（电气工程专业论文）高功率因数单相pwm整流器的研究与设计.pdf

，、? o 、! + i ， jl jl 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：是互垒红一日期：垫坦年互月望日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名：是佳丝导师氅 日期：至望坦年上月鱼日 摘要 传统二极管整流电路和晶闸管相控整流电路在“绿色”电网的大 背景下，已呈现出逐步被新型整流电路替代的趋势。p w m 整流器具 有高功率因数、输入电流正弦、输出电压可控及能量双向流动等优点。 在中小功率场合，与一般p w m 整流器相比，单相p w m 整流器依靠 相对低的成本及同样优异的性能，更具有竞争优势。 论文以单相p w m 整流器为研究对象，首先对工作原理进行了阐 述，并建立了用开关函数描述的一般数学模型。分析了不同开关模式 下的主电路工作状态，探讨了交流侧电感和直流侧电容的合理取值范 围。介绍了几种常用的电流控制方法，并对固定开关频率p w m 电流 控制方法进行了重点研究。同时，为了提高同步电压信号的准确性， 提出了用闭环控制的相位检测方法代替过零点检测的解决方案。 建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 的双闭环仿真模型。仿真结果表明 单相p w m 整流器具有良好的输入输出特性，但也存在交流输入电流 三次谐波含量较高的不足。论文对三次谐波产生的原因进行了深入分 析，并介绍了几种常用的滤波方法。在此基础之上，提出了一种简单 易实现的滤波方法，仿真结果验证了该方法的有效性。 最后，设计了单相p w m 整流器的硬件电路，并给出了部分软件 程序框图。 关键词：单相p w m 整流器，高功率因数，相位检测，仿真，三次谐 波 a bs t r a c t i nt h ec o n t e x to fg r e e ng r i d ，d i o d er e c t i f i e ra n dt h y r i s t o rc o n t r o l l e d r e c t i f i e ra r eb e e nr e p l a c i n gb yt h en e w r e c t i f y i n gc i r c u i t p w mr e c t i f i e r h a sm a n yg o o df e a t u r e s ，s u c ha s h i g hp o w e rf a c t o r ，s i n u s o i d a li n p u t c u r r e n t ，c o n t r o l l a b l eo u t p u tv o l t a g ea n dd u a le n e r g yf l o w i nt h el o w p o w e ra p p l i c a t i o n sa n dm i d d l ep o w e ra p p l i c a t i o n s ，s i n g l e - p h a s ep w m r e c t i f i e ri sm o r ec o m p e t i t i v et h a ng e n e r a lp w mr e c t i f i e r , o w i n gt oi t s l o w e rc o s t f i r s t l y , t h i st h e s i se x p o u n d st h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fs i n g l e - p h a s e p w m r e c t i f i e r , b u i l d su pt h em a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r i b e db ys w i t c h i n g f u n c t i o n ，a n a l y z e sd i f f e r e n tw o r k i n gs t a t e sa td i f f e r e n ts w i t c hm o d e s ，a n d g i v e st h ev a l u er a n g eo fi n d u c t a n c ea n dc a p a c i t o r s o m ek i n d so fg e n e r a l c u r r e n tc o n t r o lm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ，a n dc u r r e n tc o n t r o lw i t hf i x e d s w i t c h i n gf r e q u e n c yi