三相电压型 PWM 整流器原理及控制方法

1、长春工业大学学士学位论文摘 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以及绿色能源的发展，PWM整流器技术已成为电力电子技术研究的热点和亮点。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,还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。论文首先以三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构,阐述三相电压型PWM整流器的基本工作原理并建立了三相电压型PWM整流器的数学模型；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, 以TI公司的TMS320LF2407A芯片作为控

2、制器，选用三菱公司的IPM模块进行三相电压型PWM整流器系统的硬件设计，包括主电路、检测控制电路,保护电路等；结合硬件设计的基础之上，完成相应的软件设计。关键词 PWM整流器 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制 DSPTitle Design of three-phase PWM Rectifier powerAbstractWith the serious problem of harmonics pollution to the power system and the need of high performance of AC drive applica

3、tion and the development of the green power technology，PWM rectifier has become a highlight in the field of power electronics. Three-phase PWM rectifiers have recently been an active research topic in power electronics due to more virtues, such as sinusoidal input currents, unity power factor , stea

4、dy output voltage, good dynamics and bin-directional energy flow.Firstly, the thesis elaborated the basic principle of work for the PWM rectifier according to main circuit topology of three-phase voltage-type PWM rectifier, and the establishment of a three-phase voltage-type PWM rectifier model; Sec

5、ondly, the thesis proposed the three-phase voltage-type PWM rectifiers control strategy. Based on the control strategy it has studied the space voltage vector pulse width modulation control method. With TI company's TMS320LF2407A chip as controllers, choose Mitsubishi company IPM module for thre

6、e-phase voltage source PWM rectifier system hardware design, including the main circuit, detection control circuit, protect circuit, etc.; Combined with the basis of hardware design, software design of complete corresponding.Keywords PWM rectifier Voltage space vector PWM (SVPWM) control DSPII长春工业大学

7、学士学位论文目 录第一章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外 PWM 整流器研究发展现状21.3 本课题研究的内容61.4 本章小结6第二章 三相电压型 PWM 整流器原理及控制方法72.1 方案论证72.1.1 微处理器的选择72.1.2 功率器件的选用82.2 三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构92.3 PWM整流器运行的基本原理102.4 三相电压型PWM整流器的数学模型132.4.1 三相VSR一般数学模型132.4.2 dq坐标系下三相VSR数学模型152.5 三相电压型PWM整流器控制方法152.6 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制172.6.1 SVPWM基本

8、原理182.6.2 SVPWM的合成192.6.3 SVPWM与SPWM控制的比较212.7 本章小结22第三章 三相电压型PWM整流器系统硬件设计233.1 硬件系统设计233.2 主电路设计233.2.1 进线熔断器243.2.2 功率器件选型243.2.3 交流侧电感设计253.2.4 直流侧电容选取293.2.5 IPM保护及其接口电路303.3 检测控制电路设计323.3.1 过零检测电路设计323.3.2 采样调理电路设计333.3.3 温度检测电路设计343.3.4 DSP控制电路设计353.4 本章小结36第四章 三相电压型PWM整流器软件设计374.1 系统资源分配384.2

9、 控制软件的构成384.2.1 主程序设计384.2.2 中断服务程序设计404.2.3 子程序设计414.3 本章小结43结论44致谢45参考文献46附录 电气原理图49长春工业大学学士学位论文第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义能源在当今国民经济飞速发展中起着非常重要的作用，如何能够合理的开发并且高效的利用能源是提倡低碳经济的今天急切需要解决的重要问题。当代社会中电能是非常主要的一种二次能源，在一些发达国家，几乎电能的75%要通过电力电子变换后才可以使用，预料在整个21世纪将会发展到95%以上1。电力电子技术己被广泛应用于医药制造、农业、工业、商业、家用电器、国防军事医药制造以及交通等一

10、些领域。但是在电力电子装置得到广泛应用的同时，也给电网带来了一定的谐波污染以及无功功率损耗增加和电磁干扰等许许多多的负面效应，严重地对电能的质量造成了一定的影响。早些年，日本发表的一项谐波分布状况的调查报告中表明了2:在众多186家有代表性的电力用户中，最大的谐波源是整流装置，约占66%，交流电力电子装置约占据1%，办公和家电大约占据23%，电弧炉大约占据4%，其它的一共大约占据10%。所以，充分开发和研究新型的低谐波，合理利用高功率因数的整流装置是很有必要的。随着功率半导体开关器件技术有了一定的进步，促使了电力电子变流装置技术的飞速发展，同时也出现了基础以脉宽调制(PWM)控制的各种变流装置

