单相PWM整流器.docx

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1、中国地质大学长城学院毕业论文单相 PWM 整流器的研究策略与分析摘要单相电压型 PWM 整流器是控制的，同时也具有很好的灵敏性，当输入端加入电流以后，其能够得到各个性能参数的以及直流电压的恒定状态，同时性能指标是最佳的选择，能量也实现了从两个方向都流动的效果，得到了大众学者的认可， 符合了时代的主题，绿色环保，节约资源。本篇论文将从详细的介绍一下单相 PWM 整流器的控制现状，基本的控制原理以及拓扑电路结构图，同时讲一下单相 PWM 整理器的控制算法，最后自己设计一个电路图，用 MATLAB 做一个简单的仿真图。关键词:PWM 整流器；瞬时直接电流控制；功率因数IIIABSTRACTsingl

2、e-phase voltage source PWM rectifier is controlled, at the same time, it also has good sensitivity, when added into the input current, which can get of each performance parameter and DC voltage constant state. At the same time, the performance index is the best choice, and energy to achieve the effe

3、ct from two directions are flowing, has been recognized by the public and scholars, in line with the theme of the times, green environmental protection, conservation of resources.Nonlinear loads are currently being used in large batches, which leads to the introduction of reactive power and harmonic

4、s, which affects the quality of the power grid, resulting in unnecessary losses. So this problem has been widely concerned by scholars at home and abroad, how to eliminate the reactive power and harmonic, how to improve the quality of the power grid, improve the power factor.This thesis starts with

5、a detailed look of single-phase PWM rectifier control status, basic control principle and circuit topology structure diagram, also talk about finishing single-phase PWM control algorithm, finally designed a circuit diagram and using MATLAB do a simple simulation diagram.Keywords: PWM rectifier；insta

6、ntaneous direct current control； APF目录第一章绪论11.1 课题研究背景及意义31.2 国内外 PWM 整流器研究发展现状21. 关于 PWM 整流器数学模型的研究22. 关于 PWM 整流器拓扑结构的研究33. 关于电压型 PWM 整流器电流控制技术的研究34. PWM 整流器系统控制策略的研究错误！未定义书签。第二章 PWM 整流器的工作原理42.1 功率因数（PF）的定义42.2 单相电压型 PWM 整流器工作原理5第三章 PWM 整流器的脉宽调制技术73.1 正弦脉宽调制基本原理73.2 电压空间矢量脉宽调制技术7第四章 PWM 整流器的控制94.1

7、 间接电流控制94.2 直接电流控制10第五章系统的电路设计11总结12致谢15参考文献16中国地质大学长城学院毕业论文第一章绪论1.1 课题研究背景及意义伴随着政府对于科技的关注度越来越高，电力电子技术得到了巨大的发展，其能源配件 也是持续升级，功能也在不断的完善当中。从最开始的只能控制一半电路的开关，对电路不 能完全操控。举例来说：SCR，也可以叫它最普通的晶闸管，刚开始性能各方面不完善，但 是再看看现在的晶闸管，全控操作，性能覆盖面非常大，同时也对晶闸管划分的越来越细， 各自负责各自的功能。比如IGBT、GTO、MOSFET 等等。有负责绝缘的，有的则是门极关断， 有的是在功率场方面起作

8、用。到了 20 世纪中叶，慢慢的智能这个词扑面人来，伴随而来的是大批电力电子技术的降生，大大加快了功率半导体时代的到来。期间出现了以 PWM 控制为主要研究策略的配备。这时候逆变跟交流也出现了，同时被广泛的引用到我们的生活当中来。现在很多写着交流电的器材实际也需要直流电来给其供电，这就用到了整流装置。但是采用 二极管或者晶闸管整流会不自觉地给电网带来了谐波干扰，造成电流的正弦波主线干扰信号， 并且功率因数也出现了不允许的误差。所以这个电网污染问题引起了学者们的关注，同时开 始研究这个问题。其中的核心问题就是如何使整流器的网测得到一个理想的正弦波同时得到 一个误差允许范围内的功率因数。最后有学者

