基于三相PWM整流器蓄电池充放电系统的研究与设计

三相高功率因数PWM整流器的设计和研究的开题报告
一、选题背景及意义
随着工业自动化和电力质量的要求不断提高，三相高功率因数PWM整流器成为了电气控制领域研究的热点之一。

它能够通过调节控制器输出的PWM信号来实现整流器电流的精确控制和调节，从而达到提高功率因数、减小谐波、改善电网质量等功效。

本课题的研究目的是设计一种三相高功率因数PWM整流器，以实现对电气系统中的电能转换和电网质量的优化控制，提高电网的可靠性和稳定性，同时减少能源的浪费，
从而为电气控制领域的可持续发展作出贡献。

二、研究内容和方法
本课题的研究内容主要包括：三相高功率因数PWM整流器的电路设计、电源电路设计、控制策略设计等方面。

具体来说，主要包括以下几个方面：
1.研究PWM技术的原理和应用，设计三相全桥电路和LC滤波器电路；
2.研究电源电路选型和设计，选择合适的电源装置，保证整流器的工作稳定性；
3.设计控制系统策略，建立三相电流控制模型和电路模型，设计控制器的参数；
4.使用Matlab/Simulink等软件对整流器进行仿真分析，验证设计的正确性和可
靠性。

三、预期成果与意义
预计通过本课题研究可以设计出一种稳定可靠的三相高功率因数PWM整流器，并基于图形化软件进行模拟和仿真，以验证其性能的正确性和可靠性。

这将为电气控
制领域中的电气转换技术提供新的解决方案，并为解决电能浪费和改善电网质量问题
提供新途径。

同时，本研究的成果还将对电能转换技术、电力电子技术、控制理论等
领域的发展起到积极作用，对提高国家科技水平和推动电气控制领域可持续发展具有
重要的意义和价值。

毕业设计（论文）题目PWM整流器的设计学院（系）：自动化学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：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障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理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。

本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，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。

本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书2、不保密囗。

（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名覃峰专业班级电气0702指导教师袁佑新教授胡红明讲师工作单位自动化学院设计(论文)题目: PWM整流器的设计设计（论文）主要内容：熟悉整流的原理，对整流技术进行综述、比较，并设计出整流器硬件电路和软件程序。

要求完成的主要任务:（1）外文资料翻译不少于20000印刷符；（2）查阅相关文献资料（中文15篇，英文3篇）；（3）掌握整流的原理；（4）撰写开题报告；（5）熟悉整流技术国内外的研究现状、目的意义；（6）对整流技术进行综述、比较；（7）计出整流器硬件电路和软件程序。

；（8）绘制的电气图纸符合国标；（9）撰写的毕业设计（论文）不少于10000汉字。

必读参考书：[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术.第4版.北京：机械工业大学出版社，2007[2] 杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，2006[3] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制.北京：机械工业大学出版社，2003指导教师签名系主任签名院长签名(章)武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告序中主要有以下几个模块构成：直流电压检测模块、交流电压检测模块、电压外环调节器计算模块、电流指令计算模块、电网频率检测模块、电流检测模块、电流内环调节器计算模块，指针计算模块。

本科生毕业论文(设计)题目：基于三相PWM整流器的蓄电池充放电系统的研究与设计专业班级：自动化二班摘要在蓄电池的生产过程中需要对蓄电池进行循环充放电，对蓄电池进行化成，以激活蓄电池。

传统蓄电池充放电机大多采用晶闸管变流方式，网侧功率因数低，谐波污染严重。

此处研发了一种基于PWM 的蓄电池充放电机，该装置可运行于单位功率因数而使谐波变小，并且可将电池的放电能量馈送电网本文主电路采用三相电压型PWM 整流器，这是一个强耦合、时变非线性系统，控制较为复杂。