11、：比如高频开关电源、变流器、逆变电源以及各类特种变频器等等，电力电子装置在整个国民经济各个领域中得到了广泛的应用。而随着电力电子装置的大量使用同时也带来了一些不容忽视的问题，比如：目前大量的变流装置要通过整流环节以获得直流电压，传统的二极管整流和相控整流环节，不仅直流侧电压质量低，而且还会对电网注入大量的谐波及无功功率，同时造成了严重的电网“污染”。这也引起了各个国家的重视，许多国家都已经制定了一些国家标准来限制谐波，国际大电网会议(CIGRE)，国际电工委员会(IEC)以及国际电气电子工程师协会(IEEE)，也都推出了属于自己的谐波标准。同时国际电工学会在1988年对谐波标准的IEC555-

12、2进行了一定的修正，欧洲制定的IEC1000-3-2标准。我国的国家技术监督局也在1994年正式颁布了相应的电能质量公用电网谐标准(GB/T 14549-93)7，传统变流装置中的大多数要求已不符合这些新的标准，将面临着前所未有的挑战。一般说来，抑制电力电子装置对电网污染的途径可以是两种：一种是设置补偿装置，想法补偿谐波和无功功率，其主要包括有源电力滤波器、无源滤波器和混合电力滤波器。目前，很多使用的无源滤波器拥有结构简单，既可以抑制谐波又可以补偿无功功率，但也存在适用性不强、只能补偿规定的频率谐波，它的补偿特性也有可能会受到运行状态和电网阻抗特性的影响，容易和系统发生一些并联谐振，同时还会放

13、大谐波，使滤波器过载还甚至发生烧毁；另外一种方法是对电力电子变流装置自身进行改造，使变流装置实现网侧电流正弦化并且运行于单位功率的因素，这也是治理电网谐波和无功“污染”非常根本的一个措施1。PWM整流器具体的优点有三个:一是网侧功率因数是可控的3:网侧电流可以成正弦化，功率因数同时还可以控制在-1到+l之间，也就是说PWM整流器既可以运行在逆变状态，同时又可运行在整流状态。二是能量可以发生双向流动3，当PWM整流器运行在它的整流状态时，能量能够从电网向负载的一端进行传递，当PWM整流器运行在逆变状态时，能量能够从负载的一端向电网侧传递。三是直流电压是可以调节5。因为PWM整流器具有的上述诸多优

14、点，所以以PWM整流器为核心的各种电力电子装置被广泛的应用在了功率因数校正、静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制器、电气传动、可再生能源并网发电等场合1。可以看出，随着PWM控制技术的发展，比较多的智能控制算法在PWM整流器中的应用，PWM整流器的性能会不断的得到提高，应该会得到更为广泛的应用。因此，研究和开发PWM整流器，进一步提高它的相关性能同时也是集电力谐波污染治理，绿色可再生能源的开发，新型电力电子装置研制于一体的重要课题，具有非常大的经济实用效益，同时又含有比较丰富的学术研究价值。1.2 国内外 PWM 整流器研究发展现状自20世纪90年代以来，PWM 整流技术都一直是学术界关注

15、和研究的热点。随着研究的深入，PWM 整流技术的相关应用研究8-13也得到了一定的发展，如有源电力滤波(APF)、超导储能(SMES)、电气传动(ED)、高压直流输电(HVDC)、统一潮流控制器(UPFC)、新型UPS 以及太阳能、风能等再生能源的并网发电等，并伴随着现代控制理论、微处理器技术以及现代电子技术的不断更新，这些应用技术的研究又促使了PWM 整流的技术日趋成熟，其主电路已经从一开始的半控型器件桥路发展到现如今的全控型桥路；拓扑结构也已成从三相、单相的电路向多电平拓扑电路及多相组合的方向发展 12-13；PWM 调制方式也从由单纯的硬开关调制向软开关的调制进行发展；功率等级也从以前的

16、千瓦级上升到了兆瓦级，但是在主电路的类型上既有电流源型整流器，又有了电压源型整流器，两者已经成功地投入使用在了工业上，但却大多采用了模拟芯片PWM波发生器，在闭环和智能调节比如说在风力发电的并网等方面均存在着非常大的问题，尤其是在我们国内，基于数字信号微处理器的 PWM 整流器相应的研究还只是处于初步发展的阶段2-4。当前对 PWM 整流器的研究主要体现在如下的几个方面：1. 关于 PWM 整流器数学模型的研究PWM 整流器中对于数学模型的研究是 PWM 整流器及其控制技术的基础。A.W.Green 曾经提出了基于一定的坐标变换的 PWM 整流器连续、离散的一些动态数学模型，R.Wu 和 S.

