毕业设计-三相电压型PWM整流器的研究(2)

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1.2 PWM整流器的产生与发展现状

1.2.1 PWM整流器的产生

1957年，美国通用电气公司研制出第一个商用晶闸管，标志着电力电子技术的诞

生。它由于能够根据不同的用电场合，完成交—直、交—交、直—交、直—直的电能形式的变换，满足生产与生活的需求，在此后的几十年间得到大规模的应用。

八十年代初，随着对电力电子装置产生的谐波对电网产生的影响的认识不断加深，一些学者开始研究如何提高功率因数.Bellini和Figalli首先用GTO实现了真正意义上的单相PWM整流器，其功率因数接近1。到了80年代后期，由于GTR的普遍应用以及IGBT的大量使用促使PWM整流器向高频化发展，高频化可以大大提高了交流输入电流波形的正弦度，减少了直流输出电压纹波，提高了功率因数，增强了系统的稳定性。

PWM整流器按直流储能形式可分为电压型和电流型；按电网相数可分类为单相电路、三相电路和多相电路；按PWM开关调制可分为硬开关调制和软开关调制；按桥路结构可分类为半桥电路和全桥电路；按调制电平可分为两电平电路、三电平电路和多电平电路。

尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将PWM整流器分类成电压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型PWM整流器，无论是在主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面均各有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或电压型PWM整流器之列。

1.2.1电流型PWM整流器

CSR(电流型PWM整流器)的显著特征是直流侧采用电感进行直流储能，从而使CSR

直流侧呈现高阻抗的电流源特性。常采用的CSR结构有单相和三相。除直流储能电感外，与VSR相比，其交流侧增加了滤波电容，作用是与网侧电感一起组成LC三阶低通滤波器，以虑除CSR网侧谐波电流，并抑制CSR交流侧谐波电压。CSR功率开关管支路上顺向串联二极管，其主要目的是阻断反向电流(一般大功率开关管大都集成有反并联二极管)，并提高功率开关管的反向耐压能力。

三相电流型PWM整流器的结构图如下：

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图1-1 三相CSR拓扑结构

1.2.3电压型PWM整流器

电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifier.VSR)最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。由于其电路结构简单，便于控制，响应速度快，成为目前研究及实际应用较多的整流类型。

电压型PWM整流器有以下几种拓扑结构：单相半桥、全桥VSR拓扑，三相半桥、全桥VSR拓扑结构、三电平VSR拓扑结构和基于软开关调制的VSR拓扑结构。其中三相电压型PWM整流器就是本文研究的对象。

图1-2给出了三相半桥拓扑结构。通常所谓的三相桥式电路即指三相半桥电路。关于三相PWM整流器的工作原理将在下一节中专门论述。三相电压型PWM整流器也是本文进行电路建模、参数计算和控制器设计的基础。

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图1-2三相半桥VSR拓扑结构

1.2.4 PWM整流器的发展现状

PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期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Busse Alfred,Holtz Joachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑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整流器拓扑的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型PWM整流器早期设计思想。到20世纪80年代末，随着A. W. Green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一个新的高度。

自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点。随着研究的深人，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，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。

这一时期PWM整流器的研究主要集中于以下几个方面: 1) PWM整流器的建模与分析;

2)电压型PWM整流器的电流控制; 3)主电路拓扑结构研究; 4)系统控制策略研究;

5)电流源型PWM整流器研究;

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当前主要的研究领域有如下五个方面: 1.关于PWM整流器的建模研究

2.关于电压型PWM整流器的电流控制策略研究 3.关于PWM整流器拓扑结构的研究 4. PWM整流器系统控制策略的研究

随着PWM整流器及其控制策略研究的深入，研究人员相继提出了一些较为新颖的系统控制策略，分述如下:

（1）无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制 （2）基于Lyapunov稳定性理论的PWM整流器控制

（3）PWM整流器的时间最优控制 （4）电网不平衡条件下的PWM整流器控制

1.3本课题研究的主要内容

由于三相电压型PWM整流器具有电路结构简单，控制性能优良， 可运行于四象限，工作在单位功率因数的状态下，谐波含量少，符合环保节能的要求，所以本文选择三相电压型PWM整流器为课题，主要研究以下几个方面内容：

(1)对所研究的三相电压型 PWM 整流器拓扑结构及工作原理进行深入分析，对整流和逆变状态下的电流换流过程进行分析，并根据系统要求对主电路的参数进行设计选取。

(2)根据系统的主电路结构，对三相电压型 PWM 整流器在三相静止坐标系与d-q同步旋转坐标系下进行数学模型推导，并对系统的双闭环控制系统进行设计，对电压空间矢量调制进行了分析。

(3)利用MATLAB\\simulink设计了电网平衡下 PWM整流器的仿真模型，最后搭建了实验平台，对电网平衡状态下的稳态整流进行了实验，对仿真和实验结果进行分析研究。

(4)最后对本文进行全文总结，对下一步工作研究展望做简要叙述。

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2 三相VSR原理分析与建模

2.1 三相VSR的拓扑结构

电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifier.VSR)最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。

图1-2给出了三相半桥拓扑结构。通常所谓的三相桥式电路即指三相半桥电路。 三相电压型PWM整流器也是本文进行电路建模、参数计算和控制器设计的基础。 三相电压型PWM整流器的拓扑结构如图2-1，图中ea、eb、ec为三相对称电源相电压；ia、ib、ic为三相线电流；V1~V6、VD1~VD6分别是绝缘栅双极型晶体管和续流二极管；Vdc为直流电压；R、L为滤波电抗器的电阻和电感；C为直流侧电容；RL为负载；

iL为负载电流。

图2-1三相半桥VSR拓扑结构

2.2 PWM基本原理分析

从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流器的发展经历了由不控整流器(二极管整流)、相控整流器(晶闸管整流)到PWM整流器(可关断功率开关)的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广

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