sd e e p l ys t u d i e d i no r d e rt oi m p r o v et h ev e r a c i t yo f s y n c h r o n o u ss i g n a lv o l t a g e ，p h a s ed e t e c t i o nm e t h o dw i t hc l o s e dl o o p c o n t r o l i su s e d t h e n ，b a s e do nm a t l a b s i m u l i n k ，ad o u b l e 1 0 0 ps i m u l a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，s i n g l e p h a s ep w mr e c t i f i eh a s e x c e l l e n ti n p u t o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，b u tt h e r ea r ea l s os o m ef l a w s i tc a n s e ef r o mt h es i m u l a t i o nc u r v e st h a t ，t h ei n p u tc u r r e n tc o n t a i n st h i r d h a r m o n i cc o m p o n e n t t h i st h e s i sa n a l y s i st h ec a u s eo ft h i r dh a r m o n i c c o m p o n e n t ，a n das i m p l em e t h o di sp r o p o s e d si m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t ，t h i sm e t h o dc a nw o r ke f f e c t i v e l y f i n a l l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i to fs i n g l e p h a s ep w m r e c t i f i e ri sd e s i g n e d ， a n ds o m es o f t w a r eb l o c k sa r eg i v e n k e yw o r d s ： s i n g l e p h a s ep w mr e c t i f i e r , h i 曲p o w e rf a c t o r , p h a s e d e t e c t i o n ，s i m u l a t i o n ，t h i r dh a r m o n i cc o m p o n e n t u 目录 摘；要i a b s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1 课题研究的背景及意义l 1 2p w m 整流器的发展历程及研究现状2 1 3 应用领域拓展3 1 4 输入功率因数：；= ：j 5 1 5 论文研究内容与章节安排6 第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理8 2 1p w m 整流器主电路拓扑结构8 2 2 工作原理分析，1 1 2 3 本章小结j 1 4 第三章单相p w m 整流器控制方法与仿真研究15 3 1 单相p w m 整流器s p w m 控制15 3 1 1 采用开关函数描述的一般数学模型1 5 3 1 2 单极性p w m 控制1 6 3 1 3 双极性p w m 控制2 3 3 1 4 两种p w m 控制方式的比较2 7 3 2 电流控制方法研究2 7 3 2 1 间接电流控制2 8 3 2 2 直接电流控制2 8 3 3 单相p w m 整流器的仿真研究3 0 3 3 1 单相p w m 整流器的相位检测技术3 0 3 3 2 仿真结果分析3 2 3 4 本章小结3 6 第四章输入电流谐波抑制方法研究3 8 4 1 输入电流波形畸变的原因3 8 4 2 输入电流波形的改善方法4 0 4 2 1 陷波器滤波。4 0 4 2 2 直流电压补偿法4 0 4 2 3 一种改进的滤波方法4 l 4 3 仿真实现4 4 i i i 4 4 本章小结4 6 第五章系统的软硬件设计4 7 5 1 硬件设计概述4 7 5 1 1 数据采集系统4 7 5 1 2d s p 最小控制系统：麓：。4 9 5 1 3 功率开关及其驱动电路5 1 5 2 软件设计概述5 3 5 3 本章小结5 5 第六章总结与展望5 6 参考文献5 7 致谢6 2 攻读硕士期间主要的研究成果6 3 i v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 整流器是一种将交流电转变为直流电的电力电子设备，广泛应用于工业生 产、国防建设及居民生活。