17、B.Dewan 等较为系统地建立了 PWM 整流器的一些时域模型，同进也将时域模型分解成为高频和低频模型10-11，且给出了相应的时域解。而 DongY.Hu 和 Chun T.Rim 等则通过局部电路的dq 的坐标变换给出了 PWM 整流器基于等效模型电路的低频变压器13，并给出了稳态、动态特性分析。基于此基础上，Hengchun Mao等人同时也建立了一种新颖的降阶小信号的模型，从而简化了 PWM整流器的数学模型以及特性的分析17。2. 关于 PWM 整流器拓扑结构的研究PWM 整流器的主电路拓扑结构将近十几年来也没有取得特别大的突破12，主电路设计的基本原则也是在保持原有系统的基础上，尽

18、量地简化电路的拓扑结构，减少使用的开关元件个数，降低总成本，一定程度上提高系统的可靠性。PWM 整流器拓扑结构可分为电压型和电流型两大类。其中电压型PWM 整流器最显著的特点是电流储能是在直流侧采用电容，从而使整流器的直流侧输出特性呈现相应低阻抗的电压源.电流型 PWM 整流器直流侧电流储能则是采用一些大电感，使得整流器直流侧输出特点为高阻抗的电流源。根据装置功率要求的不同，同时研究的侧重点不同。在中小功率场合，研究大多集中在功率开关的减少和改进直流输出性能上；在一些高功率场合，研究大部分集中于变流器组合20、软开关技术、以及多电平的拓扑结构16-18上。PWM 整流器的多电平拓扑结构主要用于

19、高压、大容量场合。但是对于大电流应用场合中，很多都是采用变流器组合拓扑结构，也就是将独立的电流型 PWM 整流器进行相应的并联组合。3. 对于电压型 PWM 整流器电流控制技术的研究电压型 PWM 整流器有两个控制目标，一是得到稳定的直流电压，另一个是使网侧电流正弦化并跟踪电网电压变化。为了能够让电压型PWM 整流器网侧呈现出受控电流源的特性，其网侧电流的控制至关重要，决定了 PWM 整流器的动静态性能。电压型 PWM 整流器网侧电流控制策略主要分成两类20：间接电流控制策略和直接电流控制策略。间接电流控制其网侧电流的动态响应慢，且对系统的参数比较敏感，适用性不高，因此逐步被直接电流控制所取代

20、。与间接电流控制相比，直接电流控制电流响应速度快，系统鲁棒性强，且容易实现过流保护，是当今PWM整流器电流控制方案的主流。4.PWM整流器系统控制策略的研究控制策略是PWM整流器控制系统的核心，其优劣决定着 PWM 整流器的动静态性能以及鲁棒性。PWM整流器常用的控制方法有滞环电流控制18、固定开关频率电流控制19、预测电流控制20、直接功率控制21、无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制22、电网不平衡条件下的 PWM 整流器控制23、滑模变结构控制24、反馈精确线性化控制25、基于 Lyapunov 稳定性理论的控制26-27、模糊控制24等，具体如下：(1) 滞环电流控制滞环电流控制是

21、一种反馈瞬时值的控制模式，它的基本思想是能够将检测到的实际电流信号与电流给定信号值相比较，如果实际电流略大于指令值，则经过变流器的开关状态的改变就能使之减小，反之增大，使得实际电流围绕指令电流做锯齿状的变化，并将偏差控制一定范围内，形成滞环。这种控制方法电流响应速度快，结构简单，方便实现电流限制，且控制与系统参数无关，系统鲁棒性好，但是开关频率在一个工频周期内不固定，谐波电流频谱随机分布，网侧滤波器设计较为困难。(2) 固定开关频率 PWM 电流控制固定开关频率 PWM 电流控制，一般是指 PWM 载波(如三角波)频率固定不变，而以电流偏差调节信号为调制波的 PWM 控制方法。该控制方法克服了

22、滞环电流控制开关频率不固定的缺点，电流响应速度快，系统鲁棒性高，但当电流内环均采用 PI 调节时，三相静止坐标系中的 PI 电流调节器无法实现电流的无静差控制。(3) 预测电流控制预测电流控制的思想是先由开关的在线优化出发，同时根据相应的负载大小以及所给定的电流矢量的变化率，进而可以推算出使下一周期电流满足期望值的电压矢量来进行对 PWM 整流器开关的控制。预测电流控制是拥有非常快的电流响应速度，而其控制的效果必须要依赖于系统参数，鲁棒性也不太高，且受控制延时和处理器采样的影响非常大。(4) 直接功率控制直接功率控制通过对 PWM 整流器瞬时有功和无功进行直接控制，达到控制瞬时输入电流的目的。

23、该方法具有结构、算法简单，系统动态性能好，鲁棒性强，容易数字化实现，对交流侧电压不平衡和谐波失真也具有一定补偿作用。(5) 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制是为进一步简化电压型PWM 整流器的信号检测而提出的控制方法。无电网电动势传感器控制主要包括两类电网电动势的重构方案：其一是基于网侧电流偏差调节的电网电动势的重构，它采用网侧电流偏差的 PI 调节来控制电网电动势误差，是一种闭环估计算法，其精度非常高；其二是通过复功率的估计来重构电网电动势，是一种开环估计算法，因而精度不是太高，并且由于含有微分项，在复功率估计算法中容易引入干扰。无网侧电流传感

