PWM整流器的仿真与分析毕业设计论文.doc

本科毕业设计论文本科毕业设计论文题 目 pwm整流器仿真与分析 vii毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 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variable frequency (vf) power system has no mechanical constant speed drive, which decreases the system complexity and maintenance difficulty, improving the system power density, reliability and service life, is becoming hot spot of mea technology. in this paper, a rectifier is designed with ac-dc-ac mode vvvf converter. the controller makes equipments can start and operate well when powered by aircraft vf (360hz800hz) supply. according to the goals of variable frequency power supply, the requirements of the rectifier performance are analyzed, and a mathematical model is set up. focus on pwm rectifier, the structure and parameters of voltage-current dual loops and decoupling control system are designed to achieve high power factor on the input side, and adapt to vf power supply at the same time. a saber simulation model of the controller cascaded by rectifier is established. theoretical analysis, software simulation show that the rectifier makes the equipments adapt to the vf-ac supply and start and operate well. the starting and operating impacts of motor on power system are reduced and the input power factor of controller can be up to 0.95 with the pwm rectifier. the results verify the correctness and feasibility of the design.key words: vf power system, pwm rectifier, decoupling control目录摘要iabstractii目录iii第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状31.3研究内容和结构安排5第二章 pwm整流器工作原理及主电路拓扑结构82.1 整流器基本工作原理82.2 正弦脉宽调制技术112.3 整流器的数学模型152.3.1 三相静止坐标系下vsr数学模型152.3.2 同步旋转坐标系下vsr数学模型182.4 功率电路参数计算202.4.1 开关器件的选择202.4.2 交流测输入电感212.4.3 直流侧输出电容222.5 本章小结23第三章 整流器控制结构243.1 整流器的电流解耦控制243.2 电流内环控制器设计273.3 电压外环控制器设计32第四章 基于saber的pwm整流器电路仿真374.1 saber 软件简介374.2 saber 仿真模型374.3仿真验证394.3.1 频率变化时仿真结果394.3.2 负载变化时仿真结果474.4 本章小结48第五章 论文总结49参考文献50致谢54毕业设计小结55第1章 绪论1.1研究背景及意义飞机电源系统的主要功能是产生或存储机载用电设备所需的电能，以保证机上各种用电设备正常工作时电能的供应1。