第1章 绪论
1.1 本文设计任务
本课题设计一个输出额定功率可达到15kW的三相电压型PWM整流电路。设计出整流装置的拓扑电路，整流电路输入为三相市电（星形连接），电源内阻为0.2欧姆，整流装置所带的负载为电阻、电感负载，电阻为60欧姆、电感为2mH。要求输入功率因数达到0.9以上，效率达到90%以上，整流电压值为800V，要求电压超调量小于10%，电流超调小于5%，交流侧电流脉动率小于额定值的10%，直流侧电压脉动率在±10%以内，调制方式采用双极性SPWM调制，载波频率（开关频率）10KHZ，三相PWM整流电路采用电压、电流双闭环控制，试设计出整流装置的主电路、驱动电路以及控制系统。最后利用Pcspice软件进行仿真，得到仿真结果，验证指标。
1.2 本文设计方案
本文采用的PWM整流装置主要由三相半桥，负载，驱动电路，控制电路组成。其装置原理总框图如图1.1所示。
三相半桥式整流电路由6组IGBT和续流二极管反并联组成。控制电路采用电压、电流双闭环控制。具体按典型I系统设计电流内环，按典型II系统设计电压外环。调制波采用的是双极性SPWM波，通过单片机89C52控制芯片SA8281来产生SPWM波。驱动电路采用IR公司生产的大功率IGBT专用的桥式电路驱动集成芯片IR2110。通过该芯片及外围电路来驱动IGBT管。驱动电源采用单相桥式整流电路。
图1.1 PWM整流装置原理总框图
2
第2章 三相电压型PWM整流器原理及控制方法
2.1 PWM整流器概述
PWM控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段，结合了PWM控制技术的新型整流器称为PWM整流器。相对于不控整流器和相控整流器，由于PWM整流器对电网不产生谐波“污染”，因此PWM整流器是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。PWM整流器的关键性改进在于它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斩波整流取代了相控整流或不控整流。由于PWM整流器网侧电流正弦化且运行于单位功率因数状态，能量可双向传输，从而真正实现了“绿色电能变换”。因而近年来受到广泛的关注和研究，经过多年的发展，PWM整流器主电路已从早期的半控桥发展到如今的全控桥；在主电路类型上既有电压型整流器（Voltage Source Rectifier-VSR），又有电流型整流器（Current Source Rectifier-CSR）；其拓扑结构也从单相、三相电路发展到多组级联或多电平拓扑电路；PWM控制也由单纯的硬开关调制发展到软开关调制。
对于PWM整流器的研究起于20世纪80年代，国内外对PWM整流器的研究主要集中在数学建模、控制策略、拓扑结构等方面。（1）数学模型的建立与分析：A.W.Green等学者首先提出基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型，之后R.Wu，S.B.Dewan等建立了高频、低频的时域模型，并给出了相应的时域解。而C.T.Rim，D.Y.Hu等则基于开关电路的变压器等效电路，建立了低频等效电路模型，与上述基于微分方程得到的低频模型实质是相同的。在此基础上，Hengchun.Mao等人又建立了一种降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器的数学模型。（2）电压型整流器的电流控制策略：最初提出PWM整流器技术是以电流型拓扑提出的，但由于电流型结构所需要的较大的储能大电感，以及控制的复杂性，使得电流型整流器的发展相对比较缓慢，近年来随着超导技术的进展，电流型整流器在超导储能领域得到了较为成功的应用。（3）主电路拓扑结构的研究：根据PWM整流器直流侧电能输出环节的不同，可以将PWM整流器分为电压型和电流型，在研究和实际应用中都是以电压型PWM整流器为主。在小功率场合，PWM整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出的性能上。对于大功率场合，研究主要集中在多电平拓扑结构、变流器组合以及软开关技术上。
20世纪90年代发展起来的智能型功率模块则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展,PWM整流器的研究一直是学术界关注的热点。随着研究的深入，基于PWM整流器拓扑结构及控制的策略，相关的应用研究也发展起来。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.电流型PWM整流器研究。
随着电力电子技术的发展，为了适应在不同场合对PWM整流器的要求，PWM整流器已经发展成很多种类。按不同的方式可以如下分类:
按直流储能形式可以分为电压型和电流型。电压型的特点是直流侧并联电容，使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。电流型的特点是直流侧串联电感，使CSR直流侧呈高阻抗的电流源特性。所以采用何种形式由设计要求来决定的。按电网相数可以分为单相电路、三相电路和多相电路。按PWM开关调制可以分为硬开关调制和软开关调制。按桥路结构可以分为半桥电路和全桥电路。按调制电平可以分为二电平电路、三电平电路和多电平电路。
2.2 三相电压型PWM整流器（VSR）分析
