毕业设计-三相电压型PWM整流器的研究

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摘 要

随着社会的高速发展，电能在工农业生产和人民日常生活中发挥着起来越重要的作用，然而与之同时与国民生产生活密切相关的电力电子换流装置，如变频器、高频开关电源、逆变电源等各种换流装置在广泛的运用中给电网带来了大量的无功功率与严重的谐波污染。随着电力电子技术的发展，具有网侧电流接近正弦波、功率因数近似为1、直流侧输出电压稳定、抗负载扰动能力强并且能够在四象限运行的PWM整流器应运而生，成功地取代了不可控二极管整流器和相控的晶闸管整流器，并成为电力电子技术研究的热点。本言研究的主要对象就是应用最为广泛的三相电压型PWM整流器。

首先，本文介绍了PWM整流器研究的背景与意义，综述了PWM技术的发展及现状，引出了三相电压型PWM整流器，并分析了三相电压型PWM整流器的工作原理，并在此基础上建立了其在ABC三相静止坐标系、d-q同步旋转坐标系和?-?两相静止坐标系三个不同坐标系下的数学模型。

其次，本文对PWM整流器的电流控制策略进行了深入的研究，分析了间接电流控制和直接电流控制的优缺点，确定了采用直接电流控制，并对双闭环控制器及PWM整流器主回路参数进行了系统的设计；引入了电压空间矢量，阐述了空间电压矢量控制的控制算法。

最后，本文在理论分析的基础上，利用MTALAB提供的电力电子工具箱，在Simuink仿真环境下建立了三相VSR型PWM整流器主回路及控制器的模型并进行了仿真实验，通过对仿真结果的分析，表明了该方案能够满足网侧电流近似正弦和高功率因数的要求，验证了方案的正确性和可行性。

关键词：三相电压型PWM整流器；直接电流控制；双闭环控制；电压空间矢量PWM；Matlab仿真

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ABSTRACT

With the rapid development of modern society,the power in modern industry plays an increasingly important role,but in the national production and life are closely related with the power electronic converter devices,such as the frequency converters,high-frequency switching power supplies,power inverters and other various converters the use of the device will give our power grid to bring a lot of unfavorable factors,such as a large amount of reactive power and harmonic,low power factor,or even cause severe electromagnetic pollution,resulting in the use of other equipments are not normal in same network.With the development of power electronic and PWM technology, the rectifier has the characteristics of high power factor,harmonic minor,DC output voltage stability and has operate in the four-quadrant,etc.It becomes a green power conversion device.Therefore,the main research subject of this paper is the three-phase voltage source PWM rectifier.

Firstly,the article introduces the background and significance of the PWM rectifier's research,overviews PWM technology's development history and status,raises the three-phase voltage source PWM rectifier,and analysed the working principle of three-phase voltage source PWM rectifier,on this basis established its mathematical model on ABC static coordinate system,d-q synchronous rotating reference frame and ?-? two-phase static coordinate system three different coordinate system ,in addition.

Secondly,this article researches current control strategy of PWM rectifier in depth,analyse s the shortcoming and advantage between indirect-current control and direct current control, make a decision of employment of direct current control based on fixed switching frequency,and systematic designs parameter of double closed loop controller and PWM converter main circuit parameters.Bring in Voltage Space Vector ,and overview the arithmetic of it

Finally,In the foundation of theory analysis ,using Power Electric toolbox offered by MATLAB to finish the simulation experiment under Simulink environment and to verify systematic exactness and feasibility by analysing the simulation results.

Keywords：Three-phase Voltage Source PWM Rectifiers;Direct current control;Double loop control;Space Vector PWM;dual-loop control system;Matlab simulation

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目录

1 绪论 .................................................................... 1

1.1 PWM整流器研究的背景与意义 ......................................... 1 1.2 PWM整流器的产生与发展现状 ......................................... 2

1.2.1 PWM整流器的产生 ............................................. 2 1.2.1电流型PWM整流器 ............................................. 2 1.2.3电压型PWM整流器 ............................................. 3 1.2.4 PWM整流器的发展现状 ......................................... 4 1.3本课题研究的主要内容 ............................................... 5 2 三相VSR原理分析与建模 .................................................. 6

2.1 三相VSR的拓扑结构 ................................................ 6 2.2 PWM基本原理分析 ................................................... 6 2.3 三相VSR的数学模型 ................................................ 9