目前飞机电源系统主要包括一次电源、二次电源、辅助电源和应急电源。一次电源是直接由航空发动机驱动的发电机及其控制保护器组成；二次电源是将飞机上主电源的能量转换为另一种或者多种形式的电能，以满足机载用电设备对电能形式的多样化需求；辅助电源主要由辅助动力装置组成；应急电源是一个独立的电源，在主电源都发生故障时，向飞机重要用电设备供电，可采用蓄电池或应急发电机供电23。在传统的飞机能源系统中存在着多种二次能源，如气压能源、液压能源、电能源等，多种二次能源要求飞机发动机附件机匣上装配发电机，液压泵、燃料泵和气压等机件，造成安装空间紧张，维修不便，发动机迎风面积大等难以克服的缺点3。随着现代航空技术的迅速发展，电气传动机构的性能不断提高，在一些应用中逐渐取代了液压和气压传动机构23。这种广泛采用电能作为飞机供电系统的二次能源的飞机称为多电飞机（more electric aircraft，mea）1。多电飞机的出现和发展优化了飞机的动力系统，进而优化了飞机系统的性能，为飞机动力系统带来了历史性的变化。多电技术的应用不仅大大降低了飞机的成本与重量，而且提高了飞机的可靠性和维护性。此外，多电飞机技术的快速发展，使机载用电设备的数量和种类日趋庞杂。各用电设备对供电类型和电压等级都有不同要求，这对供电系统的容量和供电质量提出了更高要求。可靠稳定、高功率密度、低噪声等，成为多电飞机电力系统的发展方向。当今飞机交流发电技术有恒速恒频、变速恒频和变频三种。其中，恒速恒频系统通过将恒速传动装置（csd）与发电机整合，形成组合传动发电机（idg）来实现；变速恒频系统的发电机直接连到发动机齿轮箱，发电机输出通过电源变换装置，得到400hz恒频输出；变频系统将发电机直接连到发动机齿轮箱，发电机输出频率与发动机转速成正比。恒速恒频系统的idg成本高、体积重量大、维护难、可靠性差；变速恒频系统的电力变换与配套装置也有结构复杂、价格高、笨重和可靠性差等缺点；变频系统无需恒速传动装置，电源变换装置少、工作频率范围宽、系统容量大，但对发电机输出调压的要求高，而价格低、重量轻、可靠性好、维护便利，使变频系统更具优势。20世纪80年代，变频技术首先应用于转速范围较小的涡轮螺旋桨飞机，随后空客a380飞机选用了trw公司的变频发电技术，波音b787飞机也采用了变频发电系统。诸多实践和经验证明了变频供电系统的应用优势，目前，国内也在积极将变频供电系统付诸实践6。总而言之，变频供电的优点在于：(1)相对于恒频交流发电而言，变频发电系统结构简单，体积重量小，电能转换率高（可达90%），系统可靠性好（mtbf可达3500飞行小时）；（2）对于很多对电源频率不敏感的设备，如灯、纯阻性负载等，其所需要的电能中间不需要进行任何变换就直接利用，某些电动机也可以直接由变频交流电直接驱动，所以提高了可靠性和系统效率；（3）对于现代的飞机来说，很多设备需要控制器来改善其性能，以便提高整个飞机系统的效率和飞行舒适性，如环控系统在飞行中可以根据不同的飞行状态来调节客舱压力满足乘客的需求。电力系统代替其他飞机二次能源的优势也体现在其可以方便的传输和控制，所以可以根据飞行状态来调节设备的工作状态以节约飞行成本；（4）对于大容量的飞机电力系统，主发电机输出额定电压为230v甚至更高，有利于减轻系统重量。因此，鉴于多电飞机供电系统大容量特点变频供电体制具有明显优势4。在变频供电系统背景下，飞机电气负载根据电源频率对其影响程度，可分为一般负载和特殊负载。一般负载指对供电频率变化不敏感的用电设备，包括照明、客舱加温、除冰设备、无刷直流电机等；特殊负载指对供电频率变化比较敏感的用电设备，如交流电机、变压器、风扇和一些电子控制设备。由于异步电机结构简单，运行稳定可靠，飞机的重要电动泵类负载，如电动燃油泵、电动液压泵等，多由异步电机驱动。然而，异步电机由变频供电与恒频供电相比，结构和起动、运行特性都有所不同。