单极性倍频电压型PWM整流器的研究 (2).docx
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1、 南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书(论文)作 者:任旭涛学 号:1701050331学院(系):智能制造学院专 业:电气工程及其自动化题 目:单极性倍频电压型PWM整流器的研究讲师顾玲指导者: 评阅者: 2021 年 6 月毕业设计说明书(论文)中文摘要在现代生活中,电力成为了人们不可分割的一部分,随着电力设备的不断发展,许多相应的问题都出现了。谐波污染和无功问题尤为严重。对此,许多国家都制定了相应的措施来解决这些问题,我国也对谐波污染出台了一系列标准,而我国对高功率因数单极性倍频电压型PWM整流器的研究起步较晚,对单极性倍频电压型PWM整流技术的工程应用研究还有待继续深入。因此,本文对
2、单极性倍频电压型PWM整流器进行研究,对其进行单极性和双极性PWM调制分析,分析其工作原理,给出驱动、控制电路设计方案,并用仿真软件PLECS对理论分析进行验证。关键词电压型PWM整流器单极性倍频双极性毕业设计说明书(论文)外文摘要Title Research on Unipolar Frequency Double Voltage PWM RectifierAbstractIn modern life, electricity has become an inseparable part of people. With the continuous development of power
3、equipment, many corresponding problems have appeared. Harmonic pollution and reactive power problems are particularly serious. In this regard, many countries have formulated corresponding measures to solve these problems. my country has also issued a series of standards for harmonic pollution. my co
4、untrys research on high power factor unipolar frequency doubled voltage type PWM rectifiers started late. The engineering application research of unipolar frequency doubling voltage-type PWM rectification technology still needs to be further deepened. Therefore, this paper studies the unipolar frequ
5、ency-doubled voltage-type PWM rectifier, analyzes its unipolar and bipolar PWM modulation, analyzes its working principle, gives a design plan for the drive and control circuit, and uses the simulation software PLECS to analyze the theory Analyze to verify.Keywords Voltage type PWM rectifier unipola
6、r frequency doubler bipolar 本科毕业设计说明书(论文) 第 页 共 页目录1 绪论11.1 单相PWM整流器研究概况11.2 单相PWM整流器的分类及其拓扑结构11.3 本课题的研究任务42单相PWM整流器的原理及数学模型52.1 单极性PWM调制52.2 双极性PWM调制72.3 单相 PWM整流器的数学模型83 单相PWM整流器的控制策略113.1 前馈型直接电流控制113.2 锁相环控制134 主电路设计144.1交流侧电感设计144.2直流侧电容设计165 仿真分析结果185.1 仿真参数185.2 仿真电路图185.3 PLECS仿真波形图19结束语22致
