两电平PWM整流器的调制策略研究周宏Word文档格式.docx
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关键词：
单相电压型PWM；
整流；
功率因数；
Matlab仿真；
直流侧，
第一章绪论
1.1概述
PWM调制是现代发展起来的一项技术，早工程上主要有滞环比较法和三角波比较法，较之后者，滞环比较控制的硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量
PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路，能有效地解决传统整流电路存在的问题。
通过对PWM整流电路进行有效的控制，选择合
适的工作模式和工作时序，从而调节了交流侧电流的大小和相位，使之接近正弦波并与电网电压同相或反相，不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题，同时也使得变流装置获得良好的功率因数。
1.2研究意义及背景
在所有的静止电力变换电路中，整流电路是最早出现的，常用的整流电路拓扑结构早在二、三十年代使用汞弧整流器时就已成熟[1]-[4]。
除直接使用直流电源的设备外，大部分DC/AC和DC/DC装置的输入直流电压是经不控或相控整流得到的，故整流电路的应用也最广。
据1992年日本电气学会的调查报告[5]，在所有的电力电子设备中，整流装置要占到近70%之多。
由于整流器的用量如此之大，所以它的输入特性对电网有很大影响。
概括来讲，传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器的主要缺陷是：
（1）对公用电网产生大量的谐波；
（2）整流器工作于深度相控状态时，装置的功率因数极低；
（3）输出侧需要较大的平波电抗和滤波电容以滤除纹波。
这导致装置的体积、重量增大，损耗也随之上升；
（4）相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统动态响应慢。
以上缺点中的三、四条还仅是影响装置本身的性能，而头两条，尤其是产生大量的谐波，对公用电网产生了严重的污染，已成为公认的电网公害。
电网无功的副作用主要表现为降低了发电、输电设备的利用率，增加了线路损耗。
无功还使线路和变压器的电压降增大。
至于谐波，它对公用电网的影响更为严重。
它的危害主要有以下几个方面：
（1）谐波增加了公用电网的附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率；
（2）在电缆输电的情况下谐波以正比于其电压幅值的形式增加了介质的电场强度，缩短了电缆的使用寿命，还增加了事故次数和修理费用；
（3）谐波会影响用电设备的正常工作。
比如谐波对电机产生附加转矩，导致不希望的机械震动、噪声。
还会引入附加铜损、铁损，以及过电压，导致局部过热，绝缘老化，缩短设备使用寿命。
瞬时的谐波高压还可能损坏其它一些对过电压敏感的电子设备；
（4）谐波还引起某些继电器、接触器的误动作；
（5）谐波使得常规电气仪表测量不准确；
（6）谐波对周围的环境产生电磁干扰，影响通信、电话等设备的正常工作；
（7）谐波容易使电网产生局部的并联或串联谐振，而谐振导致的谐波放大效应又进一步恶化和加剧了所有前述问题[6]。
随着用电设备谐波标准日益严格，采用高功率因数，低谐波的高频开关模式PWM整流器，代替传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流装置是大势所趋。
和传统整流器相比，PWM整流器可以控制交流电源电流为畸变很小的正弦化电流，且功率因数为1。
此外，PWM整流器比起传统相控整流器相比较，体积，重量可以大大减小，动态响应速度也可以显著提高。
1.3PWM整流器的分类及特点
PWM整流器也称开关模式整流器（SMR：
SwitchModeRectifier）。
从不同的角度看PWM整流器有不同的划分。
按是否具有能量回馈功能，将PWM整流器分成无能量回馈功能的整流器（PFC—PowerFactorCorrection）和具有能量回馈功能的整流器。
按电路的拓扑结构和外特性，PWM整流器分为电压型（升压型或Boost型）和电流型（降压型或Buck型）。
升压电路的基本特点是输出直流电压高于输入交流线电压峰值，这是其升压型拓扑结构决定的。
升压型整流器输出一般呈电压源特性，但也有工作在受控电流源的时候。
降压电路输出直流电压总低于输入的交流峰值电压，这也是由电路拓扑结构决定的。
降压型整流器输出一般呈电流源，但有时候也工作在受控电压源状态。
无论哪种PWM整流电路，都基本能达到单位功率因数。
但在谐波含量，控制复杂性，动态性能，电路体积、重量、成本方面有较大差别。
1.4开展工作
1、了解两电平PWM整流电路应用场合及其发展前景。
2、认识两电平PWM整流电路的结构组成，分析每个部分的所起作用和基本原理。
3、在matlab中建立两电平PWM整流电路模型，通过相关参数计算，分析各部分所起作用。
掌握PWM整流的基本原理，同时得到最优波形。
4、输出相关波形，用FFT工具分析交流侧网侧电流的谐波含量
第二章PWM整流器拓扑结构
随着PWM整流技术的发展，已经设计出多种PWM整流器，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。
按直流储能形式可以分为电压源型和电流源型。
按电网相数可以分为单相电路、两相电路和多相电路。
按开关调制可以分为硬开关调制和软开关调制。
按桥路结构可以分为半桥电路和全桥电路。