24、器控制是通过直流侧电流的检测来重构交流侧电流。(6) 电网不平衡条件下的 PWM 整流器控制为了使 PWM 整流器在电网不平衡条件下仍能正常运行，学术界提出了在不平衡的条件下，直流电压和网侧电流的时域表达式，电网负序分量被认为是导致网侧电流畸变的原因，同时指出，在电网不平衡条件下，常规的控制方法会使直流电压产生偶次谐波分量，交流侧会有奇次谐波电流。为此，D.Vincenti 等人较为系统地提出了正序 dq 坐标系中的前馈控制策略，即通过负序分量的前馈控制来抑制电网负序分量的影响。但是由于该方法的负序分量在 dq 坐标下不是直流量，导致 PI 调节不能实现无静差控制。因此，又有人提出了正、负序双

25、旋转坐标系控制，该方法实现了无静差控制，是较完善的理论，但是其控制的结构比较复杂，运算量大。(7) 滑模变结构控制滑模变结构控制本质上是一种非线性控制，其非线性特性表现为控制的不连续性，特点是系统结构并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态不断变化，迫使系统按照指定的滑动模态运动。采用滑模变结构控制，可以使 PWM 整流器不依赖于电网电压、开关器件以及负载参数，对参数变化及干扰具有不变性，即强鲁棒性，但控制器设计中滑模系数的选取比较困难，选取不当容易给系统带来不利抖动，造成系统不稳。(8) 反馈精确线性化控制利用微分几何理论对相应的非线性系统进行一定的结构分解、分析及控制设计的反馈精

26、确线性化控制，通过采用相应的非线性状态反馈量和非线性坐标变换，能够使得非线性系统可在大范围内甚至是整个全局范围内线性化，这样就能够很方便地使用线性控制理论对相应的非线性系统进行一定的控制器的设计。将反馈精确线性化用于 PWM 整流器的控制，可以使输入电流快速跟踪网压且畸变较小，具有良好的鲁棒性。该方法非线性控制器设计比较复杂，涉及多次坐标变换，运算量较大。(9) 基于 Lyapunov 稳定性理论的控制现有大多数基于小信号模型的PWM 整流器，应用相应的线性控制理论进行设计。因此，只有在系统的状态和输入在非常小的干扰的下才能够保证整个系统的稳定性，在大范围干扰下，很难使系统得到，为了保证 PW

27、M 整流器稳定运行在大范围干扰的情况并且有的动静态性能，国内外学者已在系统控制设计中将 Lyapunov 稳定理论得到了应用。对于给定的非线性系统，如果能够找到相应的 Lyapunov 函数，就可以利用这个函数对系统控制器进行相应的设计，采用 Lyapunov 相应的稳定理论设计的 PWM 整流器，解决了系统参数变化对电流跟踪的影响，同时电流在跟踪给定值时的效果也变的很好，在大范围干扰的情况下也能够保证系统稳定，同时具有比较优良的动态性能，但构造 Lyapunov 函数比较困难，最佳能量函数的确定比较困难。(10)模糊控制模糊控制是将系统的动态映射关系通过模糊规则和隶属度函数体现出来，首先是模

28、糊化确定性输入量，利用相应的模糊推理就可以得到模糊输出，然后用清晰化的方法得到相应的输出确定量，这样输入输出是有一定的规则。采用模糊控制可以使 PWM 整流器能够有下述特点：控制频率不受输入电源频率的限制，而是只与程序执行周期有关；输入电流快速跟踪电网电压，谐波低，功率因数高；对系统参数不敏感，且能适用负载的非线性变化；模型完全离散化，易于数字实现。长期以来，由于电压型 PWM 整流器的结构简单、损耗较低、控制方便，所以一直是人们研究的重点，而电流型 PWM 整流器由于需要较大的直流储能电感，以及存在交流侧滤波问题，它的控制和结构有一定的复杂，也就制约了电流型 PWM 整流器的研究和应用，但是

29、随着发展一定的超导技术，电流型 PWM 整流器在超导储能技术的发展中可以具有更大的优势，因为超导线圈的损耗非常低，可以用作电流型 PWM 整流器直流储能电感，克服了电流型PWM 整流器本来的不足。1.3 本课题研究的内容本课题研究对象是三相电压型 PWM 整流器，阐述 PWM 整流器的工作原理，并建立其数学建模，通过运用瞬时无功功率理论对其进行分析，然后根据项目的设计要求，设计了电压型 PWM 整流器。本课题的主要内容归纳为以下几个方面：1)简单介绍了 PWM 整流器的拓扑结构，阐述了 PWM 整流器的工作原理，在三相静止坐标系下建立PWM整流器的数学模型，并推导出在两相旋转坐标下的数学模型。

