[硕士论文精品]基于载波调制的pwm整流器最小损耗控制策略的研究

西安理工大学本科生毕业设计（论文）I基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究专业电气工程及其自动化班级电气061班作者指导教师职称副教授答辩日期20100621摘要近年来，高频率变换器的主要损耗是开关损耗，而对于使用传统的SPWM调制方式的高频率变换器来说，如何优化开关逻辑，降低开关损耗，成为了提高其效率的关键。本文以基于载波调制方式的三相PWM整流器为研究对象。首先，在引入电源电流反馈的基础上，得到了整流器的改进周期平均模型。然后，依次将三次方波信号、三次正弦波信号和直流分量信号叠加在整流器的调制波中，使整流器中的开关管（IGBT）在一定的时间内不动作，从而降低了整流器的开关频率。最后，对这三种控制策略的性能进行了仿真对比，通过仿真验证了这三种控制策略的有效性。关键词PWM整流器、最小损耗、正弦脉宽调制、三次谐波、功率因数李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究IIABSTRACTINRECENTYEARS,THEMAJORLOSSOFHIGHFREQUENCYCONVERTERISSWITCHINGLOSSESWHILEFORTHEHIGHFREQUENCYCONVERTERSWHICHAREUSINGTHETRADITIONALSPWMMODULATION,HOWTOOPTIMIZESWITCHINGLOGICANDLOWERSWITCHINGLOSSESAREBECOMINGTHEKEYTOIMPROVINGTHEIREFFICIENCYTHISARTICLETAKESTHETHREEPHASEPWMRECTIFIERWHICHISBASEDONCARRIERMODULATIONFORTHESTUDYFIRST,ONTHEBASISOFINTRODUCINGTHECURRENTFEEDBACKOFTHESOURCEOFVOLTAGE,THEIMPROVEDPERIODAVERAGEMODELISGIVENINTHISPAPERTHEN,ATHIRDORDERSQUAREWAVESIGNAL,ATHIRDORDERSINEWAVESIGNALANDADCCOMPONENTOFTHETRANSLATIONSIGNALAREADDEDTOTHEMODULATIONWAVESINTURNTHISNEWCONTROLALGORITHMLEADSTONOSWITCHINGINACERTAINPERIODOFTIMETHUSTHERECTIFIERSWITCHINGFREQUENCYISREDUCEDFINALLY,THEPERFORMANCEOFTHESETHREECONTROLSTRATEGIESWERESIMULATEDANDCOMPAREDTHESIMULATIONPROVEDTHEEFFECTIVENESSOFTHETHREECONTROLSTRATEGIESKEYWORDSPWMRECTIFIER,MINIMUMLOSS,SPWM,THIRDORDERHARMONICWAVE,POWERFACTOR西安理工大学本科生毕业设计（论文）III目录前言I第1章三相PWM整流器工作原理111三相PWM整流器数学模型112三相PWM整流器工作原理3第2章基于载波调制的三相PWM整流器的系统控制421SPWM基本原理422三相PWM整流器系统总体框图523三相PWM整流器电流控制策略6231间接电流控制6232直接电流控制724基于载波调制的三相PWM整流器系统的PSIM实现8第3章基于载波调制的三相PWM整流器最小损耗控制策略1031三相PWM整流器的调制波中加入谐波之后对系统控制的影响1032基于传统SPWM法的三相PWM整流器控制系统仿真1333基于叠加三次方波的控制策略15331基于叠加与电源电压同相的三次方波的控制策略15332基于叠加与电源电压反相的三次方波的控制策略1934基于叠加三次正弦波的控制策略22341基于叠加与电源电压同相的三次正弦波的控制策略22342基于叠加与电源电压反相的三次正弦波的控制策略2635基于叠加直流分量的控制策略28351基于叠加最小直流分量的控制策略28352基于叠加最大直流分量的控制策略2936本章小结31李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究IV第4章总结34致谢35参考文献36附录38西安理工大学本科生毕业设计（论文）I前言随着电力半导体器件技术和计算机技术的飞速发展，现代电力电子装置朝着高频和大功率发展。在大容量和高压电力应用领域里，在不增加硬件投资的情况下，迫切需要减小开关损耗、尽可能降低开关器件的容量，对提高整个电力电子装置的效率是很有意义的。（1）本课题的研究目的及意义本文以三相PWM整流器为研究对象。在PWM整流器中，开关损耗在器件损耗中占有较大比例，也是影响系统开关频率提高的主要因素。随着器件开关频率的升高，系统的开关损耗将显著增大，不仅降低系统效率，而且增加散热器体积。为减小开关损耗，一方面可以采用高性能器件；另一方面可对系统的控制方法或对电路的拓扑进行改进。