三相电压型PWM整流器设计发言稿

三相电压型PWM整流器设计 目录

三相电压型PWM整流器设计 ................................................................................................. I Design of Three-Phase Voltage-Type PWM Rectifier .............................................................. II 第1章 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 引言 ................................................................................................................................. 1 1.2 三相电压型PWM整流器国内外研究的现状 .............................................................. 2 1.3 研究的目的及意义 ......................................................................................................... 3 1.4 本课题所做的工作 ......................................................................................................... 5 第2章 三相电压型PWM整流器的拓扑结构与工作原理 ................................................ 6 2.1 三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构 .............................................................. 6 2.2 三相电压型PWM整流器的工作原理 .......................................................................... 6 2.3 本章小结 ......................................................................................................................... 9 第3章 三相电压型PWM整流器的控制方法与系统仿真的研究 .................................. 10 3.1 三相电压型PWM整流器的控制方法 ........................................................................ 10 3.2 等量坐标变换 ............................................................................................................... 10 3.3 三相电压型PWM整流器的空间电压矢量脉宽调制方法 ........................................ 12 3.3.1 三相电压型PWM整流器空间电压矢量分布 .................................................... 12 3.3.2 空间电压矢量的合成 ............................................................................................ 14 3.3.3 基于正交坐标系（?,?)的空间电压矢量PWM算法 ....................................... 15 3.3.4 SVPWM与SPWM控制的比较 .......................................................................... 18 3.4 PI控制器的设计与数字化实现 ................................................................................... 19 3.4.1 PID控制原理 ........................................................................................................ 19 3.4.2 PID控制器的数字化实现 .................................................................................... 21 3.4.3 三相电压型PWM整流器的PI控制器的设计 ................................................... 22 3.5 三相电压型PWM整流器系统仿真的研究 ................................................................ 22 3.5.1 三相电压现PWM整流器主电路的仿真模型 .................................................... 22 3.5.2 空间电压矢量PWM控制模块的仿真模型 ........................................................ 25 3.5.3 三相电压型PWM整流器的PI控制器的仿真模型 ........................................... 28 3.5.4 系统仿真 ................................................................................................................ 28

I

三相电压型PWM整流器设计 第4章 三相电压型PWM整流器的硬件设计 .................................................................. 33 4.1 主电路硬件设计 ........................................................................................................... 33 4.1.1 主功率开关器件的选择 ........................................................................................ 33 4.1.2 交流侧电感的设计 ................................................................................................ 34 4.1.3 直流侧电容的设计 ................................................................................................ 39 4.2 驱动及保护电路的设计 ............................................................................................... 40 4.3 本章小结 ....................................................................................................................... 40 结束语 ...................................................................................................................................... 41 参考文献 .................................................................................................................................. 42 致谢 .......................................................................................................................................... 45

II

三相电压型PWM整流器设计 三相电压型PWM整流器设计

摘 要：随着电网谐波污染问题日益严重和人们对高性能电力传动技术的需要，PWM整流技术引起人们越来越多的注意。三相电压型PWM整流器可以做到高功率因数，直流电压输出稳定，具有良好的动态性能，并可实现能量的双向流动。因此,成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。

首先,本文根据三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构，阐述了三相电压型PWM整流器的基本工作原理。

其次,介绍三相电压型PWM整流器的控制方法，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方法，进行三相电压型PWM整流器的PI控制调节器的设计。 然后,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整流器整个系统的仿真。 最后,在对三相电压型PWM整流器工作原理及控制方法进行深入分析的基础上，进行了系统的部分硬件结构和主电路参数设计。

实验结果表明,论文所设计的三相电压型PWM整流器实现了高功率因数运行,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，实现了直流侧母线电压的稳定控制,具有良好的工程实用价值。

关键词：PWM整流器；空间电压矢量；功率因数；仿真

I

三相电压型PWM整流器设计 Design of Three-Phase Voltage-Type PWM Rectifier

Abstract:with the growing problem of harmonic pollution and people need high-performance electric drive technology, PWM rectifier technology is causing more and more attention. Three-phase PWM rectifier voltage can be high power factor, DC voltage output stability, good dynamic performance, and can realize two-way flow of energy. Therefore, the field of power electronics has become the hot issue of research.

Firstly, the paper elaborated the basic principle of work for the PWM rectifier according to main circuit topology of three-phase voltage-type PWM rectifier.