30、分析PWM整流器四象限运行的基本原理和换流过程。2)根据三相电压型 PWM 整流器的控制目标，采用瞬时无功功率理论，电流内环采用基于输入输出线性化控制方法，电流响应速度快，具有较好的动静态性能，并在此基础上引入变结构控制思想，设计了基于线性化的变结构电流控制器，进一步提高系统的抗扰性。在完成三相电压型PWM整流器控制器理论设计的基础上，分析了空间矢量调制原理，并介绍了传统 SPWM 和新颖差值 SVPWM 的实现方法。 3)根据电压型 PWM 整流器的性能指标，构建基于TI公司TMS320系列的DSP为控制核心的PWM整流器。顺利完成了硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括主电路设计、检测控制电

31、路设计和驱动电路设计等；软件设计主要包括主程序设计、中断服务程序设计及子程序设计等。1.4 本章小结本章详细介绍了课题研究背景和研究意义以及国内外 PWM 整流器的研究发展的现状，并根据实际要求，拟订本课题的主要研究内容。第二章 三相电压型 PWM 整流器原理及控制方法2.1 方案论证在现实生活中，对于PWM整流器即可以使用单片机也可以用DSP器件为核心进行控制。开关器件即可以使用功率场效应晶体管(MOSFET)也可以使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。下面分别介绍微处理器及开关器件的各自特点，从而选择出合适的控制方式。2.1.1 微处理器的选择所谓单片机，就是在一块芯片上有CPU、RAM、RO

32、M(EPROM或EEPROM)、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口的通用IC。如Intel公司的8031、8051以及后来的AT89C51等。除了以上基本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。总的来说，单片机一般具有如下特点：(1)具备位处理能力。(2)可一侧的执行周期。(3)擅长终端处理，特别是外部异步事件。(4)既有丰富的I/O功能。(5)价格低廉，便于开发。单片机经过了很多年的发展，开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。后备人才充足。国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。但是单片机本身的资源有限，在本设计中如若选用单片机做控制核心的

33、话，还需要外加A/D转换模块，会给设计造成一定的难度。 与单片机对比，DSP器件一般具有更快的CPU、更高的集成度以及容量非常大的存储器，其内部有FIFO缓冲器和波特率发生器。同时提供标准异步串口和高速同步串口，有的集成了一定的A/D采样电路在片内，用于控制领域的DSP还提供多路PWM输出，用于电机控制，可减少开发人员的工作量。DSP的器件采用了改进之后的哈佛结构，具有独立的数据和程序空间，允许同时存取数据和程序。内置加强的多级流水线以及高速硬件乘法器，使DSP器件具备了比较高的数据运算的能力。DSP可以比一些高档的16位的单片机中的单指令执行周期降低810倍，可以在一个周期内完成相应的一次乘

34、加运算，比单片机运算要加快大约1630倍，可以大幅度提高滤波器的运算速度以及存在很多乘加运算的FFT（快速的傅里叶变换）。另外， JTAG接口也存在于DSP器件中，而且有更加先进的开发手段，这使得批量生产和进行必要的测试更加方便，开发工具还能够实现全空间相应的透明仿真，用户可以看到全部存储空间或I/O空间的变化而不必占用一些用户的任何资源。开发软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器等，使用户不必过多关心编译细节，从而可以更加专注于算法设计和程序开发。总而言之，DSP是为了满足数字信号处理、控制开发而制造的一类专用微处理器。一般具有以下几个特点：(1)采用改进的哈佛总线结构，内部有两天总线，即

35、数据总线和程序总线。采用程序与数据空间分开结构，分别有各自的地址数据总线和总线，能够同时完成指令操作和数据操作。(2)每条指令在执行时采用流水操作划分为执行、译码、取数、取指令等很多步骤，完成是通过片内多个功能单元，并支持并行处理的任务。(3)在实现一次或者多次乘法累加（MAC）运算的一个指令周期内，从而节省运算时间。(4)地址产生单元集成了许多个，至此循环寻址和位倒序等特殊指令，实现FFT、卷积等运算中的选址、排序等，使得计算速度大大提高。(5)DMA控制逻辑有一组或者很多组独立的，提升了数据的脱兔宽带，为数字信号处理和高速数据交换提供了一定的保障。(6)支持一些重复的运算，避免循环操作过多

36、时间。(7)拥有丰富的片内内存和外扩存储器接口。(8)提供多个穿行或并行I/O接口以及特别I/O接口（如PWM等），考完成特殊的数据处理或控制，从而提高系统的性能并且降低了成本。目前国内推广应用最为广泛的DSP器件是美国德州仪器公司(TI)生产的TMS320系列。已有不少高校计划建立DSP实验室，TI公司和北京闻亭公司都已制订了高校支持计划，将带动国内DSP器件的应用和推广，同时更多开发人员的参与也使得可利用的开发资源越来越多。因为单片机和DSP各自有其特点，所以各自有不同的使用领域。一般单片机多应用于一些简单的控制领域，这些应用一般不要求很高的精度和数字信号处理；而在一些高精度控制领域，特别