由115v/360hz800hz飞机变频电源直接驱动的异步电机，工作在变频恒压输入状态。根据定子电压方程及电机电磁转矩与近似正比知：定子端交流电压恒定时，随电源频率升高，绕组磁通减小，起动转矩变小，电机起动能力降低，可能导致电机无法带载甚至空载起动；若降低，则升高，起动转矩加大，电机起动能力增强。按额定400hz设计的航空电动机，在电源频率低于400hz时，起动能力较强，超过400hz，起动能力随频率升高而变差，在电源频率较高时，电机可能无法起动，因而需要为电机配置电源变换器，将供电系统提供的变频交流电变换为适合电机起动和运行的交流电1。上述电源变换器，本质上为电力变频器，最常用的结构是不控整流与变频逆变级联。传统变频器注重逆变级的结构与控制，而不控整流器作为非线性电气负载，将大量谐波电流注入供电系统，导致电压、电流波形畸变，系统功率因数降低，干扰严重，供电品质下降，引发的功率损耗还会造成不必要的发热，这在电能和散热空间有限的航空飞机上，尤其是变频供电系统中，情况复杂，危害严重，不能适应多电飞机技术的要求。为降低谐波影响，功率因数校正（pfc）技术受到重点关注。与地面电源系统不同，采用变频电源系统的多电飞机对 pfc 技术有着特殊要求：（1）输入电源频率变化范围为360800hz；（2）更为严格的谐波标准；（3）对用电设备效率、体积和重量要求更高。因此，航空pfc中需要解决的关键问题，可归纳为变频率输入条件下的高效率、高性能、高密度7。此外，随着新型飞机变频电源系统对恒频电源系统的取代，传统的电力有源滤波和无功补偿技术已经不能够满足新型航空电源变频系统的要求，迫切需要一种适合于变频电源系统的有源滤波和无功补偿器。采用电网电动势前馈、直接电流控制的电压型整流器作为变频转恒频电源（vfcfc）的整流级，可以补偿系统谐波（其谐波补偿原理是从网侧检测出谐波电流，然后产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，补偿电流注入电网以抵消谐波电流的影响，从而使电网电流只含有基波分量）。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。还可以根据实际需要，将网侧电压电流分解为有功和无功分量，通过一定的控制算法，实现对有功功率和无功功率的控制，进而实现电网的功率因数可调，为无功负载提供所需的无功功率。20世纪90年代以来，pwm整流技术由于能够实现整流器的单位功率因数运行，不仅输入电流谐波含量低，且能双向传输功率，甚至按需调节功率因数，实现供电系统的无功功率优化，成为pfc装置的技术热点。本文的电源变换器，为了能够适应飞机电力系统的对谐波和功率因数等的要求，输入整流电路需要采用合适的谐波抑制措施，提高交流功率因数，改善整流级输入特性，这也是本文的工作重点。pwm 整流器的直流电压受控恒定，可实现电能的“绿色变换”，成为本文变换器输入级的首选。1.2国内外研究现状 随着电力电子装置在工业应用场合的不断扩大以及电力变换器的大功率化，谐波污染，无功功率损耗等问题越来越引起人们的重视,为了降低成本，节约能源,减少污染,在越来越多的电气设备应用中，对电能的品质提出了新的要求。 电网中的电力电子设备是电力系统谐波的主要来源之一，而各种整流装置在这些设备中所占的比例最大，常用的整流装置大多采用二极管不控整流或晶闸管相控整流,其电路简单，经济可靠，但是这种不控或是半控型整流器的功率因数低，网侧电流波形畸变并含有大量低次谐波，消耗大量的无功功率，影响供电质量，而且对于交流变频调速系统，这种整流器的单向导电性限制了电机制动能量向电网的回馈，造成大量的能源浪费。 随着这类非线性负载应用的普及和容量的增大,电力电子装置的谐波污染问题已经成为目前电气工程领域的棘手问题之一，解决上述问题的主要方法有两种:一种是被动的解决方法，如利用有源滤波器(active power filter apf)或者静止无功补偿器(static var compensator svc)等，在网侧对谐波和无功功率进行补偿3839。另一种是主动的解决方法，即将电力电子装置本身进行改造,通过改造使装置输入侧的电压和电流实现同相位，从而不再产生谐波,也不再消耗无功功率。实质上，这种方法对电力电子装置进行了功率因数校正，使其实现单位功率因数输入。