题目：三相电流型PWM整流器的控制技术研究
学院：信息电子技术学院
年级： 07级
专业：电气工程及其自动化
姓名：陈国渊
学号： 0709034240
指导教师：徐志如
摘要
电流型整流器作为一种整流器的基本结构，与电压型整流器一样可以用于国民经济各部门，尤其是超导技术在电力系统中的应用等方面，电流型整流器更具优越性。因此，开展对电流型整流器的研究工作具有重要的学术意义和广泛的商业应用前景。本文正是在这样的背景下展开了对电流型PWM整流器相关技术问题的研究并进行以下一些有意义的工作:
从拓扑、数学模型、控制方法等方面对电流型和电压型PWM整流器的技术现状进行了简单总结，并对电流型PWM整流器的应用进行了详细的介绍。
对三相电流型PWM整流器的拓扑结构及工作模式进行了分析，在此基础上建立了三相PWM整流器在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的低频平均模型和高频模型，同时研究分析了电流型PWM整流器的频域模型，这为进一步深入研究电流型PWM整流器提供了理论基础
对三相电流型PWM整流器与三相电压型PWM整流器从拓扑、数学模型、控制、损耗以及单位功率情况下进行了对比分析，得出作为对偶结构的两者在不同的应用情况下有着各自的优缺点。
对三相电流型PWM整流器的信号发生技术进行了分类，并对几种常见的技术进行了简单介绍，对三逻辑SPWM信号发生技术进行了详细介绍。在控制方法上，电流型PWM 整流器的控制策略大体分为直接电流控制和间接电流控制两种，本文对前者进行了详细的分析，设计了PID直接电流控制的控制环路。
在理论分析的基础上，对基于三逻辑SPWM信号的电流型PWM整流器进行了仿真，仿真得到很好的预期效果，对实验验证有很好的指导意义。
关键词: 电流型整流器三逻辑SWPM 控制技术变流器建模
Abstract
Current Rectifier as the basic structure of a rectifier, and voltage rectifier can be used as the national economy sectors, particularly superconducting technology in power system applications, the current rectifier with more advantages. Therefore, carrying out research on current rectifier has important academic significance and wide range of business applications. This article is in this context to start the PWM rectifier based on the current technical issues related to research and make some meaningful work of the following:
From the topology, mathematical model, control methods, and the voltage on the current type PWM rectifier technology a simple summary of the current situation, and the application of current type PWM rectifier was introduced in detail.
Three-phase PWM rectifier based on the current topology and operating mode are analyzed based on this three-phase PWM rectifier in the three-phase stationary coordinate system, two-phase stationary coordinate system and the two-phase rotating coordinate system of the low-frequency average model and high frequency models, and analysis of the current type PWM rectifier in the frequency domain model, this current source for the further study provides a theoretical basis for PWM rectifier
Three-phase current-type PWM rectifier for the signal generation technique have been classified in several common techniques and a brief introduction on the three logical SPWM signal generation technique is described in detail. In the control method, the current type PWM rectifier control strategy can be divided into direct current control and indirect current control of two, the paper carried out a detailed analysis of the former, the design of the direct current control PID control loop.
KeyWords: Current Source Reetifier Tri一legieSPWM Control Strategies Converter Modeling
目录
摘要 (i)
Abstract ........................................................................................................................................... i i 第 1 章绪论.. (1)
1.1课题研究的背景和意义 (1)
1.2国内外研究动态 (2)
1.3课题研究的主要内容和重点 (3)
第 2 章三相电流型PWM整流器的基本原理 (5)
2.1三相电流型PWM 整流器与电压型PWM 整流器的拓扑结构 (5)
2.1.1三相VSR 和三相CSR 的拓扑结构 (5)
2.1.2三相SCR 电流型PWM 整流器拓扑结构 (6)
2.2三相电流型整流器的数学建模与分析 (7)
2.2.1三相CSR 的一般数学模型 (7)
2.2.2两相静止坐标系的数学模型 (10)
2.2.3两相旋转坐标系的数学模型 (11)
2.3三相电流型整流器的数学建模与分析 (13)
2.3.1二、三值逻辑转换 (15)
2.3.2三值逻辑PWM 状态切换 (16)
2.3.3三相CSR 调制信号预处理 (18)
2.4三相电流型整流器的数学建模与分析 (24)
第 3 章三相电流型整流器控制方法的研究 (25)
3.1三相电流型PWM 整流器的间接电流控制 (25)
3.2三相电流型PWM 整流器的直接电流控制 (27)
3.3三相电流型PWM 整流器的SVPWM 调制技术 (28)
3.3.1三相电流型整流器空间矢量调制的定义 (28)
3.3.2三相电流型PWM 整流器空间矢量的合成 (31)
3.3.3三相电流型PWM 整流器SVPWM 的生成 (31)
3.4三相SCR 电流型PWM 整流器的SVPWM 调制 (33)
第 4 章三相电流型PWM 整流器主电路参数设计 (36)
4.1三相CSR 交流侧LC 滤波参数设计 (36)
4.2三相CSR 直流储能电感设计 (37)
4.3本章小结 (39)
第 5 章实验电路设计以及实验结果 (40)
5.1开环仿真和实验结果 (40)
5.1.1仿真电路的设计 (40)
5.1.2仿真结果及其分析 (41)
5.2开环实验结果及其分析不平衡电网电压的计算 (42)
5.3直接电流控制的实验结果 (47)
5.3.1静态实验的结果及其分析 (47)
5.3.2负载扰动实验的结果及其分析 (49)
5.4本章小结 (50)
结论 (51)
致谢 (52)
参考文献 (53)
附录A (55)
第 1 章绪论
1.1 课题研究的背景和意义