日本电气学会在1 9 9 2 年的一份调查报告中指出，整 流器在所有的电力电子设备中占到近7 0 的比例，其对电网的影响是所有电力电 子设备中最大的，并已成为电网谐波的主要“污染源 之一。 整流电路是最早投入使用的一种电力电子电路，作为整流器的核心部分，决 定着整流器性能的优劣。目前使用的整流电路主要有两种类型：二极管整流电路 和晶闸管相控整流电路n 删。这两种电路在工作时都会往电网注入大量的谐波电 流，造成严重的电网“污染 。图1 1 a 所示的二极管整流电路是一种不可控整流 电路。二极管导通的条件为两端加正向偏置电压，即当交流输入电压甜。瞬时值的 绝对值大于电容两端电压甜玉时，才有相应的二极管导通为输入电流向电容充电 提供通道。当交流输入电压材瞬时值的绝对值小于电容两端电压甜小时，没有二 极管可以导通，输入电流为零。可见，二极管整流电路的输入电流是断续的，且 输出直流电压不可控。图1 1 b 所示的晶闸管相控整流电路虽然可以通过控制控 制角的大小，使得输出直流电压可控，但是需要很大的滤波器才能滤除电压中的 二次谐波分量，得到平稳的直流电压。 z么 么 + 赴 么z a ) a ) 二极管整流 zsz f 彳 厂 ( 二 么雯2 图1 - 1整流电路 ” b ) 晶闸管相控整流 如何减少整流器对电网的污染，改善其输入输出性能，成了亟待解决的问题。 随着电力电子技术的发展，高频化、全控型、采用集成电路制造工艺成为新一代 电力电子器件的鲜明特征。先进的全控型功率半导体器件在整流装置中的应用， 极大地促进了整流技术的发展。以脉宽调制h 1 ( p u l s ew i d t hm o d u l m i o n p w m ) 技术为支持的p w m 整流器也慢慢走向成熟，大有代替传统整流器的趋势。p w m 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 整流器具有如下特点】： 1 ) 输入功率因数高，可实现单位功率因数整流。由于输入电流相位可控， 也可以使整流器工作在任意功率因数状态； 2 ) 输入电流正弦，谐波含量少； 3 ) 输出直流电压平稳可调； 4 ) 能量双向流动，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。 此外，和传统整流器相比，p w m 整流器不需要大的滤波电容，体积、重量 都可以大大减小。p w m 整流器的发展已经受到电力电子及相关领域的科技工作 者越来越多的关注。随着对p w m 整流器认识的加深和研究的深入，p w m 整流 器的应用领域和研究范围也在不断地拓展，其研究价值也日益凸显。 1 2p w m 整流器的发展历程及研究现状 p w m 整流器的研究最早开始于2 0 世纪8 0 年代初期。1 9 8 2 年b u s s e a l f r e d 、 h o l t zj o a c h i m 首先提出了电流型三相全桥p w m 整流器的拓扑结构及其网侧输入 电流幅相控制策略1 ，实现了p w m 整流器单位功率因数整流和输入电流正弦的 控制目标。1 9 8 4 年a k a g ih i r o f u m i 等提出了基于p w m 整流器拓扑结构的无功补 偿控制策略口1 ，对早期电压型p w m 整流器的设计具有极大的指导意义。到了2 0 世纪8 0 年代末期，a w g r e e n 等人将坐标变换应用到三相电压型p w m 整流器 的数学建模与控制上阳1 ，实现了对模型的解耦控制，引发了新的研究热潮。 2 0 世纪9 0 年代，电力电子技术进入快速发展期。以电力场效应晶体管和绝 缘栅双极晶体管为代表的全控型器件的相继出现与开关特性的不断改良，极大的 推动了p w m 技术的研究与应用。功率开关器件的高频化，提升了p w m 整流器 的输入输出性能；耐压值和导流能力的加强，使得功率等级发生质的飞跃，具有 了实际的工业应用意义。得益于此，以p w m 技术为基础的p w m 整流技术也成 为学术界一直关注和研究的热点睁1 7 1 ，发展迅速。在这十几年的时间里，p w m 整 流器经历了从稚嫩到成熟的过程，从实验室样机到工业级产品的阵痛。p w m 整 流器主电路的拓扑结构从单相、三相发展到多相组合；调制电平也从二电平、三 电平发展到多电平；p w m 开关控制也由硬开关调制发展到软开关调制；功率等 级大幅度提高，从千瓦级上升到兆瓦级。在p w m 整流技术快速发展的这些年， p w m 整流器的研究主要集中于以下几个方面： 1 ) p w m 整流器的数学建模与分析； 2 ) 电压型p w m 整流器的电流控制； 3 ) 主电路拓扑结构研究： 4 ) 系统控制策略研究n 删； 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 5 ) 电流型p w m 整流器研究。 