三相电压型PWM整流器与仿真

电力电子课程设计 课程设计报告课程设计报告 题目 三相电压型 PWM 整流器与仿真 专业 班级 学生姓名 学 号 指导教师 2015 年 1 月 6 日 内容得分 1 三相桥式电路的基本原理 10 分 2 整流电路基本原理 10 分 3 pwm 控制的基本原理 10 分 4 三相电压型 pwm 整流电路仿真模型 30 分 5 结果分析 30 分 6 程序文件 10 分 总分总分 I 摘要 叙述了建立三相电压型 PWM 整流器的数学模型 在此基础上 使用功 能强大的 MATLAB 软件进行了仿真 仿真结果证明了方法的可行性 关键词 整流器 PWM simulink II 目 录 一 任务书 1 1 1 题目 1 1 2 设计内容及要求 1 1 3 报告要求 1 二 基础资料 2 2 1 三相桥式电路的基本原理 2 2 2 整流电路基本原理 4 2 3 pwm 控制的基本原理 6 2 4 PWM 整流器的发展现状 6 三 设计内容 8 3 1 仿真模型 8 3 2 各个元件参数 11 3 3 仿真结果 13 3 4 结果分析 15 四 总结 15 五 参考文献 15 1 一一 任务书任务书 1 1 题目题目 三相电压型 PWM 整流器仿真 1 2 设计内容及要求设计内容及要求 设计三相电压型 PWM 整流器及其控制电路的主要参数 并使用 MATLAB 软件搭建其仿真模型并验证 设计要求 pwm 整流器仿真模型参数 1 交流电源电压 600V 60HZ 2 短路电容 30MVA 3 外接负载 500kVar 1MW 4 变压器变比 600 240V 5 0 05s 前 直流负载 200kw 直流电压 500V 0 05s 后 通过断路器 并联一个相同大小的电阻 1 3 报告要求报告要求 1 叙述三相桥式电路的基本原理 2 叙述整流电路基本原理 3 叙述 pwm 控制的基本原理 4 记录参数 截图 5 记录仿真结果 分析滤波结果 6 撰写设计报告 7 提交程序源文件 2 二二 基础资料基础资料 2 1 三相桥式电路的基本原理三相桥式电路的基本原理 在三相桥式电路中 对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的 控制角都 是 由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联 因此整流电压为三 相半波时的两倍 很显然在输出电压相同的情况下 三相桥式晶闸管要求的最 大反向电压 可比三相半波线路中的晶闸管低一半 为了分析方便 使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是 1 2 3 4 5 6 晶 闸管是这样编号的 晶闸管 KP1 和 KP4 接 a 相 晶闸管 KP3 和 KP6 接 b 相 晶管 KP5 和 KP2 接 c 相 晶闸管 KP1 KP3 KP5 组成共阴极组 而晶闸管 KP2 KP4 KP6 组成 共阳极组 为了搞清楚 变化时各晶闸管的导通规律 分析输出波形的变化规则 下 面研究几个特殊控制角 先分析 0 的情况 也就是在自然换相点触发换相 时的情况 图 1 是电路接线图 3 为了分析方便起见 把一个周期等分 6 段 见图 2 在第 1 段期间 a 相电压最高 而共阴极组的晶闸管 KP1 被触发导通 b 相电位最低 所以供阳极组的晶闸管 KP6 被触发导通 这时电流由 a 相经 KP1 流向负载 再经 KP6 流入 b 相 变压器 a b 两相工作 共阴极组的 a 相 电流为正 共阳极组的 b 相电流为负 加在负载上的整流电压为 ud ua ub uab 经过 60 后进入第 2 段时期 这时 a 相电位仍然最高 晶闸管 KPl 继续 导通 但是 c 相电位却变成最低 当经过自然换相点时触发 c 相晶闸管 KP2 电流即从 b 相换到 c 相 KP6 承受反向电压而关断 这时电流由 a 相流出经 KPl 负载 KP2 流回电源 c 相 变压器 a c 两相工作 这时 a 相电流为正 c 相电流为负 在负载上的电压为 ud ua uc uac 再经过 60 进入第 3 段时期 这时 b 相电位最高 共阴极组在经过自 然换相点时 触发导通晶闸管 KP3 电流即从 a 相换到 b 相 c 相晶闸管 KP2 因电位仍然最低而继续导通 此时变压器 bc 两相工作 在负载上的电压为 ud ub uc ubc 余相依此类推 4 2 2 整流电路基本原理整流电路基本原理 整流电路分为半波整流 全波整流和桥式整流 下面依次介绍 1 半波整流 半波整流电路是一种最简单的整流电路 它由电源变压器 B 整流二极管 D 和负载电阻 Rfz 组成 变压器把市电电压 220V 变换为所需要的交变电压 e2 D 再把交流电变换为脉动直流电 变压器砍级电压 e2 