电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并对电能的变换和控制起到了革命性的贡献。近20 年来电力电子技术得到了飞速发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。多数电力电子装置通过整流器与电力网接口，因此三相整流器的研究得到了关注。整流器经历了不可控整流、相控整流和PWM整流三个阶段的发展。
经典的二极管不可控整流主回路电路简单，但是电流中含有较大的谐波分量，对电网构成污染，引起公害；而且，它只能单方向传递能量，节能性差，现多用于变频器中整流部分无需控制的场合。当用半控的晶闸管取代了不可控的二极管，即所谓相控技术，是通过控制晶闸管门极触发脉冲与输入电压间的相位来改变输出电压极性或调节输出电压大小。传统的相控整流器由于采用自然换流方式，无需附加强迫换流电路，因而结构简单，控制方便，技术也比较成熟，且被广泛使用，但仍然存在以下问题：
1) 晶闸管换相引起网侧电压波形畸变；
2) 网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”；
3) 深控时网侧功率因数较低；
4) 滤波器体积笨重、增加了系统总成本；
5) 闭环控制时动态响应相对较慢。
虽然二极管整流器改善了整流器网侧功率因数，但仍然会产生网侧谐波电流而“污染”电网，其产生的高谐波将导致电网正弦电压畸变，增加配电导线与变压器的损耗，增大中线谐波电流，造成电网上其他用电装置严重的电磁干扰。采用晶闸管相控整流器带来的低功率因数还将降低电源系统的负载能力和可靠性。随着非线性负载容量的增大和应用的不普及，电力电子装置的谐波污染问题成为电气工程领域关注的焦点问题之一。不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定，其中较有影响的是IEEE519-1992 和IEC555-2，IEC555-2 标准对用电装置的功率因数和波形失真度作了具体的限制。我国国家技术监督局也先后制定了限制谐波的规定和国家标准，在1994 年颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（GB/T14549-93），传统整流器已经不符合这些新的规定。这有力的促进了学术界和工程界对谐波抑制问题的研究。
解决谐波和无功功率问题的主要思路有两种：一是在电网侧对已经产生的谐波和无功
功率进行补偿，如采用静止无功补偿装置、有源滤波器、无源滤波器等装置；二是通过对产生谐波的电力电子装置本身进行改造，使装置网侧正弦电流与电压同相位，不产生谐波也不消耗无功功率。这种方法实质就是对电力电子装置进行功率因数校正，使其输入为单位功率因数。对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，谐波抑制和无功补偿都是被动的方法。积极的方法应该是开发新型变流器或对传统变流器进行改进，使其不产生谐波，运行于单位功率因数。两相比较，采用改进电力电子装置的方法改善功率因数和实现谐波抑制更为有效，也就是开发输入电流为正弦波谐波含量低且功率因数接近为 1 的新型三相整流器，因此高功率因数三相整流器的研究得到了广泛的关注。
高功率因数整流器的基本工作原理是：通过整流桥臂上各功率器件的导通与关断，使电路的输入电流近似为正弦，并且使其与输入电压同相位。当整流器的功率因数为 1 时，可称为单位功率因数整流器，它具有以下功能：
1) 在恒定负载下，稳态运行时，保持功率因数近似为1；
2) 能将输出直流电压稳定在设定的直流电压值，且波纹很小；
3) 负载变化时，具有快速的动态响应速度。
目前单位功率因数整流器主要采用脉宽调制（PWM）整流技术，通过对变流器的自关断功率器件按照一定的控制规律进行通断控制，达到提高功率因数和谐波抑制的目的。
1.2 国内外研究动态
PWM 整流器的研究始于20 世纪80 年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM 技术的应用与研究。1982 年Busse Alfred、Holtz Joachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM 整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM 整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984年Akagi Hirofumi 等提出了基于PWM 整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型PWM整流器早期设计思想。到20世纪80年代末，随着 A.W.Green等人提出了基于坐标变换的PWM 整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，PWM 整流器的研究发展到一个新的高度。
经过几十年的研究与发展，PWM 整流器技术已日趋成熟。PWM 整流器功率器件已从早期的半控型器件发展到如今的全控型器件：电路拓扑结构即从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上，既有电压型整流器，也有电流型整流
器，并且两者在工业上均成功地投入了应用。
但长期以来，电压型PWM 整流器（VSR）以其较低的损耗、简单的结构及控制等一系列的优点一直成为PWM 整流器研究的重点，而电流型PWM 整流器（CSR）由于存在直流储能电感和交流LC 滤波环节使其结构及控制相对复杂，并且增大了系统的损耗。但随着大功率变流技术的发展特别是CSR 在超导储能中的成功应用，较好地解决了CSR 损耗问题，另外CSR电流型可调低电源电压，更适于大功率的金属工业领域，如直流电弧炉、高频感应加热、直流电机驱动等。其优良的保护性能，快速的电流响应等优点，使之成为这一领域当前研究的热点之一。
对三相电流型AC-DC PWM 变流器的控制，目前国外有间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制（亦称幅相控制）有许多方法，如基于交流侧电容电压滞环控制的间接电流控制，基于交流侧电流的间接电流控制。其硬件结构简单，易于微机实现，可采用优良的开关模式去减小稳态电流谐波和电压波纹。但相位和幅值的动态响应较慢，且有较大的瞬态电流超调，即直流分量的偏移，这可能导致系统的不稳定运行。因此，目前实用化的PWM 整流器均是有电流内环或状态反馈的直接电流控制方法，尤其在中小功率应用场合，直接电流控制比间接电流控制更具有优良的控制特性。直接电流控制多为电流追踪型PWM 控制，根据控制电流方法的不同，对于电流型整流器,电流追踪型PWM 控制又有许多不同的形式。目前，开关频率固定PWM 控制和空间矢量PWM 控制是其最常用的控制方式。
国内在功率变流领域方面的研究起步较晚，与先进的工业国家相比尚有较大的距离。虽然国内也有一些公司在从事交流传动产品的开发，但是无论从科研水平还是工程开发的经验上，都不足以和强大的外国公司抗衡，而且都以逆变器为主，几乎没有从事PWM 变流器产品的开发，即使是在基本理论及新型控制方法的研究上，也只有少数一些高校进行了相应的研究，取得了一些试验成果，但在PWM 变流器的产业化能力上与国外相比相距甚远。
因此，进行高性能、低价格的PWM 变流器的研究开发工作，并加快产业化，已成为振兴我国民族工业面临的一个急需解决的课题，这对我国的经济发展也同样具有重大意义。
1.3 课题研究的主要内容和重点
随着电力电子技术的发展，PWM 整流控制技术成为获得高功率因数低谐波分量的关
键。目前，PWM 控制技术有许多种，并且还在不断的发展之中，其中，应用较为广泛的有基于三角波调制的正弦脉宽调制（SPWM）、基于空间矢量的调制技术（SVPWM）等。
SPWM 技术实现容易、控制灵活、电网低次谐波分量较小，能满足各种整流器拓扑的需要，所以得到广泛的应用，但是其直流利用率较低、开关频率较高。SVPWM信号发生技术不仅具有有效开关频率低、谐波分量小、动态响应快等优点，而且其直流电流利用率比SPWM 提高近15.5%，并且数字化实现也比较简单，因而SVPWM 信号发生技术得到了广泛的采纳。
三相电网常处于不平衡状态，即三相电网电压的幅值、相位不对称。一旦电网不平衡，以三相电网平衡为约束所设计的PWM 整流器就会出现不正常的运行状态，主要表现在：PWM 整流器直流侧电压和网侧电流的低次谐波幅值增大，且产生非特征谐波，同时损耗相应增大；PWM 整流器网侧电流亦不平衡，严重时可使PWM整流器发生故障，甚至烧坏装置[16、17]。由于有关电流型PWM 整流器在电网不平衡条件下的研究文献比较少见，因此探索电流型PWM 整流器在电网电压不平衡条件下的控制策略，仍是一项艰巨的任务。
正是由于上述原因，使本课题的研究更具有现实意义。
本课题在广泛查阅和分析国内外专家学者对PWM 整流器研究的基础上，对电流型PWM 整流器及其控制技术进行了有意义的研究。主要完成以下几方面的工作：