而且，利用这种方法,可以根据需要对其功率因数进行调节，在这两种方法中，前者是产生谐波后进行补偿，而后者是消除谐波源，是解决谐波问题的根本措施3132。pwm 整流器控制策略有多种，常用的控制策略主要有电流控制16、功率控制17、精确反馈线性化18、基于lyapunov 稳定理论19，以上策略各有其优缺点20，不能使整流器达到理想性能。由于无源性控制是一种本质的能量控制，国内外学者开始将无源控制理论应用到整流器控制中21。整流器无源控制基于系统的欧拉-拉格朗日el（euler -lagrange）模型，采用阻尼注入方法19设计控制器，与其它控制策略相比，整流器性能虽有改进，但当负载变化、电源波动和不平衡时存在直流电压稳态误差较大，系统的响应速度不理想等问题3536。目前，国内外pwm整流器的主要研究领域有如下几方面22：（1）pwm整流器的建模：这是pwm整流器运行原理和控制技术研究的基础。r.wu和s.b.dewan等在时域下建立了较为系统的pwm整流器数学模型，并将其分解为高频和低频两种。dongy.hu和chun t.rim则在基于等效电路23的基础上，给出了pwm整流器的低频变压器数学模型，并利用该模型对整流器在稳态和动态条件下的运行特性进行了分析。hengchun mao等人则在前人的基础上，对数学模型进行降阶后，得到了一种新颖的pwm整流器小信号数学模型，使得pwm整流器的特性分析大为简化。（2）pwm整流器拓扑结构：根据直流滤波元件的不同，分为电压型pwm整流器和电流型pwm整流器。二者拓扑结构、pwm波调制方式、系统的整体控制策略均不相同。针对不同的用途，对于pwm变换器的拓扑结构研究的侧重点也不同。小功率应用场合，一般专注于减少成本和改善输出性能等方面，因此拓扑结构的改进集中于如何能利用更少的开关管来得到更好的输出性能；而大功率场合一般伴随着高电压、大电流，对开关器件的耐压和耐流提出了更高要求，因此拓扑结构的研究集中于如何使器件仅需承受较低电压和较小电流，多电平技术、多变流器拓扑组合和软开关技术是主要研究方向，结构简单，损耗小，控制方便的电压型pwm整流器成为了研究热点。（3）pwm整流器电流控制方法：常用的有直接电流控制和间接电流控制两种。间接电流控制通过控制整流桥交流侧电压的幅值来控制交流电流幅值，通过控制整流桥交流侧电压的相位来控制交流电流相位，因此对网侧电流的控制是间接实现的，这造成动态过程中，间接电流控制首先要改变整流桥网侧电压，然后才能达到改变网侧电流的目的，电流响应速度较慢，同时系统参数变化通过这个间接过程后，必然使电流控制效果受到影响。而直接电流控制的电流动态响应速度快，鲁棒性好，因此是目前主要的电流控制策略。直接电流控制主要包括滞环电流控制、固定开关频率控制以及空间矢量电流控制等等。而直接电流控制的研究领域中，spwm整流器和svpwm整流器的研究最为活跃。（4）pwm整流器系统控制策略：pwm整流器通常采用外环电压、内环电流的双闭环控制策略24。电压外环用来保持直流母线电压稳定，而电流内环用来实现网侧电流跟踪指令电流，实现网侧电流正弦化。在pwm整流器的两相旋转坐标系下，基于电网电压定向的空间矢量控制是目前主流的电压型pwm整流器控制策略25。电压矢量控制的关键是要通过对电网电压信号的检测来取得同步信号，因此控制系统必须要增加电网电压传感器，这就导致了控制系统复杂，成本增加，可靠性降低。应用较多的是正弦波脉宽调制（spwm）和空间电压矢量脉宽调制（svpwm）两种。国内外pwm整流技术的应用研究集中在恒频电力系统，其在变频电力系统下的研究与应用尚不多见。本文采用固定开关频率的直接电流控制方法设计变频输入spwm整流器控制系统，以实现较好的电流波形、功率因数控制和变频输入下的整流工作特性8。1.3研究内容和结构安排本文的主要研究内容静止变换器是利用电力电子半导体器件，将一种直流或交流电转换为另一种直流或交流电以便供负载使用的电力装置。因其高效率、高功率密度、高可靠性和低电磁干扰的优点，引起人们越来越多的关注和研究。特定结构的静止变换器可将航空发电机输出的变频交流电转变为直流电，再将该直流电转变为频率固定的交流电，用于航空变频供电系统，作为特殊负载的供电电源，即变频转恒频电源（vfcfc）。本文涉及的变频转恒频静止变流器vfcfc采用双spwm控制的电压型整流器（vsr voltage source rectifier）加逆变器（vsi voltage source inverter）拓扑结构。