基于神经网络的双PWM变频器的研究-控制理论与控制工程专业论文.docx

第 第 1 章 绪论 沈阳理工大学硕士学位论文 沈阳理工大学硕士学位论文 PAGE PAGE 13 PAGE PAGE 10 第 1 章 绪论 1. 1 课题背景及意义 20 世纪是变频调速技术由诞生到发展的时代，其理论诞生于 20 世纪 20 年代； 60 年代得益于电力电子器件的飞速发展，变频器进入实用化阶段；特别 70 年代的 世界石油危机，成为变频调速技术推广应用的巨大推动力；进入 80 年代，性能完 善并产品化的变频调速系统已广泛应用于工业部门；20 世纪 90 年代以后，IGBT、 IGCT（集成门极换向性晶闸管）等新型电力电子器件的发展，数字信号处理器和 专用集成电路的快速发展以及新颖控制理论和技术如磁场定向矢量控制、直接转 矩控制等的完善，使变频调速系统在调速范围、调速精度、动态响应、功率因数、 运行效率和使用方便等性能指标可以与直流调速系统相媲美[1、2]。同时，直流电动 机的缺点日益显露出来，例如，具有电刷和换向器因而必须经常检查维修，换向 火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度等等[3]。 因此变频调速系统开始逐步取代直流调速系统，受到各行业的欢迎，并取得显著 的经济效益[4]。 进入 21 世纪后，随着全球的经济发展和环境压力的加重，能源和环保成为人 们日益关注的焦点。传统的通用变频器大多采用交-直-交电压型结构，整流端为 二极管或晶闸管相控整流。二极管整流电路简单、经济、可靠，因此上个世纪它 的应用十分广泛，但这种整流器具有许多缺点[5、6]： 1、电网侧电流波形严重畸变、谐波大，对公共电网造成污染。在整流器的网 侧，输入电流是非正弦的，因此电流的高次谐波注入电网。一般的相控整流电路 在额定工作状态下，如果没有输入滤波器，输入电流的谐波含量将达到 28%以上， 严重干扰附近的用电设备。 2、整流器的电网侧功率因数低，与电网交换大量的无功功率，降低了发电和 输电设备的利用率，同时产生大量的附加损耗。 3、由于器件结构的单向性，能量只能从网侧流向负载侧，因此系统不能在再 生状态下运行，无法实现能量的再生利用。 无论是二极管不可控整流，还是晶闸管相控整流，其产生的低功率因数和高 谐波含量的电压波形都将导致电网正弦电压畸变，增加配电系统导线与变压器的 损耗、增大谐波，对电网上其他用电装置产生严重的电磁干扰[7]。同时，低功率因 数还将降低电源系统的负载能力和可靠性，因此，消除谐波污染并提高功率因数， 已成为电力电子技术中的一个重大课题。为了保证电网和用电设备的安全经济运 行，目前许多工业发达国家、国际电工组织都制定了相关的谐波标准，如 IEEE19、 EC555-2、IEC1000-3-Z 等。我国国家技术监督局在 1993 颁布了《电能质量公用电 网谐波》标准（GB/T14549-93），规定电压奇次谐波畸变率4%，偶次谐波畸变率 4%;注入电网的谐波电流38A(3 次)，61A(5 次)，43A(7 次)等。传统整流器不 符合这些新的规定，因此需要采用补偿装置和研制高功率因数的新型电力电子装 置来抑制谐波。 我国的能源利用率比世界发达国家低二十几个百分点，因此，对变频调速系 统在节能和环保方面提出更高的要求。目前，绝大多数的通用变频器在直流侧接 制动电阻来消耗电机的回馈能量，能量被白白地消耗在制动电阻上，从节能的角 度来看，此种方案非常不经济，不利于节约能源。若在整流器侧接回馈单元把电 机制动时产生的能量回馈到电网，就可以实现电机的四象限运行，一般需选择一 自耦变压器，但此方案易造成逆变失败[8]。因此，对通用变频器进行改进变得非常 迫切。从环保的要求来看，新型的变频器应着重考虑变频器的低能耗，低电磁干 扰和低谐波污染等。 要从根本上消除通用变频器的上述缺陷，要求新型变频调速系统的整流环节能 实现网侧电流正弦化，能运行于单位功率因数，且能实现能量双向流动。PWM 控制 为减少谐波提供了一个技术性方案，随着高频电力电子器件如 GTO、电力晶体管、 IGBT 价格的降低，以及电压和电流等级的提高，该控制方法越来越成为减少谐波 污染的首选技术方案[9]。电压型 PWM 整流器采用全控型器件，器件工作在高频状态， 由于开关器件的开通和关断都可以控制，所以整流器的电流波形是可以控制的， 其理想的状态是和输入的电网相电压同相或反相的正弦波，此时网侧功率因数接 近 1，输入电流的谐波含量接近 0，而且能够对直流电压进行调整，使之稳定在给 定值，在负载变化时，具有较快的响应速度。因为具备上述优点，将其作为交一 直一交变频调速系统中的整流环节，构成高功率因数双 PWM 变频器，使该变频器 具有输入电压、电流频率固定，网侧电流波形为正弦，功率因数接近 1，输出电压 频率可