1) 从PWM 控制原理入手，详细分析影响整流器功率因数的主要因素；
2) 分析和比较三相PWM 整流器的几种主要控制方法，重点研究了空间矢量调制技
术（SVPWM），分析了SVPWM 的多种合成模式，并通过仿真及频谱分析对不
同矢量合成方法之间的优劣进行对比，找出综合性能比较优秀的的几种调制方法
满足实际需要；
3) 对三相SCR 电流型PWM 整流器的SVPWM 调制进行了研究，并利用
MATLAB 仿真软件中SIMULINK 工具对控制系统进行仿真；
4) 对控制系统的各个环节的参数进行设置；
5) 定量分析了电网不平衡对电流型PWM 整流器的影响，在此基础上，采用了一种
能使其网侧电流正弦化的控制策略即抑制网侧电流负序分量的补偿控制，并进行
了仿真研究。
第 2 章 三相电流型PWM 整流器的基本原理
2.1 三相电流型 PWM 整流器与电压型 PWM 整流器的拓扑结构
PWM 整流器的分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将 PWM 整流器分为电压型和电流型两大类，这主要是因为电压型和电流型 PWM 整流器无论是从主电路结构、PWM 信号发生以及控制策略上均有各自的特点，并且两者存在电路上的对偶性，其他分类方法均可归类于这两种整流器之列，通过对偶性可以使两种整流电路相互转换。
2.1.1 三相 VSR 和三相 CSR 的拓扑结构
电压型 PWM 整流器最显著的特征是其直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR 直流侧呈现低阻抗的电压源特性；而电流型 PWM 整流器的显著特征是直流侧采用电感进行直流储能，从而使 CSR 的直流侧呈现高阻抗的电流源特征。在实际的大功率应用领域，两种 PWM 整流器都以其简练的拓扑结构和高效的变换性能而得到了广泛的应用，两种电路
拓扑结构如图 2-1 所示。
a
e b e c
e
L
R d
(a)三相电压型 PWM 整流器的拓扑结构
R
L
(b)三相电流型PWM 整流器的拓扑结构
图2-1 三相电压型PWM 整流器与三相电流型PWM 整流器的拓扑结构从图2-1 的拓扑结构中可以看出，三相电压型PWM 整流器的结构较三相电流型PWM 整流器简单，开关器件的损耗也较低。另外，直流侧采用电容储能比采用电感储能的效率要高，所以长期以来电压型PWM 整流器一直成为PWM 整流器的研究重点，并取得了广泛和重要的应用，如静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等。但是，电压型PWM 整流器是一种基于Boost 升压原理的变换器，其直流电压必须高于交流电源电压峰值，这对于一些如感应加热、直流拖动、电化学等需要在零至额定电压之间连续调节的工业应用领域是极为不便的，并且电压型PWM 整流器的短路保护比较困难。而电流型PWM 整流器是基于Buck 降压原理的变换器，其直流电压可以在零至额定值之间连续调节，非常适合电压型PWM 整流器难以满足调压功能的场合，并且电流型PWM 整流器的短路保护容易、网侧电流控制灵活，因此近年来电流型PWM 整流器的研究得到了极大的重视。考虑到高频感应加热电源功率调节的实际要求，无论是电压型感应加热电源还是电流型感应加热电源，采用三相电流型PWM 整流器比电压型更加适合，所以本文以三相电流型PWM 整流器作为研究首选。
2.1.2 三相SCR 电流型PWM 整流器拓扑结构
R
L
图2-2 三相SCR 电流型PWM 整流器拓扑结构
电流型PWM 整流器结构有两种，一种拓扑结构如图2-1(b)所示，其整流器的三相桥全部采用全控器件，为典型的电流型PWM 整流器拓扑结构，该整流器具有非常好的动静态特性，且功率可双向流动。但其三相桥都采用全控型功率器件，所以电源的成本较高结构也较复杂。一种为SCR 电流型PWM 整流器拓扑结构，如图2-2 所示，该整流器通过SCR 和直流回路的全控型功率器件相配合实现PWM控制。由于晶闸管器件的电压电流容量较大且价格便宜，这种电路结构尤其适合大功率整流装置。考虑到感应加热装置的实际情况和经济因素，因此本文采用图2-2所示的电流型PWM 整流器拓扑结构。
2.2 三相电流型整流器的数学建模与分析
建立三相电流型整流器的数学模型是深入研究整流器的特性和实现其控制的重要基础，本节将建立三相电流型整流器的a-b-c 三相静止坐标系，α–β坐标系以及 d - q坐标系的数学模型[5,12,19,21,23]，为本文的其它章节的理论分析，仿真研究和实际设计奠定了理论基础。
在图2-1(b)所示三相电流型PWM 整流器的主电路中，假设：
e e e）。
1) 电网电动势为三相平稳的纯正弦波电动势（,,
a b c
L均是线性的，且不考虑饱和。
2) 交流、直流侧滤波电感L 、
d
R之中。
3) 开关损耗已折合到CSR直流侧，且包含在
L
2.2.1 三相CSR 的一般数学模型
由图2-1(b)并根据基尔霍夫电压、电流定律，可直接写出三相CSR 一般数学模型为：
a
a a a
b b b b c
c c c di L e v i R
dt di
L e v i R dt di L e v i R
dt ?=--???=--???=--??
（2 - 1）
a
a at
b b bt c
c ct dv C i i dt dv
C i i dt dv C i i dt ?=-???=-???=-??
(2 - 2)
dc
dc
dc dc L di L v i R dt
=- (2 - 3) 式中：k e (k = a , b , c ) ——三相电网相电动势瞬时值；
k v (k = a, b, c) —— 三相 CSR 交流侧相电压瞬时值； k i (k = a, b, c) —— 三相 CSR 网侧相电流瞬时值； kt i (k = a, b, c) —— 三相 CSR 交流侧相电流瞬时值； dc i ——三相 CSR 直流电流瞬时值； dc v ——三相 CSR 直流侧输出电压瞬时值；
C 、L 、R ——交流侧滤波电容、电感、等效电阻；
d L ——直流侧滤波电感； L R ——负载电阻
式（2-1）～（2-3）虽然全面描述了三相 CSR 交流侧、直流侧及负载侧的瞬态 特性，但并没有揭示出其 PWM 调制时的相关瞬态特征。
为了在三相CSR 一般数学模型中体现PWM 状态对三相CSR 瞬时电路特性的影
响，引入三值逻辑开关函数k σ，且定义
上桥臂开关导通
同桥臂开关全通或全断 （k=a,b,c ） (2 - 4) 下桥臂开关导通
要实现三相 CSR 电流的 PWM 控制，在任何瞬间，上、下桥臂各开关管有且只能有一个导通，因此三相 CSR 功率开关的开关状态与开关函数取值的对应关系如表2-1 所示
由表 2-1 和图 2-1（b ）分析可得三相 CSR 交流侧进线电流为：
kt i =k σdc i (k = a, b, c) (2 - 5)
直流侧电压为： ...
d c a a b b c c v v v v σσσ=++ (2 - 6) 将式（2-5）、式（2-6）代入式（2-1）~式（2-3），得基于开关函数描述的三相CSR 一般数学模型
,,k
k k k k k k dc dc
k k dc L
k a b c di L e v i R dt dv
C i i dt di L v i R dt σσ=?=--???=-???=-??
∑ (2-7)
表 2-1 三相 CSR 功率开关管开关状态及开关函数
○ ● ● ○ ○ ○ (0 1 -1) 2＃ ○ ○ ● ● ○ ○ (-1 1 0) 3＃ ○ ○ ○ ● ● ○ (-1 0 1) 4＃ ○ ○ ○ ○ ● ● (0 -1 1) 5＃ ● ○ ○ ○ ○ ● (1 -1 0) 6＃ ● ○ ○ ● ○ ○ (0 0 0) 7＃（0＃） ○ ● ○ ○ ● ○ (0 0 0) 8＃（0＃） ○ ○ ● ○ ○ ● (0 0 0) 9＃（0＃）
注：●——通；○——断。
基于开关函数描述的三相 CSR 一般数学模型是对 CSR PWM 功率开关管瞬态过程的精确描述。然而，这类基于开关函数描述的三相 CSR 数学模型包含了 PWM 功率开关管开关过程的高频分量，因而难以用于控制系统的分析设计。一种有效的简化方法就是以 PWM 的占空比取代原来的三值逻辑开关函数使系统分析简化，因而特别适合于三相 CSR
10
1k σ??=??-?
控制系统动、静态特性分析及控制器设计。我们把这种简化后的数学模型叫做三相 CSR 的低频数学模型。
2.2.2 两相静止坐标系的数学模型
定义（a ，b ，c ）坐标系的 a 轴与（α，β）坐标系的α 轴重合、β 轴超前α 轴90电角度，两坐标系的关系如图 2-3 所示。
α
图 2-3（a ，b ，c ）、（α，β）、（d
，q ）坐标系的位置关系
若采用等量坐标变换，不难求得两组坐标系变量间应满足下述关系：
2301
1221
22a
b c
x x x x C x x x ααββ??