本文仅针对变频转恒频电源中的整流部分，进行理论研究和仿真分析。选定整流级采用间接电流控制的spwm三相半桥全控电压型整流器。这种控制方法将空间矢量控制与spwm控制相结合，在dq旋转坐标系模型下，通过解耦控制，采用两个独立的pi调节器，分别控制有功、无功分量，产生的指令电压信号与载波比较得到spwm控制信号333435。在现行的大、中功率电力系统应用场合，广泛采用的是三相交流供电系统。本文即针对的航空发动机供电的三相整流器展开研究，功率等级取为5kw。在三相整流器的实现拓扑结构中，三相六开关拓扑，即三相半桥全控器件搭建的整流电路，由于其良好的控制特性、能量双向流动及功率因数可调等优点而被采用。在控制策略方面，滞环比较控制方法，由于其开关频率不固定，并在较大范围内变化，使系统设计、滤波器设计复杂化；直接电流控制方法，其输入电流控制以交流量信号为参考值，这在调节控制过程中，不可避免的会为控制器输出带来静差，并且这个问题在中频400hz时更为突出。故本文利用同步旋转坐标变换，将交流输入电压、交流输入电流变换到同步旋转坐标系，然后在同步旋转坐标系对变换后的电压、电流等效直流量进行调节。由于输入电流的参考值在同步旋转坐标系是直流量，而调节器的直流增益可以近似为无穷大，所以该运用坐标变换的控制方法，可以实现输入交流电流在幅值和相位上的零静差控制。基于以上总结分析得到的控制方法，本文首先对整流器基本概念进行总结；随后，对坐标变换进行了研究和分析，并且，为了适应本文的整流器控制，对坐标变换进行调整；然后，在静止坐标系下，对三相半桥整流器进行了电路建模分析，并变换到dq旋转坐标系下，进行控制结构的设计，据此完成了主电路及控制电路的设计；之后，借助saber仿真软件，在仿真环境下搭建整流电路完整仿真模型，经过仿真实验，验证了所选控制方法可以达到分析预期的控制效果。 主要技术指标如下：1. 输入电压：三相115v，360hz800hz。2. 输入功率因数大于0.95。3. 输出电压400vdc。4. 输出功率5kw。整流器相关工作主要包括：工作原理分析、系统模型建立、系统控制方案设计、仿真分析调试等几大主要方面，具体工作如下：1. 前期阅读国内外相关文献资料，构建系统框架。在查阅了文献和材料的基础上，对课题研究的背景、pwm整流器的发展现状、各种pwm整流器的主电路拓扑结构、三相vsr控制技术、调制方法、三相 vsr 研究现状以及 pwm 整流器进一步的研究方向进行了阐述。2. 系统建模与分析： 根据三相vsr主电路结构分别推导了基于三相静止坐标系以及两相同步旋转坐标系下的系统模型。并且根据两相同步旋转dq坐标系下各电流分量的物理含义，给出了控制无功电流，以实现单位功率因数调节的控制方法。3. 对整流器主电路进行设计，包括电路拓扑结构的选择、参数设计、器件选型、开关管的驱动及保护方案等。 4. 根据整流器控制方案，选用synopsys公司的saber软件构建了三相vsr仿真平台。建立整流器数学模型及相应的仿真模型，进行仿真分析，参考仿真结果，详细设计控制结构及各部分的控制参数。本文的总体结构安排第一章 绪论 介绍课题的研究背景、现状及意义，综述所研究的整流器控制。第二章 介绍pwm整流器基本工作原理，研究spwm调制技术。确定变频转恒频变换前提下整流器的主电路拓扑结构，建立其静止坐标系下数学模型，根据三相vsr主电路结构分别推导了基于三相静止坐标系以及两相同步旋转坐标系下的系统模型。并且根据两相同步旋转dq坐标系下各电流分量的物理含义，给出了控制无功电流，以实现单位功率因数调节的控制方法。第三章 参照控制目标，确定整流器控制方案，进行控制系统的详细设计，设计各环节控制器参数。第四章 在saber环境下建立系统仿真模型，对前文所进行的理论分析和元器件参数选定进行仿真验证；依据相关标准，对电路不同运行状态下动态特性和稳态特性进行仿真，观察、分析系统运行特性，以期优化控制性能。第五章 总结归纳全篇，总结经验。第2章 pwm整流器工作原理及主电路拓扑结构2.1 整流器基本工作原理pwm整流器相对传统的相控与二极管整流器进行了全面改进。