本论文侧重于工程设计与实现，综合考虑设计方案的可行性，可靠性，成本，生产工艺等方面的因素。

主要包括控制方法的研究、空间矢量的实现、系统的硬件与软件设计。

本文介绍三相PWM 整流器的基本理论，先介绍PWM 整流器的典型拓扑和工作原理，并建立了三相电压型PWM 整流器在abc 三相静止坐标系和dq 两相同步旋转坐标系下的数学模型。

基于dq 数学模型，完整给出采用PI 前馈解耦的双闭环控制结构。

外环为电流或电压环，用于控制恒流充放电电流和恒压充电电压。

内环为电流环，用于快速跟踪外环的指令，实现单位功率因数和正弦波电流控制。

关键词：整流器；蓄电池；PWM；坐标变换AbstractThe battery needs charging and discharging repeatedly in producing, so as activated. Most traditional charging-discharging device of storage battery using thyristors has many disadvantages. Such as low power factor and high harmonics. A novel battery charging and discharging device base on PWM is researched and developed, which can operate with unit power factor and low harmonics, and feed the discharged energy back to the utility AC line.The main circuit of this paper is three-phase voltage source PWM rectifiers, which is astrong coupling, time-varying nonlinear system, control is more complicated. This paperfocuses on the engineering design and implementation. It takes various elements such asfeasibility, reliability, cost andproduction engineering into thecompr ehensive consideration,including the research of control methods, the implementation of space vector, the design of hardware and software, and the development of prototype.This paper introduces the basalofthree-phase voltage source PWM rectifiers. Firstly, the typical topologies and principal of PWM rectifier is analyzed in this paper. The mathematical models of three-phase voltage source PWM rectifier in ABC three-phase stationary anddqtwo-phasesynchronous rotating coordinate system are established.PI and feedforward decoupling two loop control method is presented completely based on dq mathematical model.The external loop is to control the charging-discharging current or to control the charging voltage. The inner loop tails the current index of the external loop to realize unity power factor and sinusoidal current control.sincluding structure of program, control algorithm, realization of program. The program has many advantages of simple code, precise calculation and swift response.Keywords: rectifier;pwm;storage battery;three-phase voltage.目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 蓄电池充放电装置的现状和发展 (2)1.3 本课题的研究内容 (3)第2章三相电压型PWM 整流器的原理及控制 (5)2.1 PWM 整流器常见拓扑结构 (5)2.1.1 电压型三相PWM 整流器拓扑结构 (5)2.1.2电流型PWM 整流器拓扑结构 (6)2.2 PWM 整流器的运行基本原理 (7)2.3 三相VSR 数学模型 (8)2.3.1 三相VSR 的一般数学模型 (8)2.3.2 三相VSR dq 模型 (10)2.4 三相电压型PWM 整流器的控制 (12)2.4.1 常用控制方法 (12)2.4.2 三相VSR 的解耦控制方法 (14)2.4.3 三相VSR 空间矢量控制 (15)第3章蓄电池充放电装置的硬件设计 (16)3.1 硬件系统构成 (16)3.2 主电路设计 (17)3.2.1 功率器件IGBT 的选型 (17)3.2.2 三相VSR 电感设计 (18)3.2.3 电容的设计 (18)3.3 辅助电源电路设计 (19)3.4 检测控制电路设计 (21)3.4.1 TMS320F28035 最小系统电路设计 (21)3.4.2 蓄电池电流采样电路设计 (21)3.4.3 蓄电池电压采样电路设计 (23)3.4.4 交流侧电流采样电路设计 (23)3.4.5 电网电压过零检测和电压采样电路设计 (24)3.4.6继电器驱动电路设计 (25)3.4.7 相序检测电路设计 (26)3.4.8 CAN 通信接口电路设计 (27)3.5 本章小结 (27)第4章系统装置的软件设计及结果 (28)4.1 控制系统的构成 (28)4.2 电网周期与PWM 周期的计算 (31)4.3 A/D 采样 (32)4.4本章小结 (33)结束语 (34)参考文献 (35)致谢 (37)附录A 系统电路图 (38)第1章绪论1.1 研究背景及意义铅酸蓄电池是产生于1859 年，如今已经成为世界上广泛使用的一种储能设备，具有供电可靠、移动方便、电压特性平稳、适用于大电流放电及广泛的环境温度范围、使用寿命长、适用范围广、及造价低廉等优点。