2.3.1 三相VSR在三相静止坐标系的数学模型 ........................... 9 2.3.2 三相VSR d-q模型的建立 ...................................... 12

3 三相VSR控制系统设计 ................................................... 17

3.1 VSR的电流控制 .................................................... 17

3.1.1 间接电流控制 ................................................ 17 3.1.2直接电流控制 ................................................ 18 3.2三相VSR双闭环控制系统的设计 ...................................... 19

3.2.1 电流内环控制系统设计 ........................................ 20 3.2.2 电压外环控制系统设计 ........................................ 23 3.2三相PWM整流器参数的设计 .......................................... 23

3.2.1 交流侧电感的设计 ............................................ 23 3.2.2 直流侧电容的设计 ............................................ 28

4 三相VSR的空间矢量控制 ................................................. 30

4.1 三相VSR空间矢量PWM 控制的基本原理 ............................... 30 4.2三相VSR空间电压矢量分布 .......................................... 30 4.3 SVPWM整流器的控制算法 ............................................ 32

4.3.1 扇区的确定 .................................................. 33

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4.3.2 矢量作用时间的确定 .......................................... 33 4.3.3开关矢量的确定 .............................................. 37

5 Matlab 仿真 ............................................ 错误！未定义书签。

5.1 基于空间电压矢量的直接电流控制的三相VSR PWM整流器的仿真错误！未定义书签。

5.1.1 基于空间电压矢量PWM波生成模块simulink模型建立错误！未定义书签。 5.1.2 PWM整流器的主回路及控制系统simulink模型的建立错误！未定义书签。 5.2 PWM整流器仿真波形 ................................ 错误！未定义书签。 6 总结与展望 ............................................................. 40 致谢 ..................................................................... 41 参考文献 ................................................................. 42

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1 绪论

1.1 PWM整流器研究的背景与意义

随着现代社会的高速发展，在现代工业生产和人们日常生活中，很多场合都离不开对电的需求，但是由于近些年来煤炭、石油、天然气等不可再生能源不断地被大量过度地开采，有专家预测在未来的80多年以后，人类将再无这些能源可以使用，人类将面

临能源枯竭的尴尬境地，随之而来将会引起人们对电能的恐慌。

如何更好的节约能源，开发环保和可持续利用的新能源成了当今世界亟待解决的问题，特别是与国民生产生活密切相关的电力电子变换装置，如变频器、高频开关电源、逆变电源等各种变换装置的研究备受关注。因为这些变换装置大量被使用的同时，必定会带来一些不利因素：在这些大部分变换装置使用中首先需要整流环节将交流电压转换成直流电压，而整流环节主要是通过功率二极管或者晶闸管组成的整流电路；这种方式在交流侧容易造成电流波形畸变，并向电网注入大量的无功功率和谐波，将会给电网造成严重的电磁污染，以致影响同网其他设备的正常使用，同时还存在功率因数低、直流电压波动等问题，所以既能有效治理电网污染并提高电能利用率，又能环保节能的绿色能源措施越来越受到众多研究组织的关注和重视。

能够有效解决变换装置所带来的负面效应的根本措施就是需要求变换装置实现整流环节网侧电流达到正弦化，工作于单位功率因数等特性。一般来说，要想能够消除电网谐波且获得高功率因数的途径，主要有两种：一种是在系统中加入补偿器，如静止无功补偿器(Static Var Compensator)、有源电力滤波器(Active Power Filter)等达到补偿无功功率和谐波的目的；一种是改进整流环节的装置，优化电路拓扑结构和控制算法，使自身实现抑制谐波并可调节功率因素的效能。

随着现代电力电子技术的进步与飞速发展，功率半导体器件的性能也在逐步地提高，特别是全控型功率开关器件的不断出现，以及 PWM控制技术的应用，使PWM 整流器得以诞生。PWM 整流器采用的是全控开关器件，电路结构简单，工作频率高且容易实现，通过控制开关器件的通断就可以控制整流器输入的电流波形，实现电压电流同相位或反相位，网侧功率因数近似达到1，谐波含量少，直流侧电压可控，并且这种结构的整流器能在四象限运行，可以工作在整流或逆变状态，是真正意义上的绿色装置，因此对 PWM 整流器的控制研究意义重大。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3byd.html