而采用高性能的器件势必会增加对硬件的投资，所以本课题着重于研究降低三相PWM整流器开关损耗的控制策略。（2）本课题在国内外的研究状况及发展趋势在PWM整流器中，开关损耗在器件损耗中占有较大比例，也是影响系统开关频率提高的主要因素。从PWM整流器的开关逻辑形成的角度来讲，目前常用的主要有两大类即空间矢量控制法和三角波与正弦波比较的SPWM法。空间矢量控制法近年来，高功率变换器主要损耗是开关损耗，因此，优化开关逻辑，降低开关损耗，成为SVPWM的关键。文献【3】依据“支配相不控”原理，避开开关最大支配相电流，从而优化开关逻辑驱动信号，减少开关次数，且不需加入硬件。文献【4】提出6步PWM方案，通过零矢量分配来降耗，但是其本质和文献【5】是相同的。空间矢量控制关键在于零矢量的选择及其作用时间，它直接决定系统的性能。通常情况下，空间矢量调制选择零矢量作用时间相等，此时谐波改善较好，称为次优空间矢量调制。尽管空间矢量不存在明显的载波，李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究II但是可以利用正弦载波SPWM处理开关周期里的脉冲宽度，而且空间矢量的调制波可以看作正弦基波和零序分量叠代而成，这是二者的内在关系。SPWM法SPWM法就是把直流电压转变成一定规律的电压脉冲序列，以实现调频、调压和消除谐波。移相采样SPWM是PWM技术中应用于PWM整流器控制比较早的技术，包括规则采样和自然采样，但是其直流电压利用率较低。基于此而发展起来的准优化PWM法，包括三次谐波注入法【6】和磁通正弦PWM技术【7】。文献【8】中，为提高逆变器输出电压的幅值，作者讨论了在相电压的控制信号中加入三次谐波的方法。不仅提高了输出电压的幅值，而且在三次谐波选择合适的情况下降低了器件的开关频率。借助于该思想，文献【9】在改进周期平均模型的基础上，将一个三次方波叠加在PWM整流器的相电压控制信号中，从而达到降低系统开关损耗、提高系统效率的目的。（3）本课题所采用的研究手段及研究内容本文以基于载波调制方式的三相PWM整流器为研究对象。首先，研究了PWM整流器的工作原理，根据其主电路的工作方程，建立了整流器改进的周期平均模型。然后，利用PSIM仿真软件，根据所建立的整流器改进的周期平均模型，搭建了系统仿真模型。其次，依次将三次方波信号、三次正弦波信号和直流分量信号叠加在整流器的调制波中，使整流器中的开关管（IGBT）在一定的时间内不动作，从而降低了整流器的开关频率。最后，对这三种控制策略的控制性能进行了分析对比，通过仿真证明了这三种控制策略均可以大大减小开关损耗，既提高了整流器的效率，同时对系统的控制性能不产生影响，从而验证了这三种控制策略的可行性。西安理工大学本科生毕业设计（论文）1第1章三相PWM整流器工作原理11三相PWM整流器数学模型图11所示为三相电压型PWM整流器的主电路图。主电路由6个开关器件构成三相全桥，从图中可以看出主电路有三个特点（1）电网侧串接升压电感L使电网输入侧具有可控的功率因数；输入侧能获得连续的接近正弦的电流波形，有较高的效率；（2）功率元件反并联二极管VD变流器实现能量双向传输；（3）直流侧并联电容C使输出侧能获得稳定的直流输出电压10。根据主电路图结构和电路的工作原理可得到系统的工作方程DTDILRIUUAAAXN（11）从式（11）中可以看到，UXNT是控制电源电流的唯一变量。在一个开关周期内，对式（11）进行周期平均，得到结果如下RKLKAKXNKUUUU（12）图11三相电压型PWM整流器的主电路图李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究2式（12）中的“”表示变量从TK到TK1这样一个开关周期内的平均值，在开关频率足够高的情况下，则可以用UA的瞬时值来代替其平均值UAK，同时假设整流器工作在其理想状态，则它的实际的交流侧电压UXN的周期平均值UXNK和它的指令信号UXN相一致。则通过以上两个代换可以将式（12）表示为RKLKAXNUUUU（13对ULK和URK在一个三角载波开关周期内进行积分，则式（13）可写为DTIRDTDILTUUATTACARAXNKK11DTITRIITLUKKKKTTACARTATACARA11（14再假设电源电流能在一个开关周期内跟踪电流指令IA，即在一个控制周期结束时有11KKTATAII,则式（14）可写为211KKKKTATATATACARAXNIIRIITLUU（15为了简化本控制器的结构，用连续值代替1KTAI和KTAI，得到UXNT的指令电压UXN2AAAACARAXNIIRIITLUU（16式（16）即整流器的周期平均模型。可以看出，在这样一个周期平均模型当中，UXN对系统的参数非常地敏感。所以，为了减小UXN对系统参数的敏感性，同时由于考虑到实际系统中电感等效电阻RS非常小，用KPIAIA来近似代替式（16）中的2AAAACARIIRIITL，可以得到AAPAXNIIKUU（17式中KP为放大倍数西安理工大学本科生毕业设计（论文）3式（17）就是本文中整流器的改进的周期平均模型11，通过该模型可搭建出本系统的总体实现框架。