现阶段，p w m 整流器技术已经走向成熟。p w m 整流器控制策略、拓扑结 构、数学建模等依然是主要的研究热点。同时也注意到，许多专家学者开始重视 实现低谐波口1 删、单位功率因数舢钉、能量双向流动及恒定直流电压控制等方面 的研究，并开始探索新的应用领域。 1 3 应用领域拓展 p w m 整流器除了作为整流设备获得广泛应用以外，在其他领域，例如有源 滤波1 、交流变频调速系统、光伏发电系统啪1 、超导体储能以及统一潮流控制 等方面都有用武之地。在新领域的应用及相关技术的研究，点燃了不同领域的研 究人员对p w m 整流器的研究热情，在一定程度上促进了p w m 整流器技术的进 步和完善。 1 有源电力滤波器 有源电力滤波器采用实时补偿技术实现对输入电流波形的改善，达到抑制谐 波的目的。图1 2 示出了有源电力滤波器在二极管整流电路中的典型应用。图中 的二极管整流电路工作在单相供电系统中。 图卜2有源电力滤波器在单相电网中的应用 图1 2 中的有源电力滤波器是基于单相电压型p w m 整流器拓扑设计的，在 单相供电系统中有比较多的应用。二极管整流电路工作时会产生大量的谐波电 流，这些谐波若不加处理，直接“注入电网 ，会对电网造成危害。二极管整流 电路工作时，负载电流含有大量的谐波分量，而有源电力滤波器的目的就是要 使电网电流f 。为“干净 的正弦波电流。根据基尔霍夫电流原理，可得有源滤波 器的输入电流 = - ( f ，一)( 1 - 1 ) 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 由式( 1 1 ) 可知，负载电流中除去电网电流剩下的就是负载电流的谐波分 量。要使电网电流t 为“干净”的正弦波电流，只要有源电力源滤波器产生与负 载电流谐波幅值相等，方向相反的补偿电流t 就可以抑制谐波分量。 同时，有源电力滤波器也具有无功补充的作用。电网电流f ，由负载电流与 补偿电流t 共同决定的，而负载电流是个不可控量，只由负载决定。通过控制 补偿电流t ，就可以达到控制电网电流f 。的目的，从而控制电网电流与电网电压 之间的相位角，实现有源电力滤波器无功补偿的功能。 2 交流调速系统 交流调速系统中，交流电机的转速一般都是由采用交一直一交拓扑结构的变 频器来控制的。逆变级采用常规的电压型逆变器，可以实现能量的双向流动，而 整流级大多采用二极管整流器，无法将能量回馈电网。为了实现电机的四象限运 行，必须在中间直流环节加耗能装置，将电机通过逆变器回馈的电能消耗掉。用 三相p w m 整流电路代替二极管整流电路，便得到了如图1 3 所示的三相一三相 双p w m 变频器啪3 的拓扑结构。 图1 - 3三相一三相双p w l d 变频器的拓扑结构 在电力机车变流系统中只能提供两相电源，采用如图1 4 所示的二相一三相 双p w m 拓扑结构。 图1 - 4二相一三相双p w m 变频器的拓扑结构 双p w m 变频器整流级的功率开关用全控型器件代替不可控二极管，使电网电流可控， 能量能够双向流动，实现交流电机的四象限运行。通过引入恰当的控制策略，控制电网电流 的幅值和相位，可以实现单位功率因数整流、逆变运行。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 光伏发电系统 随着气候变暖等全球性危机的愈演愈烈，人们逐渐意识到传统的石油、煤炭 等不可再生资源不但是越耗越少，而且污染环境，需要开发出新的“绿色 可再 生能源来代替传统能源。太阳能作为一个取之不尽用之不竭的“绿色”能源，越 来越引起人们的重视。美国、日本、西欧等发达国家都将太阳能光伏发电作为一 项长期的计划，投入巨资发展，期待在新能源领域能够走在前面。我国也一直关 注太阳能光伏发电，近期相继推出了一系列太阳能光伏计划。 三 相 电 网 图卜5太阳能光伏发电系统的拓扑结构 图1 5 给出了三相p w m 整流器拓扑结构在光伏发电系统中的应用。当光照 在太阳电池阵列上，太阳电池阵列会产生直流电压甜小，经过p w m 整流器和变 频器实现并网发电。太阳电池阵列在不同的光照强度下，输出电压和输出电流成 非线性关系，而这种非线性关系可以通过实验得到具体的一一对应曲线。光伏发 电系统中，太阳电池阵列最大功率追踪咖3 ( m p p t ) 是其中的关键技术。p w m 整流器的直流电压是可控的，在光伏发电系统中，通过控制直流电压甜出，找到 最大功率点，实现最大功率追踪。 除了以上方面，p w m 整流器在静止无功补偿、统一潮流控制器、超导磁能 储存、风能并网发电等领域都有极其重要的应用。 1 4 输入功率因数 输入功率因数( p o w e rf a c t o r - - p f ) 是评价整流器性能优劣的重要指标，定 义为 阿= 只c s = 舌 o - 2 ) 式中，为交流电源输入有功功率平均值，s 为视在功率，屹为输入电压 有效值，。为输入电流有效值。 在整流过程中，认为电网是个大系统，从电网中得到的交流输入电压都是频 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 率为工频的正弦波，不含谐波分量。