.本科毕业设计论文题 目 PWM整流器仿真与分析 专业名称 电气工程及其自动化 学生姓名 指导教师 毕业时间 .摘要多电飞机技术使机载用电设备的种类和数量显著增加，对飞机供电系统的电能质量和功率密度等提出了更高要求。变频供电降低了系统复杂度和维护难度，提高了系统功率密度、可靠性和使用寿命，成为多电飞机的技术热点。本文设计了交-直-交功率变换器的整流级，实现在360Hz800Hz不同供电频率下的整流。针对变频供电，分析了整流器的性能需求，确定了整流器系统结构，建立了系统数学模型。以PWM整流器为重点，设计了电压、电流的双环控制结构和控制参数，通过旋转坐标系下的前馈解耦控制，实现整流器的输入高功率因数，提高系统效率和直流环电压稳定性，并适应变频供电；建立了整流器的Saber软件仿真模型，对变频输入的整流器进行了仿真分析。理论分析、软件仿真实验结果表明，本文设计的整流器能够实现飞机变频供电下的起动和运行控制，输入级PWM整流使控制器稳态输入功率因数达到0.95以上，验证了设计的正确性和可行性。关键词：变频供电系统，PWM整流，解耦控制ABSTRACTMore Electric Aircraft (MEA) has put forward more requirements on power quality and enegy density of airplane power supply system with power consumption equipments increasing. Variable frequency (VF) power system has no mechanical constant speed drive, which decreases the system complexity and maintenance difficulty, improving the system power density, reliability and service life, is becoming hot spot of MEA technology. In this paper, a rectifier is designed with AC-DC-AC mode VVVF converter. The controller makes equipments can start and operate well when powered by aircraft VF (360Hz800Hz) supply. According to the goals of variable frequency power supply, the requirements of the rectifier performance are analyzed, and a mathematical model is set up. Focus on PWM rectifier, the structure and parameters of voltage-current dual loops and decoupling control system are designed to achieve high power factor on the input side, and adapt to VF power supply at the same time. A Saber simulation model of the controller cascaded by rectifier is established. Theoretical analysis, software simulation show that the rectifier makes the equipments adapt to the VF-AC supply and start and operate well. The starting and operating impacts of motor on power system are reduced and the input power factor of controller can be up to 0.95 with the PWM rectifier. The results verify the correctness and feasibility of the design.Key words: VF power system, PWM rectifier, decoupling control目录摘要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状31.3研究内容和结构安排5第二章 PWM整流器工作原理及主电路拓扑结构82.1 整流器基本工作原理82.2 正弦脉宽调制技术112.3 整流器的数学模型152.3.1 三相静止坐标系下VSR数学模型152.3.2 同步旋转坐标系下VSR数学模型182.4 功率电路参数计算202.4.1 开关器件的选择202.4.2 交流测输入电感212.4.3 直流侧输出电容222.5 本章小结23第三章 整流器控制结构243.1 整流器的电流解耦控制243.2 电流内环控制器设计273.3 电压外环控制器设计32第四章 基于Saber的PWM整流器电路仿真374.1 Saber 软件简介374.2 Saber 仿真模型374.3仿真验证394.3.1 频率变化时仿真结果394.3.2 负载变化时仿真结果474.4 本章小结48第五章 论文总结49参考文献50致谢54毕业设计小结55第一章 绪论1.1研究背景及意义飞机电源系统的主要功能是产生或存储机载用电设备所需的电能，以保证机上各种用电设备正常工作时电能的供应1。