关键的改进是用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以pwm斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，pwm整流器具有以下优良特性：（1）网侧电流为正弦波（2）网侧功率因数控制（比如单位功率因数控制）（3）电能双向传输（4）较快的动态控制响应9。由此可知，pwm整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。因为电能的双向传输，当pwm整流器从电网吸取电能时，运行于整流工作状态；当pwm整流器向电网传输电能时，运行于有源逆变工作状态。 所谓的单位功率因数就是指：当 pwm整流器处于整流状态时，网侧电压、电流同相（正阻特性）；当 pwm 整流器处于有源逆变工作状态时，其网侧电压、电流反相（负阻特性）。通过进一步的研究表明， 因为pwm 整流器的网侧电流及功率因数均可控，所以可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。随着pwm整流技术的发展,已经设计出多种pwm整流器,并可进行如下所示的分类，它们在主电路结构pwm信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点。 电压型 按直流储能形式分类 电流型 单相电路 按电网相数分类 多相电路 三相电路 硬开关调制 pwm整流器 按pwm开关调制分类 软开关调制 半桥电路 按桥路结构分类 全桥电路 二电平电路 按调制电平分类 三电平电路 多电平电路本文pwm整流器，能够双向传输电能，这也是pwm整流电路的最大特点，为便于分析pwm整流原理，可采用图2-1所示的基波等效电路。 图2-1 pwm整流电路简化框图简化后整流电路由交流输入电动势、升压电感、整流桥、直流滤波电容和直流负载、负载电动势共同构成。输入电源、电感、功率管及负载组成了一个功率回路。流过电感的电流为整流桥输入电流，为电感电压，为整流桥输入电压，直流输出电流为流过阻容网络的电流之和。不计开关和线路损耗，理想情况下，电路输入输出满足功率守恒定律： （2-1）为便于分析和建模，忽略pwm控制的谐波分量，不考虑电感和开关管的寄生参数，分析整流器在理想工作状态下的运行方式。以输入电动势合成矢量的正方向为参考方向，通过控制桥侧交流电压矢量的大小和方向，可实现pwm整流器在图2-2所示的以a、b、c、d四点为间隔的四象限运行。图2-2 pwm整流器的四种运行模式假定电感为线性理想电感，则电感两端电压为： （2-2）电路在稳态工作时，电流i幅值不变，即恒定，则也为恒值，若整流器输入电动势的大小也固定不变，则由基尔霍夫电压定律有： （2-3）四象限运行时，桥侧电压矢量的端点运行轨迹，是一个以为半径的圆。由整流器输入电压与电流矢量的幅值与相位关系可以看出，整流器稳态运行有四种工作模式，主要由桥侧电压的幅值和方向决定其运行象限。当桥侧电压矢量的端点在a时（图2-2a），电动势矢量与电感电压平衡，纯电感电路中，电感电流滞后于电感电压90，所以电流矢量i滞后电动势相位90，pwm整流器的输入呈纯感性。当的端点在b时（图2-2b），电感电流滞后其电压90，可知i与的方向一致，pwm整流器的输入呈纯阻性；的端点在c时（图2-2c），i较电动势矢量超前90，整流器输入呈纯容性；当矢量端点在d时（图2-2d），i与反向，整流器输入呈负阻性。取a、b、c、d作为pwm整流器运行的特殊工作点，进一步分析可以获得pwm整流器在整个象限运行规律。当的端点运行在a-b-c段时，pwm整流器工作在整流状态，从电网吸收有功和无功功率。在a点时为纯感性，仅吸收感性无功，在b点是纯阻性，仅吸收有功功率，可实现单位功率因数整流；在ab段，整流器从电网吸收有功和感性无功功率；c点是纯容性，仅吸收容性无功，在bc段，pwm整流器吸收有功和容性无功功率。当的端点运行在c-d-a段时，pwm整流器工作在有源逆变状态，向电网传输有功和无功功率。在d点是负阻性，pwm整流器可实现单位功率因数有源逆变；cd段，pwm整流器向电网传输有功和容性无功功率；da段，pwm整流器向电网传输有功和感性无功功率。由pwm整流器运行状态可知，控制网侧电压即可实现整流器的四象限运行。通过控制使电路稳定在b点，即可实现单位功率因数整流。