功率的定义为电流与电压的乘积，而谐波电 流频率为电网电压频率的整数倍，两者相乘，在一个基波周期内的积分为零。也 就是说，在一个基波周期内谐波电流做的有功的平均值为零。而只有交流输入电 流的基波电流丘，在一个基波周期内做的有功不为零。为了叙述方便，用l 表示拧 次谐波电流有效值，为基波电流有效值。 定义交流输入电压基波分量与交流输入电流基波分量之间的相位角为秭，则 输入有功功率平均值表示为 只c = l 1c o s 诒, ( 1 3 ) 输入功率因数p f 的数学表达式为 p f = 苦= 产s 哮 c ，川 y s isy s is “i s 、1 几- - - 其中，t = i 。2 。代入式( 1 4 ) ，得 肚c o s 破衣嘲 输入电流总畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n - - t h d ) 定义为 册：巫互： is 由式( 1 6 ) 得，f p 可表示为 ( 1 5 ) = 辱 m 6 ， 阿= c 。s 办丽1 ( 1 - 7 ) 由式( 1 - 7 ) 可知，输入功率因数( p f ) 主要由交流输入电压基波分量与交 流输入电流基波分量之间的相位角破决定。同时，降低输入电流总畸变率( t h d ) 也有助于提高输入功率因数。 1 5 论文研究内容与章节安排 p w m 整流器具有优异的输入输出特性，在强调“绿色电网 的今天，大有 代替传统二极管整流和晶闸管相控整流的趋势，存在非常大的研究价值和广阔的 市场空间。目前，实现低谐波、单位功率因数整流及恒定直流电压控制已成为 p w m 整流器新的研究热点。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 单相电压型p w m 整流器拓扑结构简单、制造成本较低，在电力机车牵引系 统及一些中小功率场合有广阔的应用市场。 论文以实现高功率因数整流为目的，对单相p w m 整流器进行了研究。闭环 控制的相位检测系统为单相p w m 整流器提供了精确的同步电压信号，是确保输 入电压基波分量与输入电流基波分量同相位的前提。输入电流总畸变率的降低， 进一步提高了输入功率因数。 论文各章节的内容安排如下： 第一章，绪论。介绍p w m 整流器的发展历程、研究现状及应用前景。论述 传统整流器的不足与p w m 整流器的优点。 第二章，p w m 整流器拓扑结构及工作原理。介绍几种典型的p w m 整流器 拓扑结构及其优缺点，然后以电压型单相全桥p w m 整流电路为例，阐述其工作 原理。 第三章，单相p w m 整流器控制方法与仿真研究。建立用开关函数描述的一 般数学模型，分析单极性p w m 控制方式和双极性p w m 控制方式下电路的工作 状态，并给出相应的交流侧电感和直流侧电容的合理取值范围。对比常见电流控 制方法的优劣，对固定开关频率p w m 电流控制方法进行重点研究。建立基于固 定开关频率p w m 电流控制方法的单相p w m 整流器仿真模型，并对仿真结果进 行分析。同时，为了获得精确的同步电压信号，提出用闭环控制的相位检测方法 代替传统过零点检测的解决方案。 第四章，输入电流谐波抑制方法研究。分析输入电流谐波产生的原因，对常 用的滤波方法进行比较研究。针对输入电流含有三次谐波分量的问题，提出一种 简单易实现的改善输入电流波形的方法，并进行仿真验证。 第五章，系统的软硬件设计。设计单相p w m 整流器的硬件电路，及软件实 现流程图。对驱动电路、采样电路等关键部分进行详细说明。 第六章，总结与展望。对论文所做的工作进行概括总结，指出其中存在的不 足。展望课题继续研究的努力方向，及待完善的工作。 7 中南大学硕士学位论文第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理 第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理 本章以电压型p w m 整流器为重点，介绍几种常见的p w m 整流器拓扑结构。 以单相电压型全桥p w m 整流电路为例，阐述p w m 整流器的工作原理。 2 1p w m 整流器主电路拓扑结构 p w m 整流器按直流侧储能形式的不同，分为利用电容储能的电压型p w m 整流器和利用电感储能的电流型p w m 整流器。这两类整流器虽然各有特点，适 用的场合也有所不同，但是从主电路拓扑结构上分析，两者存在电路对偶性，具 有相似的工作原理。 电压型p w m 整流器按照分类参考标准的不同具有多种分类方式。按电网相 数不同分为单相整流电路、三相整流电路及多相整流电路；按整流桥结构分为半 桥电路和全桥电路；按调制电平分为二电平电路、三电平电路。3 2 1 及多电平电路。 除此之外，还有按p w m 开关调制等多种分类方式。 图2 1 所示的是单相电压型p w m 整流器拓扑结构，包括半桥结构和全桥结 构。由图可知，两者在电路结构上基本相似。