单神经元pwm控制在轨道交通pwm整流器aa毕业设计论文

单神经元pwm控制在轨道交通pwm整流器aa毕业设计论文内容摘要：

整流的多重化设计。 (3)基于斩波器的二极管整流设计。 (4)采用 PWM 整流器拓扑结构的高功率因数整流器设计 在三相桥式整流电路的基础上增加整流相，如采用若干相位彼此错开的多个整流机组串联或者并联起来，以构成更多脉波的整流输出，即称为多重化整流技术。 通过多重化的整流技术，在一定程度上可以提高系统的功率因数，改善对电网的干扰，但严格意义上讲，这仍然不能算作是单位功 率因数整流 器，因为它们是通过减少网侧谐波电流来提高整流器的功率因数，所 以还不是最理想的状态。 目前国内轨道交通牵引的直流供电系统中，正在经历着从十二相多重化整流向二十四相多重化整流的过渡阶段， 本文 则 尝试 采用 基于单神经元 PWM 控制的整流技术对轨道交通 直流牵引供电换流器进行设计。 谐波与功率因数定义 中国矿业大学 2020 届本科 生 毕业设计 第 4 页 由上面的章节可以注意到谐波与功率因数是整流技术中重点关注的问题 ，这俩个问题直接联系到整流技术的作用，下文对这俩个概念做简单介绍。 谐波含义为：“是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍数 ”。 由于谐波频率是基波频率的整数倍数，我们通常称之为高次谐波。 非线性负 荷接至供电系统以及供电系统中本身存在非线性元件，是造成电网电压、电流波形畸变的根本原因。 轨道交通 供电系统中的波形畸变则主要来源于车辆牵引供电的整流、逆变装置，其次是直流电源成套装置及其他电子装置。 根据电路的基本理论，功率因数（ PF）定义为有功功率（ P）与视在功率（ S）的比值 ,用公式表示为： IIIUIUSPPF 111 111 c osc os   () 式中： 1I 为电流基波有效值； I 为电网电流有效值， 22221 nIIII  ，其中1I ， 2I ，„ nI 为输入电流各次谐波的有效值； 1U 为输入电压基波有效值； 1cos 为基波电压和基波电流的位移因数。 可见，功率因数由 1cos 决定。 1cos 越小，则设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线和变压器组损耗越大。 而谐波会 造成电流波形畸 变，对电网造成污染，也会使 功率因数降低 ，因而抑制谐波分量也可以达到提高功率因数的目的 [7]。 牵引变电所整流机组 地铁、轻轨交通和工矿运输直流牵引变电所的主结线，包括高压交流 (10Kv～35kV)受配电系统和直流 (～ )受馈电系统两部分，整流机组 (整流变压器— 整流器组 )则是作为交、直流系统变换的重要环节设置的 [8]。 牵引变电所的主要功能为 :将其交流进线电压通过整流变压器降压，然后经整流器将交流电变成直流电供电动车辆的直流牵引电动机用。 为了提高直流电的供电质量，降低直流电源的脉动 (波动 )量， 目前 通常采用 的是 多相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，还可以增加到二十四相整流。 为此，整流变压 器不仅仅起降压作用，还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整流。 整流变压器与整流器合称为整流装置。 整流机组从提高变压器利用率、减少注入电网谐波含量两方面考虑， 可以 在三相桥式整流电路的基础上增加整流相数。 如 用三相桥式整流电路构 成十二相脉动整流或等效十二相整流的接线方式， 但 本论文将不做重点介绍。 PWM控制整流器 研究概况 PWM 控制整流器的发展 功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制 (PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频 中国矿业大学 2020 届本科 生 毕业设计 第 5 页 开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用。 消除谐波污染并提高功率因数，己成为城市轨道交通供电系统乃至电力电子技术中一个重大课题。 我们知道 降低电力电子装置的谐波污染并提高功率因数的基本方法有两种：一种是被动式，即装设谐波补偿装置来补偿谐波，如有源滤波 (APF)、静止无功补 偿 (SVC)等；另一种方法是主动式的，即设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。 