12三相PWM整流器工作原理对三相PWM整流器的控制就是对它的六个功率开关管施加某种PWM开关调制信号，使得系统达到功率因数为1，整流器的前端输入点电压的基波成分是一个与外加网侧电源电压成一定角度的同频率正弦波。任意时刻整流器各桥臂上下开关信号互补，且任何时间都有三个器件工作，系统工作矢量原理图如图12所示。图12A相电压矢量图以A相为例图中，EA为电源电压，IA为电源电流，VA为整流器输入端电压；LIA为电感两端电压，为整流器输入端电压和电源电压的相位差。为保证单位功率因数，电源电流IA必须和电源电压EA同相，则电感电压与A相电源电压垂直，根据矢量图可得ASAAVLIRIEA2219SAAARIELITAN110由此可见，控制整流器输入端电压VA的大小和相位，则可以控制交流侧电流IA的相位和大小，从而改变功率因数和传输电量的大小，当IA和EA同相时，则实现单位功率因数控制10。李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究4第2章基于载波调制的三相PWM整流器的系统控制通过第一章的分析可知，通过控制整流器输入端电压VA的大小和相位，可以控制交流侧电流IA的相位和大小，从而改变整流器的功率因数，而VA的产生是通过脉宽调制实现的。目前常用的调制方法有三角波与正弦波比较的SPWM法和矢量调制法。本文将采用SPWM法来实现对脉宽的调制，从而产生整流器输入端电压VA，进一步通过对VA的控制来改变交流侧电流IA的相位和大小。21SPWM基本原理脉宽调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去等效一个所需要的电压或电流波形。为了用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，应当先把正弦半波分成N等份，每等份为一个脉冲，如图21中上图所示。这样就把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，均为/N，但幅度不等，而且脉冲的顶部不是水平直线，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来代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦波部分面积（冲量）相等，就得到如图21中下图所示的脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而脉冲的宽度是按正弦规律变化的。用同样的方法可以得到正弦波负半周的PWM波。像这种脉冲宽度按正弦规律变化，且和正弦波等效的PWM就是SPWM波形。当脉冲越窄，脉冲数越多时，低次谐波分量越少，越接近于正弦波。根据上述SPWM的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点。在交点时西安理工大学本科生毕业设计（论文）5图21用PWM波代替正弦半波刻对功率开关器件的通断进行控制，这样就可得到SPWM波形2。根据调制脉冲的极性，可分为单极性调制和双极性调制两种。其中，双极性调制的控制方式简单，所以，在三相SPWM变换器中常采用的是双极性调制方式每相的SPWM控制通常公用一个三角载波信号，用三个幅值、频率相等，而相位互差120的三相对称正弦波作为调制信号。其中同一相的上、下两个桥臂的驱动信号互补，各相的功率开关器件控制规律相同。22三相PWM整流器系统总体框图在第一章的第一节中，在引入电源电流反馈的基础上，通过对式（11）所表示的系统工作方程进行周期平均，得到了整流器的改进的周期平均模型（如式17所示）。根据这个周期平均模型，并且结合基于载波调制的三相PWM整流器的工作原理，便可得到如图22所示的三相PWM整流器系统的总体框图。在该系统的总体框图中，三相PWM主电路是图11中所示的三相电压型PWM整流器主电路，SPWM调制电路是经过前面控制电路输出的三相正弦调制波和与同一个三角载波作比较，产生用于SPWM调制的脉冲信号，李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究6将此脉冲信号用于三相PWM主电路中的开关管的开关控制。PIKP滤波器KPSPWM调制电路三相PWM主电路UDUD与电源电压同相位的三相电压信号三相电源电流反馈信号三相电源电压反馈信号脉冲三相交流电源图22系统总体框图23三相PWM整流器电流控制策略为了提高PWM整流器的动态性能和稳态性能，特别是为了使整流器电路功率因数为1，可以用多种控制方案来实现。根据是否选取输入瞬态电流作为反馈电流和控制电流，可分为间接电流控制和直接电流控制12。231间接电流控制间接电流控制，即幅相控制，它以控制整流器前端输入点电压的幅值和相位来达到控制输入电流相位的目的，常用的间接电流控制系统结构图如图23所示，其中PWM整流器主电路为图11所示的电路，系统以直流侧电压作闭环控制，电压环采用PI调节器，PI调节器输出信号作电流指令ID，ID的大小和整流器流入电流的幅值成正比。稳态时，UDUD，PI调节器输入为零，而PI调节器输出ID和整流器负载电流的大小相对应，也和整流器交流输入电流的幅值相对应。