三相高功率因数PWM整流器的研究与设计的开题报告一、选题背景随着现代工业的不断发展和电力电子技术的不断更新，对电力质量的要求也越来越高。

同时，为了提高电网的效率和稳定性，降低能源的消耗，高功率因数已成为电力电子技术技术发展的趋势和研究热点。

因此，本文选取了三相高功率因数PWM整流器作为研究对象。

二、选题意义三相高功率因数PWM整流器在电力电子应用中占有重要地位。

其具有高效率、稳定性好、工作可靠等优点，可广泛应用于交流电机驱动、电力质量改善、太阳能光伏系统、风能转换系统、直流电源等领域。

因此，研究三相高功率因数PWM整流器对于提高电力电子领域的科研水平、推动技术的发展以及推动经济的发展都具有十分重要的意义。

三、研究目标本文旨在研究设计一种高功率因数的三相PWM整流器，通过分析控制器结构和控制算法的优化，实现对输入电源的功率因数的修正，达到提高电网的效率和稳定性的目的。

同时，在电路拓扑结构的选择、开关管的选取、磁功率变换器（PFC）的参数设计以及控制策略的实现上做出一定的创新。

四、研究内容1. 三相高功率因数PWM整流器的原理分析与建模2. 电路拓扑结构的选择与优化3. 整流器开关管的选取及参数设计4. 磁功率变换器（PFC）的参数设计5. 控制策略的设计与实现五、研究方法本文将采用以下研究方法：1. 理论分析法：对三相高功率因数PWM整流器进行原理分析、数学建模，探讨其工作原理和控制策略。

2. 实验验证法：利用MATLAB/Simulink软件进行电路仿真，并在硬件实验平台上进行实际测试和验证。

六、预期成果完成本文的研究后，我们将得到一个成熟的高功率因数三相PWM整流器的设计方案，并在实际电路中实现其控制策略，在理论与实验模拟上均能得到理想的结果，预计可提高电网的效率和稳定性，促进工业、航空航天、船舶、交通、节能等领域的发展。

第三章三相电压型PWM整流器的基本原理与建模分析本文蓄电池充电装置是采用可逆PWM整流器的智能充电装置，PWM整流器既可工作于整流状态又可工作于逆变状态，从而实现能量再生和提高网侧功率因数，降低对电网的谐波污染;并采用馈能放电，将蓄电池电能回馈到电网，节省电能。

