三相高功率因数PWM整流器的设计和研究精Word下载.docx

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由于采用了这些先进技术，使得本文中的ＰＷＭ整流器结构简单、性能可靠、操作方便。

关键词：

ＰＷＭ整流器，空间矢量，数字信号处理器，ＭＡＴＬＡＢ仿真

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＴｈｒｅｅ－－ｐｈａｓｅＨｉｇｈ

ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＰＷＭＲｅｃｔｉｆｉｅｒ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒ，ＤＳＰ，ＭＡＴＬＡＢｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＩＩＩ

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

日期：

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关于学位论文使用授权的声明

本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；

本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。

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。

（保密论文在解密后应遵守此规定）敞储弛：

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１绪论

１．１谐波污染问题

１．１．Ｉ电网谐波及谐波的产生

电力系统谐波问题并不是一个新问题，早在本世纪２０年代和３０年代就引起了人们的注意，当时在德国由于使用静止汞弧变流器的使用造成电网电压和电流波形的畸变。

到了５０年代和６０年代，由于高压直流输电技术的发展，推动了变流器谐波研究进一步深入。

电网谐波是由于与之相联的非线性负载所产生，产生谐波的负载称为谐波源【ｌｌ。

电网中的主要谐波源有：

（１）各种电力电子装置（包含家用电器、计算机等的开关电源）；

（２）电力变压器；

（３）发电机；

（４）电弧炉。

在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。

近二十年来，由于电力电子技术的发展，电力电子装置在电力系统、各个工业部门、以及家庭和民用事业中得到广泛应用，它们数量和容量的日益增大，已成为电网的主要谐波源。

１．１．２谐波的危害

近年来由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、能源、交通、化工及家庭中的应用逾来广泛，因此谐波所造成的危害也日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度重视。

谐波对电网和其它系统的危害有以下几个方面【２】：

（１）降低用电效率。

谐波使电网中的电器元件发热，产生附加谐波损耗。

在三相四线制供电系统中，大量的３次谐波流过中线时会使中线过热，甚至发生火灾。

（２）降低用电设备的寿命。

由于谐波引起用电设备发热，使它们的绝缘部分老化，引起使用寿命的降低。

（３）容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。

这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成电容器因过电流而烧坏。

（４）会引起一些保护设备误动作，如继电保护，熔断器：

并会导致电气测量仪表计量不准确等。

（５）谐波通过电磁感应、静电感应和传导耦合等方式对临近的电子设备

陕西科技大学硕士学位论文

和通信系统产生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。

电力电子技术是未来科学技术发展的重压支柱。

有人预言，电力电子连同运动控制技术将和计算机技术一起成为２ｌ世纪最重要的两大技术【３】。

然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为电力电子技术发展的重要障碍，因此为了避免谐波的危害，保持高的电力品质，不少国家和国际组织制定了限制用电设备谐波的标准。

在这些标准当中，被广泛接受的有ＩＥＥＥ５１９标准和ＩＥＣ５５５．２标准。

ＳＤｌ２６．８４《电力系统谐波管理暂行规定：

｝，ＧＢ／Ｔ１４５４９．９３＜电能质量公用电网谐波》以及ＧＢ／Ｚ１７６２５．４．２０００《电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》。

由于谐波标准的实施，使得电力电子装置的生产厂家不得不采取措施来降低其产品产生的谐波，从而推动了谐波抑制技术的发展。

如何消除或降低电力电子装置所产生的谐波是当今电工学领域的热点之一。

１．１．３谐波抑制技术

从治理环境污染、维护绿色环境的角度，以及满足国家相关谐波标准的要求，必须对电力电子装置等非线性负载产生的谐波进行治理。

解决电力电子装置和其他谐波源污染问题的基本思路有两种：

一是通过安装谐波补偿装置来补偿电力电子装置所产生的谐波，补偿装置与非线性负载相互独立，互不影响。

该方法是一种被动的补偿方法。

另一条途径是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为ｌ，是一种主动的方法，如ＰＷＭ整流技术、有源功率因数校正技术。

