单相三电平spwm整流器的研究与设计毕业论文(编辑修改稿)

单相三电平spwm整流器的研究与设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

飞 速发展，至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。 正是由于它的飞速发展，各类电力电子装置作为重要的电器设备广泛地应用于各个领域，如：交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等，而大多数的电力电子装置都是通过变流器与电网相连，传统的相控变流器因其具有电路结构简单、技术成熟、价格低廉等优点，在工业现场有着广泛应用。 但也存在一些，如：①网侧功率因数低；②输入电流谐波成分高的问题。 谐波电流在线路上形成的谐波电压会使电网电压畸变，影响电压质量，还会使电力系统加大功耗，效率降低，由于涡流和集肤效应，对电 机、变压器、电容器等电器设备也有损害；电网中使用了大量的电感电容，按照设计一般不可能发生谐振问题，但有可能谐波电流频率刚好为某个电感电容支路的谐振频率，这样会使谐波放大引起连锁反应，对电网造成巨大的危害。 但是在电力电子设备大量在人们日常生活中出现之前，谐波危害并没有明确的表现出来，所以我们对谐波的危害也没有进行过深入的探讨。 直到 20 世纪 70年代，电力电子装置在人们的生活中发挥着越来越重要的作用，由谐波引发的各种事故也越来越多，人们才注意到电力电子装置不仅带来了便利，同时也带来了危害。 为有效地控制电网谐 波干扰，在 1994年 3月国家技术监督局颁布了国标 GB/T 145491993《电能质量公用电网谐波》，对电力用户做出了明确的规定。 新的国家标准对传统的相控变流器提出了更高的要求。 而抑制电力谐波的方法主要有两种，一种是装设专用的谐波补偿装置，该方法相应地带来了成本增加的问题；另一种是采用新型的高功率因数变流器，这是为广大用户所普遍接受的。 而且随着工业现代化生产规模的不断扩大和人们生活水平的不断提高，电能供需矛盾日益突出，节约电量的呼声日益高涨。 因此，研究电机及其所拖动负载的节能具有特别重要的社会意义和经济 效益。 电机及其负载节电的途径主要有两大类：一是提高电机或负载的运行效率，如风机、水泵调速是以提高负载运行效率为目标的节能措施；二是将负载上的机械能反变换成电能回送电网，使电机和负载在单位时间内消耗的电网电能下降，从而达到节电的目的。 针对以上这些问题，本毕业设计研究的电压型 PWM整流器具有网侧交流电流低谐波、单位功率因数、直流侧电压恒定控制以及 能量双向流动 等优点，不仅可以在单位功率因数下运行，还可以进行电网无功调节，实现了电能的“绿色变换”，很好的解决了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低和能量 不能回馈等问 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 2 题，因此也使整流器在各种直流电源、变频调速系统、可再生能源并网发电等领域获得了广泛应用。 三电平变换技术的研究概况及意义 一般认为，现在通称的 多电平变换器的概念 是 在 1980 年的 IAS 年会上提出 来的 ， 并 以其独特的优点受到广泛的关注和研究。 在短短 20 多年的时间里，已经形成了三类基本拓扑及一系列改进拓扑。 与此相对应，多种多电平变换器的调制方法也被提出和研究。 在拓扑方面，改进的主要方向是减少器件数量，解决电容电压的不平衡等；在调制方面，改进的主要方向是输出波形性能的优化和 算法的简化及算法的通用性等。 但是，在多电平变换器概念提出的最初几年，它并没有受到更多的关注，其主要原因在于多电平变换器特殊的电路拓扑，无论对功率器件还是控制电路的要求都较高。 因此直到 20世纪 80年代末，随着 GTO、 IGBT、 IGCT等一系列大功率可控开关器件技术的进步，以及以 DSP为代表的高精度高速控制芯片的迅速普及，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制 (PWM)控制为基础的各类变流装置，关于多电平变换器的研究和应用才有了迅猛的发展。 相对于国内在这方面起步比较晚， 国外对单相 三电平整流器的研究较多，不仅在电路拓扑，还有基于不同 PWM控制算法以及软开关技术上的实验研究，如对基于开关逻辑控制算法的四象限 H桥型单相三电平整流器的研究等。 本文所采用的整流器拓扑结构就是将其移值到中点箝位式型三电平整流器中。 三电平电路比传统的两电平电路虽然主电路结构和控制均较为复杂，但也具有后者所没有的优越性，即： (1)开关管承受的关断电压降为直流侧电压一半，因此适用于高压、大容量功率应用场合； (2)在同样的开关频率及控制方式下，三电平整流器输出电压或电流的谐波均小于二电平整流器，它的总的谐波失真 THD也要小于二电平整流器。 (3)由于电平数的增加，改善了输出电压波形，即使在开关频率很低时也能保证一定的正弦度。 （ 4）在相同的直流母线电压条件下，较之两电平变换器，因为电平数的增加，du/dt 应力大为减小，在高压大电动机驱动中，有效防止电动机转子绕组绝缘击穿，同时改善了装置的 EMI 特性； 同时，由于 PWM整流器能够抑制谐波和提高功率因数，能够实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，而且能量可以双向传输，输出直流电压纹波较小，克服了二极管不控整流电路和晶闸管相控整流电路的很多缺点，从而真正实现了电力电子 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 3 装置的“绿色电能变换”，因此受到了学术界的广泛关注，并开展了大量的研究工作。 