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1、作品名称： 三相PWM逆变器LCL滤波电路的设计 所属学院： 电气工程学院 摘要本文主要通过把三相PWM逆变器的输出电流进行LCL滤波设计，逆变器负载连接永磁同步电机，虽然永磁同步电机具有定子电感，但是其电感值很小，达不到理想的电路需要的正弦电流，所以需要进一步引进LCL滤波电路。本文首先通过建立三相PWM逆变器负载连接永磁同步电机的电路模型，以谐振频率(fres)，总滤波电感值(L)以及对不同的频率段产生的谐波的抑制能力这三个方面为设计原则，分别对滤波元件L（滤波电感）、C（滤波电容）进行了设计。而后，根据设计出的滤波元件的参数，进行了基于LCL滤波器的系统的频域分析，并且与L滤波电路进行了
2、频域特性的对比，通过伯德图分析了两种滤波电路的滤波效果。虽然在滤波效果方面来讲，LCL滤波电路更优于L滤波电路，但是LCL滤波电路会产生谐振，要通过一定得加入阻尼电阻手段使LCL滤波电路的谐振点得到抑制。根据三相PWM逆变器LCL滤波电路的设计模型，本文设计了接有永磁同步电机的电流内环，转速外环的PI控制电路，对PI调节器参数进行了的设计。由于三相PWM逆变器的负载侧接有永磁同步电机，需用SVPWM信号对逆变器元件进行驱动。本文通过MATLAB软件程序设计实现了SVPWM驱动信号。最后，本文分别对滤波电路进行了开环仿真和电流内环，转速外环的双闭环仿真。通过高速永磁同步电机的输出定子电流波形图，
3、进一步验证了滤波电路中滤波元件的参数设计的合理性，及控制方法的正确性。同时还分析了控制电路中id坐标系中给定电流为0A时，iq给定电流为3A时，高速永磁同步电机d轴、q轴最终稳定的输出电流值。以验证仿真模型图搭建的合理性，也有利于得到理想的仿真波形图。关键词：LCL滤波电路、永磁同步电机、频域分析、谐波抑制 第1章 绪论1.1 课题的背景1.1.1 课题的来源近些年来，电力电子技术得到了迅速的发展，因此各种电力电子装置在我们生活领域的出现日渐普遍，如工业、家庭、电力系统、交通等众多领域。但是，由此带来的无功和谐波问题也逐渐严重起来，因此人们也越来越广泛的关注谐波的抑制问题。LCL滤波器和L滤波
4、器都能够达到抑制谐波的效果，但是LCL滤波电路的滤波效果比传统的L滤波电路的滤波效果更加明显。虽然如此，由于LCL滤波电路存在着谐振问题，想要得到理想的滤波效果，必须选取正确的控制策略，以及进行合理的参数设计，否则会使系统产生不稳定的问题。因为LCL滤波问题已经成为近年来研究谐波问题的热点和重点，所以我对三相PWM逆变器LCL滤波电路的设计与仿真进行了研究。1.1.2 课题的意义20年来，功率半导体开关器件技术飞速发展，各类变流装置也随之出现，这些变流装置以PWM（脉冲宽度调制）控制为基础。PWM控制技术也使得电力电子变流装置技术有了快速的发展。比如逆变电路，脉冲宽度调制（PWM）控制技术对其
5、的影响非常深刻很大，它在逆变电路中的应用也最为普遍。而今大量的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路1。PWM控制技术也正有赖于此，逐渐走向成熟。目前，大多是使用IGBT作为PWM逆变装置的功率开关器件，IGBT功率开关器件能够实现很高的开关频率。然而高开关频率会产生谐波，输入电网和用电设备中，会对它们产生危害。比如谐波使电网中的元件产生附加的谐波耗损，降低输电、发电、用电设备的效率1。谐波还影响电气设备的正常工作，如使电机发生噪声、机械振动、过热等1。使自动装置、继电保护装置发生误动作等。因此，必须采用滤波装置对谐波进行有效的抑制。同时，永磁同步电机定子电感是非常小，从产生的积极影响来说，
