完整版单相三电平SPWM整流器的研究与设计毕业设计.docx

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完整版单相三电平SPWM整流器的研究与设计毕业设计

摘要

随着电力电子器件、高精度高速运算芯片、实时仿真及控制等技术的飞速发展，各类电力电子装置正广泛地应用于交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等领域，然而大多数的电力电子装置都是通过变流器与电网相连，总存在网侧功率因数低以及输入电流谐波成分高的问题。

为了减小谐波干扰对电网质量的危害，以及可能因此而引发的事故，1994年3力谐波提高功率因数的方法主要有两种，一种是装设专用的谐波补偿装置，该方法相应地带来了成本增加的问题；另一种是采用新型的高功率因数变流器。

PWM整流器作为高功率因数变流器的一个重要方向，在各种工业生产领域扮演着重要角色。

它不仅要求中间直流环节的电压保持恒定，交流侧功率因数为1，还要求尽量减少电流谐波。

然而相对于两电平PWM整流电路，三电平PWM整流器的功率开关管所承受的关断电压为直流侧电压的一半，减少了功率开关管的电压强度，同时电平数的增加使入端电流更接近正弦波，在同样的的开关频率及控制方式下，其电流谐波总畸变率（THD）要远小于两电平PWM整流器。

因此，本毕业设计以单相三电平PWM整流器为研究对象,首先介绍了课题的产生背景、研究概况及意义，阐述了PWM整流器的工作原理，并对其开关工作模态以及拓扑结构进行了分析；其次，在此基础上，建立了三电平整流器的系统数学模型，并对PWM控制技术进行总结，采用电压电流双闭环控制，利用MATLAB/Simulink进行了仿真实验。

仿真结果表明，系统的工作情况与理论分析相符合，该系统不仅能使直流电压在一定范围内可调，而且使整流器交流侧电流谐波降低，实现了单位功率因数运行。

关键词：

三电平整流功率因数校正MATLAB仿真

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofpowerelectronicdevices,high-precisionhigh-speedcomputingchip,real-timesimulationandcontroltechnology,varioustypesofpowerelectronicdevicesarewidelyusedinAC-DCadjustablepowersupply,powersupplysystems,electricaltransmissioncontrolandelectrochemicalproductionetc,butmostpowerelectronicdevicesconnectedtothegridthroughtheconverter,thereisalwaysthelowpowerfactorandhighharmonicsproblemoftheinputcurrent.

Inordertoreducetheharmofgrid-qualitybytheharmonic-interference,andtheaccidentmayresultedformit,theStateBureauofTechnicalqualityutility"inMarch1994.Therearetwomethodstoimprovepowerfactorandinhibitpowerharmonic,oneistheinstallationofadedicatedharmoniccompensationdevices,themethodhasbroughtacorrespondingincreaseprobleminthecost;theotherisusingthenewhighpowerfactorconverter.

PWMrectifier,asanimportantdirectionofhighpowerfactorconverters,playsanimportantroleinthevariousareasofindustrialproduction.Itnotonlyrequirestheconstantofmiddle-dcvoltage,ACpowerfactoris1,alsorequiredtominimizethecurrentharmonics.

However,inrelatedtothetwo-levelPWMrectifier,theDCsidepowerswitchturn-offvoltagesofthree-levelPWMrectifierarethehalf,soitreducethepowervoltage-strength,andtheincreaseofthelevel’snumbersmakestheinput-sidecurrentclosertothesinewave,andatthesameswitchingfrequencyandcontrolmode,thetotalcurrentharmonicdistortion（THD）ismuchsmallerthanthetwo-levelrectifier.

Therefore,thisgraduating-designchoosethesingle-phasethree-levelPWMrectifierasresearchobject.Firstthispaperintroducesthebackground,researchsurveyandsignificanceofthisresearchsubject,explainstheworkingprincipleofthePWMrectifierandanalyzesitsswitchingmodesandtopology;Secondly,onthisbasis,asystemmathematicalmodelofthethree-levelrectifierisbuilt,thenbeginaMATLAB/simulinksimulationexperimentwiththesummaryofPWMcontroltechniquesandtheuseofvoltageandcurrentdoubleclosedloopcontrol.Simulationresultsshowthattheworkofthesystemconsistentwiththetheoreticalanalysis,thissystemnotonlyenablestheDCvoltageisadjustablewithinacertainrange,butalsoreducetherectifierACsidecurrentharmonicstoachievetheunitypowerfactoroperation.

Keywords:

three-levelpowerfactorcorrectionMATLABsimulation

主要符号说明

输入交流电源电压

网侧电流

交流侧调制电压

直流侧输出电压

直流侧输出负载电流

中点箝位电流

直流侧电容C1两端电压

直流侧电容C2两端电压

-/-三电平整流器左/右半桥臂四个开关管

-/-三电平整流器8个反并联二极管

/直流侧上下两个支撑电容

入端电阻

入端电感

直流侧输出负载电阻

三电平整流电路简化模型的A相开关

三电平整流电路简化模型的B相开关

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：

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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：

第一章绪论

1.1三电平整流器的产生背景

电力电子技术自20世纪50年代诞生以来，经过半个世纪的飞速发展，至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。

正是由于它的飞速发展，各类电力电子装置作为重要的电器设备广泛地应用于各个领域，如：

交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等，而大多数的电力电子装置都是通过变流器与电网相连，传统的相控变流器因其具有电路结构简单、技术成熟、价格低廉等优点，在工业现场有着广泛应用。

但也存在一些，如：

①网侧功率因数低；②输入电流谐波成分高的问题。

谐波电流在线路上形成的谐波电压会使电网电压畸变，影响电压质量，还会使电力系统加大功耗，效率降低，由于涡流和集肤效应，对电机、变压器、电容器等电器设备也有损害；电网中使用了大量的电感电容，按照设计一般不可能发生谐振问题，但有可能谐波电流频率刚好为某个电感电容支路的谐振频率，这样会使谐波放大引起连锁反应，对电网造成巨大的危害。

但是在电力电子设备大量在人们日常生活中出现之前，谐波危害并没有明确的表现出来，所以我们对谐波的危害也没有进行过深入的探讨。

直到20世纪70年代，电力电子装置在人们的生活中发挥着越来越重要的作用，由谐波引发的各种事故也越来越多，人们才注意到电力电子装置不仅带来了便利，同时也带来了危害。

为有效地控制电网谐波干扰，在1994年3月国家技术监督局颁布了国标GB/T准对传统的相控变流器提出了更高的要求。

而抑制电力谐波的方法主要有两种，一种是装设专用的谐波补偿装置，该方法相应地带来了成本增加的问题；另一种是采用新型的高功率因数变流器，这是为广大用户所普遍接受的。

而且随着工业现代化生产规模的不断扩大和人们生活水平的不断提高，电能供需矛盾日益突出，节约电量的呼声日益高涨。

因此，研究电机及其所拖动负载的节能具有特别重要的社会意义和经济效益。

电机及其负载节电的途径主要有两大类：

一是提高电机或负载的运行效率，如风机、水泵调速是以提高负载运行效率为目标的节能措施；二是将负载上的机械能反变换成电能回送电网，使电机和负载在单位时间内消耗的电网电能下降，从而达到节电的目的。

针对以上这些问题，本毕业设计研究的电压型PWM整流器具有网侧交流电流低谐波、单位功率因数、直流侧电压恒定控制以及能量双向流动等优点，不仅可以在单位功率因数下运行，还可以进行电网无功调节，实现了电能的“绿色变换”，很好的解决了传统意义上的整流电路