Secondly, the paper proposed the three-phase voltage-type PWM rectifier’s control strategy. Based on the control strategy it has studied the space voltage vector pulse width modulation control method as well as designed PI regulator for the three-phase voltage-type PWM rectifier.

Then, the three-phase voltage-type PWM rectifier system simulation, the establishment of the main circuit, the space voltage vector PWM control of the control module and the PI regulator of the simulation model, the three-phase voltage-type PWM rectifier simulation of the entire system.

Finally, according to the entire three-phase voltage PWM rectifier system simulation the article has carried on the hardware and main circuit parameter design. Experimental results show that the paper is designed to achieve three-phase voltage PWM converter with high power factor operation, to solve the traditional sense of the rectifier harmonic content present in a large, the low power factor and energy problems cannot be feedback to achieve the energy two-way flow and a stable DC bus voltage control has good practical value. Keywords: PWM rectifier; space voltage vector; power factor; simulation

II

三相电压型PWM整流器设计 第1章 绪论

1.1 引言

在现代工业、交通、国防、生活等领域中，很多场合需要大量各种类型的变流装置，这些变流装置将一种频率、幅值、相位的电能变换为另一种频率、幅值、相位的电能，使得用电设备处于理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获得最大的技术经济效益。当今，经过交换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比，已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一。

晶闸管(SCR)在美国的问世标志着电力电子技术的开端，我国上世纪70年代将其列为节能技术在全国推广。晶闸管是一种只能控制导通而不能控制关断的半控型开关器件，其在交流传动和变频电源领域中的应用受到了一定的限制。功率半导体开关器件性能的不断提高，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，如双极型晶体管(BTT)、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)、功率场效应晶体管(MOSFET)以及场控制晶闸管(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的发展方向。功率半导体的进步促进了电力电子变流技术的迅速发展，如变频器、逆变电源、高频开关电源等，这些变流装置在国民经济中得到广泛应用。但是这些变流装置大部分都需要整流环节，以获得直流电压。常规的整流环节一般采用二极管不可控整流或晶闸管相控整流，并且输出侧常使用大电容或大电感滤波来降低纹波。

传统的整流装置在引起谐波的同时，也会引起系统无功功率的大量流动。无功功率的增加不仅增加线路损耗，降低发电量和用电设备的利用率，而且冲击性的无功负载，还会使电网电压产生剧烈波动，严重影响供电质量。

二极管整流电路简单、经济可靠。因此它的应用十分广泛，但是这种整流器的广泛使用也带来了以下几个方面的问题：

1.二极管整流会使网侧电流波形严重畸变，造成功率因数较低，最高功率因数只可能为0.8 左右。大量无功功率的消耗会给电网带来额外的负担，不仅增加了输电线路的损耗，而且严重地影响了供电质量。

2.对二极管整流器输入电流的频谱进行分析，发现输入电流中含有丰富的低次谐波电流。

3.对于交流变频调速系统，由于二极管的单向导电性，电机制动的再生能量无法回

1

三相电压型PWM整流器设计 输出直流母线电压可认为保持不变。由于交流滤波电感等效电阻及开关器件损耗等效电阻较小，在忽略交流滤波电感及开关器件等效电阻的条件下，根据三相电压型PWM整流电路拓扑结构，三相电压型PWM整流器的单相等效电路和相量图如下所示。

LEV

图2-2 单相等效电路

q&EI&V&LV&

图2-3 整流状态向量图

V&I&V&Lq&E

图2-4 逆变状态向量图

在图2-3 与图2-4中，E为电网电动势的电压相量，V为三相电压型PWM整流器的网侧电压相量， VL为交流滤波电感两端间的电压相量，I为交流电源输出的电流相量。

由图2-3和图2-4可见，适当控制V的大小和E之间的相位角?，就能控制输入电流I的大小与相位，就能控制整流器传送能量的大小，就控制了直流侧电压，就能够控制功率因数，甚至实现能量的双向流动。

如何控制输入电流，得到现想的功率因数以及实现能量的双向流动，根本任务在于得到各功率开关器件的控制规律和通断时间。PWM技术已广泛应用于整流系统以提高功率因数并改善电流波形。本文基于空间电压矢量脉宽调制原理，通过空间电压矢量PWM控制，在整流器交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压。该电压与电网电动势共同作用于整流器交流侧，在整流器交流侧形成正弦基波电流，谐波电流则由整流