交流输入侧的电路结构相同，都由 一个滤波电感三和交流电压源甜。组成，图中足。表示滤波电感的寄生电阻。而在输 出直流侧，两者都是以电容作为储能元件。 马 焉 a 1b ) 图2 - 1单相电压型p w m 整流器拓扑结构 a ) 半桥 b ) 全桥 图2 1 a 中的单相半桥结构的整流桥部分，只用到两个反并联续流二极管的 功率开关，储能电容由两个电容串联而成，中点和交流电压源相连接。图2 1 b 中的单相全桥结构的整流桥是一种h 桥形式，由四个反并联续流二极管的功率 开关组成，只需要一个储能电容。半桥结构相对于全桥结构来说，主电路电路结 构简单，所需要的功率开关少，在成本上具有一定的优势，而且管压降只有一个， 特别适合低成本、低电压场合。但是半桥结构的p w m 整流电路由于储能电容是 8 中南大学硕士学位论文第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理 由两个电容串联而成的，工作时需要保持电容中点电位基本不变，这需要引入新 的电容均压控制策略。而一旦引入电容均压控制策略，p w m 整流器的控制策略 就更加复杂化，对控制器的要求更加高。 全桥电路结构虽然需要四个功率开关，但是在要求输出相同幅值的直流电压 时，全桥电路的交流输入电流控制特性明显优于半桥电路。若要获得相同的交流 输入电流控制特性，半桥电路所要求的直流电压将是全桥电路的两倍，无形中对 功率开关的耐压值提出了更高的要求。而现实情况是，功率开关的耐压值是功率 开关价格的重要决定因素。所以，在一般情况下，单相p w m 整流器采用全桥结 构，在某些小功率场合也可以采用半桥结构。 p w m 整流器的功率等级是阻碍其全面代替二极管整流器和晶闸管相控整流 器的主要障碍之一。三相桥式电压型p w m 整流电路对单相p w m 整流电路来说， 容易达到更高的功率等级，是目前研究最多，应用最广泛的一种基本整流电路。 一般所说的p w m 整流电路就是指如图2 2 所示的整流电路。 i d 局 图2 - 2 三相电压型p w m 整流器拓扑结构 图2 2 中的p w m 整流电路交流侧采用三相对称的无中线连接方式，电感起 滤波和升压储能作用。整流桥由三对、六个反并联续流二极管的功率开关组成， 直流侧接储能电容。这种拓扑结构的p w m 整流电路适合于三相电网平衡的情 况。当三相电网不平衡时，就会出现p w m 整流器控制性能变差，甚至不能正常 运行等恶劣情况。这时就必须采用更加复杂的控制策略，来消除由于电网不平衡 给系统带来的影响。 三电平拓扑结构( 见图2 3 ) 在高电压场合具有广泛的应用前景，也是目前 研究较多的一种新型电路拓扑结构。跟图2 2 中的三相电压型p w m 整流电路进 行比较，在要求输出直流电压相同的条件下，三电平结构的p w m 整流电路各个 功率开关承受的反向电压只有输出直流电压的一半。也就是说，三电平结构对功 率开关耐压值的要求只有后者的一半。利用三电平结构对功率开关耐压值的低要 求，可以用低电压等级的功率开关组成高电压等级的p w m 整流器。同时，调制 电压在三个电平上切换，可以有效降低输入电流谐波。 9 中南大学硕士学位论文第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理 三电平拓扑结构需要1 2 个功率开关，比一般的p w m 整流电路多一倍，电 路结构复杂。储能电容由两个电容串联而成，工作时需要保持电容中点电位基本 不变，这需要引入新的电容均压控制策略。这些因素，将导致p w m 整流器的控 制策略复杂化，对控制器提出了更高的要求。 i d 尺j 图2 - 3三相三电平电压型p w m 整流器拓扑结构 电流型p w m 整流电路如图2 4 所示，图2 4 a 为单相结构，图2 4 b 为三相 结构。在输入端接l c 滤波器，用于滤除电流谐波。以大电感作为储能元件，向 负载提供稳定的直流电流。般的功率开关都具有反并联二极管结构，为了阻断 反向电流，需要在功率开关上串联一个二极管。 a ) 图2 - 4电流型p w m 整流器拓扑结构 a ) 半桥b ) 全桥 b ) 长期以来，电压型p w m 整流电路一直是研究的热点，电流型p w m 整流电 路由于需要大的储能电感，应用较少。近些年随着超导技术的成熟与发展，将超 导线圈应用于整流电路，代替大储能电感，克服了电流型p w m 整流电路原有的 缺点，极大推动了电流型p w m 整流器的应用与发展。目前，其研究主要集中在 以下几个方面： 1 ) 数学建模； 2 ) 输入电流谐波改善技术； 3 ) 输入滤波器的设计； l o 中南大学硕士学位论文第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理 4 ) 不平衡电网条件下的控制策略研究。 2 2 工作原理分析 p w m 整流电路分为电压型和电流型，目前研究和应用较多的是电压型p w m 整流电路。在这一节，以单相全桥电压型p w m 整流电路为研究对象，说明p w m 整流器的工作原理。