三相电压型PWM整流器是本系统研究的基础，担负着为蓄电池充电时提供直流电源及放电时向电网馈电的功能。

本章给出了三相电压型PWM整流器的基本原理及建模仿真。

1.1 PWM整流器基本原理概论PWM整流器是一个可工作在四象限的、交流侧和直流侧全控型的电流变换装置。

首先通过PWM整流器的模型电路来阐述其基本原理。

图3-1图3-1为PWM变流器模型电路。

PWM变流器模型电路由主要由三部分构成:交流网络、桥式功率开关管电路以及直流网络。

其中交流网络可以等效为交流电动势E和网侧电感L的串联;直流网络可以等效为负载电阻RL和负载电动势eL串联;桥式功率开关管电路可以是电压型桥路也可以使电流型桥路。

忽略功率开关管桥路的损耗，根据交流侧和直流侧功率平衡关系可得1.1式（3-1）式中:V , I 一交流侧电压、电流;Vdc, ldc一直流侧电压、电流。

由式(1.1)可知:模型电路的的交，直流两侧相互制约。

下面通过分析模型电路的交流侧电压电流来研究PWM变流器的运行原理。

为简化分析，忽略PWM的谐波分量，只考虑基波，稳态运行时，PWM交流侧电压电流矢量关系如图1.2所示。

以E为参考矢量，控制V，可实现四象限运行。

如不变，则也不变，V的运行轨迹便成了以为半径的圆。

在V分别抵达A, B, C, D四个特殊点时，PWM整流器分别呈现纯电感特性、正电阻特性、纯电容特性和负电阻特性。

A)纯电感特性运行 B)正电阻特性运行 C)纯电容特性运行 D)负电阻特性运行图1.2PWM变流器交流侧稳态矢量关系图E一交流电网电动势矢量 V一交流侧电压矢量VL-交流侧电感电压矢量 I一交流侧电流矢量对PWM整流器在四个特殊点间的运行规律详细分析如下:1.电压矢量v端点在圆轨迹弧AB上运动时，PWM整流器运行于整流状态。

三相电压型大功率PWM整流器研究和系统设计近年来，随着电力电子器件的发展和现代控制理论的应用，PWM整流器因具有交流侧可单位功率因数运行，能量可以双向流动等优点，而成为电力电子领域的研究热点，并且在风力并网发电，有源电力滤波方面得到了大力的应用。

本文以三相电压型PWM整流器为研究对象，在广泛研究了PWM整流器的研究热点和应用现状上，建立了基于开关函数的数学模型，深入分析了三相电压型PWM整流器的换流过程和工作原理。

在对比了PWM整流器现行的各种控制策略优缺点后，采用直接电流控制策略，在MATLAB中建立了基于直接电流控制策略的PWM整流器仿真模型，通过仿真，分析了PWM整流器中电感，电容参数变化，负载变化时对系统性能的影响，提出一种PWM整流器交流侧电感计算方法。

针对传统直接电流控制策略中PWM整流器交流侧电流总谐波畸变率大等问题，提出基于参数自整定模糊PI控制算法，来代替直流电流控制中普通的PI 控制器。

针对PWM整流器的直流电压超调量大，过渡时间较长等问题，将滑模变结构控制理论应用于PWM整流器中，建立了基于PWM整流器传递函数的电压外环滑模控制器，在N砂汀LAB/simuhnk中验证了上述改进措施的正确性。

