PWM整流器毕业论文.docx

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摘要

传统的整流装置是电网污染的主要来源，三相电压型PWM整流器具有输出电压恒定、能实现单位功率因数运行、电能双向流动等特点，因而成为目前电力电子领域中的热点课题之一。

随着大规模集成电路技术及计算机技术的发展，采用微处理器作为硬件控制核心的微机控制器将成为今后整流器的发展方向。

随着控制方法的不断改进与发展，对微机整流控制器的运算速度提出了非常高的要求。

本文根据设计要求，以DSP（数字信号处理器）作为控制核心，研究并设计了基于DSP的PWM整流器。

本文首先介绍了PWM整流器的发展状况，说明了DSP与其他单片机或通用微处理器相比在性能上的优势。

从整流主电路、控制电路、测量电路、SVPWM调制方法等几个方面论述了基于DSP的PWM整流器的硬件设计以及主要实时软件的流程图和实现方法。

文中还介绍了PIM（功率智能模块）的使用，并基于此设计了系统的主电路，并用

TMS320F2812的汇编语言与C语言结合进行了软件编程。

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；空间电压矢量脉宽调制；数字信号处理器；智能功率模块

II

Title:

TheDesignofThree-phasePWMrectifierBasedonDSPAbstract

TheconventionalrectifierProduceharmonicProbleminpowersystem.Whilethree-phasePWMVSR（voltagesourcerectifier）canprovideconstantdcbusvoltageandgetunityPowerfactor.ItalsohaslinePowerfeedbackcapabilitySoitisbecominginterestedinpowerelectronicsfield.

Withthedevelopmentoflarge-scaleintegratecircuittechnologyandcomputertechnology，microcomputer-basedrectifiercontrollerwillbecomethemainstreamofrectifiercontrollersinthefuture.Constantimprovementinrectifiercontrolmicrocomputer-basedrectifiercontroller.Accordingtothisrequirement,thepaperstudiesanddesignstheDSP-basedrectifiercontrollerbyusingDSP（DigitalSignalProcessor）asthecontrolcenter.

ThispaperintroducesthecontrolfunctionandthedevelopingtendencyofPWMrectifier.And,itillustratesDSP'sperformanceadvantagecomparedwiththeothersinglechipsorgeneral-purposeprocessors.ItdealswiththedesignoftheDSP-basedrectifier'shardwareandtheflowchartandrealizationmethodofitssoftwarefromtheaspectsofcontrolcircuit,measuringcircuit.

maincircuitandthemethodofrealizingSVPWM.ThepaperalsointroducesuseofIPM（IntelligentPowerModule）,anddesignsmaincircuitbasedonit.Becauseoftheadoptionoftheseadvancedtechnologies,thePWMrectifierstructureissimpler,itsperformanceasretiadteanditsoperationconvenient.