是一个方向和大小 都随时间变化的正弦波电压 在 0 K 时间内 e2 为正半周即变压器上端为正 下端为负 此时二极管承受正向电压面导通 e2 通过它加在负载电阻 Rfz 上 在 2 时间内 e2 为负半周 变压器次级下端为正 上端为负 这是 D 承 受反向电压 不导通 Rfz 上无电压 在 2 3 时间内 重复 0 时间的过 程 而在 3 4 时间内 又重复 2 时间的过程 这样反复下去 交 流电的负半周就被 削 掉了 只有正半周通过 Rfz 在 Rfz 上获得了一个单 一右向的电压 达到了整流的目的 但是 负载电压 Usc 以及负载电流的大小 还随时间而变化 因此 通常称它为脉动直流 这周除去图下半周的整流方法 叫半波整流 不难看出 半波整流是以牺 牲一半交流为代价而换取整流效果的 电流利用率很低 因此常用在高电压 小电流的场合 而在一般无线电装置中很少采用 2 全波整流 如果把整流电路的结构作一些调整 可以得到一种能充分利用电能的全波 整流电路 全波整流电路 可以看作是由两个半波整流电路组成的 变压器次级线圈 中间需要引出一个抽头 把次组线圈分成两个对称的绕组 从而引出大小相等 但极性相反的两个电压 e2a e2b 构成 e2a D1 Rfz 与 e2b D2 Rfz 两个通电回路 5 全波整流电路的工作原理 可用图 5 4 所示的波形图说明 在 0 间 内 e2a 对 Dl 为正向电压 D1 导通 在 Rfz 上得到上正下负的电压 e2b 对 D2 为反向电压 D2 不导通 在 2 时间内 e2b 对 D2 为正向电压 D2 导通 在 Rfz 上得到的仍然是上正下负的电压 e2a 对 D1 为反向电压 D1 不导通 带平衡电抗器的双反星型可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流 电路是将整流变压器的两组二次绕组都接成星形 但两组接到晶闸管的同名端 相反 两组二次绕组的中性点通过平衡电控器 LB 连接在一起 3 桥式整流 桥式整流电路是使用最多的一种整流电路 这种电路 只要增加两只二极 管口连接成 桥 式结构 便具有全波整流电路的优点 而同时在一定程度上 克服了它的缺点 桥式整流电路的工作原理如下 e2 为正半周是 对 D1 D3 加正向电压 D1 D3 导通 对 D2 D4 加反向电压 D2 D4 截止 电路中构成 e2 Dl Rfz D3 通电回路 在 Rfz 上形成上正下负的半波整流电压 e2 为负半周时 对 D2 D4 加正向电压 D2 D4 导通 对 D1 D3 加反向电压 D1 D3 截止 电路中构成 e2 D2Rfz D4 通电回路 同样在 Rfz 上形成上 正下负的另外半波的整流电压 如此重复下去 结果在 Rfz 上便得到全波整流电压 其波形图和全波整 流波形图是一样的 从图 5 6 中还不难看出 桥式电路中每只二极管承受的反 向电压等于变压器次级电压的最大值 比全波整流电路小一半 三相桥式全控电路 TR 为三相整流变压器 其接线组别采用 Y Y 12 VT1 VT6 为晶闸管元件 FU1 FU6 为快速熔断器 TS 为三相同步变压 器 其接线组别采用 Y 11 P 端为集成化六脉冲触发电路 24V 电源输出端 接脉冲变压器一次绕组连接公共端 P1 P6 端为集成化六脉冲触发电路功放管 V1 V6 集电极输出端 分别接脉冲变压器一次绕组的另一端 UC 端为移相控 制电压输入端 6 三相桥式半控整流电路与三相桥式全控整流电路基本相同 仅将共阳极组 VT4 VT6 VT2 的晶闸管元件换成了 VD4 VD6 VD2 整流二极管 以构成 三相桥式半控整流电路 7 2 3 pwm 控制的基本原理控制的基本原理 PWM 又叫脉冲宽度调制 原理如下 PWM 基本原理 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制 使 输出端得到一系列幅值相等的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形 也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲 使各脉冲的等值电压为正弦波 形 所获得的输出平滑且低次谐波少 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制 即可改变逆变电路输出电压的大小 也可改变输出频率 例如 把正弦半波波形分成 N 等份 就可把正弦半波看成由 N 个彼此相连 的脉冲所组成的波形 这些脉冲宽度相等 都等于 n 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 如果把上述 脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替 