7

三相电压型PWM整流器设计 器交流侧电感滤除。

在传统的相位幅值控制方式中，在功率因数为1时，控制角与控制电压矢量V的计算是完全根据矢量图并依赖于主电路参数如下式：

2V?（I?L）?E2 (0-1) (0-2)

??arctanI?L E式中?为交流电源电压的角频率,I为交流电源的电流的幅值,V为整流器的网侧控制电压幅值，E为交流电源电压的幅值, ?为控制相位角, L为网侧滤波电感值。

由式(2-1)和(2-2)的运算量较大并且与主电路参数相关联，不易实现实时控制，系统存在受主电路参数影响的局限性。本文提出的控制方法是将PI调节器的输出作为相位角?的给定，而相位角?作为被指对象的输入变量，依据能量守恒原则和系统的调节关系以及矢量关系确定控制算法，这样就实现了对整流器网侧控制电压V的相位的控制，系统闭环结构框图如图2-5所示。

abcU*dc+-UdcdqPI控制器 eaebecuaDqub移相??u*a??e?j???u*b空间电压矢量调制 直流电压检测

图2-5 系统闭环结构框图

对于网侧控制电压幅值，根据空间电压矢量脉宽调制控制原理有：

m?3VdcV*

(0-3)

式中m为SVPWM调制系数 (m?l)，Vdc为直流母线电压，V*为调制电压空间矢量。

令V*=E， 由式(2-3)得

m?3Vdc8

E (0-4)

三相电压型PWM整流器设计 依据式 (2-4)，根据电压空间矢量脉宽调制原理，便可得到与交流电源电压幅值相等而相位相差?的整流器网侧控制电压。又由图 2-3 和图 2-4，在V?E条件下，交流电源电压E与电流I的夹角为?率因数为

(整流运行)或(???) (逆变运行)，则整流器的功22

??cos?2?cos???2

????(0-5)

由式（2-5)可知，通过限制?的大小,便可实现对功率因数的控制。本文中对?的取值大小作如下限定：

0???

?6 (0-6)

由式(2-5)和式(2-6)得，功率因数的大小范围为：

0.96593???1

(0-7)

因此，本文三相电压型PWM整流器的工作原理是通过控制电感L的引入，将高功率因数控制和直流母线电压稳定控制问题转化为电感端电压的控制问题。根据电网三相电源E的特性来调节整流器网侧电压V以控制电感电压VL，从而实现对输入电流I的大小与相位的控制，从而控制了整流器传送能量的大小及直流侧电压，并且实现高功率因数控制。

2.3 本章小结

本章首先介绍了三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构，然后根据三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构，阐述了三相电压型PWM整流器的工作原理，通过分析可知，适当控制V的大小与E之间的相位角?，就能控制输入电流的大小与相位，从而控制了整流器传送能量的大小及直流侧电压，就能够实现高功率因数控制。

9

三相电压型PWM整流器设计 第3章 三相电压型PWM整流器的控制方法

与系统仿真的研究

3.1 三相电压型PWM整流器的控制方法

对三相电压型PWM整流器的控制，旨在稳定直流侧电压的同时，实现其交流侧在受控功率因数条件下的正弦波电流控制。目前，三相电压型PWM整流器的电流控制技术主要分为两大类，即直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，如滞环电流控制、固定开关频率电流控制、空间矢量电流控制等。这类控制可以获得较高品质的电流响应，但控制结构和算法十分复杂。间接电流控制技术实质上是，通过PWM控制，在三相电压型PWM整流器桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压，该PWM电压与电网电动势共同作用于三相电压型PWM整流器交流侧，并在交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由交流侧电感滤除。由于这种控制方案通过直接控制整流器交流侧电压进而达到控制交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。间接电流控制在控制系统中通过控制调制电压的幅值及其与电源电压的相对位移来控制输出直流电压和功率因数，尽管它动态响应稍慢，还存在瞬态直流电流偏移，但它具有简单的控制结构和良好的开关特性，检测量少，无需电流传感器，成本低，易于数字化实现，适用于对控制性能和动态响应要求不高的场合，具有良好的工程实用价值。本文采用间接电流控制方法，对整流器直流侧电压稳定控制的同时，实现高功率因数控制。

如何控制输入电流，得到理想的功率因数以及实现直流母线电压稳定和能量的双向流动，根本任务在于得到各功率开关器件的控制规律和通断时间。PWM技术已广泛应用于整流系统以提高功率因数并改善电流波形，本文基于空间电压矢量脉宽调制原理，通过空间电压矢量PWM控制，在整流器桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦PWM电压，该电压与电网电动势共同作用于整流器交流侧控制电感，实现输入电流控制。