Keywords：

PWMrectifier；SVPWM；DSP；IPM

目录

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1课题的研究目的和意义 1

1.2传统整流装置的缺点 1

1.3三相PWM整流器的国内外发展状况 2

1.3.1国内外发展现状 2

1.3.2PWM整流器的研究状况 5

1.3.3PWM整流器控制技术研究方向 7

1.4本文的主要研究内容 8

第二章PWM整流器的工作原理、拓扑结构及数学模型 9

2.1PWM整流器的工作原理 9

2.2PWM整流器电路拓扑 11

2.2.1电压型PWM整流器拓扑结构 11

2.3三相PWM整流器数学模型 14

2.3.1三相PWM整流器动态数学模型 14

2.3.2基于状态空间平均法数学模型 17

第三章整流器主电路参数的选择 20

3.1直流侧电压的选定 20

3.2交流侧电感的设计 20

3.3直流侧电容的设计 21

3.4电路参数设定 22

第四章PWM整流器的硬件设计 23

4.1控制系统的设计 23

4.1.1处理器的选择 23

4.1.2实时时钟 24

4.1.3电源转换电路 25

4.1.4开关量输入电路设计 26

4.2测量回路的设计 27

4.2.1直流电压采样电路 27

4.2.2交流电流采样电路 28

4.2.3电网电压同步信号采样电路 30

4.2.4相位及频率测量 31

4.3主回路的设计 31

4.3.1主回路智能功率模块的选择 32

4.3.2输入电路 33

4.3.3DIP-IPM缓冲电路设计 34

第五章基于DSP的空间电压矢量脉宽调制的实现 35

5.1坐标变换 35

5.2基于TMS320F2812的SVPWM的实现方法 38

5.2.1占空比的确定 39

5.2.2扇区的确定 40

IV

第六章软件设计 42

6.1软件的可靠性设计 42

6.1.1结构化软件设计的重要性 42

6.1.2结构化编程原则 42

6.1.3软件测试 43

6.2高精度的定点运算 43

6.2.1定点数的定标 43

6.2.2定点数的运算 45

6.3系统DSP软件设计 45

6.3.1PID控制子程序 45

6.3.2同步中断子程序 46

6.3.3保护程序设计 46

结论 49

致谢 50

参考文献 51

第一章绪论

近20年来随着电力电子装置的广泛使用，由此引起的谐波污染问题日益严重，逐渐受到了人们的重视。

目前，大部分的电力电子装置所使用的直流电源是通过不可控流或相控整流得到的，这些传统的设备在运行中对电网注入了大量的谐波和无功，因此造成了严重的电网污染。

1.1课题的研究目的和意义

各种电力电子装置的使用对公用电网所造成的谐波污染问题受到了人们的关注。

据日本电气协会1992年发表的一项关于谐波源的调查报告表明，到2001年，AC/DC开关电源的需求平均年增长率为12.7%，通讯设备配套用AC/DC开关电源增长率超过

15%，全球开关电源市场规模从92年的82亿增加到99年的166亿美元，平均年增长

率为10%，到09年全球开关电源规模超过488亿美元。

因此，消除谐波污染并提高功率因数，己经成为电力电子技术中的一个重大课题。

同时，为了保证电网和用电设备的安全经济运行，目前许多工业国家和组织都制定了相应的谐波标准，如国际电工委员会（IEO制定的IEEE555-2标准对用电装置的功率因数和波形失真度作了具体的限制，欧洲也制定了相应的IEC-1000-3-2标准，我国国家技术监督局也于1993年颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（GB/14549-93），并于1994年3月1日起正式执行。

而我国对高功率因数PWM整流器的研究起步较晚，对PWM整流技术的工程应用研究还有待继续深入。

鉴于国际标准的要求、国内研究现状及AC/DC电源行业的巨大市场需求，本课题显得尤为贴近实际。

1.2传统整流装置的缺点

传统整流装置主要是指由二极管组成的非线性电路或由晶闸管组成的相控电路，它们主要存在以下缺点：

（1）网侧功率因数低，对电网造成了无功增加，危害电网质量。

同时，无功的副作用还表现为降低了发电、输电设备的利用率，增加了线路损耗。

（2）输入电流谐波含量高，谐波除了降低了发电、输电设备的利用率外，还会影响设备的正常工作，产生不希望的机械震动和噪音；谐波还容易引起某些继电器、接触器的误动作，造成事故；同时，谐波也对周围环境产生电磁干扰，影响通讯设备的正常工作等。

44

（3）交流侧电网电压波形畸变，污染电网。

获得高功率因数，消除谐波的方法主要有两种:

一种是被动法，即在谐波和无功产生的情况下采用补偿装置，补偿其谐波和无功功率；二是主动法，即对传统整流装置本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且不消耗无功功率或根据需要对其功率因数进行控制:

两者比较，采用改进传统整流装置的方法改善功率因数和实现谐波抑制更为有效，也就是开发输入电流为正弦、谐波含量低且功率因数接近于1的高性能二相整流器。

三相PWM高功率整流器与传统的整流装置相比，具有交流侧输入、输出电流谐波小，功率因数可调，直流侧电压波动小，能量能双向流动等优点，因而其控制的策略研究成为目前电力电子领域中的一个热点。

1.3三相PWM整流器的国内外发展状况

1.3.1国内外发展现状

变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等装置很大一部分都需要整流环节，以获得直流电压。

由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。

作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作[12]。

其主要思路就是将PWM技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，可运行于单位功率因数，这就是PWM整流器。

PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期由于全控器件的日益成熟和应用，推动了PWM技术的应用与研究。

1982年BusseAlfred,oltzJoachim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，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。

1984年Akagi

Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略[4]这实际上就是电压型PWM整流器早期的设计思想。

到20世纪80年代末，随着