?????
?????????=- =??????????????????--
??
(2-8)
231112223
0a a b b c c
x x x x C x
x x x αβ
?????
?
--?????????==?????
??????????
???? (2-9) 式中：{}(),,,,,k k k k x e i v k a b c λσ∈ =
{}(),,,,i k k k k x e i v σαβ∈ ι=
2332,C C 为两相静止坐标和三相静止坐标之间的变换矩阵。
将式（2-9）代入式（2-7），化简得两相静止坐标系(α , β )中的三相 CSR 开关函数模型为：
()3
2dc dc dc d dc d L e v dt d L e v dt dv C
i i dt
dv C
i i dt
di L v v v dt α
ααβ
ββα
ααβ
ββααββσσσσ?=-???=-??
?=-???=-???=+-??
(2-10) 式中：,αβσσ ——— 坐标系(α , β )中三值开关函数的α 、 β 分量。
2.2.3 两相旋转坐标系的数学模型
理论和实践表明，将三相坐标下的变量通过旋转坐标变换化为( d , q )坐标系下的量能够实现三相变量的解耦，并且由于转化后的量为直流量，这有利于系统的分析和设计。
设在初始状态时，两相旋转坐标( d , q )和两相静止坐标(α , β )重合，即d 轴和α 轴重合、 q 轴和 β 轴重合。当旋转坐标( d ,q )以电网基波角频率ω 逆时针旋转时，则在( d ,q )坐标系下定义的复矢量
d q d q X x j x =+ (2-11)
可变换为(α , β )坐标下定义的复矢量
X x jx αβαβ
=+ (2-12)
转换关系为：
()
2j dq X X e dt f ?αβ?ωωπ= = =? (2-13)
也即：cos sin sin cos d d q q x x x C x x x αβ???????-????
?= =??????
??-?????
??? (2-14) 式中： x ∈ {e , i , v , σ}，C ――旋转坐标到静止坐标的变换矩阵
将式（2-14）代入式（2-10），并利用复矢量的定义，可得三相 CSR 在旋转坐标系下的复矢量模型方程为：
()32q
d q q q d
q d d d q
d q d dc d
q d q dc dc d q q d d dc di L Li e v i R dt di L Li e v i R dt dv C Cv i i dt dv C Cv i i dt di L v v i R
dt ωωωσωσσσ?+=--???+=--??
?+=-???+=-??
?=+-??
(2-14)
其( d , q )坐标系下的数学模型结构如图 2-4 所示。从式(2-15)可以看出，在( d , q)坐标系下，电流型 PWM 整流器的数学模型是一个多输入多输出系统，输入是开关函数
,d q σσ ，输出是网侧电流直轴分量d i 和交轴分量q i 。作为电流型 PWM 整流器，直流回路接大电感，因此dc i 近似为常数。当满足单位功率因数时，要求0q i = 。另外，式(2-15)还表明电流型 PWM 整流器是一个非线性系统（出现了状态变量dc i 和输入变量,d q σσ 的乘积），并且是一个耦合系统。因此，要对电流型 PWM 整流器进行控制，可对获得的状态方程进行线性化解耦。基于dq 坐标的高频模型有利于对电流型PWM 整流器的有功功率和无功功率分别进行独立控制。
图 2-4( d , q )旋转坐标系下的三相 CSR 开关函数模型结构
2.3 三相电流型整流器的数学建模与分析
PWM 控制技术作为现代电力电子装置中常用的一种功率变换方式，其基本的工作原理是通过对功率器件的导通和关断进行控制，使输出一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，并按一定的规则对脉冲信号的宽度进行调制，既可改变输出电流的大小，也可改变输出频率，大大加快系统的动态响应。而一般的调制方法是把希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所希望的PWM 波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当他与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中功率器件的通断，就可以得到幅度不变，宽度与调制信号的瞬时值成正比的脉宽调制波。
将 PWM 技术应用于三相整流器，是为了获得高功率因数和低谐波，从而更加适应工业领域对整流器的要求。为了实现高功率因数，必须从功率因数的决定因素入手。对于非正弦输出的情况，功率因数是指从电网输入的有功功率与视在功率的比值，即：
P
S
λ= (2-16)
式中：P —— 有功功率
S —— 视在功率
一般认为输入的电网电压为正弦波，λ 可表示为:
cos λ?
=
= (2-17)
式中：11,U I —— 从电网输入的基波电压和电流的有效值； ? —— 基波电压与基波电流之间的相位角；
2,3......N I I I ——输入电流中的高次谐波电流的有效值。
设
ε=
为输入电流波形的失真因数，则：
cos λε?= (2-18)
式（2-18）说明功率因数λ可视为电流波形失真因数ε和基波相移因数cos ? 的乘积， 即功率因数的大小决定于电流波形失真因数和基波相移因数。
三相电流型 PWM 整流器采用 IGBT 作为系统的功率开关器件。功率开关器件处于工作状态，使整流器三相输入电流的低次谐波成分非常小，而高次谐波很容易被电容器滤掉，所以流入电网的电流工作在 PWM 调制状态，电流波形失真因数ε 近似为“1”，从而解决了整流器由于输入电流畸变引起的功率因数下降问题。也就是说，保证交流输入电压与电流同相位（基波相移因数为 1）成为获得高功率因数的首要条件。
由于三相整流器采用 PWM 控制，可通过不同的调制方法控制输入电流k i (k = a, b, c)的相位和幅值，从而达到：
1) 保持整流器输出直流电压恒定
2) 保持整流器输入电流k i 和电网电压k u 同相位，即实现基波相移因数为 1。 因此 PWM 控制方法成为决定基波相移因数，即决定整流器功率因数的关键，然而有许多种 PWM 整流控制方法，但其控制策略大致相同。如图 2-1（b ），如果忽略高次谐波，功率变换部分可以等效为一个三相交流电压源，其单相（以 A 相为例）基波等效电路示于图 2-5。
由图 2-5 可见, j i 是控制量，通过不同的控制方法适当调节j i 的大小和相位，就能控制输入的电流的相位以控制系统的功率因数；同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换部分的能量，也就控制了直流侧输出电压与电流的大小。因此，通常采用电压外环和电流内环相结合的双环控制方式。电压外环保证稳定的直流输出；电流内环主要用于提高系统的动态性能。
L
三相PWM 整流器控制器设计 PWM 整流器能够实现整流器电网侧的电流为正弦，从而大大降低整流器对电网的谐波污染。PWM 整流器同时能够实现电网侧电流相位的控制，常见的有使得电网侧电流与电源电压同相位，从而实现单位功率因数控制，也可以根据需要使得电网侧电流相位超前或滞后对应的电源相电压，从而实现对电网的功率因数补偿。 三相PWM 整流器主电路和控制系统原理图如图1所示，其中A VR 为直流侧电压外环PI 调节器、ACR_d、ACR_q分别为具有解耦和电源电压补偿功能的dq 轴电流内环PI 调节器，PLL 为电源电压锁相环，SVPWM 为电压空间矢量运算器，Iabc to Idiq、Vabc to ValfaVbeta和Vdq to ValfaVbeta分别为三相静止坐标-两相旋转直角坐标变换、三相静止坐标-两相静止直角坐标变换和两相旋转直角坐标-两相静止直角坐标变换。 图1 基于空间矢量的三相PWM 整流器原理图
根据开关周期平均值概念、三相电压型PWM 整流器开关函数表等，可得到三相电压型PWM 整流器在dq 坐标下微分方程形式和等效电路形式的开关周期平均模型。经过dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图如图2所示，其中小写的变量表示该变量的开关周期平均值，大写的变量表示该变量在工作点的值。 v dc d dc q 图2 基于dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图 对解耦和电源电压补偿之后的dq 轴等效电路进行工作点附近的小信号分析，即可得到小信号下的传递函数如式(1、（2）和（3）所示，其中L 、R 分别为交流侧的滤波电感及其等效电阻，C 为直流侧滤波电容，Dd 为d 轴在工作点的占空比。 ~ i d (s αd (s ~ i q (s αq (s ~ v dc (s i d (s V dc (1
三相电压型PWM整流器及仿真
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电力电子课程设计课程设计报告 题目：三相电压型PWM整流器与仿真 专业、班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015年 1 月 6 日 内容得分 1、三相桥式电路的基本原理（10分） 2、整流电路基本原理（10分） 3、pwm控制的基本原理（10分 4、三相电压型pwm整流电路仿真模型（30分） 5、结果分析（30分） 6、程序文件（10分） 总分
摘要：叙述了建立三相电压型PWM整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强大的MATLAB软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。 关键词：整流器；PWM；simulink
目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (4) 2.3 pwm控制的基本原理 (6) 2.4 PWM整流器的发展现状 (6) 三设计内容 (8) 3.1 仿真模型 (8) 3.2 各个元件参数 (11) 3.3 仿真结果 (13) 3.4 结果分析 (15) 四总结 (15) 五参考文献 (15)