这两种方法各有其优点及适用范围，近年来都得到了较快的发展［４１。

（１）无源滤波器

采用无源ＬＣ电力滤波器是谐波抑制的传统方法。

该方法结构简单，成本低，容易实现，长期以来在电力系统中广泛应用。

其缺点如下：

１）其针对特定频率滤波，对电网阻抗和频率的变化十分敏感，滤波效果不易保证。

２）ＬＣ滤波器有可能与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致系统不能正常工作，甚至损坏滤波器。

３）电网中谐波频率范围较宽，补偿时一般要设置多个ＬＣ滤波器，使得滤波器体积庞大。

（２）有源电力滤波器

有源电力滤波器（ＡＰＦ＞是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及无功进行补偿，随着新型电力半导体开关器件的出现及“三相电路瞬时无功功率理论”的提出，极大促进了有源电力滤波器的发展。

总之，采用ＡＰＦ是一种很有发展前途的谐波抑制方２

（３）有源功率因数校正技术

有源功率因数校正（简称ＡＰＦＣ）技术是在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近１的高功率因数。

ＡＰＦＣ技术从８０年代开始起步并得到高速发展，目前，单相ＡＰＦＣ技术已经比较成熟，单相ＡＰＦＣ集成电路在国际上已经商品化，如控制芯片ＵＣ３８５４等。

但是，三相整流电路ＡＰＦＣ技术仍处于研究开发阶段，国际上还没有成熟的产品。

（４）ＰＷＭ整流技术

把逆变电路中的ＳＰＷＭ技术应用于由ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等全控型器件组成的整流电路，可以获得ＰＷＭ整流电路。