6、这种微小的电感虽然可以提高定子电流动态响应的速度，但在电机控制系统带来了很多不利因素。用上面所讲的高开关频率的三相PWM逆变电路对永磁电机进行驱动，会引起定子绕组电流的畸变，在电机的定子电流包含谐波，从而提高了绕组铜损和铁损，便会引起很大的噪声和转矩脉动，高速永磁同步电机的可靠性和稳定性受到威胁。因此，我们也必须采用滤波装置对永磁同步电机定子电流谐波进行有效的抑制。L滤波器作为传统的滤波装置，接在负载与电压源型逆变器之间，称之为L滤波电路。而高开关频率不仅可以获得高动态性能，而且通过脉冲宽度调制(PWM)方法使谐波获得足够的衰减。相比之下，LCL形式的滤波器可以在较高的开关频率下使谐波性能得到
7、改进，这是在高功率应用的一个重要优势。然而，LCL滤波器系统是三阶的，他们需要更复杂的控制策略和参数设计来保持系统的稳定性，以及由于谐振和低谐波阻抗引起电流畸变的危害。针对以上问题，研究三相PWM逆变器LCL滤波电路的问题具有很大的实际意义。1.2 课题的研究现状与发展1.2.1 PWM技术的研究现状与发展如今，逆变电路已经广泛普遍的应用。在众多的直流电源中，如现在非常热门的太阳能电池，若想要给交流负载供电，就需要逆变技术。目前，三相PWM逆变器已经非常普遍的应用，几乎一些小功率的逆变电路全部采用了PWM调制技术2。PWM技术思想的形成先后经历了三相电流型PWM变换器，1982年科研人员给出了
8、其全桥拓扑结构和控制策略；电压型PWM变换器，1984 年科研人员提出无功补偿器控制方法；以坐标变换为基础的三相PWM变换器的数学模型，三个阶段。PWM的产生方法主要有计算法和规则采样法，计数法非常繁琐，那以实现。现在，一般采用电压空间矢量法实现数字化的PWM。同时，PWM控制技术在整流装置中也逐渐应用起来，PWM技术越来越凸显出它的优越性。PWM技术一直是科研的热点问题。20世纪70年代，全控型器件急迅发展，主要代表有GTO，Power-MOSFET1。20世纪80年代，出现了以IGBT为代表的复合型器件，IGBT属于全控型器件，它集结了MOSFET（电力场效应管）和BJT（电力双极型晶体管
9、）的优越性，逐渐替代其他开关器件，成为现代电子技术的主导型器件。本文所研究的三相PWM逆变电路所用的开关器件就选用IGBT。1.2.2 滤波电路的研究现状与发展三相逆变电路通过脉冲宽度调制(PWM)方法，可以输出接近于正弦波的电压、电流，使三相逆变电路谐波获得足够的衰减，这也是PWM控制方法的优越性。但在高开关频率领域，三相逆变电路的开关频率一般在2-20kHz左右，此基础上的谐波衰减是远远不够的，在开关频率的整数倍范围内仍存在着谐波分量，必须采用滤波装置来减少这些电流谐波带来的危害，减少电能的损耗。现在，电力电子邻域常用的抑制电流谐波的措施主要有两种：一种是采用平波电抗器，即在电路中串联单L
10、滤波器，但是传统的L滤波电路，在大容量的变换器中，其开关频率非常低，如要得到理想的谐波抑制效果，需要的电感值也是很大的，这样体积大、成本高的平波电抗器滤波电路是不可行的。而且会影响系统响应的快速性。另一种是采用LCL滤波电路，它首先是在1995年由科研工作者提出的。LCL是三阶滤波器，在高频段，以-60dB/dec的斜率衰减谐波。LCL滤波电路需要更小的电感值就能达到与L滤波电路相同的滤波效果，这样不仅能够有效地抑制电流谐波，而且有利于减小装置的重量和体积，减小成本，适合应用与大功率的装置中。从有利的一面讲，LCL较L滤波电路有优越的滤波性能。但是，LCL滤波电路的参数设计却非常复杂，2005