3.2 等量坐标变换

等量坐标交换，是指在某一坐标系中的通用矢量与变换后的另一坐标系中的通用矢量相等的坐标变换。下面以电压矢量U为例，说明从三相对称静止坐标系(a，b，c) 到两相正交静止坐标系（d，q）的交换。

图3.1表示了三相对称静止坐标系(a，b，c)与两相正交静止坐标系(d，q)的空间位置关系。其中d轴与a轴重合，而q轴超前 a轴90°角。

10

三相电压型PWM整流器设计 q ucbuqUquuabuaddc图3-1 坐标系(a，b，c)与坐标系(d，q)

若U与d轴的夹角为?，则U与d、q轴上的投影满足：

??ud?umcos???uq?umsin? ???um?u2d?u2q另外，U在 a、b、c轴上的投影为：

??ua?umcos???2???u?b?umcos???3???? ?u?u2????cmcos?????3??由式（3-2）得

???ua?umcos???u??1ucos??3u?b2m2msin? ???uc??12umcos??32umsin?联立式(3-1)-(3-3) 得

??ud=u?a??uq=（u a+2ub）/311

(0-8)

(0-9)

(0-10)

(0-11)

三相电压型PWM整流器设计 参考文献

[1]. 张崇巍, 张兴等.PWM整流器及其控制.北京: 机械工业出版社,2005. [2]. 王久和.电压型PWM整流器的非线性控制.北京: 机械工业出版社,2008. [3]. 王兆安, 刘进军.电力电子技术.北京: 机械工业出版社, 2009.

[4]. 张 强. 基于的三相电压源型整流器系统设计[D].合肥: 合肥工业大学,2003. [5]. 贺益康 许大中 电机控制.杭州: 浙江大学出版社, 2010.

[6]. Sang shin Kawaka, Humid A. Tolima. Design and Rating Comparisons of PWM

Voltage Source Rectifiers and Active Power Filters for AC Drives with Unity Power Factor .IEEE Transactions on Power Electronics, 2005, 20(5):1133-1142.

[7]. 赵振波, 许伯强, 李和明, 高功率因数PWM整流器综述.华北电力大学学报,

2002, 29(4):36-40.

[8]. 武志贤, 蔡丽娟, 汤酉元.三相高功率因数整流器的研究现状及展望.电气传动,

2005, 35 (2):3-7.

[9]. Rumson Wu, Shahs’ B. DeWine, Gordon R Salmon. Analysis of an Ac-to-Dc Voltage

Source Converter Using PWM with Phase and Amplitude Control. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 27(2):355-364.

[10]. Dixon, J.W., Boon-Tack Poi. Indirect Current Control of a Unity Power Factor

Sinusoidal Current Boost Three-Phase Rectifier. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1998, 35(4):508-515.

[11]. 熊键, 康勇，段善旭, 陈坚.三相电压型PWM整流器控制技术研究.电力电子技

术, 1999, (2):5-7.

[12]. Chin-Tsai Pan, Jen-Jon Shish. New Space-Vector Control Strategies for Three-Phase

Step Up/Down AC/DC Converter. IEEE Tran sections on Industrial Electronics, 2000, 47(1):25-34.

[13]. Churn-Lin Chen, Chef-Ming Lee, Ro-Jin Tux, and Gun-Kiang Hong. A Novel

Simplified Space Vector-Modulated Control Scheme for Three-Phase Switch-Mode Rectifier. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, 46(3):512-516.

[14]. 杨旭, 王兆安.一种新的准固定频率的滞环PWM电流控制方法.电工技术学报,

2003, 18(3):24-28.

[15]. Thomas G.Habet1er. A Space Vector-Based Rectifier Regulator for AC/DC/AC

Converters. IEEE-Transactions on Power Electronics, 1993, 8(1):30-36.

42

三相电压型PWM整流器设计 [16]. 王久和, 李华德.一种新的电压型PWM整流器直接功率控制策略.中国电机工

程学报, 2005, 25(16). 47-52.

[17]. 王久和, 李华德, 李正熙.电压型PWM整流器直接功率控制技术, 电工电能新

技术, 2004, 23(3):64-67.