通过对其进行适当的控制，可以使输入电流非常接近正弦波，且电流和电压同相或反相，功率因数近似为ｌ。

这种整流电路又称为单位功率因数变流器。

同有源功率因数校正技术一样，ＰＷＭ整流技术是一种积极的谐波抑制方法。

同ＡＰＦＣ技术相比，ＰＷＭ整流电路具有控制复杂、成本高等缺点，从而限制了它在小功率场合的应用。

但在中大功率场合，特别是在需要能量双向传递的场合，ＰＷＭ整流电路具有非常广泛的应用前景。

“ｄ’１．２无功功率以及功率因数的产生

１．２．１正弦电路功率因数的定义

在正弦电路中，负载是线性的。

加以正弦电压后，产生的电流是正弦的。

设电压电流分别为：

材＝４２Ｕｓｉｎｔａｔ（１・１）

（１—２）ｆ＝２１ｓｉｎ（ｔｏｔ一妒）＝４２ｃｏｓ＃ｓｉｎｃｏｔ一４２ｓｉｎ＃ｃｏｓ耐＝‘＋ｉｌ

其中，‘为有功分量，‘为无功分量。

则电路的平均功率为：

Ｐ＝％万ｆｕｉｄｏｔ＝ＵＩｃｏｓ≯（１－３）

定义：

Ｐ＝Ｕｌｓｉｎ＃必为有功功率，相对应的定义无功功率为：

Ｑ＝Ｕｌｓｉｎ＃（１—４）可见，有功分量产生Ｐ，无功分量产生Ｑ。

工程上将电压电流有效值之积作为

设备功率设计极限，定义视在功率为：

Ｓ＝Ｕ，（１—５）

Ｓ反映了电气设备的最大可以利用容量。

从式（１—３）知，有功功率Ｐ的最大值就是视在功率Ｓ，Ｐ越接近Ｓ，说明电气设备的容量利用得越充分。

为了反映这种利用程度，定义功率因数为：

孵＝Ｐ／Ｓ（１．６）

由上四式分析可得到正弦电路中各变量的关系：

ｓ＝√尸２＋驴（１・７）

ＰＦ＝ｃｏｓ＠（１—８）

１．２．２非正弦电路功率因数的定义

对于含有非线形器件的非正弦电路，施以正弦电压后，产生的电流发生畸变，不再是正弦。

但在满足狄里赫利条件下，非正弦电流可以分解成傅立叶级数：

ｆ＝∑凰ｓ觚刀耐＋吮）（１—９）

０

其中ｎ＝ｌ的部分为基波电流：

＾＝√２五ｓｉｎ（ｔｏｔ＋萌１）（１・１０）

刀＞Ｉ所有分量为谐波电流。

电流总有效值为：

厅－

，＝、／∑‘２（１－ｌｌ＞

总谐波电流有效值为：

・

如２、／丕Ｌ２（Ｉ－１２）

为了反映电流的畸变程度，定义总谐波畸变率（ＴＨＤ）：

ＴＨＤ＝争ｘ１００％（１－１３）

』ｌ

则根据正弦电路总有功、视功、功率因数的定义，

Ｐ＝去ｒ彳“谢研＝去ｒ膏“喜皿ｓ缸，刎＋丸）ｄ研＝啦ｃ。

ｓ旃（ｉ－１４）

舢√喜Ｌ２盼寺警＝Ｔｌｌｃｏｓ办＝／睡ｃｏｓ衍（１．蝌

其中∥＝争称为基波因数，ｃｏｓ识称为位移因数

至于非正弦电路中的无功功率尚无广泛接受的科学而权威的定义，这里使用一通用的定义方法，将电路无功功率分为由基波相移产生的基波无功功率ｇ和由谐波产生的畸变功率Ｄ：

Ｑ，＝观ｓｉｌｌ矽（１－１６）

Ｄ－ＵＩｎ＝ｕ、／∑厶２Ｙｎ＝２

这样，总无功功率为：

Ｑ＝Ｑ，＋Ｄ

由上述公式可得：

Ｓ２＝Ｐ２＋Ｑ，２＋Ｄ２（１—１９）（１—１８）

由以上分析，可见总电流可看作三部分组成：

有功分量、基波无功分量和谐波分量。

１．２．３改善功率因数的措施

消除谐波污染并提高功率因数，已成为电力电子技术中的一个重大课题。

解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题基本思路两种：

一种是被动式，即装设静止无功补偿装置（ｓｖｃ）等；

另一种方法是主动式即设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器。

为了解决电力电子装置功率因数低的问题可以装设无功功率补偿装置来提高功率因数，装设无功补偿装置来提高功率因数对于各种低功率因数的电力电子装置都是适用的。

但是目前电力电子装置比较流行的就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为１。

这种变流器称为单位功率变流器（ＵｎｉｔｙｐｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）高功率因数整流器也可以称为单位功率因数整流器。

下面介绍几种主要的高功率因数整流器技术：

１）功率因数校正器（ＰＦＣ）

功率因数校正器是在二极管不控整流和滤波电容之间加上一级用于功率因数校正的功率变换电路。

这利功率变换电路一般为ＰＷＭ斩波的方式。

为实现单位功率因数，小容量整流器多采用二极管整流加ＰＷＭ斩波方式。

这种方式在各种开关电源方而有着非常广阔的前景，必将对谐波污染的治理作出巨大的贡献。

上图１．２给出了单相二极管整流加Ｂｏｏｓｔ斩波器的ＰＦＣ电路的例子。

图中升压斩波器有两个基本作用，一是调节输出的直流电压，使之维持

高于电源电压峰值以保证电路正常工作。

二是控制流经电感的电流，从而使电源电流为与电压同相的正弦波。

但这种整流器中能量只能单向流动，因而如果负载使驱动电机的逆交器，则无法实现再生驱动。

目前，单相ＰＦＣ技术已经成熟，软开关技术应用于ＰＦＣ电路也得到了广泛研究。

功率因数校正技术在一些开关电源装置中已经得到了广泛的应用。

２）多重化技术［１１１

多重化技术就是将多个方波进行叠加，以消除次数较低的皆波，从而得到接近正弦波的阶梯波。

可以想象，重数越多，阶梯波就越接近正弦波，不过电路结构也越复杂。

多重化技术是大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要方法。

如果要求总功率因数为１，甚至提供超前的无功功率，则一般需使用关断器件的变流器。

对于电流型变流器，多重化技术就是将方波电流叠加，使得输入电流为接近正弦的阶梯波，或提高功率因数。

其连接方式有串联和并联多重化，而控制方式则有移相、顺序控制、非对称控制和滞后超前控制多重化等凡种形式。

对于电压型变流器，必须用连接电感和交流电源相连，大都用移相多重化，将方波叠加，使其在网侧产生接近正弦的阶梯波电压，且与电源电压保持适当的相位关系，从而使输入电流为与电源电压同相位的正弦波。

