发布时间 : 星期一 文章三相电压型pwm整流器设计 本科学位论文更新完毕开始阅读b613622876232f60ddccda38376baf1ffc4fe3a5
三相电压型PWM整流器设计 馈给电网。为了装置的安全运行，这部分能量必须通过一定的途径消耗掉。在中小容量系统中，一般采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单，但是有如下缺点:浪费能量，系统效率低；电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作；简单的能耗制动不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了性能的提高。
传统晶闸管(SCR)构成的相控整流电路已经非常成熟，并获得了广泛应用，但存在以下几个主要弊端:
1.交流侧输入端电流波形畸变严重；
2.整流器工作在深度相控状态下，交流侧功率因数极低； 3.由换流引起电网电压波形畸变； 4.直流侧输出电压波动大；
5.由相控整流电源构成的直流调速系统动态响应较慢。
目前解决电网污染的途径主要有两种：（1）.对电网来说，采用在电力系统中加入补偿器来补偿电网中的谐波，如LC滤波器，有源滤波(APF: Active Power Filter)等。（2）.设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。前者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除了谐波源，是解决谐波问题的根本措施。把PWM技术应用于由MOSFET、IGBT等全控器件组成的整流电路，可运行于高功率因数，甚至能量可以双向流动，真正实现绿色电能转换，因而备受关注。这种整流器称为PWM整流器，又称为高功率因数变流器。
1.2 三相电压型PWM整流器国内外研究的现状
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发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关，尤其是20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)和功率IC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，促进了电力电子交流技术的迅速发展，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、不间断电源（UPS)、高频开关电源等各类变流器。目前，这些变流装置大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可控整流或晶闸管相控整流，对电网注入了大量谐波及无功功率，造成了严重的电网“污染”。因此，作为电网主要“污染”源的整流器得到了大家的关注，并开展了大量研究工作，主要是将PWM技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且运行于高功率因数，甚至实现能量的双向流动。能量可双向流动的PWM整流器不仅具有整流特性，而且还具有逆变特性，
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三相电压型PWM整流器设计 所以说PWM整流器是一种新型的可逆PWM变流器。
70年代初，国外就开始了PWM整流逆变技术的基础研究。80年代后期随着全控器件的问世，采用全控型器件实现PWM高频整流的研究进入高潮。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路，其拓扑结构已从单相、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，而在主电路类型上，有电压型整流器也有电流型整流器，目前以电压型为主，本文主要讨论电压型整流器。
目前，国内外对于三相电压型PWM整流器的系统的建模分析研究较少，主要是集中于电流控制方法和系统控制策略的实验研究，分析各参数与系统性能之间的关系，并找到改善电流跟踪性能，提高输入功率因数的方法，仿真和实验是主要手段。
三相电压型PWM整流器的网侧电流控制策略主要分成两类:一类是间接控制策略；另一类就是目前研究较多的直接电流控制策略。间接电流控制实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即根据整流器的稳态电压平衡关系，通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流，最显著的优点是结构简单，检测量少，无需电流传感器，成本低，实现容易，静态特性良好，但其电流的动态响应慢，适用于对控制性能和动态响应要求不高的场合。为了提高电压利用率并降低开关损耗，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器电流控制中取得了广泛应用。