9、用到了 PWM 技术加入到这个问题当中，设计好思路以后研究这个问题，中间又经历的一个问题是流量流动问题。这样衍生两个方向，单向 和双向流动问题，从而出现了两个不一样的拓扑结构，就是我们所学过的可逆 PWM 整流器和不可逆PWM 整流器。这篇论文主要是从可逆这方面作为研究对象，提出自己的想法，然后分析一下单相电压型PWM 整流器的控制。大多时候，我们认为能留的双向性体现在交流变化成直流上，其实这是不全面的，有的时候也会出现有缘的逆变现象，就是所谓的变流。准备的说现在的 PWM 整理器不是传统意义上的整流器，中间加了很多不一样的模块。随着时间的过去，技术日益成熟，这项技术的发展也是越来越成熟，从最

10、开始的半控制系统加上器件是桥路设计到现在的全控。拓扑结构也16是由单相到了三相再到现在的组合式的电路，同时加上了低高电平以及混合的。开关也由硬开关到了软开关的使用，同时功率也是跳跃很大，现在发展到了兆瓦级。同时主电路上也混合的加入了VSR 和 CSR，即电压型和电流型整流器，最重要的是这些都渗透到了我们的生活当中。1.2 国内外 PWM 整流器研究发展现状从 1980 年开始，这项技术一直深受学者们的重视，同时从事电力电子技术人员也是努力寻找合适的方法，慢慢深入进去研究这个问题，随着时间的推移，PWM 整流技术也取得了一定的进步，同时研发了许多的再生资源，例如APF、UPS、ED、UPFC、H

11、VDC，太阳能等等。这些新开发出来的技术同时也带动了PWM 飞速发展，电路的构成日益完善，包含的电器元件也是能够克服很多难题，去除很多滤波的干扰，但是我国的的智能控制还是不够成熟跟全面， AD/DC 的转换技术存在很多的漏洞，很多问题的存在耽误我国的电网不能独立工作，数字信号处理刚处在入门阶段，与西方列强还有一定的差距。现在 PWM 整流器需要研究以下的问题：1. 关于 PWM 整流器数学模型的研究其数学模型主要是用我们学到的自动控制原理为主要根基。格林提出了用变换坐标的方法来 研究 PWM 整理器的方法，同时用到了离散系统，也有连续函数方面的内容。同时吴先生和德文建立了一个时域模型，并且把时

12、域分了高频跟低频两个区，同时也求得了这个时域的根。当使用电子电子建立所需要的模型的时候，单相的 PWM 整流器正要是用到了三个著名的公式： 基尔霍夫定律、特勒根定理法、拉格朗日方程法。其开关模型主要使用到了基尔霍夫定律去 建立微分方程，这个方法对于建立仿真以及分析结果非常方便。线性系统分析时域问题的时候，雷姆跟胡东宇则发现了dq 坐标也可以对PWM 整流器建立坐标模型，从而进行它们的动态分析，在前面两个坐标系下毛恒春等学者则更进一步，建立了一个更有创新的理论降阶小信号模型，这个方法得当方面的地方就是简化了模型，分析起来更方便。2. 关于 PWM 整流器拓扑结构的研究PWM 整流器在最近的的几年

13、基本上没有大的改变，唯一能够改变的只是把拓扑结构上的主电路简化的更容易分析，另外一方面也是节约成本，尽量在能完成本职功能的同时减少元器件的数量。电压型跟电流型是该拓扑电路的两个组成部分，电压型的特点是电能储备，采用的是电容的充电放电的原理，利用电能储备的这个功能可以使整流器直流侧出现组织很大的电流源。电流型则是利用大电感进行储备电流，效果也有相似。但是不同的地方是功率不同，研究的层面不一样。大体分为中低功率和大功率，分别研究在不同场合下其拓扑结构或者整流器的作用，还有软开关的的作用。在电流很大的地方，一般的黄金搭档就是变流器之间的组合，就是我们所描述的没有电压型帮助，只有电流型PWM 整流去并

14、联去实现结果。3. 关于电压型 PWM 整流器电流控制技术的研究电压型的PWM 整流器的主要控制的作用，首先是要一个恒定的电压前提是直流的，另外一个就是正弦化的波形图加上追踪的功能。网测的电流其实是很重要的，它的控制的将直接导致了静态跟动态的性能的所属问题。整理器的网测电流一共分成两种情况：间接跟直接两种控制的类型。直接的控制反应速快，同时灵敏度也高，同时电路中也加入了保护电路的功能， 相比于间接的，直接的控制则没有那么多优越性，动态响应也相对慢一点，不是在很多地方能够得到良好的应用。第二章 PWM 整流器的工作原理2.1 功率因数（PF）的定义在交流线性电路中,电压与电流之间的相位差的余弦叫