目前飞机电源系统主要包括一次电源、二次电源、辅助电源和应急电源。一次电源是直接由航空发动机驱动的发电机及其控制保护器组成；二次电源是将飞机上主电源的能量转换为另一种或者多种形式的电能，以满足机载用电设备对电能形式的多样化需求；辅助电源主要由辅助动力装置组成；应急电源是一个独立的电源，在主电源都发生故障时，向飞机重要用电设备供电，可采用蓄电池或应急发电机供电23。在传统的飞机能源系统中存在着多种二次能源，如气压能源、液压能源、电能源等，多种二次能源要求飞机发动机附件机匣上装配发电机，液压泵、燃料泵和气压等机件，造成安装空间紧张，维修不便，发动机迎风面积大等难以克服的缺点3。随着现代航空技术的迅速发展，电气传动机构的性能不断提高，在一些应用中逐渐取代了液压和气压传动机构23。这种广泛采用电能作为飞机供电系统的二次能源的飞机称为多电飞机（More Electric Aircraft，MEA）1。多电飞机的出现和发展优化了飞机的动力系统，进而优化了飞机系统的性能，为飞机动力系统带来了历史性的变化。多电技术的应用不仅大大降低了飞机的成本与重量，而且提高了飞机的可靠性和维护性。此外，多电飞机技术的快速发展，使机载用电设备的数量和种类日趋庞杂。各用电设备对供电类型和电压等级都有不同要求，这对供电系统的容量和供电质量提出了更高要求。可靠稳定、高功率密度、低噪声等，成为多电飞机电力系统的发展方向。当今飞机交流发电技术有恒速恒频、变速恒频和变频三种。其中，恒速恒频系统通过将恒速传动装置（CSD）与发电机整合，形成组合传动发电机（IDG）来实现；变速恒频系统的发电机直接连到发动机齿轮箱，发电机输出通过电源变换装置，得到400Hz恒频输出；变频系统将发电机直接连到发动机齿轮箱，发电机输出频率与发动机转速成正比。恒速恒频系统的IDG成本高、体积重量大、维护难、可靠性差；变速恒频系统的电力变换与配套装置也有结构复杂、价格高、笨重和可靠性差等缺点；变频系统无需恒速传动装置，电源变换装置少、工作频率范围宽、系统容量大，但对发电机输出调压的要求高，而价格低、重量轻、可靠性好、维护便利，使变频系统更具优势。20世纪80年代，变频技术首先应用于转速范围较小的涡轮螺旋桨飞机，随后空客A380飞机选用了TRW公司的变频发电技术，波音B787飞机也采用了变频发电系统。诸多实践和经验证明了变频供电系统的应用优势，目前，国内也在积极将变频供电系统付诸实践6。总而言之，变频供电的优点在于：(1)相对于恒频交流发电而言，变频发电系统结构简单，体积重量小，电能转换率高（可达90%），系统可靠性好（MTBF可达3500飞行小时）；（2）对于很多对电源频率不敏感的设备，如灯、纯阻性负载等，其所需要的电能中间不需要进行任何变换就直接利用，某些电动机也可以直接由变频交流电直接驱动，所以提高了可靠性和系统效率；（3）对于现代的飞机来说，很多设备需要控制器来改善其性能，以便提高整个飞机系统的效率和飞行舒适性，如环控系统在飞行中可以根据不同的飞行状态来调节客舱压力满足乘客的需求。电力系统代替其他飞机二次能源的优势也体现在其可以方便的传输和控制，所以可以根据飞行状态来调节设备的工作状态以节约飞行成本；（4）对于大容量的飞机电力系统，主发电机输出额定电压为230V甚至更高，有利于减轻系统重量。因此，鉴于多电飞机供电系统大容量特点变频供电体制具有明显优势4。在变频供电系统背景下，飞机电气负载根据电源频率对其影响程度，可分为一般负载和特殊负载。一般负载指对供电频率变化不敏感的用电设备，包括照明、客舱加温、除冰设备、无刷直流电机等；特殊负载指对供电频率变化比较敏感的用电设备，如交流电机、变压器、风扇和一些电子控制设备。由于异步电机结构简单，运行稳定可靠，飞机的重要电动泵类负载，如电动燃油泵、电动液压泵等，多由异步电机驱动。然而，异步电机由变频供电与恒频供电相比，结构和起动、运行特性都有所不同。由115V/360Hz800Hz飞机变频电源直接驱动的异步电机，工作在变频恒压输入状态。根据定子电压方程及电机电磁转矩与近似正比知：定子端交流电压恒定时，随电源频率升高，绕组磁通减小，起动转矩变小，电机起动能力降低，可能导致电机无法带载甚至空载起动；若降低，则升高，起动转矩加大，电机起动能力增强。按额定400Hz设计的航空电动机，在电源频率低于400Hz时，起动能力较强，超过400Hz，起动能力随频率升高而变差，在电源频率较高时，电机可能无法起动，因而需要为电机配置电源变换器，将供电系统提供的变频交流电变换为适合电机起动和运行的交流电1。上述电源变换器，本质上为电力变频器，最常用的结构是不控整流与变频逆变级联。传统变频器注重逆变级的结构与控制，而不控整流器作为非线性电气负载，将大量谐波电流注入供电系统，导致电压、电流波形畸变，系统功率因数降低，干扰严重，供电品质下降，引发的功率损耗还会造成不必要的发热，这在电能和散热空间有限的航空飞机上，尤其是变频供电系统中，情况复杂，危害严重，不能适应多电飞机技术的要求。为降低谐波影响，功率因数校正（PFC）技术受到重点关注。与地面电源系统不同，采用变