以pwm整流器作为电机控制器的输入级，可以提高系统的功率因数，并可以在电机向直流环回馈功率时，通过控制使整流器运行于有源逆变模式，将能量馈送至交流侧，实现系统节能运行。更重要的是，整流器的四象限运行，可以根据供电系统需要，向电网提供感性或容性无功功率，这对改善供电系统的运行，具有重要意义。2.2 正弦脉宽调制技术正弦脉宽调制spwm脉冲序列中，各脉冲宽度及相互间隔由正弦调制波和等腰三角载波的交点决定。进行脉宽调制时，脉冲序列的占空比按正弦规律变化。当正弦值为最大时，脉冲宽度也最大，脉冲间隔则最小；反之，当正弦值较小时，脉冲宽度也相对小，脉冲间隔则较大。这样的电压脉冲序列可以减小负载电流中的高次谐波含量。2.2.1 spwm基本控制原理采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其作用效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。用傅立叶变换对各输出波形进行分析，其低频段非常接近，仅高频段略有差异。例如，图2-3所示三个不同形状的窄脉冲，其中图（a）为矩形脉冲，图（b）为三角形脉冲，图（c）为正弦半波脉冲，它们的面积即冲量都等于1。当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图2-3（d）的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图2-3形状不同而冲量相等的各种窄脉冲上述原理称为面积等效原理，是pwm控制技术的重要理论基础。如果把图2-4的正弦半波分成n等份，就可以把正弦半波看成是由n个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。将上述脉冲序列以相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应正弦波段的中点重合，并使矩形脉冲和相应正弦波部分的面积（冲量）相等，得到图2-4所示的脉冲序列，这就是spwm波形。可以看出，各脉冲幅值相等，而宽度按正弦波规律变化。根据面积等效原理，spwm波形和正弦半波在惯性环节上的作用是等效的。对于正弦波负半周，也可用同样方法得到相应的spwm波形。要改变等效输出的正弦波的幅值，只需按同一比例改变上述各脉冲的宽度即可。图2-4 与正弦半波等效的spwm波2.2.2 spwm波形生成方法spwm波形生成方法分为计算法和调制法。计算法要求已知正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数，spwm波形中各脉冲宽度和间隔可以准确计算出来。调制法将希望输出的正弦波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过正弦调制波与载波比较得到所期望的spwm波形。工程中可以用模拟电路构成三角载波和正弦调制波发生电路，以比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件进行通断控制，生成spwm电压波形。下面详细介绍几种常用的spwm 波形实现方法，并分析各自的特点。1. 等面积法：该法实际上就是 spwm 原理的直接阐释。用同样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，将这些数据存于微机中，通过查表方式生成pwm信号控制开关器件通断，以达到预期控制效果。此方法以spwm控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，所获得的波形很接近正弦波。但存在计算繁琐、数据占用内存大、实时性差的缺点。2. 硬件调制法：该法专为解决等面积法计算的繁琐而提出。其原理是将所希望获得的波形作为调制波，将接受调制的波形作为载波，通过调制波对载波的调制得到pwm波形。常以等腰三角波作为载波，当调制波为正弦波时，得到的就是spwm波形。实现方法简单，可以用模拟电路构成。但电路结构复杂，难以实现精确控制。3. 软件生成法：微机技术发展使得软件生成spwm波形变得容易，软件生成法应运而生。其实就是用软件来实现波形调制，有自然采样法和规则采样法两种基本算法：（1）自然采样法：在正弦波和三角波的自然交点时刻控制开关器件的通断，称为自然采样法。