为了叙述方便，论文在后续章节中提到的p w m 整流器特指 电压型p w m 整流器。 单相全桥p w m 整流电路( 见图2 5 ) 采用的是具有4 个功率开关管的h 桥 结构。主电路由四个功率开关s 1 - - $ 4 、交流侧电感三。、等效电阻足、直流侧电 容g 和负载局组成。甜，和t 分别表示输入交流电压和输入交流电流，“出表示输 出直流电压，f c 表示流经直流侧电容的电流，表示流经负载的电流。 图2 - 5单相全桥p w m 整流器拓扑结构 为了缓冲主电路工作过程中的无功能量，p w m 整流电路中功率开关s 1 - - $ 4 必须分别反向并联一个续流二极管。现在市场上常见的功率开关一般都已经集成 了反并联续流二极管，在进行电路设计时，要根据实际情况考虑是否需要另外反 并联续流二极管。交流侧电感。主要起滤波作用，滤除高次谐波，从而获得良 好的输入电流波形。p w m 整流电路是升压型整流电路，三。同时也扮演着升压斩 波电路中储能电感的角色。等效电阻r 的主要成分是交流侧电感的寄生电阻， 另外还包括线路阻抗、电源内阻等，是个很小的值。在进行电路分析时，为了分 析方便，往往将其忽略。直流侧电容c 起直流储能和滤波作用，电容c d 要足够 大，以保证输出直流电压稳定。 直流侧电容具有稳压作用，在一个开关周期内，认为是个不变的值。将p w m 逆变电路的正弦脉宽调制( s i n u s o i d a lp w m s p w m ) 技术应用到p w m 整流电 路中，功率开关s 1 - - $ 4 按照s p w m 控制策略，用正弦信号波和三角载波相比较 的方式控制开通和关断，这样得到的材。电压波形将是一系列方波。当开关频率 中南大学硕士学位论文 第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理 足够高时，u a b 的电压波形就是一系列的窄脉冲。对“曲的电压波形进行快速傅里 叶( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m f f t ) 分析可知，中除了正弦基波分量l 以外， 还包含跟开关频率有关的高次谐波成分。 为了方便分析，将甜。表示为 u 曲= “曲l + 甜咖 ( 2 - 1 ) 将p w m 整流电路简化成如图2 - 6 所示的等效电路。 图2 6p 删整流电路等效电路图 在图2 - 6 中，交流输入电流由电压源u s 、u 棚、“咖共同作用产生。根据叠 加定理，线性电路中，任一电压或电流都是电路中各个独立电源单独作用时，在 该处产生的电压或电流的叠加嘲。所以，交流输入电流0 由电压源u ，、u a b ，、 共同决定。 如果“。和甜曲i 具有相同的角频率q ，那么这两个电压源在电路中会产生同频 率的电流f 一用相量表示 ， ? 鞲二，二 ， = 而u s - u a b l ( 2 - 2 )j c d i l s + k s 电压源甜咖的角频率为q ，在电路中会产生同频率的电流0 。用相量表示 l2 煮 g 。3 在0 的相量表达式中，魄是个很大的值，与开关频率有关。所以h 当开关频率 很高时，乙的幅值很小，可以忽略不计。主电路中的输入电流只含有与电源虬同 频率的基波成分。高次谐波成分u a b n输入电流基本不产生影响a 在交流电压源u ，、电感t 、电阻r 已知的情况下，交流输入电流的幅值 和相位取决于甜曲。而中的高次谐波成分已被证明对输入电流基本不产生 影响，所以起作用的只是正弦基波分量。通过控制基波分量。的幅值和相 位，就可以实现对交流输入电流的控制，从而达到各种所需的控制效果，使 p w m 整流器工作在整流、逆变及无功补偿等状态。 根据上述分析，对u 曲作如下处理：忽略中的高次谐波分量，即u 神只表 示其中的基波分量。根据p w m 整流电路中各相量之，间的关系，可得交流电流相 1 2 中南人学硕士学位论文第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理 量t ，交流电压相量玑的相基毒达式为 r p 赭 。2 川 i u s = u 曲+ i sj i l s + i sr s 图2 7 给出了p w m 整流电路在不同工作状态下，各个相量之间的关系图。 其中，以为参考相量。 一。 a ) u 矗 c ) 图2 7p w m 整流电路运行方式相量图 a ) 整流运行b ) 逆变运行 c ) 无功补偿d ) 任意角度 图a 中，。与u 。同相位，p w m 整流电路工作在整流状态，且功率因数为l 。 p w m 整流器从电网吸收有功功率，电能通过p w m 整流器传输至负载。这是 p w m 整流器最基本的工作状态。 ”图b 中，l 与u 。相差1 8 0 。，p w m 整流电路工作在有源逆变状态，功率因数 也为1 。p w m 整流器向电网输送有功功率，能量从直流侧向交流侧流动。p w m 整流器的这一特点，使电机运行在制动状态时，具备了将能量回馈给电网的能力。 图c 中，。超前u 。9 0 。，p w m 整流电路工作在无功补偿状态。