PWM整流器的仿真研究本科生毕业设计.docx

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PWM整流器的仿真研究本科生毕业设计

本科生毕业设计

设计题目：

PWM整流器的仿真研究

中国矿业大学毕业设计任务书

学院应用技术学院专业年级电气06-1班学生姓名

任务下达日期：

2010年3月8日

毕业设计日期：

2010年3月10日至2010年6月10日

毕业设计题目:

PWM整流器的仿真研究

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1.学习PWM整流技术方面的基础知识；

2.对PWM整流器的主电路设计进行初步研究；

3.对目前应用比较广泛的PWM整流电路控制策略进行总结分析

和比较，并进行仿真分析。

院长签字：

指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中添加了大量的非线性负载，引起电网电压、电流的畸变，导致电力污染，实现“绿色”电能变换成为目前电力电子技术研究的重点之一。

在众多谐波治理措施中，使用PWM整流器来调节网侧功率因数，实现能量双向流动这一主动改善电能质量的技术得到了深入的研究和发展。

本文基于三相两电平PWM整流器结构，对PWM整流器的控制策略进行了研究。

PWM整流器的工作原理及数学模型是实现整流器控制的基础。

本文分析了PWM整流器各种工作状态的工作原理，基于开关函数和占空比两种描述方法建立了PWM整流器的数学模型。

对PWM整流器的有效控制是实现其改善电网质量的关键技术。

本文重点分析了滞环电流控制和电流前馈解耦控制两种控制策略，并采用电压控制外环和电流控制内环组成的双闭环控制系统，而且对控制器的参数进行了设计，为PWM整流器的控制奠定了理论基础。

最后运用MATLAB/Simulink构建了三相VSR仿真平台，对实验结果进行分析，证明了控制策略的正确性。

关键词：

PWM整流器；数学模型；控制策略；仿真

Abstract

Recentyears,powerelectronicdeviceshavebeenusedwildlyusedinvariousindustrialapplicationsasessentialmodules.Alargepartofthesefacilitiesarecomposedofdiodesorthyristors,whichbringsevereharmonicspollutiontothepowergrid.The"green"converterofpowerhasbecomethestudykeypointofpowerelectronictechnology.Amongthemethodsofharmonicrestraining,thetechnoogyofusingPWMrectifier,whichcanmodulatethegridpowerfactor,emplementthebidirectionaltransmissionofpowerandimprovethepowerqualityactivelyhasgottenin-depthstudyanddevelopment.ThispaperstudiedonthecontrolstrategyofrectifierbasedonthestructureofthestructureofthreephasePWMrectifier.

TheworkingprincipleandmathematicmodelofPWMrectifieristhebaseofrectifier'scontrol.ThispaperanalyzedtheworkingprincipleofPWMrectifierateveryworkstate,andbuilttheACmathematicmodelofPWMrectifierbasedontheswitchingfunctionanddutyratio.

TheefficientcontrolofPWMrectifieristhekeytechnologyofimprovinggridquality.Thispaperanalyzedthetwocontrolstrategyofhysteresiscurrentcontrolandfeed-forwarddecoupledcurrentcontrol,anddesignedtheparameterofthecontroller,andsettledthetheorybaseofthePWMrectifier'scontrol.

Athree-phaseVSRsimulationplatformisbuiltwithSimulinksoftware,andthesimulationresultsprovethecorrectnessofthecontrolstrategy.