一任务书 1.1 题目 三相电压型PWM整流器仿真 1.2 设计内容及要求 设计三相电压型PWM整流器及其控制电路的主要参数，并使用MATLAB软件搭建其仿真模型并验证。 设计要求(pwm整流器仿真模型参数): (1)交流电源电压600V，60HZ (2)短路电容30MVA (3)外接负载500kVar，1MW (4)变压器变比 600/240V (5)0.05s前，直流负载200kw，直流电压500V，0.05s后，通过断路器并联一个相同大小的电阻。 1.3 报告要求 (1)叙述三相桥式电路的基本原理 (2)叙述整流电路基本原理 (3)叙述pwm控制的基本原理 (4)记录参数（截图） (5)记录仿真结果，分析滤波结果 (6)撰写设计报告 (7)提交程序源文件
三相电压源型PWM整流器 PI调节器参数整定的原理和方法 1引言 1.1 PID调节器简介 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。目前，在工业过程控制中，95%以上的控制回路具有PID结构。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，其原理图如图1-1所示。 图1-1 PID控制系统原理图 PID控制器传递函数常见的表达式有以下两种： （1） ()i p d K G s K K s s =++ ，Kp代表比例增益，Ki代表积分增益，Kd代表微 分增益；
（2） 1 () p d i G s K T s T s =++ （也有表示成1 ()(1) p d i G s K T s T s =++），Kp代表比 例增益，Ti代表积分时间常数，Td代表微分时间常数。 这两种表达式并无本质区别，在不同的仿真软件和硬件电路中也都被广泛采用。 ?比例（P，Proportion）控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产 生，调节器立即产生控制作用，以减少偏差。当仅有比例控制时系统输 出存在稳态误差（Steady-state error）。 ?积分（I，Integral）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制 系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。 为了消除稳态误差，在控制中必须引入“积分项”。积分项对误差取决 于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小， 积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误 差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系 统在进入稳态后无稳态误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。 ?微分（D，Differential）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现 振荡或者失稳。其原因是在于由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞 后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用“超前”，即在误差接近零时，抑制误 差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是 不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微 分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就
电力电子课程设计课程设计报告 题目：三相电压型PWM整流器与仿真专业、班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015年 1 月6 日
摘要：叙述了建立三相电压型PWM整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强大的MATLAB软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。 关键词：整流器；PWM；simulink
目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (4) 2.3 pwm控制的基本原理 (6) 2.4 PWM整流器的发展现状 (6) 三设计内容 (8) 3.1 仿真模型 (8) 3.2 各个元件参数 (11) 3.3 仿真结果 (13) 3.4 结果分析 (15) 四总结 (15) 五参考文献 (15)
一任务书 1.1 题目 三相电压型PWM整流器仿真 1.2 设计内容及要求 设计三相电压型PWM整流器及其控制电路的主要参数，并使用MATLAB 软件搭建其仿真模型并验证。 设计要求(pwm整流器仿真模型参数): (1)交流电源电压600V，60HZ (2)短路电容30MVA (3)外接负载500kVar，1MW (4)变压器变比600/240V (5)0.05s前，直流负载200kw，直流电压500V，0.05s后，通过断路器并联一个相同大小的电阻。 1.3 报告要求 (1)叙述三相桥式电路的基本原理 (2)叙述整流电路基本原理 (3)叙述pwm控制的基本原理 (4)记录参数（截图） (5)记录仿真结果，分析滤波结果 (6)撰写设计报告 (7)提交程序源文件
重庆大学电气工程学院 电力电子技术课程设计 设计题目：单相桥式可控整流电路设计 年级专业：****级电气工程与自动化学生姓名：***** 学号： **** 成绩评定： 完成日期：2013年6月 23 日
指导教师签名：年月日
重庆大学本科学生电力电子课程设计任务书
单相桥式可控整流电路设计 摘要：本文主要研究单相桥式PWM整流电路的原理，并运用IGBT去实现电路的设计。概括地讲述了单相电压型PWM整流电路的工作原理，用双极性调制方式去控制IGBT的通断。在元器件选型上，较为详细地介绍了IGBT的选型，分析了交流侧电感和直流侧电容的作用，以及它们的选型。最后根据实际充电机的需求，选择元器件具体的参数，并用simulink进行仿真，以验证所设计的单相电压型PWM整流器的性能。实现了单相电压型PWM整流器的高功率因数，低纹波输出等功能。 关键词：PWM整流simulink 双极性调制IGBT
目录 1.引言 ......................................................... - 5 - 1.1 PWM整流器产生的背景.................................... - 5 - 1.2 PWM整流器的发展状况.................................... - 5 - 1.3 本文所研究的主要内容.................................... - 6 - 2.单相电压型PWM整流电路的工作原理 ............................. - 7 - 2.1电路工作状态分析......................................... - 7 - 2.2 PWM控制信号分析......................................... - 8 - 2.3 交流测电压电流的矢量关系............................... - 9 - 3.单相电压型PWM整流电路的设计 ................................ - 10 - 3.1 主电路系统设计......................................... - 10 - 3.2 IGBT和二极管的选型设计................................. - 11 - 3.3 交流侧电感的选型设计................................... - 11 - 3.4 直流侧电容的选型设计................................... - 12 - 3.5 直流侧LC滤波电路的设计................................ - 13 - 4.单相PWM整流电路的仿真及分析 ................................ - 13 - 4.1 整流电路的simulink仿真............................... - 13 - 4.2 对simulink仿真结果的分析............................. - 16 - 5．工作展望 ................................................... - 16 - 参考文献 ...................................................... - 17 -
三相电压型PWM 整流器建模及控制 摘要：本文通过基尔霍夫定律完成了对三相电压型PWM 整流器在三相静止对称坐标系下的数学建模。并通过MATLAB/SIMULINK 仿真工具对其数学模型进行了仿真验证，可以看出，仿真验证的结果证明了模型的准确性和可靠性。而后又介绍了一种直接电流控制方法即传统的双闭环PID 控制，并进行了仿真分析。 1 基于基尔霍夫定律对三相VSR 系统建模 三相电压型PWM 整流器的电路拓扑结构如图1-1所示。图中a u 、b u 、c u 为三相交流电源，L 和C 分别为滤波电感和滤波电容，R 是滤波电感的等效电阻， s R 是开关管的等效电阻。 记网侧三相交流电流分别为a i 、b i 、c i ，整流电流为dc i ，流过负载电阻的电流为L i ，负载两端电压为d c v 。 L e i O L 图1-1 三相电压型PWM 整流器电路图 针对三相VSR 一般数学模型的建立，通常作以下假设： (1) 电网电动势为三相平衡的正弦波电动势(a u ，b u ，c u )。 (2) 网侧滤波电感L 是线性的，且不考虑饱和。 (3) 功率开关管损耗以电阻s R 表示，即实际的功率开关管可由理想开关与损耗电阻s R 串联等效表示。 (4) 为描述VSR 能量的双向传输，三相VSR 其直流侧负载由L R 和直流电动势 L e 串联表示。当直流电动势0L e =时，三相 VSR 只能运行于整流模式；当L dc e v >时，三相VSR 既可运行于整流模式，又可运行于有源逆变模式；当L dc e v <时，三相VSR 则运行于整流模式。