在这种工作 状态下，p w m 整流器向电网提供无功功率，一般称之为静止无功发生器，是p w m 整流器的一种应用拓展。 在图d 中，j 。与u 。成任意角度妒。根据缈的取值范围不同，电路工作在不 同的状态下。接下来对所有情况进行概括说明。当一万2 f o 万2 时，p w m 整 流器工作在整流状态。当一万 伊 - - 7 2 或者7 2 伊 7 时，p w m 整流器工作 一准有源逆变状态。当缈= 一万2 ，即，。滞后u 。9 0 时，情况与图c 相似，p w m 整 流器不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。 通过上述分析可知，p w m 整流器的关键是实现对输入电流f 。的控制，使其 可以运行于图2 7 所示的各种工作状态。而对输入电流f 。的控制，则可以通过控 制整流桥输入端电压。中基波分量的幅值和相位来实现。 中南大学硕士学位论文 第二章p w m 整流器拓扑结构及工作原理 2 3 本章小结 本章介绍了几种常见的p w m 整流器拓扑结构，分析了每种拓扑结构的优点 和不足，并对单相p w m 整流器拓扑进行了重点研究。 p w m 整流电路可以看成是把逆变电路中的s p w m 技术移植到整流电路中 而形成的。论文以单相p w m 整流器为例，详细阐述了其工作原理，并对p w m 整流器的各种运行方式进行了分析。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章单相p w m 整流器控制方法与仿真研究 第三章单相p w m 整流器控制方法与仿真研究 单相p w m 整流器主电路拓扑结构简单，制造成本低，在电力机车牵引系统 及一些中小功率场合有广泛的应用。其中，全桥电路拓扑结构( 见图2 5 ) 具有 输入电流响应快，输出电压纹波含量少，动态特性好，控制策略成熟等优点，具 有极高的研究价值。在后续章节中，论文将围绕基于全桥拓扑结构的单相p w m 整流器展开研究。 3 1 单相p w m 整流器s p w m 控制 单相p w m 整流器的关键是实现对输入电流的有效控制，通过改变整流桥交 流输入端电压。中基波分量的幅值和相位，可以使整流器工作在整流状态、逆 变状态及其它给定状态。甜。有两种p w m 控制方式，即双极性p w m 控制方式 和单极性p w m 控制方式。为了方便研究，首先建立采用开关函数描述的一般数 学模型。 3 1 1 采用开关函数描述的一般数学模型 单相p w m 整流器主电路工作时，为了防止出现直流侧储能电容被功率开关 短接的情况，同一桥臂上下两个功率开关是严禁同时导通的。首先定义二值逻辑 开关函数& 11 上桥臂导通，下桥臂关断 疋= l o 上桥臂关断，下桥臂导通( 后= 口，6 ) ( 3 1 ) 席 上桥臂关断，下桥臂导通v ”叫 ( 3 1 ) 利用基尔霍夫电压定律建立主电路的电压回路方程 ； 丘二+ b = 一z 么 ( 3 - 2 ) 其中，的取值与开关函数的关系如表3 - l 所示。在表中，有一、0 、三 种取值，与开关函数成一一对应关系。 表3 - 1 l , g a b 的取值与开关函数的对应关系 开关函数最最 o o0 1 1 0 1 1 取值0- - u d cu d c 0 整理可得 u a b = 疋墨b i d e 一疋品u d c = ( s o 一& ) ( 3 - 3 ) 将式( 3 3 ) 代入式( 3 2 ) ，得到用开关函数描述的主电路电压回路方程 三等+ 她= u j - - ( $ a 训 中南大学硕士学位论文第三章单相p w i v l 整流器控制方法与仿真研究 再利用基尔霍夫电流定律建立节点电流方程 q 警= 么专 ( 3 5 ) 其中，么的取值与开关函数的关系如表3 2 所示。在表中，t 有一、0 、三种 取值，与开关函数成一一对应关系。 表3 - 2 缸的取值与开关函数的对应关系 堑羞鱼塑曼墨q q q ! q! ! 幺坠篁q二圭生q 整理可得 i 缸= s n s 乒s s o s 毒s = 峪。一s b 、) i s 将式( 3 6 ) 代入式( 3 5 ) ，得到用开关函数描述的主电路电流方程 。等= ( s o 一& ) t 一百1 2 d c 综合式( 3 4 ) ，式( 3 7 ) ，可得状态变量表达式为 瞌兰 d i s 4 d u d c 4 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) = - r , 羔 ：乏 + 丢 r 甜， c 3 8 ， 其中，电感电流，电容电压为状态变量，交流电压源甜，为输入量。建立的 基于开关函数的数学模型结构如图3 1 所示。 图3 - 1单相p w m 整流器开关函数模型结构 3 1 2 单极性p w m 控制 一 单相p w m 整流器既可以运行在整流状态，也可以运行在逆变状态。整流状 态是其基本工作状态，单位功率因数整流是其区别于一般整流器的鲜明特色。这 里假设输入电压“，、输入电流同相位，等效