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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。
1.3 PWM整流器的分类及特点
PWM整流器也称开关模式整流器(SMR：Switch Mode Rectifier)。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—Power Factor Correction)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
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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
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第2章 单向PWM整流结构及原理分析
2.1
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 LN IN U1mEmCgEVT3VT1VD1VD3 C2 CCgUd mmVT2VD2EEV T4VD4CCgg 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。，
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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：
uN(t)?iN(t)?2UNsin?t
（2-1）
2INsin?t（2-2）
在理想情况在输入功率Pn等于输出功率Pd即有：
PN(t)?iN?uN(t)?2UNINsin?t?UNIN(1?cos2?t)Idmax?2UNINUd
?Pd(t)?id(t)ud(t)（2-3）
从上式得出，电网的输入功率PN(t)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ud(t)?Ud，且满足Ud?出电流为：
id(t)?iN(t)?uN(t)ud(t)?UNIN(1?cos2?t)Ud?UNINUd?UNINUdcos2?t2UN，因此输
（2-4）
?Idmax?Idmaxcos2?t
其中由Idmax?UNINUd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。
2.2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:
??NU?US1?j?LNIN1 （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
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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2.1 单向电压型PWM整流电路运行方式相量图
假设整流时有：
UN?UNmsin?t （2-6）
调制波为：
ug(t)?Ugmsin(?t??) （2-7）
us在设Ucm为三角载波幅值；us(t)为单极性SPWM波，采用状态空间平均模型分析吗，
一个开关周期内的平均值表示为：
us?UdUcmUgmsin(?t??)?mUdsin(?t??) （2-8）
定义正弦脉宽调制比：
m?UgmUcm （2-9）
并取：
Us1m?mUd （2-10）
则根据相量图，相角表达式为：
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