为分析方便，定义单极性二值逻辑开关函数k s 为 10 k s ?=? ?上桥臂导通，下桥臂关断上桥臂关断，下桥臂导通 (,,)k a b c = (1-1) 将三相VSR 功率开关管损耗等效电阻s R 和交流滤波电感等效电阻l R 合并，记 s l R R R =+，采用基尔霍夫电压定律建立三相VSR a 相回路方程为 ()a a a aN N O di L R i u v v dt +=-+ (1-2) 当1S 导通而2S 关断时，1a s =，且aN dc v v =；当1S 关断而2S 导通时，开关函数0a s =，且0aN v =。由于aN dc a v v s =，上式可写成 ()a a a dc a N O di L R i u v s v dt +=-+ (1-3) 同理，可得b 相、c 相方程如下： ()b b b dc b N O di L R i u v s v dt +=-+ (1-4) () c c c dc c N O di L R i u v s v dt +=-+ (1-5) 考虑三相对称系统，则 a b c u u u ++= 0a b c i i i ++= (1-6) 故 ..3 dc NO k k a b c v v s ==- ∑ (1-7) 在图1-1中，任何瞬间总有三个开关管导通，其开关模式共有328=种，因此，直流侧电流dc i 可描述为 ()dc a a b c b b c a c c b a a b a b c i i s s s i s s s i s s s i i s s s =+++++ ()()()a c a c b b c b c a a b c a b c i i s s s i i s s s i i i s s s ++++++ a a b b c c i s i s i s =++ (1-8) 另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得 dc dc L a a b b c c L dv v e C i s i s i s dt R -=++- (1-9) 则采用单极性二值逻辑开关函数描述的三相VSR 系统的一般数学模型表达式为：
PWM整流电路概述 1引言 在电力系统中，电压和电流应是完好的正弦波。但是在实际的电力系统中，由于非线性负载的影响，实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变，给电力输配电系统及附近的其它电气设备带来许多问题，因而就有必要采取措施限制其对电网和其它设备的影响。随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，大量的非线性负载被引入电网，导致了日趋严重的谐波污染。电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式，引起网侧电流、电压波形的严重畸变。目前，随着功率半导体器件研制与生产水平的不断提高，各种新型电力电子变流装置不断涌现，特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善，为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。相关资料表明，电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增，同时，由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上。 在我国，当前主要的谐波源主要是一些整流设备，如化工、冶金行业的整流设备和各种调速、调压设备以及电力机车。传统的整流方式通常采用二极管整流或相控整流方式，采用二极管整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染，而且直流侧能量无法回馈电网等缺点。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧功率因数很低，因换流引起电网电压波形畸变等缺点。这些整流器从电网汲取电流的非线性特征，给周围用电设备和公用电网都会带来不利影响。 为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中的一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器。高功率因数变流器主要采用PWM整流技术，一般需要使用自关断器件。对电流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制，使输入电流成为接近正弦且与电源电压同相的PWM波形，从而得到接近1的功率因数。对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连。只要对整流器各开关器件施以适当的PWM控制，就可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可实现交流电流接近正弦波，而且可使交流电流的相位与电源电压同相，即系统的功率因数总是接近于1。本文主要对与PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构和控制方式等进行详细说明，在此基础上对PWM整流技术的发展方向加以探讨。 2功率开关器件 PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是其中用到了全控型器件，器件性能的好坏决定了PWM整流器的性能。优质的电力电子器件必须具有如下特点：(1)能够控制通断，确保在必要时可靠导通或截止；（2）能够承受一定的电压和电流，阻断状态时能承受一定电压，导通时匀许通过一定的电流；（3）具有较高的开关频率，在开关状态转换时具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt 和dv/dt。目前在PWM整流器中得到广泛应用的电力电子器件主要有如下几种：
PWM整流工作原理
图6-28 单相PWM 整流电路 整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源单相半桥电路 交流侧电感电感和交流电源内部电感，是电全桥电路直流侧电容只要一个就可以。 单相全桥电路 6-8 电力电子技术 (1)单相全桥PWM 整流电路的工作原理 正弦信号波和三角波相比较的方法对图6-28b 中的V 1~V 4进行SPWM 控制，就可以在桥的交流输入端AB 产生一个SPWM 波u AB 。 u AB 中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。 由于L s 的滤波作用，谐波电压只使i s 产生很小的脉动。 当正弦信号波频率和电源频率相同时，i s 也为与电源频率相同的正弦波。 u s 一定时，i s 幅值和相位仅由u AB 中基波u ABf 的幅值及其与u s 的相位差决定。 改变u ABf 的幅值和相位，可使i s 和u s 同相或反相，i s 比u s 超前90°，或使i s 与u s 相位差为所需角度。 6.4.1 PWM 整流电路的工作原理
6-12 电力电子技术 (2)对单相全桥PWM 整流电路工作原理的进一步说明 整流状态下: u s > 0时，（V 2、VD 4、VD 1、L s ）和（V 3、VD 1、VD 4、L s ）分别组成两个升压斩波电路，以（V 2、VD 4、VD 1、L s ）为例。V 2通时，u s 通过V 2、VD 4向L s 储能。V 2关断时，L s 中的储能通过VD 1、VD 4向C 充电。u s < 0时，（V 1、VD 3、VD 2、L s ）和（V 4、VD 2、VD 3、L s ）分别组成两个升压斩波电路。 6.4.1 PWM 整流电路的工作原理
分类号学号 M201071071 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 三相电压型PWM整流器控制 学位申请人：万鹏 学科专业：电力电子与电力传动 指导教师：熊健副教授 答辩日期： 2013年1月6日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering Control of Three Phase Voltage Source PWM Rectifier Candidate : Wan Peng Major : Power Electronics and Electric Drive Supervisor: Prof. Xiong Jian Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China January, 2013
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在______年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：年月日日期：年月日
电力电子课程设计课程设计报告 题目三相电压型PWM整流器与仿真专业、班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015年 1 月6 日 摘要：叙述了建立三相电压型PWM 整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强 -可编辑修改-
大的MATLAB 软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。关键词：整流器；PWM ；simulink
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目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (6) 2.3 pwm 控制的基本原理 (9) 2.4 PWM 整流器的发展现状........................................ 1..0...三设计内容........................................................... 1..1 3.1 仿真模型...................................................... 1..1 3.2 各个元件参数.................................................. 1..5 3.3 仿真结果...................................................... 1..7 3.4 结果分析...................................................... 1..9 四总结............................................................... 2..0 五参考文献........................................................... 2..0