37、是需要对各种传感器信号进行处理的场合，DSP的应用就更好一些，在本文中采用TMS320LF2407A芯片来完成PWM整流器的系统设计。2.1.2 功率器件的选用PWM整流器需要通过开关器件的关闭来进行控制，需要开关器件可以瞬间导通和关断。电力半导体器件的种类非常多，在目前经常使用的绝缘栅双极晶体管(IGBT)及功率场效应晶体管(MOSFET)来说，它们各有其各自的优缺点。低功率低电压场合较使用功率场效应晶体管，它具有驱动电路简单，开关频率高(可以达到500KHz)等特点，但是它对电压的依靠性非常之高，很易发生静电击穿，当它接有一定的电机负载时，在进行相应的停止和起动时，也许会产生比较高的电流而

38、使开关管损坏也有可能产生比较高的电压进而击穿开关管。因此，对过电流和过压都应该有相应的保措施来进行保护。出现于20世纪80年代的绝缘栅双极晶体管，是基于电力MOSFET工艺的产物，它具有MOSFET高速特性、高输入阻抗以及双极晶体管BJT (GTR)所具有的优点：大电流密度特性等的混合器件。IGBT正常的在6001800V范围内的通态压降要比具有相同额定电压的MOSFET通态压降小得多。由于通过IGBT形成的变频器噪声比较低，同时还有比较稳定的开关安全工作区、非常高的工作频率以及比较简单的驱动电路。IGBT多用于中小型功率的变频器作为其相应的开关元件。随着不断进步的生产工艺，20世纪出现的智能

39、电力模块器件(IPM)将IGBT开关器件和保护电路以及检测电路和驱动电路等都集成在了相同的模块内，是功率集成电路的一种。其具有的主要特点如下述：(1)电流传感器集成在了模块内，能够检测电路中的短路电流及过电流，不必再像以往检测电流时还需要使用电流互感器，为实现小型化、减低成本打下了基础。(2)保护回路与驱动回路等都相应的做到了集成化，能够尽量缩短开发与设计的时间。(3)智能模块本身就有短路、过流、电源电压不足、过热等的一些保护功能。当这些保护功能中的某种保护动作时，智能模块就能够自动封锁内部开关设备的驱动信号并向外部输出警告标记，进而充分保证了器件的安全使用。(4)能在有故障的情况下启动相应的

40、自我保护功能，减少了器件在使用和开发中出现过载情况而照成损坏的机会。也不再需要实施防静电措施如以往的MOS系列功率模块所采用的，操作起来也很方便。综上所述，IPM模块的出现和使用降低了这些厂家的开发、设计和制造上的成本，与IGBT相比，大大简化了硬件电路的设计，缩小了装置体积，简化了接线，缩短了开发周期，更主要的是，它提高了系统的安全性和可靠性，使设计和开发变的简单。本课题采用一个六合一的IPM模块作为主电路的开关器件用于PWM整流。2.2 三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构通过对电力电子技术的发展进行研究知道，整流器是一种较早的应用于AC/.DC中的变换装置，整流器发展经历了由不可控整流器

41、、相控整流器到PWM整流器的程。PWM整流器对传统的相控整流器及二极管都进行了相应的改进，其比较重要的改进在于采用了PWM的调制方式和全控型的率器件，进而才能让PWM整流器具有电能双向流动及较快的动态响应、网侧功率因数控制、网侧电流正弦控制等比较多的优良性能。PWM整流器又可以分为电流型整流器 (Current Source Rectifer-CSR)和电压型整流器(Voltage Source Rectifer-VSR)两大类，电压型PWM整流器主电路拓扑结构的类型有很多，而电压型PWM整流器一个最显著的特点就是直流侧接电容器，对直流电压进行滤波，从而能够获得比较平稳的直流电压，而本设计主就

42、是将三相电压型PWM整流器作为研究对象。图2-1 三相电压型PWM整流器主电路拓扑三相电压型PWM整流器的拓扑结构如图2-1所示，其中在所示的电路中三相电感L起滤波作用，因此交流侧电流可近似认为是三相正弦电流，C为直流侧电容，起稳压滤波的作用，当系统稳定时，可保持直流母线电压基本不变，故可看作是直流电压源。R为线路与开关管的等效电阻，RL为负载。2.3 PWM整流器运行的基本原理根据PWM整流器的主电路得到其简化电路如图2-2所示1图2-2 PWM整流器简化电路图中i是网侧电流，e是交流电动势， v是开关管交流侧的输入电压，udc是直流侧电压，idc是包括电容，负载在内的直流侧的总电流。从图2