当负载电流变化，则经过调节达稳态后PI输入仍为零，而ID与新的负载电流相对应。若整流器变为逆变运行时，则输入电流与输入电压反向，稳态时仍是UDUD，PI调节器输入为零，输出ID为负值，与逆变电流大小相对应。这种控制方法的优点是控制简单。缺点当R、L的运算值和实际值有误差时，影响控制效果；西安理工大学本科生毕业设计（论文）7电压环响应速度较慢；网侧存在着直流偏移量，因而在瞬态时，输入滤波器易出现振荡和负载电流发生畸变的情况。图23间接电流控制系统结构232直接电流控制这类控制中，通过运算求出交流电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。直接电流控制中，有不同的电流跟踪控制方法，图24所示的是一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。它是一个双闭环控制系统，其外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。外环PI调节器的输出为直流电流信号ID，ID分别乘以和A、B、C三相相电压同相位的正弦信号，就得到三相交流电流的正弦指令信号IA、IB和IC。可以看出，IA、IB和IC分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号ID成正比，这正是整流器作单位功率因数运行时所需要的交流电流指令信号。该指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对各开关器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值，其跟踪误差在由滞环环宽所决定的范围内。这种控制机理清晰、简单，电流响应速度快，控制运算中使用电路参数，系统鲁棒性好。其不足之处是开关频率可变，平均开关频率随负载电流的变化而变化，导致开关状态的不稳定性和随意性。李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究8图24直接电流控制系统结构24基于载波调制的三相PWM整流器系统的PSIM实现本课题采用了PSIM作为了仿真工具，根据图22所示的系统的总体框图搭建了基于载波调制的三相PWM整流器闭环系统的仿真模型，如图25所示，该模型总体分为两个部分（1）主回路部分主回路模块的设计相对简单，它用于实现整流器所在主回路的能量流通，主要由三相交流电源、交流侧电感、功率开关器件IGBT、直流侧滤波电容以及电阻负载组成。（2）控制电路部分该模型的控制电路部分是在通过对式（11）所表示的系统工作方程进行周期平均而得到的整流器的改进周期平均模型的基础上搭建的。控制电路是实现PWM可控整流的关键，控制器通过检测负载工作状态，将负载电压反馈回来与给定直流电压作差，将其结果输入PI调节器，PI调节器的输出和整流器交流输入电流的幅值相对应，该输出再与和电源电压同相位的电压信号相乘，便得到电流指令信号IK（KA,B,C），该指令信号与电源电流反馈信号作差后经过比例调节器，再与电源电压反馈信号作差，再经过低通滤波器和比例调节器（为了降低调制信号的幅值）就可以得到三相正弦调制信号，用该信号与同一个三角载波比较，从而产生西安理工大学本科生毕业设计（论文）9用于SPWM控制的开关信号，然后将开关信号用于主回路中开关管的控制，便可实现可控整流。图25基于载波调制的三相PWM整流器闭环系统的仿真模型李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究10第3章基于载波调制的三相PWM整流器最小损耗控制策略31三相PWM整流器的调制波中加入谐波之后对系统控制的影响本课题主要研究基于载波调制（SPWM）的三相PWM整流器的开关损耗的减小策略，传统的SPWM法调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此，SPWM的开关频率愈高，谐波含量愈少。当载波频率越高时，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，开关器件工作频率的提高，开关损耗和换流损耗也会随之增加。为了降低开关器件的开关频率，从而减小整流器的开关损耗，可以采取在整流器的调制波中加入三次谐波信号或者直流分量信号，造成在一个工频周期内，三角载波在一段时间内不接受调制信号的调制，从而使加在开关器件上的PWM开关信号在这段时间里不发生改变，则在这段时间内由于开关器件的不动作便会导致其频率的降低。为考察在整流器的调制波中加入三次谐波信号或者直流分量信号之后对整流器电源电流控制产生的影响，作如下分析假设现在在三相调制波中分别加入三次谐波U3，则根据式（17）所示的整流器改进的周期平均模型可得333333333UIIKUUUUUIIKUUUUUIIKUUUUCCPCZNZNBBPBYNYNAAPAXNXN31其中，UXN3，UYN3，UZN3分别为加入三次谐波后的调制波信号。西安理工大学本科生毕业设计（论文）11实际情况中，整流器输入端并不存在中点，只需考虑整流器输入端的线电压即可。图31给出了线电压的等效电路图。