3
以三相电压型半桥式整流电路进行分析，如图2.1所示。三相桥臂具有两种开关模式，即上侧桥臂导通或者下侧桥臂导通。因此三相VSR共有8种开关模式，可以用单极性二值逻辑开关函数sj（j=1,2,3）来描述，即
1 sj?{0Vj,VDj导通V'j,VD'j导通(j?1,2,3) (2-1)
图2.1三相电压型PWM整流器的拓扑结构
对三相电压型PWM整流器的换流方式进行分析。
本设计采用的是三相平衡电源，即三相电源电压为正弦波，且三相对称。所以定义三相电网电压为：
??ea?Umsin?t?2??) （2-2） ?eb?Umsin(?t?3??e?Usin(?t?2?)cm?3?设计要求是在单位功率因数条件下的整流，所以电流ia，ib，ic和三相电压Ua，Ub，Uc同相。所以可以得到电流为：
??ia?Imsin(?t)?2??) （2-3） ?ib?Imsin(?t?3??i?Isin(?t?2?)cm?3?根据三相电网电压公式，可以画出三相电压波形，如图2.2所示。
图2.2 三相电压波形
将每个周期分成6个区间，如图中所示。每相电压都为正弦波，所以可以推导出每隔60
4
度就有一相的电流改变极性，从而影响主电路的换流方式。
以区间5为例，分析电路的换流方式。此时ia?0，ib?0，ic?0。 1)三相下桥臂导通，此时交流侧电感充电，直流侧电容对负载放电； 2)a,b两相下桥臂和c相上桥臂导通，此时电感对电容充电； 3)a,c相上桥臂和b相下桥臂导通，此时电感仍对电容充电； 4)三相上桥臂导通，此时电感充电，电容对负载放电。
当进行波形分析时，假设三相电压型PWM整流电路功率因数为1 ，网侧电流ij(t)与电动势ej(t)同相。具体分析如下：
1、交流侧电压（以a相为例）
由图2.2 三相电压型PWM整流器的拓扑结构可以得到：
a相电压方程： Va0(t)?VaN(t)?VN0(t) b相电压方程： Vb0(t)?VbN(t)?VN0(t) c相电压方程： Vc0(t)?VcN(t)?VN0(t) 由上面三个方程可以得到：
VVaN(t)?VbN(t)?VcN(t)N0(t)??3 当采用单极性二值逻辑开关函数描述时，得：
VjN(t)?SjVdc(j?a,b,c 三相电压型PWM整流电路a相交流侧电压Va0(t)的开关函数表达式为：
V2Sa?Sb?Sca0(t)?3Vdc 2、网侧a相电感端电压VLa(t)
VLa(t)?ea(t)?Va0(t) 3、网侧a相电流ia(t)
忽略电压型PWM电路网侧a相等效电阻（b，c两相也进行类似处理），得：
ia(t)?1L?VLa(t)dt?1L?[ea(t)?Va0(t)]dt 4、直流侧电流idc(t)
忽略三相电压型PWM整流电路损耗，其交、流侧的功率平衡关系为：
?ij(t)VjN(t)?idc(t)Vdc j?a,b,c得到直流侧与三相交流侧电流的关系式：
idc(t)?ia(t)Sa?ib(t)Sb?ic(t)Sc 5、直流侧电压Vdc(t)
由于idc(t)波形为PWM波形，三相电压型PWM整流电路直流侧电压必然会波动。得：5
（2-4）
（2-5） （2-6） （2-7）
（2-8）
（2-9）
2-10） （2-11） 2-12）
2-13）
（（
（
Vdc(t)?RLIdc(t) （2-14）
1?RL?C?S由上式可知，RL?C 越大，Vdc(t)脉动幅值越小。
2.3 三相电压型PWM整流器的电流控制技术
目前，根据有没有引入电流反馈可以将三相VSR控制方法分为两种，引入交流电流反馈的称为直接电流控制，没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制。下面分别简绍这两种控制方法的基本原理。
2.3.1 三相VSR间接电流控制
三相VSR间接电流控制是通过直接控制VSR交流侧电压来达到控制VSR交流侧电流的，而不需要设置交流电流传感器来构成电流闭环控制，所以是一种简单的VSR控制方案。
三相VSR间接电流控制是通过控制三相VSR交流侧电压基波的幅值和相位，进而间接控制其网侧电流。这种方式的优点在于控制简单。但是动态响应比较慢，对系统参数变化灵敏。
图2.3为考虑a相PWM控制算法的三相VSR静态间接电流控制系统结构。
图2.3 三相VSR静态间接电流控制系统结构
三相VSR静态间接电流控制只有电压环，没有电流环。如上图所示，将直流侧电压进行采样后，与给定电压值进行比较。通过电压PI调节器，输出三相VSR交流侧电流峰值指令信号Im。变压器为同步变压器，主要是为了保证采样电压和交流侧电压是同相位的。由于不可能存在理想变压器，所以要有滤波环节。交流侧电流峰值指令信号Im与待定比例系数K1,K2，K3进行相关计算后，再与同步交流侧电压进行控制运算，最后输出三相正弦调制波信号。由于只采用了电压环，所以存在电流响应慢等缺点。
2.3.2 三相VSR直接电流控制
三相VSR直接电流控制是针对三相VSR间接电流控制的缺点（动态响应比较慢，对系统参数变化灵敏）而提出来的。由于三相VSR直接电流控制采用网侧电流闭环控制，使VSR网侧电流动、静态性能更好，同时也使网侧电流控制对系统参数变化不灵敏，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。
最简单、应用最为广泛的控制策略是滞环PWM电流控制，它具有较好的系统稳定性和快速性。图2.4为三相VSR滞环电流控制系统结构。
6
**