如果需要，可以控制输入电流的相位，使变流器能对无功功率进行补偿。

３）矩阵变换器

相对于传统的交一直一交电压型逆变器，矩阵变换器是一种直接变换器。

矩阵变换器的主电路图３ｘ３个双向开关组成，每个输出端通过双向开关组成，每个输出端通过双向开关直接和每个输入端相连，通过控制双向开关的导通时间和导通顺序来得到需要的输出波形。

由于矩阵变换器自身所具有的双向结构，使得四象限运行易于实现，可以实现能量的双向流动。

矩阵变换器输入电流为正弦，并且可以实现功率因数为ｌ，且与负载情况无关。

但是由于自身电路的限制，其最高电压转换率为Ｏ．８８６由于真正意义上得双向开关器件尚未实现，因而控制及保护电路复杂，实用性较差。

４）ＰＷＭ整流器・

ＰＷＭ整流器技术是中等容量单位功率因数采用的主要技术，一般需要使用自关断器件。

三相ＰＷＭ整流器在几乎不增加任何硬件的基础上，即可以实现能量的双向流动，且电路性能稳定，其控制策略的实用性研究是当前电力电子领域的一个热点。

这也是本课题研究的重点内容。

１．３ＰＷＭ整流器的分类和其特点№１６

ＰＷＭ整流器也称作开关模式整流器（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整流器可以分为电压型和电流型。

升压电路的基本特点是输出直流电压高于输入交流电压的峰值，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。

降压型整流器一般呈电流源特性。

能量回馈型的ＰＷＭ整流器均采用全控型半导体开关器件，它比ＰＦＣ电路具有更快的响应和更好的输入电流波形。

由于最初的半导体器件（ＳＣＲ，ＧＴＯ）都是单相导通的，所以电流型整流器出现的时间早些。

而在实际应用中，由于电源的大量使用，故电压型ＰＷＭ整流器的特点：

１）可以任意调节功率因数，实现能量的双向流动。

２）整流器网侧电流接近正弦，谐波含量少，只含有幅值很小的高次谐波。

３）动态响应好，适于负荷变化频繁的场合。

４）直流端电压稳定，输出电压谐波含量少。

由于具有以上特点，ＰＷＭ整流器可以广泛应用于需要能量回馈的位能负载或电动机频繁制动的场合。

这既节省了用来吸收回馈能量的笨重的电阻负载，又能把能量回馈回电网，提高了能量的利用率，同时也减少了谐波对公用电网的污染。

１．４国内外ＰＷＭ整流技术的发展状况

将ＰＷＭ控制技术应用于整流器始于２０世纪７０年代末【７】，但由于当时谐波问题不突出，加上受电力电子器件发展水平的制约，ＰＷＭ整流器没有引起充分的重视。

进入８０年代后，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ＢｕｓｓｅＡｌｅｒｆｄ、Ｈｏｌｔｚｊｏａｅｈｉｍ首先提出了基于可关断器件的三相全桥ＰＷＭ整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略哺Ｊ，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。

ｌ９８４年从ＡＫｇａｉＨｉｏｒｕｆｍｉ等提出了基于ＰＷＭ整流器结构的无功补偿器装置，这实际上就是电压型ＰＷＭ整流器的早期设计思想。

到２０世纪８０年代末，随Ａ．ＷＧｒｅｅｎ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了一个新的高度［９１。

进入９０年代，三相ＰＦＣ技术的研究成为电力电子技术和电能变换领域中最具重要意义的研究方向之一，经过国内外专家学者多年的研究，ＰＷＭ整流器在电路拓扑结构，数学模型，控制７

方法，电网电压不平衡等方面取得了丰硕的研究成果。

随着研究的深入，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，促进了ＰＷＭ变换器及其控制技术的进步和完善。

我国对ＰＷＭ整流技术的研究起始于９０年代初期，且主要集中于高等院校。