7、 谢23参 考 文 献24 第 24 页 共 28 页本科毕业设计说明书(论文) 1 绪论1.1 单相PWM整流器研究概况在20世纪60年代出现了PWM技术,这种技术最先在直流变换电路中运用。PWM技术的开关频率是固定的,它可以调节直流侧输出量的大小,这是PWM技术通过控制开关管的导通和关闭来实现的。后来,一位日本学者经过研究,发现了PWM技术和频率控制有很大的关联。它们两者结合起来可以运用于交流电机控制的逆变电路中,这种新颖的技术可以将输出电压中的谐波含量降低,也使得电压控制和频率控制都可以在逆变电路中实现。自此以后,PWM的技术发展就越来越快了,但其中出现的问题也有不少,功率开关器件的问题
8、尤为突出。到了20世纪70年代,PWM技术发展迅速,单相整流电路也在其中运用了起来,半控功率开关器件的发展也很迅速,在电路中也经常能用到。到了20世纪80年代,单相整流器的研究越来越多,这使得功率开关器件得到了快速进步,这让很多技术也在不断进步。功率半导体技术、传感器技术、电路拓扑结构的多样化、电路的控制策略以及连续和离散数学模型的提出,都极大的促进了单相PWM整流器的发展。这也给新的技术提供了支持,如光伏太阳能并网发电、交流传动、柔性交流电传输等。这些都将给PWM整流技术的研究带来推动作用。1.2 单相PWM整流器的分类及其拓扑结构PWM整流器有不同的分类方式,从人们平常研究的话来说,它主要
9、分为两大类,电流型和电压型。电流型整流器不算太常见,电压型整流器是比较热门的。它们两者之间有共同点,也有不同的地方。但电流型整流器和电压型整流器的最终目的都是获得稳定的电压或电流。电流型整流器和电压型整流器在PWM信号、电路拓扑结构、控制方法等方面有一些不同。PWM整流器还有不同形式的分类,可以按照开关调制方式分为硬开关调制和软开关调制;可以按照桥路结构分为半桥电路和全桥电路;可以按照电网相数分为单相、三相和多相电路;还可以按照电平分为二电平、三电平和多电平电路。PWM整流器的发展迅速,其中单相电压型PWM整流器的研究很多,它的拓扑结构比较简单,它的控制方法也很多,所以下文将对单相PWM整流器
10、进行细节展开。1.2.1 单相半桥型PWM整流电路单相半桥型PWM整流器的拓扑结构较为简单,整个电路的器件并不多,电路包含两个桥臂,两个电容,还有交流电源和电阻电感等。两个电容串联在一个桥臂上,电容可以起到直流储存能量的作用。功率开关器件上反并联了续流二级管。这个电路拓扑结构较为简单,便于平常的研究。因此,整个电路适合于一些小功率、低成本的场合。半桥型电路的功率开关器件为全桥型的一半,因此它的功率开关器件必须要足够耐压。半桥型电路直流侧的电容需要进化中点电压平衡控制,这就使半桥型电路的控制难度大大增加。图1.1单相半桥型PWM整流电路拓扑1.2.2 单相全桥型PWM整流电路下图1.2所示为单相
11、全桥PWM整流电路,它有四个功率开关器件,它的直流侧只有一个电容,功率开关管反并联了二极管。整个电路看起来很简单,电路控制起来也很方便,是现在用来学习的一种普通电路拓扑结构。图1.2单相全桥型PWM整流电路拓扑1.2.3 三电平单相PWM整流器拓扑结构三电平单相PWM整流器的拓扑结构很复杂,它的结构比二电平结构复杂不少。因此它暴露出来的问题不少,它的控制方法较为复杂。三电平电路的每一个桥臂上串联了4个功率开关器件,功率开关管上反并联了续流二极管,它的输入测电流波形较为稳定,呈现正弦波状态。三电平电路的桥臂上还连接着二极管,这些二极管起着重要的作用。三电平的直流侧电容电压的问题不好解决,它的电压
12、不平衡会导致有些开关器件因为电压不平衡而损坏。所以整个电路还需要加入中点电压进行平衡控制。图1.3三电平单相PWM整流器拓扑结构1.2.4 混合三电平单相PWM整流器拓扑结构混合型三电平单相PWM整流器的结构也较为复杂,它有左右两个桥臂,每个桥臂上都有功率开关器件,整个电路还有电容、电阻和电感等器件。右桥臂上的开关管受到的电压应力和左桥臂上是不同的,它受到的电压应力和直流侧电容电压受到的电压应力是相等的。左桥臂开关管受到的电压应力没有直流侧电压的大,从电路的拓扑结构来看,左桥臂开关管受到的电压应力应为直流侧电压的一半。图1.4混合三电平单相PWM整流器拓扑结构1.2.5 电流型单相PWM整流器
13、从图1.5中可以看到整个电路的直流侧上有电感,这使得它可以直流储存能量,所以其直流侧相当于一个电流源,并且这个电流源有着很高的阻抗值。电流型单相整流电路的桥臂上有功率开关管和二极管,这些二极管和功率开关管是同方向上的,这些二级管可以保证电流的正向流动。如果电流反向流动了,这些二极管会截断电流。整个电路的交流侧上有电容,电容可以起到滤波的作用。这样一来,交流测的电流谐波会减小。电流型整流器和电压型整流器还是有一些差别的,两者都有各自的优缺点。在现实条件下,电流型整流器的控制更加简单、方便,这样控制出来的电流更加稳定,整个电路也会有更快的响应速度。图1.5电流型单相PWM整流器拓扑结构1.3 本课