最后，本文完成了以TMS32OF2812DSP为核心的PWM整流器系统设计。

完成主电路参数的计算，开关管的选型，完成了PWM整流器交流侧电压电流，直流侧电压检测电路设计以及驱动电路设计对PWM整流器软件设计进行概要介绍。

关键词PWM整流器，模糊控制，电感参数计算，滑模控制AB5TRACT AsthedevelopmentofPowerelectroniedevieesandmodemeontroltheory，Three PhaseV oltage SourcePWMReetifier(VSR)15widelyused. It15usefulinindustrialaPPlieationssuchasactivePowerfiiter，variable sPeeddrives.Three 一PhaseVSR15capableofbi一direetionalPowerflow，unityPowerfaetoroPerationandinPutcurrentwithlowhannonicCofltCllt.InthisPaper，theThree一PhaseVSRMathematiesmodebasedonswitehingfunctionareseParatelysetteduPinthree一Phasestationaryeoordinateandtwo一Phasesynehronouslyrotatingcoordinate，anddireetcurrenteontrolschemeforthree一PhaseVSR15studiedandsimulated.Fromtheresultsofsimulation，thisPaPeranalysisedThree一PhaseVSRdynamicPerformaneeandrobustnesswhenitsinduetance，caPaeitaneeandloadareehanged，thenanewmethodaboutinductanceealculateinghasbeenProPosed.ConsideringhighhannoniecontenteharaeteristicoftheinPuteurrent，afuzZylogiceurrentregulatorbaseondeePlyanalyzingtheadvantagesoffuzZyPleontrolwasProPosed.ThefuzZylogiceurrentregulator15usedtoredueetheTHDofinPutcurrentsandaccommodationtimeofvoltage.InordertoimProvetherobustnessanddynamieresPonseofoutPutvoltage，anewsliding一modevoltageconirolregulatoralgorithm basedontransferfunctionwasProPosed.TheabovetwomethodshasbeenstudiedbysimulationinMATLABsoftwareandeomParedwithPlcontrol.SimulationresultsinN LAB/simulinkshowtheadvantagesoftwoProposedmethods.AtthelastofthisPaper，aresolvingstrategybasedonTMS320F281215ProPosed，ineludingthePowersystemdesignandthecontrolsystemdesign.KEYWORDSPwmreetifier，fuzZy一Pid，silding一modeeontrol目录摘要........……，…，，....................................……!ABS丁RACT (11)第一章绪论................，. (1)1.1课题的背景和研究意义 (1)1.2国内外发展水平和动向................， (2)1.2.1交流侧电流控制策略 (2)1.2.2无传感器控制................................， (4)1.2.3主电路的拓扑结构 (4)1.2.4智能控制在PWM整流器中的应用 (5)1.3本课题研究的主要内容 (5)第二章PWM整流器的运行基本原理..........................， (7)2.1PWM整流器的数学模型 (7)2.2PWM整流器运行的基本原理.............................，.. (9)2.2.1PWM整流器四象限运行的原理 (9)2.2.2直接电流控制基本原理......................……，................................. n2.2.3SVPWM技术在PWM整流器的应用 (16)2.3不同LC参数对系统性能的影响 (20)2.3.1仿真模型的建立 (20)2.3.2交流电感对系统性能的影响 (24)2.3.3直流电容对系统性能影响 (26)2.3.4负载变化对系统性能的影响 (27)2.4本章小结 (28)第三章改善PWM整流器的性能研究 (29)3.1改善PWM整流器性能的两种途径 (29)3.2电流内环的模糊PI控制 (29)3.2.1选择模糊PI控制算法的原因 (29)3.2.2模糊控制的基本原理 (29)3.2.3电流内环模糊自适应PI控制器的设计..............................................……303.2.4PWM整流器的电流内环模糊PI仿真...............................................……333.3PWM整流器的滑模变结构控制.....................................................................363，3.1选择滑模控制的原因及其在PWM整流器上的应用现状 (36)3.3.2滑模变结构控制基本原理...................................................................……373.3.3滑模控制的抖振问题..........................................................................……403.3.4PWM整流器电压环的滑模控制器设计.............................................……413.3.5减弱PWM整流器滑模控制抖振措施 (44)3.4本章小结......................................................................................................， (45)第四章PWM整流器的系统设计.......................，.. (47)4.1主电路参数设计 (47)4.1.1开关管参数选择.........................................................................， (47)4.1.2开关管缓冲电路设计....................................................................， (48)4.1.3交流侧电感直流侧电容设计...............................................................……494.2控制电路设计.............，..............................................................，.. (49)4.2.1DSP上电模块.......................................................................................……494.2.2交流电压直流电压检测模块...............................................................……504.2.3交流电流检测模块......................................................................……，.……534.2.4驱动电路..............................................................................................……544.2.5同步信号检测电路...........................................................，. (57)4.2.6散热系统..............................................................................................……574.3软件设计概述 (57)4.3.1主程序模块...........................................................................................……574.3.2外部中断程序......................................................................................……584.3.3Tl中断程序模块..................................................................................……594.4本章小结 (59)结论与展望 (60)参考文献.........，...，.. (62)附录 1.......................................................，.. (66)致谢................................，....................， (69)攻读硕士学位期间发表的论文..................................……70中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论课题的背景和研究意义能源是国民经济飞速发展的重要因素，如何合理开发和高效利用能源是大力提倡低碳经济的今天迫切需要解决的问题。