正弦波在不同相位角的值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度不同。这种算法计算量大，耗时多，占用存储空间，不适合在dsp处理器中以程序语言通过程序算法实现。（2）规则采样法：设三角波两个正峰值间为一个采样周期。自然采样法中，脉冲中点和三角波单个周期的中点并不重合，规则采样法则使二者重合。每个脉冲中点为相应三角波中点，计算大为简化。如图2-5所示，在三角波负峰值时刻对调制信号波采样得d点，过d作水平线与三角波交于a、b点，在a点时刻和b点时刻控制器件的通断，如果载波比足够高，那么脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度会非常接近。图2-5 规则采样法设三角载波的幅值为1，正弦调制波公式为 （2-4）其中，为调制度，；为信号波角频率。从图2-3可得 （2-5）可得 （2-6）三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度为 （2-7） 占空比为 （2-8）4. 低次谐波消去法：以消去 pwm 波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为，首先确定基波分量的值，令两个谐波对应的幅值，就可以建立三个方程，联立求解得各次谐波的幅值，这样就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会很大，而且同样存在计算复杂的缺点。pwm波形的调制方式可以分为线性模式和非线性模式2728。线性模式指调制信号峰值不大于载波信号峰值。当调制信号峰值大于载波信号峰值时，发生过调制，输出开关波形的thd增加，即是非线性模式。整流器的输入强调电流波形，因而线性调制为首选。据此，设计控制系统参数时，要注意调制波和载波幅值间的关系。不同的调制方式生成的spwm波形，本质上没有区别，但在整流器的控制应用时，希望尽量减少开关动作，以降低开关损耗，同时具有电压利用率高、调制比高、电流thd低、易于数字实现和控制，执行时间短等优点25。 本文控制系统可生成与整流电路工作状态相对应的正弦波，可以此作为调制波，再结合控制器提供三角载波，即可调制得到桥臂通断所需的spwm开关信号，因此，本文此选择由控制系统生成正弦调制波，由数字控制器提供等腰三角形的数字载波，依照规则采样法，调制生成spwm波形的控制方式，完成高功率因数整流控制。2.3 整流器的数学模型2.3.1 三相静止坐标系下vsr数学模型变频输入spwm整流器的主电路拓扑如图2-6，为三相半桥电压型整流电路（vsr-voltage source rectifier）。为使电路运行在pwm模式下，开关器件应能阻断反向电压，本文选择全控器件igbt，与开关管反并联的二极管在有一个合适直流源时，便于功率向交流侧再生，同时也参与整流。交流输入侧电感使电路工作在升压整流模式，同时抑制交流电流谐波，其参数对整流器的性能影响非常大，而且需要针对变频应用进行设计。直流输出侧电容用以减小直流电压脉动，缓冲电路无功能量。为直流等效负载。此外，附加输入电压接入接触器、起动限流电阻和短路接触器，及合理有效的散热装置，即构成了控制器整流级的功率主电路9。图2-6 整流器主电路拓扑结构上述结构整流器，其电路模型也具有相应特殊性。为了便于研究整流器的原理和工作过程，设计整流器的控制系统，根据其电路拓扑结构，利用基尔霍夫电路基本定律，建立三相半桥vsr的在三相静止坐标系中的稳态数学模型。图2-7 三相vsr等效拓扑结构图图2-7中，为交流电感串联等效电阻，为开关损耗串联等效电阻。三相vsr数学模型基于以下假设：（1）输入电动势为三相对称平衡的理想正弦电动势；（2）滤波电感为线性，忽略磁饱和造成的影响；（3）功率管开关损耗以电阻表示，即实际的功率开关管可由理想开关与损耗电阻串联等效表示。首先，对开关信号定义如下： 即： ， 其中 （2-9）将三相vsr开关损耗等效电阻同滤波电感的等效电阻合并，用表示，即。经过电感后，整流桥的输入相电压用表示，由基尔霍夫电压定律建立三相vsr的a相电压回路方程为： （2-10）当相上桥臂导通而下桥臂关断，即时，有；