Keywords：

PWMrectifier;mathematicmodel;controlstrategy;simulation

1绪论

1.1PWM整流器概述

非线性负载被引入电网，导致了日趋严重的谐波污染。

电网谐波污染的原因有好多种，但是根本原因在于电力电子装置的开关工作方式，从而引起网侧电流、电压波形的严重畸变。

在我国，当前主要的谐波源主要是一些整流设备，如化工和冶金行业的整流设备以及各种调速、调压设备和电力机车等。

最常见的整流方式是采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，运用二极管不控整流电路从电网吸取畸变电流的同时又对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网谐波污染，而且直流侧能量无法回馈电网。

采用相控方式的整流器也存在很多问题，在深度相控下交流侧功率因数很低，因换流引起电网电压波形畸变等缺点。

这些整流器从电网汲取电流的非线性特征，给周围用电设备和公用电网都会带来不良的影响。

针对上述两种整流电路的不足，PWM整流器对传统的二极管及相控整流器进行了全面的改进。

PWM整流器关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM整控整流取代了相控整流或不可控整流。

PWM整流器具有很多优良的性能，例如：

实现网侧功率因数的控制（比如单位功率因数），网侧电流更接近正弦波，电能实现双向流动，具有较快的动态响应。

为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中最直接的一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。

这种整流器被称为高功率因数变流器或高功率因数整流器。

高功率因数变流器主要采用PWM整流技术，大多数都需要使用自关断器件。

对电流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制，使输入电流变成接近正弦且与电源电压同相的PWM波形，从而得到接近1的功率因数。

对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连。

只要对整流器各开关器件施以相应的PWM控制，就可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可以实现交流电流接近正弦波，而且可以使交流电流的相位与电源电压同相，就是系统的功率因数总是接近于1。

1.2研究PWM整流器的意义

在电力系统中，电流和电压应是完整的正弦波。

但是在我们实际生活中的电力系统中，由于非线性负载等因素的影响，电网电压和电流波形总会存在不同程度的畸变，给电力输配电系统和附近的其它电气设备带来许多相关问题，所以就应该采取必要的措施限制其对电网和其它设备的影响。

随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中广泛应用，很多场合需要大量各种类型的变流装置将一种频率、幅值、相位的电能变换为另一种频率、幅值、相位的电能，使得用电设备处于理想工作状态，或者满足用电负载某些特殊要求，从而获得最大的技术经济效益[1]。

目前，随着功率半导体器件的研制与生产水平都在不断提高，各种新型电力电子变流装置不断出现在市场上，特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善，为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。

相关资料表明，电力电子装置的生产量在未来十年中将以每年大于10%的速度飞速增长，同时，由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上。

根据网侧功率因数定义可以知道，相控整流装置的网侧功率因数总是小于1，即使基波电流与网侧电压是同相的。

随着相控角的增大，网侧功率因数也减小，这些都将给电网带来不好的影响，主要有三点：

（1）增加了电网的无功损耗与线路压降，更严重是，还将造成局部网络电压的波动；

（2）引起了电网的谐波损耗；

（3）这些谐波电流在传输线上流动将会引起传导和射频干扰，造成对它敏感的电子仪器和设备、继电器以及通信线路等的谐波干扰，特别对当今计算机的普及应用是一种实在的威胁。

因此，采取相应的措施来抑制、以至消除这些电力危害是电力电子技术领域中一项重要的研究课题，具有重要的理论和实际意义[2]。

1.3PWM整流器的研究现状

对PWM整流器的研究开始于20世纪70年代末，而进入80年代后，PWM整流技术的应用与研究在电力电子技术的发展下得到了推动。

1982年，BusseAlfred提出了三相全桥PWM整流器及其网侧电流幅相控制策略，实现了PWM整流器网侧单位功率因数控制[5]。

1984年，AkagiHirofumi等人提出了无功补偿器控制策略，成为电压型PWM整流器的早期设计思想[6]。

20世纪80年代末，A.W.Green等人提出了PWM整流器连续以及离散动态数学模型和控制策略，使PWM整流器的研究达到了一个新的高度[7]。

在20世纪90年代，PWM整流器的研究主要集中在其建模与分析、电流控制方法、主电路拓扑结构、系统控制策略以及电流型PWM整流器的研究等方面。

进入21世纪，随着PWM整流器的广泛应用，各国学者对PWM整流器控制策略的研究也越来越深入。

最主要的研究领域几种在以下几个方面:

1.无电网电动势传感器和无网侧