈制动产生的能量，补偿在电网侧的电流谐波。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 PWM交流器的研究现状与发展趋势

1．2．1 PWM变流器的研究现状

1．2．2 PWM交流器的发展趋势

1．3 能量回馈及有源滤波技术

1．3．1 能量回馈技术

1．3．2 有源滤波技术

1．4 本文研究的主要内容

2 三相电压型交流器工作原理

2．1 变流器的四象限运行

2．2 瞬时无功理论及谐波电流检测

2．2．1 传统功率理论

2．2．2 瞬时无功理论

2．2．3 P-Q检测法

2．2．4 id-iq检测法

2．3 三相电压型变流器的工作过程

2．3．1 变流器的整流换流过程

2．3．2 变流器的逆变换流过程

2．4 本章小结

3 锁相环及低通滤波器设计

3．1 三相电压软件锁相环优化设计

3．1．1 锁相环概述

3．1．2 三相软件锁相环

3．1．3 软件锁相算法的改进

3．1．4 锁相环仿真效果对比

3．2 数字低通滤波器设计

3．2．1 常用低通滤波器

3．2．2 滑窗式低通滤波器

3．2．3 低通滤波器效果仿真

3．3 本章小结

4 三相电压型变流器的控制系统

4．1 三相电压变流器的数学模型

4．1．1 静止坐标系下的数学模型

4．1．2 旋转坐标系下的数学模型

4．1．3 数学模型的线性化处理

4．2 变流器的解耦控制

4．2．1 电压电流环的解耦

4．2．2 电流环控制器设计

4．2．3 电压环控制器设计

4．3 系统仿真

4．3．1 能量回馈系统仿真

4．3．2 有源滤波系统仿真

4．4 本章小结

5 系统的软件设计

5．1 设计平台介绍

5．1．1 硬件平台介绍

5．1．2 DSP芯片功能

5．2 系统软件设计算法

5．2．1 软件开发环境

5．2．2 软件系统整体框架

5．2．3 软件锁相环流程图

5．2．4 能量回馈工作流程

5．2．5 谐波补偿工作流程

5．2．6 直流电压抬升流程

5．3 本章小结

6 系统的软件实现与优化调试

6．1 能量回馈系统运行调试

6．1．1 锁相环程序实际测试结果分析

6．1．2 装置带电阻负载实验

6．1．3 开关频率实验对并网电流影响

6．1．4 回馈电流大小对电流波形影响

6．1．5 死区补偿对并网电流影响

6．2 有源滤波系统运行调试

6．2．1 谐波检测准确性验证

6．2．2 变频器谐波电流检测

6．2．3 补偿计算时刻对谐波抑制的影响

6．2．4 直流侧电压对谐波抑制的影响

6．2．5 变频器输入电抗对谐波抑制的影响

6．2．6 不同负载电流对谐波抑制的影响

6．3 系统整体实现与分析

6．3．1 并网馈能运行

6．3．2 谐波补偿结果

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

致谢

参考文献