[18]. Marias Malinowski Marian P. Kazmierkowski, Stefan Hansen. Virtual-Flux-Based

Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifiers. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(4):1019-1027.

[19]. 王久和, 张金龙, 李华德.电压型PWM整流器直接功率控制系统主电路参数设

计.北京科技大学学报, 2006, 28(11):1091-1095.

[20]. 张纯江, 王英, 赵清林, 刘彦民.基于DSP三相电压型PWM整流器控制系统设

计.电力电子技术2002, 36(6):45-47.

[21]. 伍小杰, 罗悦华, 乔树通.三相电压型PWM整流器控制技术综述.电工技术学

报,2005, 20(12):7-12.

[22]. 陶永华.新型PID控制及其应用.第二版, 机械工业出版社,2002:1-30.

[23]. 卢剑涛, 王耀南, 陈继华.基于电压空间矢量的三相PWM整流器控制研究.通

信电源技术,2005.22(2):14-17.

[24]. 刘志华, 康现伟, 于克训.SVPWM整流器的三种矢量合成方法及其比较.电气

传动自动化,2005, 27(2):31-34.

[25]. 朱俊杰, 王辉,聂卫民.三相PWM高功率因数整流器控制技术综述.湖南工程学

院学报,2004, 14(3):19-22.

[26]. 马小珍, 徐金榜, 万淑芸.一种改进的PWM整流器空间矢量控制算法.华中科

技大学学报(自然科学版),2005, 33(2):50-53.

[27]. 黄科元, 贺益康.三相PWM整流器空间矢量控制的全数字实现.电力电子技术,

2003, 37(3):79-82.

[28]. 冯勇.现代计算机控制系统.哈尔滨工业大学出版社,1997:158-192.

[29]. Kim Hmong Ant, Gregory Chong, Yen Li. PID Control System Analysis Design and

Technology. IEEE Transactions on Control Systems Technology,2005, 13(4):559-576. [30]. 胡学芝.三相电压型PWM整流器建模与仿真.船电技术,2005, (6):17-19. [31]. 朱俊杰, 王辉, 聂卫民.基于矢量控制的PWM整流器SIMULINK建模与仿真.

信息技术,2004, 28(2):1-4.

[32]. 史伟伟, 蒋全, 胡敏强, 唐国庆, 蒋平.三相电压型PWM整流器的数学模型和

主电路设计.东南大学学报(自然科学版),2002, 32(1):50-55.

43

三相电压型PWM整流器设计 [33]. 王建良, 吴冰.PWM整流器中支撑电容的研究.电气传动,2006, 36(6):37-39. [34]. 赵金, 徐金榜, 罗泠, 万淑芸.新可逆PWM整流器主电路参数设计仿真.华中

科技大学学报(自然科学版),2004, 32(2), 38-40.

[35]. 屈莉莉, 秦忆, 杨兆华.三相PWM高频整流器主电路参数选择.东北电力技术.

2002, (1):41-43.

[36]. 余相旭, 熊宇.三相电压型低谐波PWM整流器主电路参数间的关系.电气传动.

2003, (5):19-21.

[37]. 王立欣, 张宁, 靳刚. VSR直流侧滤波电容的计算及实验分析.哈尔滨工业大学

学报,2006, 38(1):63-66.

44

三相电压型PWM整流器设计 致谢

本课题所有的研究工作是在指导老师林友杰博士的耐心指导下逐步按步骤完成的。 首先，我要感谢我毕业设计的指导老师林友杰博士。本课题从课题开选到现在历时大半年，也是我在大学校园中最后一次系统的复习和学习相关的专业知识。期间，在林老师的指导下，有条不紊的开展各项设计工作，不时的给予我关怀，再碰到难处时给予不断地鼓励和耐心的指导。指导老师勤勉严谨的治学态度和精深渊博的学识、敏捷的思维、平易近人的性格、求实创新和敢为人先的创新理念，是我受益匪浅，为今后的学习和工作树立了榜样。在此，想指导老师林友杰博士表示最诚挚的谢意。

另外，在即将毕业和完成毕业设计之际，向大学期间辛勤培育我的老师们致以由衷的感谢和崇高的敬意。

同时，能够顺利完成大学阶段的学习，离不开家人和朋友的关爱和鼓励。在此，向他们表示深深的感谢！

最后，向在百忙之中抽出宝贵的时间来审阅本文的老师、同学表示衷心的感谢！

刘秀峰

2011年6月

45

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2ye2.html