图31线电压等效电路根据KVL定理和图31所示的回路正方向，又有IAIBIC0，可得313131YZZXCCCXYYZBBBZXXYAAAUUURIDTDILUUURIDTDILUUURIDTDIL（32）其中，UXY、UYZ和UZX为整流器输入端线电压。从式（32）中可以看出，只要整流器输入端的线电压在加入三次谐波之后不发生变化，就不会影响到整流器电源电流的控制。现在考察一下整流器输入端的线电压在加入三次谐波前后的变化情况YN3XN3YNXNUUUU33UUUUUYNXNXY33从该式可以看出，整流器输入端的线电压在加入三次谐波之后不发生变化。因此，在调制波中加入三次谐波不会对整流器的输入电流产生影响9。同理，如果在整流器的调制波中加入直流分量信号，作为线电压来说，由于这些偏压相互抵消，不会出现在线电压里，所以也不会对整流器电李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究12源电流控制产生影响。本课题将在整流器的调制波中分别加入三次方波信号、三次正弦波信号和直流分量信号以作对比分析。以下是这三种控制策略的实现方法（1）基于叠加三次方波信号将引入到控制系统中的三相电源电压信号分别通过零比较器转换为三相方波信号，再将上述三相方波叠加，即得到三次方波信号。将这个三次方波信号叠加在整流器的调制波中，即得到所需的调制波。其在PSIM中的实现如图32所示图32三次方波的PSIM实现（2）基于叠加三次正弦波信号将一个频率为150HZ（原调制波频率的三倍）、峰值小于1（三角载波的峰值为1）的正弦波信号分别叠加在三相整流器的调制波中，即得到所需的调制波。（3）基于叠加直流分量信号设该直流分量信号为EP，三角载波的幅值为1，A、B、C三相相电压原调制信号分别为EA、EB、EC,叠加直流偏移量之后的三相调制信号分别为EX、EY、EZ。由于相电压的幅值小于1，则当直流偏移量取最小值时，有PCZPBYPAXCBAPEEEEEEEEEEEEE,1,MIN（34）当直流偏移量取最大值时，有PCZPBYPAXCBAPEEEEEEEEEEEEE,1,MAX（35）西安理工大学本科生毕业设计（论文）13其中，EP的产生需要借助于PSIM中的DLL功能块（动态链接库），使用C语言编程。32基于传统SPWM法的三相PWM整流器控制系统仿真基于传统SPWM法的三相PWM整流器控制系统的仿真电路图如图25所示，仿真参数为电源电压UAUBUC103V，直流输出电压VDC250V，交流侧电感、电阻L3MH，R05，直流侧滤波电容C1MF，负载电阻R030。本控制系统中，PWM波的控制采用双极性控制方式，三相调制信号VAR、VBR、VCR依次相差120。各相的功率开关器件的控制规律相同，同相上下两个桥臂的驱动信号是互补的，如图33所示是在一个工频周期内，A相调制波VAR与三角载波VCARR的比较以及A相的上桥臂开关管IGBT1和下桥臂开关管IGBT4的驱动信号。图33调制波与三角载波的比较以及IGBT驱动信号如图34所示是A相下桥臂开关管IGBT4两端电压VP2的波形，从该图中可以看出在整流器调制波中加入谐波之前，IGBT4两端是连续的PWM波。图34IGBT4两端电压波形李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究14下面通过仿真对该基于传统SPWM法的三相PWM整流器系统的控制性能进行考察如图35所示是整流器A相电源电流IA和电流指令信号IA的比较图35整流器A相电源电流和电流指令信号从该图中可以看出整流器A相电源电流IA能够很好地跟踪电流指令信号IA，这说明该系统对电源电流的控制性能非常好。如图36所示是整流器A相电源电流IA与电源电压VA的仿真波形图36A相电源电流IA与电源电压VA（单位功率因数）从该图中可以看出整流器A相电源电流IA与电源电压VA相位相同，此时达到单位功率因数整流。同时调节A相同步电压的相位，则可使IA和VA之间的相位差为所需要的角度，从而实现该整流器系统的功率因数可调控制。如图37中所示波形是通过调节A相同步电压的相位，使IA的相位滞后VA30时，二者的波形比较。西安理工大学本科生毕业设计（论文）15图37PWM整流器功率因数可控能力仿真如图38和图39所示是整流器A、B两相之间线电压VP3。从两图中可以看出在系统从015S达到稳态之后，整流器的整流器A、B两相之间线电压和直流输出电压幅值都与给定直流电压值一致，达到250V。图38整流器A、B两相之间线电压33基于叠加三次方波的控制策略331基于叠加与电源电压同相的三次方波的控制策略如图310所示为A相同步电压UA1与加入的与之同相的三次方波U3图310A相同步电压UA1与加入的与之同相的三次方波U3图39整流器直流输出电压李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究16如图311中上图是正弦调制信号V10与同相的三次方波U3，中图是加入同相的三次方波之后的调制信号VAR与三角载波信号VCARR，下图是IGBT4两端电压VP2与电源电流IA。