目前， PWM整流技术已成为解决电网谐波污染、无功功率损耗，节约能源领域中重要的发展方向之一，而三电平 PWM技术的应用领域也从最初的 DCAC变换，如大功率电动机驱动；拓展到 ACDC变换，如电力系统无功补偿和 ACDCAC变换，如超导储能；再到近期的 DCDC变换，如高压直流变换、多电平 PFC等。 其中，二极管箝位型三电平整流器，因为其优于二电平整流器的特性及优秀的变流性能及可靠性，成为目前最具潜力的研究方向。 随着 GTO、 IGBT、 IGCT等大功率开关器件的耐压水平进一步提高，这种结构能完全满足传动控制方面的要求。 因此，本文所述的二极管箝位型三电平整流器将会更加广泛地应用于高电压、大容量电力传动系统中。 三电平 PWM 整流器的研究方向 三电平 PWM整流器主要应用在于中高压大功率场合，其控制目标包括以下三个方面：第一，控制三相正弦输入电流的相位与电网电压的相位相同，以实现网侧单位功率因数；第二，控制直流输出电压达到设定值；第三，控制直流电容电压平衡。 因此，除了需要对两电平 PWM整流器研究中所涉及的输入电流和输出电压控制以 及电网电压不平衡时 PWM整流器控制等问题进行研究之外，还需要对三电平 PWM整流器的数学模型，中点电位平衡控制问题进行研究。 （ 1）三电平 PWM整流器的建模 通过建立三电平 PWM整流器的数学模型，能够深入揭示系统的非线性本质，为输入电流和输出电压控制器的设计和中点电位平衡控制方法的研究打下基础。 有关系统建模的研究工作，目前主要集中在建立各种坐标系下的开关模型，以及在直流侧电容电压 21 uu 假设条件下的模型简化方面 [3135]。 其中， 等人在文献 [38]中 详细推导了以每相开关函数 iS ),( cbai 作为控制输入的 abc 和  坐标系下的三电平 PWM整流器开关模型，该模型清晰的表明了中点电位波动对于整流器输入电流和输出电压动态性能的影响，但由于该模型中包含开关函数的非线性项 (平方项 )，因此很难由该开关模型开发出有效的平均模型用于整体控制系统的分析和设计。 为了实现三电平 PWM整流器的控制目标，针对各种调制方式的系 统平均模型的研究还并不深入。 （ 2）中点电位平衡控制方法的研究 三电平 NPC整流器的中点电位波动会引起直流侧输出电压和网侧输入电流谐波增加，系统性能下降以及可靠性变差等问题，当直流电容电压严重不平衡时还会损坏功率器件。 解决中点电位波动的手段主要有以下三种：（ 1）增加直流侧滤波电容的容量；（ 2）设置专门的中点电位控制电路 [36]；（ 3）开发有效的中点电位平衡控制方法[3740]。 尽管采用方法（ 1）和方法（ 2）可以减小和抑制中点电位的波动，但是从成 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 4 本和体积的角度考虑有时是不允许的。 因此，目前这方面的研究工作 主要集中在针对各种 PWM 调制方法，开发有效的中点电位平衡控制技术等方面。 本毕业设计主要研究内容 本设计在广泛查阅国内外有关 PWM 整流器研究资料和基于 MATLAB 仿真实验的基础上，对二极管箝位型三电平 PWM 整流电路进行了较为深入的研究。 主要内容如下： 以单相三电平电压型 PWM 整流器为研究对象，分析了三电平 PWM 整流器的工作和控制原理，进行了系统的 MATLAB 仿真。 首先，本设计绪论介绍了课题的产生背景、国内外研究概况意义以及目前一段时间内的研究方向；其次，论文详尽地阐述了 PWM 整流器 的工作原理、控制技术，并对二极管箝位型拓扑结构进行了基本数学建模和系统分析，为输入电流和输出电压控制器的设计和中点电位平衡控制方法的研究打下基础；然后，针对单相三电平整流器主电路设计，提出了一种解决中点电位平衡问题的方法，并给出了其相应的控制原理示意图；最后进行了基于MATLAB/SIMULINK 的仿真，仿真结果说明了系统的工作情况与理论分析相符合，验证了电压电流双闭环 SPWM 控制的正确性和实用性。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 第 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 5 第二章 单相三电平整流器的工作原理及系统分析 PWM 整流器的工作原理 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，且被广泛应用，但仍存在以下问题： （ 1） 晶闸管换相引起网侧电压波形畸变； （ 2） 网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”； （ 3） 深控时网侧功率因数降低； （ 4） 闭环控制时动态响应相对较慢。 虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流而“污染”电网；另外二极管整流器的不足之处还在于 其直流电压的不可控性。 针对上述不足， PWM 整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。 其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 斩控整流取代了相控整流或不控整流。 因此， PWM 整流器可以取得以下优良性能： （ 1） 网侧电流为正弦波； （ 2） 网侧功率因数控制（如单位功率因数控制）； （ 3） 电能双向传输； （ 4） 较快的动态控制响应； 显然， PWM 整流器已不是一般传统意义上的 AC/DC 变换器。 由于电能的双向流动，当 PWM 整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当。