43、-2可以看出，PWM整流器的交流回路的组成有电网电源，开关管交流侧输入电压，交流侧电感。设V为开关管交流侧输入电压矢量，E是交流侧电网电压矢量， K为交流侧电感电压矢量，I为交流侧电流矢量。为简化对电路的分析，忽略PWM整流器对应物理量的谐波分量，只是考虑它的基波分量。设不变，则也固定不变，根据文献l的分析，PWM整流器包含四个特殊的运行状态：正阻状态运行，纯电感状态运行，负阻状态运行，纯电容状态运行，当整流器在这四个状态之间进行转换时，PWM整流器开关管交流侧输入电压矢量V端点的轨迹形成了一个圆，其半径为。 图2-3 PWM整流器纯电感运行时交流侧稳态矢量图PWM整流器的纯电感状态运行的交流

44、侧稳态矢量图如图2-3所示1。在图2-3中的A点，因为电网电压矢量E超前交流侧电流矢量I九十度，矢量E，I之间的相位关系和纯电感上电流，电压相位关系相同，因此称PWM整流器此时交流侧呈现纯电感运行特性，所以此时整流器将从电网吸收无功功率。当开关管交流侧输入电压矢量V端点从圆的A运行到B的过程中，PWM整流器从电网吸收无功和有功功率，整流器便处于整流状态。 图2-4 PWM整流器正阻特性运行时交流侧稳态矢量图PWM整流器的正阻状态运行的交流侧稳态矢量图如图2-4所示l。在图2-4中的B点，电网电压矢量E和交流侧电流矢量I的相位相同，矢量I，E之间的相位关系同电阻上电流，电压相位关系一样，因此PW

45、M整流器的交流侧可以处于单位功率因数运行的状态，只有电网中的有功功率才能被整流器吸收，无功功率则不能被吸收。在开关管交流侧输入电压矢量V端从B点运行到C点的过程中，整流器依然运行于整流状态。这时，整流器吸收电网中的容性无功和有功功率。 图2-5 PWM整流器纯电容特性运行时交流侧稳态矢量图PWM整流器的纯电容特性运行时交流侧稳态矢量图如图2-5所示1。在图2-5中的C点，由于电网电压矢量E滞后交流侧电流矢量I九十度，矢量E， I之间的相位关系和电容上电流，电压相位关系一样，因此称PWM整流器此时交流侧运行特性呈现纯电容性，这时只有电网中的容性无功功率才能被整流器吸收。当开关管交流侧输入电压矢量

46、V端从C运行到D的过程中，PWM整流器运行于有源逆变的状态。这时，电能够从PWM整流器直流侧传输流向电网。图2-6 PWM整流器负阻特性运行时交流侧稳态矢量图PWM整流器的负阻状态运行交流侧稳态矢量图如图2-6所示1。在图2-6中的D点，由于电网电压矢量E和交流侧电流矢量I的相位相差180度，此时整流器只吸收电网中的有感性无功功率。当开关管交流侧输入电压矢量V端点从D运行到A过程中，电能从PWM整流器直流侧传输到电网。PWM整流器仍然处于同上的逆变状态。综上所述:如果要对PWM整流器的交流侧输入电流矢量I进行合适的控制，可以通过控制交流侧电感电压矢量VL，而VL则可根据PWM整流器的交流侧稳态

47、矢量图，转化为对开关管交流侧输入电压矢量V的控制，所以开关管交流侧的输入电压矢量V可以由直流电压和SPWM或者SVPWM技术结合得出，从而完成对PWM整流器的控制过程。整个控制过程可以由下图形象的描述。 图2-7 PWM整流器电流矢量控制过程2.4 三相电压型PWM整流器的数学模型建立数学模型是深入分析和研究 PWM 整流器的工作机理及动态和静态特性的重要前提。本节将分别建立 PWM 整流器在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型，方便进一步研究三相电压型 PWM 整流器的控制策略。2.4.1 三相VSR一般数学模型PWM整流器主电路如图2-8所示。图中ua，ub，uc为三相对称电源相

48、电压，ia，ib，ic为三相相电流，udc为直流侧电压，L为交流侧滤波电感，RL为负载电阻，VT1至VT6为整流器的开关管。为方便对PWM整流器数学模型的建立，不失一般性，可以做如下近似A.三相电源为对称三相交流电源，其 B.交流侧滤波电感L为理想电感。C.开关管的能量损耗由交流侧等效电阻R代替。 图2-8 三相电压型PWM整流器主电路定义单极性二值逻辑开关函数 1 （2-1） 0 其中当时表示开关管上桥臂导通下桥臂关断，时表示开关管下桥臂导通上桥臂关断，其中j=(a，b，c)。考虑a相回路，当VT1导通VT4关断时，即当时有 （2-2） 当VT1关断VT4导通时即 （2-3）由式(2-2)，