14、题的研究任务电压型PWM整流器可实现单相AC/DC变换和网侧单位功率因数控制,因包含两个桥臂而具有调制自由度多的优势。本课题要求对单极性倍频电压型PWM整流器进行研究,广泛阅读有关书籍和文献资料,分析并整理有关资料。分析并掌握电路模态、工作原理、参数设计方法、调制策略、闭环控制策略等,并用PLECS软件进行仿真。2 单相PWM整流器的原理及数学模型单相PWM整流器的拓扑结构有很多种,它们各有各的优点和缺点。在这其中,单相全桥PWM整流器的结构简单,控制比较容易、方便。因此,本文将对单相全桥PWM整流器进行全面描述。单相全桥型PWM整流电路的控制方法必须明确,要想控制整个电路,需要使输入功率因数
15、为1,还需要控制整个电路的输出直流母线电压,使这个电压也趋于稳定。这两种控制都离不开输入电流的影响,输入电流影响着输出电压,电路的整流桥侧还有基波电压,基波电压的幅值和相位也会影响输入电流。可以看出,整个电路的控制都是相互影响,缺一不可。下面将对单极性调制和双极性调制的具体模态工作方式详述,这两种调制有较为相似的地方,它们都为PWM整流器交流测基波电压的调制方法。2.1 单极性PWM调制观察上图1.2的单相全桥PWM整流电路的拓扑结构,用单极性对整流电路进行调制,整流电路交流测的电压值将会有不一样的结果。分别为udc、0、udc。其中,当输入交流电压的基波在正半周期时,电压uab将会在udc和
16、0之间切换,当网侧电压在负半周期时,电压uab将会在udc和0之间切换。所以当我们采用单极性PWM调制这种方法时,单相全桥PWM整流电路将会有四种工作模态。如下表2.1所示。表2.1单极性PWM调制的工作模式开关模式1234导通器件S1(D1)S4(D4)S2(D2)S3(D3)S1(D1)D3(S3)S2(D2)D4(S4)uab(t)的值udc-udc00从2.1表中所示,模式3和模式4中的uab的值为0。也就是说,单相整流桥交流测的电压为0。对于单相全桥整流电路来说,在不同的工作模式下,输入电流的方向不同,会出现6种不同的电路模态。下图即为6种不同的电路模态图,电流和电压的参考方向如箭头
17、所示。 a bc de f图2.2 单极性PWM调制等效电路图2.2a中所示电路是与模式2相符合的。首先,输入大于0的电流is。这时,电流的流向为L-R-2-C-S3-us。然后,电流is增加。这时电感电压大于0,其储存的能量增加,电容给负载供电,并与电源同向给电感充电。图2.2b中所示电路是与模式4相符合的。首先,输入大于0的电流is。这时,电流的流向为L-R-S2-D4-us。然后,电流is增加。这时电感电压大于0,其储存的能量增加,电容给负载供电,电源向电感充电。图2.2c中所示电路是与模式1相符合的。首先,输入大于0的电流is。这时,电流的流向为L-R-D1-C-D4-us。然后,电流
18、is减小。这时电感电压小于0,其储存的能量减少,电源和电感共同向电容充电,并给负载供电。图2.2d中所示电路是与模式1相符合的。首先,输入小于0的电流is。这时,电流的流向为us-S4-C-S1-R-L。然后,电流is增加。这时电感电压小于0,其储存的能量增加,电容给负载供电,并与电源同向给电感充电。图2.2e中所示电路是与模式3相符合的。首先,输入小于0的电流is。这时,电流的流向为us-D3-S1-R-L。然后,电流is增加。这时电感电压小于0,其储存的能量增加,电容给负载供电,电源向电感充电。图2.2f中所示电路是与模式2相符合的。首先,输入小于0的电流is。这时,电流的流向为us-D3
19、-C-D2-R-L。然后,电流is减小。这时电感电压大于0,其储存的能量减少,电源和电感共同向电容充电,并给负载供电。从上述的工作模态可以得出,单相全桥PWM整流器进行单极性PWM调制时相当于Boost型电路。通过对交流测电感的能量储存和直流侧电容的稳压,可以得到更高的输出母线电压。2.2 双极性PWM调制双极性调制有着不一样的调制方法,在双极性调制策略下,单相整流桥交流侧电压uab将会出现udc和-udc两种不同的值。此时,单相全桥整流电路只有两种工作模态,如下表2.2所示。开关模式12导通器件S1(D1)S4(D4)S2(D2)S3(D3)uab(t)的值udc-udc表2.2双极性PWM
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