使矩形脉冲的中点 和相应正弦等分的中点重合 且使矩形脉冲和相应正弦部分面积 即冲量 相 等 就得到一组脉冲序列 这就是 PWM 波形 可以看出 各脉冲宽度是按正 弦规律变化的 根据冲量相等效果相同的原理 PWM 波形和正弦半波是等效 的 对于正弦的负半周 也可以用同样的方法得到 PWM 波形 在 PWM 波形中 各脉冲的幅值是相等的 要改变等效输出正弦波的幅值 时 只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可 因此在交 直 交变频器中 PWM 逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值 根据上述原理 在给出了正弦波频率 幅值和半个周期内的脉冲数后 PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来 按照计算结果控制电路 中各开关器件的通断 就可以得到所需要的 PWM 波形 2 4 PWM 整流器的发展现状整流器的发展现状 8 PWM 整流器的研究始于 20 世纪 80 年代 这一时期由于自关断器件的日 趋成熟及应用 推动了 PWM 技术的应用与研究 1982 年 Busse Alfred Holtz Joachim 首先提出了基于可关断器件的三相全桥 PWM 整流器拓扑及其网侧电 流幅相控制策略 并实现了电流型 PWM 整流器网侧单位功率因数正弦波电流 控制 1984 年 Akagi Hirofumi 等提出了基于 PWM 整流器拓扑的无功补偿器控 制策略 这实际上就是电压型 PWM 整流器早期设计思想 到 20 世纪 80 年代 末 随着 A W Green 等人提出了基于坐标变换的 PWM 整流器连续离散动态 数学模型及控制策略 PWM 整流器的研究发展到一个新的高度 自 20 世纪 90 年代以来 PWM 整流器一直是学术界关注和研究的热点 随着研究的深人 基于 PWM 整流器拓扑结构及控制的拓展 相关的应用研究 也发展起来 如有源滤波器 超导储能 交流传动 高压直流输电以及统一潮 流控制等 这些应用技术的研究 又促进了 PWM 整流器及其控制技术的进步 和完善 这一时期 PWM 整流器的研究主要集中于以下几个方面 1 PWM 整流器的建模与分析 2 电压型 PWM 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 5 电流源型 PWM 整流器研究 当前主要的研究领域有如下五个方面 1 关于 PWM 整流器的建模研究 2 关于电压型 PWM 整流器的电流控制策略研究 3 关于 PWM 整流器拓扑结构的研究 4 PWM 整流器系统控制策略的研究 随着 PWM 整流器及其控制策略研究的深入 研究人员相继提出了一些较 为新颖的系统控制策略 分述如下 1 无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制 2 基于 Lyapunov 稳定性理论的 PWM 整流器控制 3 PWM 整流器的时间最优控制 9 4 电网不平衡条件下的 PWM 整流器控制 三三 设计内容设计内容 3 1 仿真模型仿真模型 三相电压型 pwm 整流电路仿真模型 图 3 1 1 DC regulator 结构 图 3 1 2 10 Controller 结构 图 3 1 3 Anti aliasing 结构 图 3 1 4 DC Voltage Regulator 结构 图 3 1 5 11 Current Regulators 结构 图 3 1 6 PID 结构 图 3 1 7 12 3 2 各个元件参数各个元件参数 交流电源电压 短路电容 图 3 2 1 13 外接负载 图 3 2 2 变压器变比 图 3 2 3 14 3 3 仿真结果仿真结果 Ctrl Signals 仿真结果 图 3 3 1 Vab VSC 仿真结果 图 3 3 2 15 Vdc 仿真结果 图 3 3 3 Vala 仿真结果 图 3 3 4 PQ 仿真结果 图 3 3 5 16 3 4 结果分析结果分析 由上图可以看出 0 05s 前 仿真波形是类似正弦波 0 05s 后 波形逐渐 平稳 最后变成一条直线 可以得知 此整流器有整流的效果 理论上经过整 流器滤波后应该马上出现一条趋近于直线的上下波动的波形 但是仿真中有元 器件的响应时间和部分干扰 启动时电流波形较乱 幅值过大 但是电流波形 较好 响应时间仅为 0 05s 可以看出整流效果不错 四四 总结总结 拿到任务书时 我根据仿真模型在 MATLAB 中找各个元件 虽然任务书中 已经给出了元件位置 但是还是有许多元件找不到 于是上百度 找 simulink 元件库 从中找到各元件 再按图连线 花了很久才搭建好模型 随后查阅资 料 了解电路的原