图311调制波的产生（上）调制波与载波的比较（中）IGBT4两端电压波形（下）从图311中可以看出在一个工频周期内，分别在电源电流的正半周和负半周的峰值前后的时间内，由于同相三次方波的叠加，使调制波的幅值在这段时间里超过了三角载波，因此在这段大约周期的时间里，IGBT不发生动作，所以其两端电压出现了断续的PWM波，而在图34（加入三次方波之前IGBT两端电压）中，IGBT两端是连续的PWM波，说明在加入了三次方波之后能有效地降低IGBT的开关频率，从而减小了开关损耗。A系统控制性能分析下面考察在加入与电源电压同相的三次方波之后，系统的控制有没有受到影响。如图312和图313分别为系统达到稳态之后，整流器A、B西安理工大学本科生毕业设计（论文）17两相之间线电压VP3波形以及整流器A相电源电流IA和电流指令信号IA。图312整流器A、B两相之间线电压VP3波形图313整流器A相电源电流IA和电流指令信号IA从以上两幅图中可看出在加入与电源相电压同相的三次方波之后，整流器的输入端线电压没有受到影响（如图312所示），从而整流器的电源电流控制也不会受到影响（如图37中下图所示），电源电流与指令电流基本吻合。这就证明了31中的理论分析的结果是正确的。同时从图316中可以看出在叠加三次方波之后，整流器功率因数仍可达到1。如图314所示是整流器输出直流电压波形。图314整流器输出直流电压波形李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究18如图315所示是整流器A、B、C三相相电压波形UAN、UBN、UCN。图315整流器A、B、C三相相电压波形UAN、UBN、UCN图316整流器功率因数检测B谐波分析如图317和图318所示分别是A相电源电流IA和整流器输出直流电压VDC的频谱图。图317A相电源电流频谱图图318直流输出电压频谱图西安理工大学本科生毕业设计（论文）19从图317中可以看出在整流器调制波中加入同相三次方波以后，电源电流中的5次谐波略在增大，但是这对系统的控制性能并没有影响，这可以从图314和图318中看出，电源电流的控制偏差并没有影响到系统的输出直流电压。332基于叠加与电源电压反相的三次方波的控制策略如图319所示为A相同步电压UA1与加入的与之反相的三次方波U3。图319A相同步电压UA1与加入的与之反相的三次方波U3如图320中上图是正弦调制信号V10与同相的三次方波U3，中图是加入同相的三次方波之后的调制信号VAR与三角载波信号VCARR，下图是IGBT4两端电压VP2与电源电流IA。图320调制波的产生（上）调制波与载波的比较（中）IGBT4两端电压波形（下）李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究20从图320中可看出在一个工频周期内，分别在电源电流的正半周和负半周的峰值附近，由于反相三次方波的叠加，使叠加后的调制波的幅值在这段时间里出现了饱和而超过三角载波，因此在这段大约周期的时间里，IGBT不发生动作，这说明了在加入反相三次方波之后能有效地降低IGBT的开关频率，从而大大减小了开关损耗。A系统控制性能分析如图321和图322分别为系统达到稳态之后，整流器A、B两相之间线电压VP3波形以及整流器A相电源电流IA和电流指令信号IA。图321整流器A、B两相之间线电压VP3波形图322整流器A相电源电流IA和电流指令信号IA在加入与电源相电压反相的三次方波之后，整流器的线电压没有受到影响（如图321所示），因而整流器A相电源电流IA和电流指令信号IA的波形也基本上是吻合的（如图322所示），只是在粗箭头所指示的地方，IA西安理工大学本科生毕业设计（论文）21和IA的波形稍有差别，这也正是由于IGBT没有进行开关动作而造成的。如图323所示是整流器输出直流电压波形。图323整流器输出电压波形B谐波分析如图324和图325所示分别是A相电源电流IA和整流器输出直流电压VDC的频谱图。图324A相电源电流频谱图从图324中可以看出在整流器调制波中加入反相三次方波以后，电源电流中的5次、7次谐波略在增大，但是这对系统的控制性能并没有影响，这可以从图323和图325中看出，图322中所示的电源电流出现的控制偏差并没有影响到系统的输出直流电压。同时，增大控制电路图325整流器输出直流电压频谱李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究22中的放大倍数KP可以减小电源电流的控制偏差，也就进一步抑制了电源电流中的5次、7次谐波含量。34基于叠加三次正弦波的控制策略341基于叠加与电源电压同相的三次正弦波的控制策略在整流器的调制波中所加入的同相三次正弦波的幅值不同，则系统的控制性能不同，下面所加入的三次正弦波分别是原正弦调制波幅值的，以作对比分析。A减小损耗性能对比如图326到图328分别对应的是在所加入的三次正弦波分别是原正弦调制波幅值的这三种情况下的正弦调制信号V10与同相的三次正弦波U3（上）、加入同相的三次正弦波之后的调制信号VAR与三角载波信号VCARR（中）、IGBT4两端电压VP2与电源电流IA（下）。