按调制电平可以分为两电平电路、三电平电路和多电平电路。
在电压源型PWM整流器的诸多拓扑结构中，直流侧均采用电容进行储能，使直流侧呈电压源特性，这是其最显著的特征。
图2.3单相半桥VSR拓扑结构
图2.4单相全桥VSR拓扑结构
图2.3和图2.4为单相半桥和全桥VSR拓扑结构。
可以看出，单相半桥和单相全桥VSR的交流侧的电路结构是相同的，其中交流侧电感主要用于滤除网侧电流谐波。
单相半桥VSR只有一个桥臂采用功率开关器件，另一桥臂由两个串联的电容组成，可以作为直流侧储能电容；
单相全桥VSR采用四个功率开关器件构成H桥结构，每个功率开关器件与一个续流二极管反并联，以用来缓冲PWM过程中的无功电能。
两者比较，前者的主电路结构简单，造价低，常用于低成本、小功率的应用场合。
但是半桥电路直流电压是全桥电路的两倍，对其功率开关器件的耐压要求较高，而且需要引入电容均压控制来保持电路中点电位基本不变，因此控制起来相对复杂。
图2.5三相半桥VSR拓扑结构
图2.6三相全桥VSR拓扑结构
图2.5和图2.6为三相半桥、全桥VSR拓扑结构，三相半桥VSR交流侧采用三相对称的无中线连接方式，用六个功率开关器件构成，适用于三相电网平衡的系统，是一种普遍使用的PWM整流器。
三相全桥VSR克服了前者在电网不平衡的时候容易发生故障的缺点，在公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥VSR，而且通过变压器连接三相四线制电网，但是其功率开关器件数量是前者的两倍，所以应用较少。
以上所介绍的是两电平拓扑结构应用于高压场合时，需要将多个开关器件串联在一起使用，或使用耐压等级较高的开关器件，以提高电压等级。
使用时，当开关频率不高时，谐波含量会相对增大。
而具有中点嵌位的三电平VSR拓扑结构采用二极管嵌位，获得交流输出电压为三电平，因此提高了耐压等级，降低了交流谐波电压、电流，改善了网侧波形品质。
第三章单向PWM整流结构及原理分析
3.1单相电压型桥式PWM整流电路的结构
单相电压型桥式PWM整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式变频电源提供直流中间环节，电路结构如图1所示。
每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。
L为交流侧附加的电抗器，起平衡电压，支撑无功功率和储存能量的作用。
图1中u1（t）是正弦波电网电压；
Ud是整流器的直流侧输出电压；
uS（t）是交流侧输入电压，为PWM控制方式下的脉冲波，其基波与电网电压同频率，幅值和相位可控；
iN（t）是PWM整流器从电网吸收的电流。
由图1所示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管VD1～VD4完成从交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件VT1～VT2从直流侧逆变为交流，反馈给电网。
所以PWM整流器的能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是整流还是逆变，主要视VT1～VT4的脉宽调制方式而定。
Id
id
Ud
IN
LN
图1单向PWM整流电路结构图
因为PWM整流器从交流电网吸取跟电网电压同相位的正弦电流，其输入端的功率是电网频率脉动的两倍。
由于理想状况下输出电压恒定，所以此时的输出电流id与输入功率一样也是网频脉动的两倍，于是设置串联型谐振滤波器L2C2。
，让其谐振输出电流基波频率的2倍，从而短路掉交流侧的2倍频谐波。
其中两倍谐波的计算方法是：
对于理想的PWM整流器，假定它们从交流电网吸取与网压同相位的正弦电流，及输入端为：
（2-1）
（2-2）
在理想情况在输入功率Pn等于输出功率Pd即有：
（2-3）
从上式得出，电网的输入功率是以2倍与电网的频率波动的，对于PWM整流器来说，其输出电压为恒定的，即，且满足，因此输出电流为：
（2-4）
其中由得，输出电流同功率一样也存在一个2倍网频的脉动分量，因此，在直流侧需要加一个滤波器，即在直流侧与负载之间接入一个由电感电容组成的滤波器。
3.2单相电压型桥式整流电路的工作原理
图2是单相PWM电压型整流电路的运行方式相量图，us1（t）设为交流侧电压US（t）的基波分量,iN1（t）为电流iN（t）的基波分量，忽略电网电阻的条件下，对于基波分量，有下面的相量方程成立，即:
（2-5）
可以看出，如果采用合适的PWM方式，使产生的调制电压与网压同频率，并且调节调制电压，以使得流出电网电流的基波分量与网压相位一致或正好相反，从而使得PWM整流器工作在如图2所示的整流或逆变的不同工况，来完成能量的双向流动。
（a）整流工况（b）逆变工况
图3.1单向电压型PWM整流电路运行方式相量图
假设整流时有：
（2-6）
调制波为：
（2-7）
设为三角载波幅值；
为单极性SPWM波，采用状态空间平均模型分析吗，在一个开关周期内的平均值表示为：
（2-8）
定义正弦脉宽调制比：
（2-9）
并取：
（2-10）
则根据相量图，相角表达式为：
tan-1
时能否使得交流侧获得高功率因数，此时有：
（2-11）
从相量图及式（8）可以看出为保持单位功率因数，通过脉宽调制的适当控制，在不同的负载电流下，使向量端点轨迹沿直线AB运动。
同理也能得到逆变工况下的运行条件，这里不再赘述。
3.3单向电压型PWM整流电路工作过程分析
（1）工作模式1：
T1（D1）、T3（D3
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