三相PWM整流器在电动汽车充电机上的应用 1 引言 电动汽车（ev）是由电机驱动前进的［1］，而电机的动力则是来自可循环充电的电池［2］，并且电动汽车对电池的工作特性的要求远超过了传统的电池系统。随着电池技术的提高，因为电动汽车电池系统中的高电压和大电流的以及复杂的充电算法，所以对电池的充电变得越来越复杂［3］，这样会对现有的电网造成很大的干扰。因此，需要高效而且失真度低的充电机［4］。 从传统上来讲，充电器可以被分为两个大类：线性电源和开关电源［5］［6］［7］。线性电源主要有三方面的优势：设计简单，在输出端没有电气噪声而且成本比较低。但是线性电源的充电电路效率低对充电器来说是一个很严重的缺点。使用开关电源可以解决这些问题，开关电源的效率高，体积小而且成本也低。传统的开关电源式充电机采用不可控或者半控器件如晶闸管进行整流，虽然能够得到较为平滑的直流电压，但是同时也给电网注入了大量的无功功率和谐波电流，给电网造成很大的污染［8］。随着电力电子技术的发展，三相电压型pwm整流器（vsr）因其具有功率因数可控、网侧电流趋近于正弦、直流侧电压稳定等优点，应用在汽车充电器中，可以解决功率因数低、谐波电流大等问题［9］。 但是pwm整流器的开关元件在电压和电流全不为零的时候动作会消耗能量［10］，而且随着开关频率增加，在开关器件上的损耗会变得越来越大［11］。使用谐振型零电压软开关可以解决这些问题，而且具有很多的优点：功率开关的软切换，在开关过程中的损耗将会很小，反过来会增加充电的效率而且可以增加运行的频率［12］。这样充电机的体积和重量也会得到减小［13］。另外一个好处是，在使用谐振［型软开关后，整流器中电压电流中的谐波含量会得到降低［14］。因此，当谐振型的整流器和传统整流器工作在相同的功率等级和开关频率时，谐振型的整流器造成的emi问题会小很多［15］。使用谐振型的整流［器去提高充电［16］机的功率等级、充电效率、可靠性和其他的工作特性［17］。 三相谐振型逆变器广泛的应用在电机调速控制等领域［20］，本文以三相逆变器为原型，设计了三相pwm整流器。并且根据谐振型整流器的特点，对控制方法进行了改进，使其能够达到最低的失真度（df）和最小的总谐波失真（thd）。将它运用在电动汽车充电机上，能够减小充电站的功率因数校正环节的压力，而且由于采用了软开关技术，不会由于增加了可控开关管，而导致充电效率降低，为充电机的大规模并入电网提供了必要条件。 2 充电机的总体拓扑结构 图1从原理上描述了充电机的总体拓扑结构图，图中包括几个主要的部分： （1）emi滤波器：抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响，同时屏蔽电动汽车充电机对交流电网造成的干扰； （2）三相pwm整流器：三相pwm整流器应用在充电机上能够提高功率因数，而且能够减少对电网的谐波污染；随着功率因数的提高，充电站功率因数校正（pfc）的压力会得到降低。由于其具有功率因数可控的功能，既可以将它应用在充电机上，也可用作整个充电站的功率因数校正（pfc），因此会有广泛的应用前景，本文将主要对他进行设计。 （3）全桥逆变器：将整流得到的直流电压逆变成高频交流方波，用以通过高频变压器，并通过调节占空比改变输出的电压电流的大小； （4）高频变压器：传输高频交流电能，同时能够将负载和前级电路进行隔离； （5）不可控整流桥：对高频变压器传输的交流方波整流，用于对电池进行充电。 在主电路中受控的主要是三相pwm整流桥和全桥逆变器两个主要环节，但是在提高功率因数和充电效率等方面，需要着重的分析三相pwm整流器的运行机理，所以在下文的讨论中
PWM整流电路的原理分析 摘要:无论是不控整流电路，还是相控整流电路，功率因数低都是难以克服的缺点.PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，本文以《电力电子技术》教材为基础，详细分析了单相电压型桥式PWM整流电路的工作原理和四种工作模式。通过对PWM整流电路进行控制，选择适当的工作模式和工作时间间隔，交流侧的电流可以按规定目标变化，使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动，且交流侧电流非常接近正弦波，和交流侧电压同相位，可使变流装置获得较高的功率因数。 1 概述 传统的整流电路中，晶闸管相控整流电路的输人电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。同时输人中谐波分量也相当大，因此功率因数很低。而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1，但输人电流中谐波分量很大，功率因数也较低。 PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，它能在不同程度上解决传统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路进行控制，使其输人电流非常接近正弦波，且和输人电压同相位，则功率因数近似为1。因此，PWM整流电路也称单位功率因数变流器。 参考文献［1］在第6章“PWM控制技术”中增添了“PWM整流电路及其控制方法”这一部分内容。但在PWM整流电路的工作原理中介绍篇幅较少，只是针对PWM整流电路的运行方式相量图进行分析，没有分析其工作过程。对PWM 整流电路不熟悉的教师在了解这部分内容时普遍感觉吃力。 1 单相电压型桥式PWM整流电路 电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式变频电源提供直流中间环节，其电路如图I所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L为交流侧附加的电抗器，在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析，可以忽略L的电阻。 图 1 电压型单相桥式PWM整流电路 除必须具有输人电感外，PWM整流器的电路结构和PWM逆变电路是相同的。按照
PWM整流器控制技术的发展 文章分别就PWM整流器控制技术的基本原理及其主要特点、三相电压型和电流型PWM整流器主要控制技术的原理进行阐述。此外还分析国内外对PWM 整流器控制技术的研究现状，并对其发展趋势进行展望。 从电力电子技术发展来看，传统的相控整流器应用时间较长，技术也成熟且被广泛应用，但其存在如下的诸多问题。 1).晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。 2).网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。 3).深控时网侧功率因数降低。 4).闭环控制时动态响应相对较慢。 针对这些问题，PWM整流器进行了全面的改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管和二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此PWM整流器就取得了以下的优良性能。 1).网侧电流为正弦波。 2).网侧功率因数控制。 3).电能双向传输。 4).较快的动态控制响应。 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，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相正阻特性，当PWM整流器运行于有源逆变状态时，网侧电压、电流反相、负阻特性。进一步研究表明，由于PWM整流器网侧电流及功率因数均可控。因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。 综上可见，PWM整流器实际上是一个交、直流可控的四象限，运行变流装置。控制技术是决定PWM整流器发展的关键因素，PWM整流控制对象是输入电流和输出电压，其中输入电流控制是整流器控制的关键。这是由于应用PWM 整流器的目的是使输入电流正弦化，在单位功率因数下运行。对输入电流有效控制实质就是对电力电子变换器的能量流动进行控制，进而控制输出电压。相反，
３１７ 华章 二 ○一一年第十八期 Magnificent Writing 杨红举，张玉珍，淅川县电业局。 作者简介：PWM 整流电路控制原理及技术研究 杨红举，张玉珍 （淅川县电业局，河南淅川474450） ［摘要］ＰＷＭ控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，使电力电子技术的性能大大的提高，并对电力电子技 术产生了十分深远影响的一项技术。笔者就ＰＷＭ整流电路的工作原理和ＰＷＭ整流电路的控制方法进行了详细的阐述，以供读者参考。 ［关键词］ＰＷＭ整流电路；原理；控制方法PWM (Pulse Width Modulation )控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。如图1所示。PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM 可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC 或LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。PWM 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung 和H.stemmler 首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。 目前，实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流。晶闸管相控整流电路输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，因此功率因数很低。而二极管整流电路虽位移因数接近1，但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低。把逆变电路中的SPWM 控制技术用于整流电路，就形成了PWM 整流电路。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，也称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器。