通过 PWM 调制技术控制 PWM 整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为 1， 这种电路常称之为 PWM 整流器、单位功率因数 PWM 变流器或高功率因数 PWM 整流器。 在本文中统一称为 PWM 整流器。 PWM 整流器工作原理 PWM 整流器已不是一般传统意义上的 AC/DC 变换器，由于电能的双向传输，当 PWM 整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当 PWM 整流器向电网传输电能时，其运行于 有源逆变状态。 所谓单位功率因数是指：输入电流波形正弦，且当 PWM 整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位；当 PWM 整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相位。 进一步研究表明，由于 PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广用于有源电力滤波及无功补偿等非整流应用场合。 PWM 整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行的交流装置，为方便于理解，以下首先从模型电路阐述 PWM 整流器的原理。 图 为 PWM 整流器模型电路，可以看出： PWM 整流器模型电路由交流回路、功率开关 管桥路以及直流回路组成。 其中交流回路包括交流电动势 e 以及网侧电感 L 等；直流回路包括负载电阻 R L 及负载电动势 e L 等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。 A CLivV d cI d cR l+ 图 整流电路模型 当不及功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系可得： dcdcviiv  () 由上式不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之也成立。 以下着重从模 型电路交流侧入手，分析 PWM 整流器的运行状态和控制原理。 中国矿业大学 2020 届本科 生 毕业设计 第 6 页 稳态条件下， PWM 整流器交流侧矢量关系如图 所示。 O NEV LVI（ a ） 纯 电 感 特 性 运 行O NEV LVI（ b ） 单 位 功 率 因 数 运 行O NEV LVI（ c ） 无 功 补 偿 运 行 特 性O NEV LVI（ d ） 逆 变 特 性 运 行ABCABCBCABAC 图 交流侧运行向量图 为简化分析，对于 PWM 整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略 PWM 谐波分量，并且不计交流侧电阻。 这样可从图 分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制流电压矢量 V即可实现 PWM 整流器的四象限运行。 若假设 |I |不变，因此 ILVL  也 固定不变，在这种情况下， PWM 整流器交流电压矢量 V 端点运动轨迹构成了一个以 |VL |为半径的圆。 当电压矢量 V 端点位于圆轨迹 A 点时，电流矢量 I 比电动势矢量 E 滞后 90176。 此时 PWM 整流器网侧呈现纯电感特性，如图 所示；当电压矢量 V 端点运动至圆轨迹 B 点时，电流矢量 I 与电动势 E 平行且同向，此时 PWM 整流器网侧呈现正电阻特性，如图 所示；当电压矢量 V端点运动至圆轨迹 C 点时，电流矢量 I 比电动势矢量 E 超前 90176。 ，此时 PWM 整流器网侧呈现纯电容特性，如图 所示；当电压矢量 V端点运动至圆轨迹 D 点时，电流矢量 I 与电动势矢量 E 平行且反向，此时 PWM 整流器网侧呈现负阻特性，如图 所示。 以上， A， B， C， D 四点是 PWM 整流器四象限运行的特殊工作状态点，进一步分析，可得 PWM 整流器四象限运行规律如下： （ 1）电压矢量 V端点在圆轨迹 AB 上运动时， PWM 整流器运行于整流状态。 此时， PWM 整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过 PWM 整流器由电网传输至直流负载。 值得注意的是，当 PWM 整流器运行在 B 点时，则实现单位功率因数整流制；而在 A 点运行时， PWM 整流器则不从电网吸收有功功率。 （ 2）电压矢量 V端点在圆轨迹 BC 上 运动时， PWM 整流器运行于整流状态。 此时， WM 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过 PWM 整流器由电网传输直流负载。 当 PWM 整流器运行在 C 点时， PWM 整流器将不从电网吸收有功功率，只从电网吸收容性无功功率。 （ 3）电压矢量 V端点在圆轨迹 CD 上运动时， PWM 整流器运行于有源逆变状态。 时， PWM 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从 PWM 整流器直 中国矿业大学 2020 届本科 生 毕业设计 第 7 页 流侧传至电网。 当 PWM 整流器运行在 D 点时， 便可实现单位功率因数有源逆变控制。 （ 4）电压矢量 V端点在圆轨迹 DA 上运动时， PWM 整流器运行于 有源逆变状态。 此时， PWM 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从 PWM 整流器直流侧传输至电网。 由以上分析可知，若要实现 PWM 整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制，首先可以通过控制 PWM 整流器交流侧电压，来间接控制其网侧电流；其次可以通过闭环控制来直接控制 PWM 整流器的网侧电流。 PWM 整流器的分类 已经设计出的 PWM 整流器可以分类如下 多电平电路三电平电路二电平电路按调制电平分类全桥开关半桥开关按桥路结构分类软开关调制硬开关调制开关调制分类按多相开关三相开关单相开关按电网相数分类电流型电压型按直流储能形式分类整流器 P W MP W M 尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将 PWM 整流器分类成电压型和电流型两大类，这主要是因 为电压型、电流型 PWM 整流器，无论是在主电路结构、 PWM 信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。 其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或电压型PWM 整流器之列。 电压型 PWM 整流器（ Voltage Source Rectifier— VSR，以下简称为“ VSR”）最显著拓扑特征是直流侧采用电容进行直流储能，从而使 VSR 直流侧呈低阻抗的电压源特性；而电流型 PWM 整流器（ Current Source Rectifier— CSR）最显著拓扑特征是直流侧采用电感进行 直流储能，从而使 CSR 直流侧呈高阻抗的电流源特性[9]。 考虑到地铁车辆的实际运行情况中，有着频繁的加减速运行，使得地铁车辆所 中国矿业大学 2020 届本科 生 毕业设计 第 8 页 需的电流是不断变化的，加之所提供电能的电网是三相电网，故在城市轨道交通牵引供电系统中所要用到的将是三相 VSR。 人工神经网络的基本概念及特点 神经网络具有自适应和自学习能力，神经网络对传统的 PID控制器进行改造后，对工业控制中的复杂系统的控制有着更好的控制效果，可以有效地改善由于系统结构和参数变化而导致的控制效果不稳定的状况，因此 我们尝试 将人工神经网络的控制方法引入轨道交通 直流牵引整 流器 的控制中。 神经元结构及神经元信息处理机理 图 人脑神经元的结构 神经学早已证明，人的思维通过人脑完成，神经元是人脑的最基本单元 [10][11]。 如图 所示。 神经元周围的纤维分成两类：树突与轴突。 树突输入信息，轴突输出信息，两者一一对接，其接口称为突触，其输入 /输出结构呈一多输入 /单输出模式。 神经元细胞体对树突输入的信息进行处理，将处理结果由轴突输出给下一个神经细胞。 按此模式通过众多简单细胞体的复杂连接， 从而把众多的神经元连成一个神经元网络 ， 就可进行感受、记忆、联想、反 应等复杂的人脑思维。 在生物神经元中，突触为输入输出接口，树突和细胞体为输入端，接受突触点的输入信号。 细胞体相当于一个微型处理器，对各树突和细胞体各部位收到的来自其他神经元的输入信号进行组合，并在一定条件下触发，产生一输出信号。 输出信号沿轴突传至末梢，轴突末梢作为输出端通过突触将这一输出信号传向其他神经元的树突和细胞体。 神经细胞的细胞膜将细胞体内外分开，从而使细胞内外有不同的电位，一般内部电位比外部低，其内外电位差称之为膜电位。 突触使神经细胞的膜电位发生变化，且电位的变化是可以累加的，该神经细胞膜电位是它所 有突触产生的电位。