图326加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波西安理工大学本科生毕业设计（论文）23图327加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波图328加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波从图326到图328的对比中可以看出图326中加入幅值是原正弦李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究24调制波的的三次正弦波之后，产生的调制信号已然全部包括在三角载波峰值之下，故没有明显地减小开关损耗；图327中加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波之后，产生的调制信号中在正负半周峰值过后的一段时间里超过了三角载波的幅值，故而在这段时间内IGBT不动作，一定程度地减小了开关频率；图328中加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波之后，产生的调制信号中在电源电流正负半周峰值过后的一段时间里超过了三角载波的幅值，相比之下这段时间更长，所以这种方案能够更有效地减小开关频率。B系统控制性能对比如图329到图331分别对应的是在所加入的三次正弦波分别是原正弦调制波幅值的这三种情况下的整流器A相电源电流IA和电流指令信号IA的波形仿真比较。图329加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波图330加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波西安理工大学本科生毕业设计（论文）25图331加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波从图329到图331的对比中可以看出图329中加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波之后，A相电源电流IA与电流指令信号IA的波形基本重合，系统的电流控制非常好；图330中加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波之后，A相电源电流IA与电流指令信号IA的波形基本重合，但是电源电流中谐波较大；图331中加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波之后，A相电源电流IA与电流指令信号IA的波形出现一定的偏差，控制性能最差。C谐波分析如图332到图334分别对应的是在所加入的三次正弦波分别是原正弦调制波幅值的这三种情况下的电源电流的频谱图。图332加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波时电源电流频谱李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究26图333加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波时电源电流频谱图334加入幅值是原正弦调制波的的三次正弦波时电源电流频谱对比分析以上三幅图可知随着所加入的正弦谐波的幅值的增大，电源电流中的谐波含量也在增加，当所加入的正弦波幅值是原正弦调制波的时，电源电流中出现了较大的5次、7次谐波，这将对电网造成谐波污染，系统的控制性能也随之降低，这从图331中也可以看出来，电源电流的控制出现了较大偏差。342基于叠加与电源电压反相的三次正弦波的控制策略如图335为加入反相三次正弦波U3与A相同步电压UA1的波形仿真图335加入的反相三次正弦波U3与A相同步电压UA1的波形西安理工大学本科生毕业设计（论文）27如图336为正弦调制信号V10与反相的三次正弦波U3（上）、加入反相的三次正弦波之后的调制信号VAR与三角载波信号VCARR（中）、IGBT4两端电压VP2与电源电流IA（下）。图336调制波的产生（上）调制波与载波的比较（中）IGBT4两端电压波形（下）从图336中可以看出在一个工频周期内，分别在电源电流的正半周和负半周的峰值附近，由于反相三次正弦波的加入，使得相电压调制信号在正负峰值附近都出现了饱和，从而在这两端共计大约周期的时间内，调制波的幅值超过了三角载波，所以IGBT没有开关动作，这样便降低了IGBT的开关频率，从而减小了开关损耗。如图337是A相电源电流与电流指令信号的比较图337是A相电源电流与电流指令信号的比较李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究28从图337中可以看出在加入反相的三次正弦波之后，电源电流没有很好地跟随指令信号，而是出现了一定的畸变，这从图338中可以找到原因，即由于反相的三次正弦波的注入，电源电流中的低次谐波显著增大（如5次、7次谐波），这影响了整流器的网侧电流控制。图338加入反相三次正弦波时电源电流的频谱图35基于叠加直流分量的控制策略351基于叠加最小直流分量的控制策略如图339所示是叠加最小直流分量EP之后的A相调制信号VAR与幅值为1的三角载波VCARR上以及IGBT4两端的电压波形VP2与电源电流IA（下）。