49、（2-3）得 （2-4）根据基氏定律中的电压定律，结合(2-4)式对a相回路列电压回路方程得 （2-5）同理，可得b,c相方程如下：（2-6）（2-7）考虑到电网的电压和输入交流电流为对称三相电压，电流则有 （2-8）联立(2-1)(2-8)得 （2-9）在图2-8中，任意瞬间都有三个开关管导通，其直流侧电流可表示为 (2-10)在图2-8中, 根据基氏电流定律，对直流侧电容的正极点列电流方程得 (2-11)整理式(2-1)至(2-11)得到PWM整流器在三相静止坐标系下的数学模型为1(2-12)当负载为纯电阻负载时，。2.4.2 dq坐标系下三相VSR数学模型由于PWM整流器在三相静止坐标中

50、的各个物理量是时变量，可以将整流器在三相静止坐标系中的各个物理量变换到两相同步旋转DQ坐标系中避免了不利于控制系统的设计的弊端，电网电压矢量和网侧电流矢量为直流分量，有利于控制器的设计。坐标变换采用等功率变换。等功率变换矩阵为27 (2-13) 结合式(2-12)，(2-13)得整流器在两相旋转坐标系下的数学模型为1 (2-14)2.5 三相电压型PWM整流器控制方法目前，三相PWM整流器广泛采用双闭环的控制方法，控制方法的研究也主要集中在控制网侧电流取得网侧电流给定值并抑制直流侧电压波动的电压外环这两个方面。历经数十年的研究与探索，PWM整流器技术已日渐趋于成熟。PWM整流器主电路已从早期的

51、半控型器件桥路发展到现在的全控型器件桥路;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开关控制由从前单纯的硬开关调制发展到软开关调制;功率等级也从千瓦发展到如今的兆瓦级3。随着对PWM整流器及其控制策略的研究日益深入，研究人员也陆续提出了一些较为新颖的系统控制策略，如无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制、直接功率控制，PWM整流器的时间最优控制、电网不平衡条件下的PWM整流器控制略关于Lyapunov稳定性理论的PWM整流器控制等其他控制策略。这些控制系统都各有优势，但是对于电压型PWM整流器目前应用较多的是电流控制策略。PWM整流器的电流控制策略包含“直接电流控制”和

52、“间接电流控制”两种控制策略。根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种，引入交流电流反馈的称为直接电流控制，的称为间接电流控制没有引入交流电流反馈。实际上间接电流控制是幅相控制，根据系统低频稳态数学模型(反映稳态下电压平衡关系)要控制网侧电流，可以通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波的幅值、相位来实现。“间接电流控制”策略著优点是无需电流传感器、结构简单、静态特性良好，但这种控制方式的缺点是: 动态响应慢，稳定性差、动态过程中存在直流电流偏移和很大的电流过冲、自身无限流保护、需有过流保护限制了该种策略的实际应用。“直接电流控制”策略是通过对交流电流的直接控制而使其跟随电流给定信号

53、的控制方法，采用交流电流内环、直流电压外环构成整流器控制系统，既可恒定控制直流电压因数，又可实现单位功率。直接电流控制的PWM整流器采用SPWM调制方式，采用双闭环结构，电压外环输出作为电流指令，电流内环则控制输入电流，使之快速跟踪电流指令，其动态响应速度较快、控制精度高、限流容易在实际生产中得到了广泛的应用，但是其缺点是对硬件和CPU的要求比较高2。直接电流方法的提出引起了学术界广泛的关注，从系统控制器的结构形式分，直接电流控制分为三种类型24:1)电压电流双闭环控制。这是目前应用最广泛，最为实用化的控制方式。他们的共同特点是:输入电流和输出电压分开控制，电压外环的输出作为电流指令信号，电流

54、内环控制输入电流，使之快速地跟踪电流指令。电流内环控制电流，而且起到了改善控制对象的作用。由于电流内环的存在，只要把电流指令限幅就可自然起到过流保护的作用，这是双闭环控制的优点。根据电流控制器的实现形式，又分以下几种形式电流滞环调节器。它具有相当快的电流控制特性，适应参数变化的能力也很强。其缺点是开关的频率不固定，开关应力较大，现在已基本淘汰。代替滞环控制器被串比例或比例积分等线性控制器所代替，并结合电流状态反馈实现电流解耦的控制方法应用比较广泛，其动态特性和滞环控制接近。当不考虑直流电压的变化时，整流器输入电流的模型是线性时不变系统。所以也有采用状态反馈的方法配置电流响应的闭环极点，这种方法和前述串联比例电流调节器加电流反馈解祸的控制方式的本质上是一样的。假设是在离散电流模型中设置极点，并使得电流在采样点后一拍或数拍跟踪上电流指令，这就是所谓的无差拍电流控制或预测电流控制。对于电流的控制既可以在静止坐标系中，也可以是在两相同步坐标中进行。在同步坐标系下可以实现电流的无静差跟踪，电流响应也较为快一些。早期的控制电路主要采用模拟电路，实现坐标变换十分复杂，所以控制器一般选择在静止坐标系中实现。为弥补控制器在静止坐标系下的不足，可以通过在静止坐标系的电流控制器