15、功率因数,用符号 cosf 表示。由于整流电路属于非线性电路,所以功率因数(PF)在数值上等于有功功率与视在功率的比值，即：PF = p(有功功率）=P（2-1）s(视在功率） UIn i2ni=1上面的公式中I 为输入电流的有效值，U 为电压有效值，如果设交流电压为正弦，电流不是正弦，即出现 2-2 的公式i2 + i2 + i2+ i2l23nI =（2-2)公式后面的都是二次的谐波的分量，但是总的有效值为：i2 - i21i =（2-3）n有功功率，功率因数的公式如下p = UI cosj（2-4）1PF = UI1 cosj = I1 cosj = k k UIId q（2-5）I 2

16、 - I 21在上面的工作当中 kd 是电流发生畸变的一个系数，旁边那个也是一个系数，是电流相位移动的固定系数。总谐波的电流畸变率（THD）就可以写成ITHD = n 100% =I1100%（2-6）I1由 2-2 跟公式 2-6 可以得到I11+ THD2k 1 =（2-7）d I假设cos f = 1。以及当 f=0 的时候：I11+ THD2PF = 1 =I（2-8）2.2 单相电压型 PWM 整流器工作原理图 1 是单相电压型 PWM 整理器的整流电路图，其主要就是单相的桥式电路，这种电路最早的出现是在机车装置当中，如图 1 所示，每一个桥臂都是由全部控制器跟反并联的整流二极管相连

17、。电路当中 L 为阻抗器，安装在交流的一边，主要的作用就是平衡整个控制回路的电压，同时存在一部分的电能。上图的工作原理就是能量之间进行传递，能量的传递经过整流二极管搭建起来的电路之间传递。从 VD1-VD4 实现交流向直流的传递流动，也可以通过全控的装置 VT1-VT4 实现直流侧变化成交流，同时根据电路的闭环装置实现反馈到电网。能力啊那个的传递是整流还是逆变主要还是根据VT1-VT4 的脉宽调制方式决定。根据图 2 所示单相电压型整流电路的运行方式的向量图，根据相角的变化来分析一下单相电压型 PWM 整流器的工作原理。交流一侧的电压的基波分量，电流的基波分量，有如下的公式成立;U = Uns

18、1+ jw L LN N1由上面的公式可以看到如果采用了合适的PWM 的整流器，可以产生调制电压跟电网的频率一样，同时可以调节一下调制电压，可以得到电网电流与网压相位的关系，可以是方向一致，也可以是方向相反。图 2 就是体现了这两个过程的相角的变化，整流跟逆变。下面就分析一下整流的过程，通过数学模型的方法推导一下：u (t) = UNNMsinj（2）调制的波形为u (t) = Uggmsin(j -f)（3）Ut 为单极性的 SPWM 的波，采用状态空间方程，又可以得到一个开关周期的平均值Uu =d UtUgmcmsin(f -j) = mUdsin(f -j)（4）正弦脉冲调制比：m =

19、UgmUam（5）同时可以取值U= mUAMd（6）由相量图可以得到，相位角的表达公式j = tg -1wl Ln1 n（7）Un然后最后得出功率因数的公式为：u (t) = mU sin(f -j)（8）t1d根据公式 8 可以看出功率因数的大小与哪些相关联的量一块调节，在不同的负载电流下， 向量端点是按直线 AB 运动的。第三章 PWM 整流器的脉宽调制技术3.1 正弦脉宽调制基本原理正弦波就是通过示波器来读出的一个波形图。当我们利用所给的电路图连好电路以后， 把各个需要的参数进行调节，找好各个频段，然后在仿真软件上把电路图画上，把线连起来， 通过运行程序就会出现一个波形图。前提是得在电路