图339调制波与载波（上）IGBT4两端的电压波形VP2与电源电流IA（下）西安理工大学本科生毕业设计（论文）29从该图中可以看出在电源电流每个周期中的大概到2这样的时间段中，调制信号的幅值为1，与三角载波负峰值相同，则在这段时间内IGBT不动作，从而其开关频率减少了约。如图340所示为电源电流IA与电流指令信号IA的仿真比较。图340电源电流IA与电流指令信号IA的仿真比较从该图中可以看出，叠加了最小直流分量之后，电源电流IA能够很好地跟随指令信号IA，因此此方案不影响系统的电流控制。为验证由于注入最小直流分量而给电源电流带来的谐波大小，图341中给出了A相电源电流IA的频谱图，通过对图的分析可知在向整流器调制波中加入最小直流分量之后，电源电流中低次谐波受到抑制，因此此方案既有效地减小了开关损耗，又对系统的控制不产生任何影响。图341A相电源电流IA的频谱图352基于叠加最大直流分量的控制策略如图342所示是叠加最大直流偏移信号EP之后的A相调制信号VAR李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究30与幅值为1的三角载波VCARR上以及IGBT4两端的电压波形VP2与电源电流IA（下）。图342调制波与载波（上）IGBT4两端的电压波形VP2与电源电流IA（下）从图342中可以看出在电源电流每个周期中的大概到这样的时间段中，调制信号的幅值为1，与三角载波正峰值相同，则在这段时间内IGBT不动作，从而其开关频率减少了约。为验证由于注入最大直流分量而对系统控制性能造成的影响，图343中给出了整流器的输出直流电压VDC的波形。图343整流器的输出直流电压VDC的波形西安理工大学本科生毕业设计（论文）31如图344所示是电源电流IA与电流指令信号IA的仿真比较。图344电源电流IA与电流指令信号IA的仿真比较如图345所示是电源电流IA的频谱图。图345电源电流IA的频谱图结合图344和图345可知在整流器的调制波中注入最大直流分量之后电源电流中没有低次谐波的增大，电源电流可以很好地跟踪指令电流信号，此方案对系统的电源电流控制没有造成不良影响。36本章小结本章通过仿真验证了三种减小开关损耗的控制策略的性能，对这三种方案进行分析对比，现总结如下（1）针对不同的减小损耗的控制策略，IGBT开关不动作的位置不同。当加入同相的三次方波或者三次正弦波时之后，IGBT开关不动作的时间是在电流正负峰值过后一段时间（如图311和图326所示）；当加入反相的三次方波或者三次正弦波时之后，IGBT开李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究32关不动作的时间是在电流正负峰值附近（如图320和图336所示），这样由于减少的平均功率损耗会更多，当然比加入同相的三次方波或者正弦波能更加有效地减小开关损耗；当加入最小直流分量时，IGBT开关不动作的时间是在电流每个周期中的大概到2这样的时间段中（如图340所示）；当加入最大直流分量时，IGBT开关不动作的时间是在电流每个周期中的大概到这样的时间段中如图342所示。后两种方案都能使IGBT在一个工频周期的时间里不动作，而且的时间里都包含着电流的正峰值或者负峰值，所以也能够非常有效地减小开关损耗。综上所述，在这六种减小开关损耗的控制策略中，在整流器调制波中加入反相的三次方波能够最有效地减小开关损耗。（2）针对不同的减小损耗的控制策略，系统对电源电流的控制性能也不同。在图317和图324中分别是基于叠加与电源电压同相和反相的三次方波控制策略的电源电流频谱图，从结果来看，电源电流中略微出现了5次、7次谐波，但这对系统的性能影响很小，从图314和图323中可以看出，电源电流的控制偏差几乎不对系统的直流输出电压产生影响；如图331到图333分别对应的是在所加入的同相三次正弦波分别是原正弦调制波幅值的这三种情况下的电源电流的频谱图，从结果来看，随着所加入的正弦谐波的幅值的增大，电源电流中的谐波含量也在增加，当所加入的正弦波幅值是原正弦调制波的时，电源电流中出现了较大的5次、7次谐波，系统的控制性能也随之降低，这从图331中也可以看出来，电源电流的控制出现了较大偏差；如图338中，由于反相三次正弦波的加入，电源电流中的5次、7次谐波含量明显增大，从图337中可以看出，电源电流出现了畸变，其控制偏差明显增大；在图341和图345中分别是基于叠加最小和最大直流分量的控制策略电源电流频谱西安理工大学本科生毕业设计（论文）33图，可以看出，这两种方案中，电源电流中的低次谐波含量得到了明显的抑制，从图340和图344中也可以看出，电源电流的控制偏差非常小。李俊霖基于载波调制的PWM整流器最小损耗控制策略的研究34第4章总结本文以基于载波调制方式的三相PWM整流器为研究对象，重点针对基于载波调制方式的基础上如何减小PWM整流器开关器件的损耗进行了研究。以下是对本论文工作的一些总结（1）研究了PWM整流器的工作原理，根据其主电路的工作方程，建立了整流器改进的周期平均模型。（2）利用PSIM仿真软件，根据所建立的整流器改进的周期平均模型，搭建了系统仿真模型。（3）依次将三次方波信号、三次正弦波信号和直流分量信号叠加在整流器的调制