11、年科研工作者率先提出的参数设计的方案，准确度不高。而后又有科研工作者提出了粒子群算法等参数设计方案这些方案取得了比较好的效果。针对LCL滤波器所存在的谐振问题，目前有两种控制方案，即有源阻尼法和无源阻尼法。无源阻尼控制策略是通过在滤波电容侧串联或者并联电阻，以此来消除谐振的方法也带来了功率损耗。有源阻尼法又使系统算法变得复杂，现在有源阻尼的控制策略也成为了研究的重点。现在，无谐振软开关技术又成为PWM控制技术发展方向之一。1.3 永磁同步电机概述永磁同步电机用永磁体取代直流励磁，以产生气隙磁场。定子绕组呈三相正弦分布。三相对称交流电，输入永磁同步电机后，电机产生恒定不变的电磁转矩，定子绕组产生
12、正弦反电动势。永磁同步电机体积小，运行可靠。文献3提出了永磁同步电机系统的控制策略，永磁同步电机系统的控制策略主要有两种，一种是按气隙磁场定向的矢量控制策略，另一种是直接转矩控制策略。矢量控制策略将永磁同步电机定子电流分解成相互垂直的两个分量，控制电枢电流的直轴分量恒定为0，通过坐标变换，把永磁同步电机控制策略等校成控制他励直流电机。矢量控制策略优越性好，其使同步电机动态特性可以与直流电机系统相媲美。并且控制算法简单，电机动态响应快，提高了电机的运行效率。另一种直接转矩控制策略，通过定子磁链控制电磁转矩。在定子坐标系下，检测电磁转矩和定子磁链，并将检测值与给给定值相比较，从而得到电机的控制信号
13、4。直接转矩控制策略无需复杂的坐标变换，不用将同步电机与直流电机等效，模型简单，在实际工程中发展前景很好。本文给出了永磁同步电机矢量控制策略的结构如图1-1所示。图1-1 永磁同步电机矢量控制策略的结构图1.4 本文研究内容本文主要阐述了L及LCL滤波器的参数设计，对负载侧是永磁同步电机的滤波电路控制系统做了详细的探讨，同时搭建了三相逆变电路的仿真模型，具体内容如下：1.建立三相PWM逆变器滤波电路的整体结构图，建立数学模型，分析PWM逆变电路的谐波，给出三相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。2.分别采用L及LCL滤波器对永磁同步电机定子电流谐波进行抑制，并设计滤波元件参数。其中重点分析了负载
14、侧电感的选取方法。在此基础上，分析了两种滤波电路频域特性。考虑到LCL滤波电路的谐振问题，给出了解决方案。3.参考电机直流调速系统中电机双闭环的调节器设计方法工程设计法，对电机控制系统的电流内环，转速外环系统给出了详细的设计。ACR（电流调节器）、ASR（转速调节器）的参数设计为双闭环仿真提供了参数依据。4. 基于MATLAB，搭建基于L滤波器和LCL滤波器的三相PWM逆变器带动永磁同步电机的仿真模型，进行仿真结果对比。验证滤波参数选取及控制策略设计的正确性。通过仿真波形图，对比LCL滤波电路较L滤波电路的优越性。 第2章 三相PWM逆变器LCL滤波电路的数学模型2.1 引言本文采用永磁同步电
15、机作为三相PWM逆变电路的负载，并在驱动电路和负载之间加入了LCL滤波电路对电流谐波进行抑制，在此基础上建立了系统的数学模型。2.2 系统总体电路图图2-1 三相PWM逆变器LCL滤波电路系统总结构图PWM逆变器侧直流电压既可以选取Buck电路（降压斩波电路），也可以选取复合型斩波电路。本文为简单起见，直接给出直流侧为300V的逆变系统的拓扑结构。图中L1为逆变器侧滤波电感，L2为负载侧滤波电感，C为滤波电容，、分别为逆变电路侧输出的三相电压，、分别为逆变电路侧输出三相电流，、分别为三相定子电流。2.3 谐波分析为了方便对滤波电路的参数设计，必须对三相逆变器的输出电压谐波进行分析。根据电力电子技术的知识可知，三相PWM逆变电路输出接近于正弦波的电压、电流。但是因为PWM控制技术需要使用载波调制，通过对正弦信号波的调制，会产生和载波相关的谐波分量1。本文只分析异步调制，同步调制可以看成异步调整的特例。信号波周期不同，产生的PWM波形也不同，因此以信号波周期为基准对谐波进行傅里叶分析是不可行的。大多数学者都是以载波周期为基准，利用PWM波的傅里叶级数表达