20、中加上示波器。当示波器给出一个频谱图的时候再利用傅里叶级数来分析一下频谱图。当分析的结果与我们预期的不一样的时候， 我们在调整一下频率，调整一下信号图，最后得图3 一 1 所示的是双极性SPWM 调制方式波形。把正弦调制波记为K,三角载波记为K,通过调制波与载波相比较,产生所需的开关脉冲。3.2 电压空间矢量脉宽调制技术这项技术是目前最热门的一种技术，现在很多中外学者都在研究他的各项性能指标。我也将我自己通过查阅文献所理解的在这大体的讲一下。刚开始接触这种矢量的方法的时候， 学者们就尝试去掉 SPWM，因为有的学者认为波形图不一定都是正弦波，我们在数学理论中也见过余弦，正切，余切等等。于是在以

21、前理论的基础上增加了旋转磁场，这个磁场是在电压矢量的基础上加入了逆变器，经过实验检测到性能大大增加，同时系统的控制力方面较以前相比上升了一个层面，响应速度加快了，动力锯也降低了对电机的损耗。但是其也有不足的地方，磁场是一个旋转的，这在我们平常的实验中如何去实现呢，同时磁场是一个看不见摸不着的东西，其响应度会非常快，这样就不是瞬时值的问题了，成为了一个暂时值。这时我们就开始讨论下VSR 控制，之前见到过VSR，这是一个阻值可以看做无穷大的电阻器，加上它的作用可以看做是对电路起到保护作用，出现紧急情况的时候 VSR 是可以短路的。另外就是用到了前面所说的滞环。滞环控制也可以说她是 bang-ban

22、g 控制，它主要的针对目标是调节器，也就是输出来的电压没变，继续维持跟内环一样的设定电压，这个设定电压就是设定电压辐射一周范围宽度内的。本方法就是利用它的之后的原理去实现的，用电压的切换， 虽然电流一定会出现偏差，但是只要这个偏差在滞环控制的范围内就没问题。第四章 PWM 整流器的控制控制技术是PWM 高频整流器发展的关键。我们在第四章中将重点介绍一下直接控制跟间接控制。主要分别讲一下它们各自的定义，他们的拓扑结构电路图。整流器顾名思义就是把交流电变成直流电，因为直流电的特性我们容易分析，就像为什么我们容易将非线性系统看成是线性系统来分析它的原理效果是一样的。但是既然有交流电变成直流电，自然而

23、然也会有直流电变成交流电，基本的简单装置就是AC/DC 之间的转换，它的主要功能也有电源的作用， 跟电容有相同的特点，在一个过滤完后直接供给负载。4.1 间接电流控制间接就是不能直接对输出端的电压值进行影响，输出端的电压是被中间环节或者另外的元器件所决定，但是如果间接控制的没有给出触发信号，那也是无功的，这只是一个极端的情况。在 PWM 整流电路中，间接电流控制是按电源电压、电源阻抗电压及 PWM 整流器输入端电压的相量关系来进行控制，使输入电流获得预期的幅值和相位，由于不需要引入交流电流反馈，同时在设计电路的时候也不用考虑是不是需要设计闭环电路，因此称为间接电流控制其原理图如图所示。4.2

24、直接电流控制直接说白了就是可以不用拐弯抹角，直接在电路中起到作用，不要经过中间的一些控制环节，以及电器元件，直接左右最后的输出端的电压值得大小。直接电流控制中，首先求得交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，经过比较进行跟踪控制，使输入电流跟踪指令值变化。因为引入了交流电流反馈而称为电流控制。但是直接电流控制需要研究的东西也是多点，其中就有dq 坐标的转换。用直接电流控制的特点就是输出端跟输入端是分开的，外环就被用作命令来控制整个电路，同时还有跟踪的作用，内环就不是单一的控制整个回路， 其中还有其他的作用，比如保护电路及其其中的各个电器元件，这就是为什么用到双闭环控制的原因。这个电路图就是瞬时

25、直接电流的控制原理图，它的数学模型就是一下：I * = K(u* - u) + 1 s1pdcdcT (u* -udt2I Ud UI * =d s 2nidcdc)I * = I * + I * Ss1s 2U (t) = UabN(t) -U (t) -U12(t)这个公式当中，kp、ti 都是 PI 控制调节器的参数，K 和T 都是比例环节跟积分环节的调节参数。通过 pi 调节（电流内环的调节）可以使交流侧的输入电流提供跟踪的作用，从而实现电网的一侧的电压跟输入的的电流相位相同，使得网测的输入端就是功率因数。在查阅参考文献的时候还发现了一种电流的控制方法，那就是预测电流的控制方法，预测电