直接电流控制策略以其快速的电流响应和鲁棒性得到学术界的广泛关注，并先后研究出不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的PWM电流控制，以及以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制等。直接电流控制的优点为动态响应速度快、限流容易、控制精度高，缺点是要实现PWM整流器电压矢量控制，需要解决正弦函数和反正切函数等算法，需要复杂的算法(由DSP或多片单片机实现)和调制模块。在交流源电压一定时，如能直接控制PWM整流器的瞬时有功和无功，同样可达到控制输入电流的效果，这种控制技术称为直接功率控制。直接功率控制的主要思路是由全控型器件开关状态来估计有功和无功。当整流器的全控型开关器件在不同的开关状态时，有着不同的瞬时有功和无功，通过控制开关状态，就可以直接对功率进行控制，目前这种控制策略引起了很多研究人员的关注，以直接功率控制为基础的控制算法主要有基于电压的直接功率控制和基于虚拟磁链的直接功率控制。
1.3 研究的目的及意义
众所周知，电能是现代社会的主要能源，在各行各业中有着最广泛的应用，是人类
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三相电压型PWM整流器设计 现代文明的重要物质基础之一。而随着电力电子技术的迅速发展，电力电子设备的应用日益广泛，从而使得电网的谐波污染日益严重。一方面使电力系统的供电效率下降并且威胁电力系统自身的安全运行，另一方面影响了电力系统的供电质量。为了避免谐波的危害，保持高的供电品质，许多国家和国际组织出台了治理措施和相关标准，对产生电力污染的用电设备提出了明确的限定。在这些标准当中，被广泛接受的有IEEE-519标准和IEC555-2标准。IEEE-519标准和IEC555-2标准(1995年修订后为IEC1000-3-2)对负载产生的谐波进行限制，使负载对电网注入的谐波在规定的范围内。在我国也有相关的标准颁布，如SD126-84《电力系统谐波管理暂行规定》，GB/T14549-93 (电能质量公用电网谐波)以及GB/Z17625.4-2000《电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》等。
目前，抑制谐波电流将电力电网的谐波水平控制在谐波限值标准的范围之内的途径主要有两条:一是对电力电子设备本身进行改造，研究开发高功率因数变流器，使其不产生谐波污染:二是装设补偿装置来抑制谐波的污染和扩散，从而提高电能供电质量。从长远来看，研究开发高功率因数的变流器，则是一种更为有效和积极的措施。
另外，随着电力传动及控制技术的发展，具有能够节约能源、降低功耗、提高生产效率、改善产品质量等优点的变频调速制系统越来越广泛地应用于工农业等各领域中。然而，在大多数变频调速控制系统中，通用变频器大都为电压型的交-直-交的电路结构，一般都是先通过二极管不可控的整流电路得到直流，然后通过电容的滤波稳定，最后经过逆变输出电压频率可调的交流电。一方面通用变频器的二极管不可控整流电路对电网注入了大最谐波及无功功率，造成了电网的严重污染。另一方面，在频繁正反转的调速系统中，如电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床等，当电机减速、制动或带有势能的重物下放时，电机处于再生发电状态，由于二极管整流桥能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧的滤波电容上，产生泵升电压，过高的泵升电压有可能损坏功率开关器件、滤波电容，为了解决电机处于再生发电时所产生的泵升电压问题，一般都采用能耗制动，将再生的电能转化成热能而白白浪费掉了，这样不但严重浪费能源，而且也不能有效的解决二极管整流的谐波问题。
针对以上问题，本课题所研究的三相电压型PWM整流器具有高功率因数、直流电压稳定控制等特性，解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低等问题。目前，随着电力系统理论的发展和对电力系统中所存在问题的深入研究，如无功功率补偿、谐波抑制、负载对电网冲击的抑制等，三相电压型PWM整流器已被广泛用于改造电网污染和提高电能利用率。另外，三相电压型PWM整流器已被广泛应用于新能源的利用，如用作并网装置时可把本地装置消耗不了的电能回馈到电网，可以以高功率
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三相电压型PWM整流器设计 因数运行，消除谐波，最终可以提高对风能、太阳能的利用率。总之，这种整流器性能优越，可以替代传统的整流电路实现装置的“绿色”运行，有着更为广泛的应用前景和重要的研究价值。
1.4 本课题所做的工作
本课题以三相电压型PWM整流器为研究对象，分析三相电压型PWM整流器的工作原理，介绍一种空间电压矢量脉宽调制间接控制方法，进行系统仿真，具体工作如下：
1.分析三相电压型PWM整流器的基本工作原理，建立基于开关函数的三相电压型PWM整流器的数学模型。
2.介绍三相电压型PWM整流器的控制方法，在等量坐标变换的基础上，深入研究三相电压型PWM整流器的空间电压矢量脉宽调制控制算法，进行三相电压型PWM整流器的PI控制调节器的设计。
3.进行三相电压型PWM整流器系统的仿真研究，建立主电路、空间电压矢量PWM控制模块及PI控制调节器的仿真模型，进行三相电压型PWM整流器系统的仿真。
4.在对三相电压型PWM整流器的工作原理及控制方法进行深入分析的基础上，根据对三相电压型PWM整流器系统的仿真，从而进行了系统的部分硬件设计。主要有：（1）功率开关器件的选择设计；（2）交流侧电感的设计；（3）直流侧电容的设计；（4）智能功率模块IPM 的隔离驱动电路及保护电路设计。
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