下面就PWM 整流电路及其控制方法进行详细的阐述。 1、PWM 整流电路的工作原理 PWM 整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。 1.1单相PWM 整流电路。半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。交流侧电感包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。 全桥电路直流侧电容只要一个就可以。 1.1.1单相全桥PWM 整流电路的工作原理。正弦信号波和三角波相比较的方法对图2中的V 1~V 4进行SPWM 控制，就可以在桥的交流输入端AB 产生一个SPWM 波u AB 。u s 一定时，i s 幅值和相位仅由u AB 中基波u ABf 的幅值及其与u s 的相位差决定。改变u ABf 的幅值和相位，可使i s 和u s 同相或反相，i s 比u s 超前90°，或使i s 与u s 相位差为所需角度。 1.1.2对单相全桥PWM 整流电路工作原理的进一步说明整流状态下： u s >0时，如图2所示。（V 2、VD 4、VD 1、L s ）和（V 3、VD 1、VD 4、L s ）分别组成两个升压斩波电路，以（V 2、VD 4、VD 1、L s ）为例。V 2通时，u s 通过V 2、VD 4向L s 储能。 V 2关断时，L s 中的储能通过VD 1、VD 4向C 充电。u s <0时，（V 1、VD 3、VD 2、L s ）和（V 4、VD 2、VD 3、L s ）分别组成两个升压斩波电路。 1.2三相PWM 整流电路。三相桥式PWM 整流电路，是最基本的PWM 整流电路之一，应用最广。工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。如图3所示。进行SPWM 控制，在交流输入端A 、B 和C 可得SPWM 电压，按图4a 的相量图控制，可使i a 、i b 、i c 为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1 。 2、PWM 整流电路的控制方法 2.1间接电流控制。间接电流控制也称为相位和幅值控制。图5 为间接电流控制的系统结构图。 图中的PWM 整流电路为图4的三相桥式电路，控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。 2.2直接电流控制。通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。有不同的电流跟踪控制方法，图6给出一种最常用 的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。 3、结语 综上所述，PWM 控制技术用于整流电路即构成PWM 整流电路，也可看成逆变电路中的PWM 技术向整流电路的延伸，其控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好，目前在电力电子行业已获得了一些应用，并有良好的应用前景。 【参考文献】 [1]刘海云，韩继征，李玉仓，张浩，胡雪生.交直交变频三电平矢量脉宽调制模式的原理及调制算法探讨[A ].第十一届全国自动化应用技术学 术交流会论文集[C ].2006. [2]姚旺，王京.基于VxWorks 下的三电平PWM 整流器的控制研究[A ].自动化技术与冶金流程节能减排——全国冶金自动化信息网2008 年会论文集[C ].2008.
空间矢量的广义仿真与实验研究三相电压源逆变器的脉宽调制技术 文摘 调速驱动系统需要可变电压和频率总是从三相获得供应电压源逆变器(VSI)。一定数量的脉冲宽度调制(PWM)用于获取可变电压和方案从一个逆变器频率供应。最广泛使用的三相逆变器是舰载正弦脉宽调制方案脉宽调制和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。有增加趋势,利用空间矢量PWM(SVPWM)因为他们的简单数字的认识和更好的直流总线利用率。然而,一个合适的仿真模型还没有可用的文学。因此,本文在一步一步的发展SVPWM紧随其后的MATLAB / SIMULINK仿真模型实验的实现。首先讨论了三相逆变器的模型基于空间向量表示。下一个简单和灵活的仿真模型的SVPWM的方法,使用MATLAB / SIMULINK开发。发达模型一般自然,因为它可以利用来实现连续和不连续空间矢量。论文的新颖性依赖提议的灵活和通用SVPWM的Matlab / Simulink仿真模型。实验及仿真结果验证该模式 关键词:空间矢量PWM 不连续PWM电压源逆变器 1.介绍 三相电压源逆变器广泛应用于变速交流电动机驱动应用程序因为他们提供变量电压和通过脉冲宽度调制控制变频输出。持续改进和高成本开关频率的功率半导体器件和机器控制算法的发展导致越来越感兴趣更精确的PWM技术。的工作已经在这个方向进行,评估的流行技术提出了由霍尔兹(1992)和霍尔兹(1994)。使用最广泛的是舰载sine-triangle PWM脉宽调制方法由于简单的实现方法在模拟和数字实现。在此方法中,然而,直流总线利用率低,直流5 V,这导致了客观的调查其他技术改善直流总线利用率。它是Houdsworth和格兰特(1984)发现注入零序(第三次谐波)扩展了范围的操作调制器15.5%。与大功率传动的应用程序相关的主要问题是高在逆变器开关的损失。来降低切换损失称为不连续PWM脉宽调制技术(DPWM)是由Depenbrock(1977)和Kolar et al。(1991)。拟议中的不连续PWM技术是基于triangle-intersection-implementation中非正弦调制信号与三角载波比较。一个广义不连续脉宽调制算法提出的有et al。(1998)包括的技术Depenbrock Kolar(1977)和:et al。(1991)。
单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真 0 引言众所周知，在传统的整流电路中，晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏，这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素，也增加了电网中无功功率的消耗。PWM 整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路，能有效地解决传统整流电路存在的问题。通过对PWM 整流电路进行有效的控制，选择合适的工作模式和工作时序，从而调节了交流侧电流的大小和相位，使之接近正弦波并与电网电压同相或反相，不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题，同时也使得变流装置获得良好的功率因数。 1 单相电压型桥式PWM 整流电路的结构单相电压型桥式PWM 整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式变频电源提供直流中间环节，电路结构如图1 所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L 为交流侧附加的电抗器，起平衡电压，支撑无功功率和储存能量的作用。图1 中 uN(t)是正弦波电网电压；Ud 是整流器的直流侧输出电压；us(t)是交流侧输入 电压，为PWM 控制方式下的脉冲波，其基波与电网电压同频率，幅值和相位可控；iN(t)是PWM 整流器从电网吸收的电流。由图1 所示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管VD1～VD4 完成从交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件VT1～VT4 从直流侧逆变为交流，反馈给电网。所以PWM 整流器的能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是整流还是逆变，主要视VT1～VT4 的脉宽调制方式而定。 因为PWM 整流器从交流电网吸取跟电网电压同相位的正弦电流，其输入端的功率是电网频率脉动的两倍。由于理想状况下输出电压恒定，所以此时的输出电流id 与输入功率一样也是网频脉动的两倍，于是设置串联型谐振滤波器
第1章绪论 1.1PWM整流器概述 随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关．如双极型晶体管(BJT)、门极关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGcT)、电力场效应晶体管(MOSFET) 以及场控晶闸管(McT)等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。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。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路．因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。其主要思路就是将PWM 技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。 根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM 整流器和不可逆PWM整流器。本论文只讨论能量可双向流动的可逆PWM整流器及控制策略，以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器。 第2章PWM整流器的拓扑结构及工作原理 2.1PWM整流器原理概述 从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC／DC变换装置。整流器的发展经历了由不控整流器(二极管整流)、相控整流器(晶闸管整流)到PWM 整流器(可关断功率开关)的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用，但仍然存在以下问题： (1) 晶闸管换流引起网侧电压波形畸变； (2) 网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”；． (3) 深控时网侧功率因数降低； (4) 闭环控制时动态响应相对较慢。