26、流控制有快速的动态响应能力,电流谐波少,数学模型推导严密,是一种前景很好的方法。预测电流的控制思想是先控制后动作,即通过前一刻指令电流值来计算下一刻网侧电流的实际值。即电流值必须满足如下关系:I * = k (u*Npdcdcdc- u ) + 1T (u* - udc)dtiLu (t) = u (t) - N I * sinw t - i (t) abNTnNs上式中k l 为 PI 调节器的比例、积分系数,udc*为中间直流侧电压指令值,IN为网侧输入交流电压的指令值。0 为网侧输入交流电压的角频率。预测电流控制框图如下图所示：U * +U -PII * +-LN/TS-+三角波RLua

27、b(t )负载第五章系统的电路设计我的这篇论文主要用到的就是IGBT 开关管和全桥式整流控制电路，其中夹杂着一些中间过程，加入了一些中间的电气元件。这就是我的电路图如下：自己设计的主电路如上图所示，网测的电压刚开始先与设定的电压做差，然后输出去在进行一级级的过滤，最后经过 PWM 整流器进行整流，通过调节得到想要的输出电压值。这个电路的主要部分就是电压的设定问题以及闭环系统的反馈问题。总结经过一段时间对PWM 整流器进行研究，可以大概知道这个到底是怎么回事，知道具体的整流跟逆变的意思，同时学会了一点基本的数学算法来应用到自己的专业课方面。本篇论文主要是先讲了一下什么是单相电压型PWM 整流器，

28、然后下了一些文献查阅资料，看了一下它的国内外现状。第二章主要是说的PWM 整流器的拓扑架构电路图，了解其最简单基本的电路。， 同时认识了ABC 旋转坐标系以及 - 坐标系以及dq 坐标系。同时还知道了很多不一样的控制电路的方法，印象最深的就是双闭环系统，印象最深的名词就是滞环控制。最后是根据自己的理解自己设计了一个简单的单相电压型桥式电路控制系统，然后通过自己的研究，用MATLAB 自己大力的完成了仿真图，然后自己对仿真图进行了分析，然后得出自己的见解.致谢过一个多月的努力，本次毕业设计终于完成。在此期间通过毕业设计学到了所需掌握的技能，对所学的知识进行了系统的总结，进一步学会了运用知识去解决

29、问题。这次毕业论文的完成，我得到了老师和同学们的帮助和认可。在毕业设计过程中，尤其感谢我的导师，她给与我很大帮助，给我提供很多帮助。此次论文难免出现错误，恳请老师给与指正。参考文献1 张崇巍, 张兴. PWM 整流器及其控制M . 北京: 机械工业出版社, 2003.2 尹忠刚. 基于空间电压矢量的PWM 整流器的研究D. 西安理工大学硕士学位论文, 2006.3 蒋耀. 单相电压型PWM 整流装置的研究D. 西安理工大学硕士学位论文, 2008.4 黄忠良. 基于 DSP 的直接电流控制电压型 PWM 整流器D. 兰州理工大学硕士学位论文, 2006.5 方宇. 单相PFC 及其数字控制D.

30、 南京航空航天大学硕士学位论文, 2004.6 魏坤. 单相电压型可逆变流器的最优控制D. 燕山大学硕士学位论文, 2003.7 中国国家标准GB/T 14549-93, 电能质量公用电网谐波. 中国标准出版社, 1994.8 Akagi, H.; Fujita, H. A new power line conditioner for harmonic consation in power systems.Power Delivery. IEEE Transactions onJ. 1995, 10(3): 1570-1575.9 Zhang,magneticZ.-C.; Ooi, B.-T.

31、 Multimodular current-source SPWM converters for a superconducting energy storage system. Power Electronics. IEEE Transactions onJ. 1993, 8(3): 250-256.10 Thomas G,Habetler. A space vector based rectifier regulator for AC/DC/AC convertorsJ.IEEE Trans Power Electronics, 1993, 8(1): 30-36.11 张兴. 采用新型PWM 控制的变频调速系统J. 电气传动, 1997(3): 21-24.