两电平PWM整流.docx

西南交通大学课程设计

课程名称： 交流传动课程设计

设计题目：两电平PWM整流电路及其控制系统仿真
院 系： 电气工程系
专 业： 电力机车
年 级： 2009
姓 名： 高健
指导教师： 丁菊霞

西南交通大学峨眉校区

2012年 11 月 5日

课 程 设 计 任 务 书

专 业 电力机车 姓 名 高健 学 号 20097923
开题日期： 2012 年 9月 1 日 完成日期： 2012 年 10 月 25日
题 目 两电平PWM整流电路及其控制系统仿真
一、 设计的目的
PWM整流电路是电力机车主电路的重要组成部分，它可以改善机车的功率因数和减少谐波电流对电网的干扰。两电平PWM整流电路通过PWM产生脉冲信号控制IGBT导通，实现构成矢量直角三角形以提高功率因数。通过该设计，使我们掌握两电平整流的基本原理以及各部分的工作模式，通过仿真控制，比较理论实际分析PWM的整流特性。
二、设计的内容及要求
设计指标：
1、 了解两电平PWM整流器的国内发展前景以及它对于机车功率等各方面带来的影响
2、 仿真分析直流侧电压波形
3、 整流输入电压波形以及网侧电压波形，同时通过参数设置与调试达到理想效果
4、 用FFT工具分析网侧电流谐波含量
三、指导教师评语

四、成 绩

指导教师 (签章)
年 月 日
摘 要

众所周知，在传统的整流电路中，晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触角的增加而变坏，这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素，也增加了电网中无功功率的消耗无论是不控整流电路，还是相控整流电路，功率因数低都是难以克服的缺点。PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路。可以最大克服功率因数低，谐波多等问题。本文详细分析单相电压型PWM整流电路的工作原理和工作模式，说明通过对PWM电路进行控制，选择合适的工作模式和工作时序，可使PWM整流电路的输出直流电压得到有效的稳定。同时也调节了交流侧电流的大小和相位，实现能量在交流侧和直流侧的双向流动，并使变流装置获得良好的功率因数。
同时通过对输出电压的波形进行实验仿真分析，通过FFT工具对输出电压波形的谐波含量进行分析，以达到最优输出波形。
最后建立其Matlab的仿真模型，验证了设计的正确性。

关键词： 单相电压型PWM； 整流； 功率因数； Matlab仿真； 直流侧

目 录
摘 要 3
第1章 引 言 4
1.1 概述 4
1.2 研究意义及背景 5
1.3 PWM整流器的分类及特点 6
1.4 开展工作 7
第2章 单向PWM整流结构及原理分析 8
2.1 单相电压型桥式PWM整流电路的结构 8
2.2单相电压型桥式整流电路的工作原理 9
2.3 单向电压型PWM整流电路工作过程分析 11
第3章 matlab仿真实验分析 14
3.1 设计方案 14
3.2 各部分仿真图形 15
3.3 相关参数计算 17
3.3.1 交流侧滤波电感的选择 17
3.3.2 直流侧二次滤波器的选择 19
3.3 .3 直流侧支撑电容的选择 19
3.4 输出波形 19
总 结 24
致 谢 25
参考文献 26

第1章 引 言
1.1 概述
PWM调制是现代发展起来的一项技术，早工程上主要有滞环比较法和三角波比较法，较之后者，滞环比较控制的硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量
PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路，能有效地解决传统整流电路存在的问题。通过对PWM整流电路进行有效的控制，选择合
适的工作模式和工作时序，从而调节了交流侧电流的大小和相位，使之接近正弦波并与电网电压同相或反相，不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题，同时也使得变流装置获得良好的功率因数。
1.2 研究意义及背景
在所有的静止电力变换电路中，整流电路是最早出现的，常用的整流电路拓扑结构早在二、三十年代使用汞弧整流器时就已成熟[1]-[4]。除直接使用直流电源的设备外，大部分DC/AC和DC/DC装置的输入直流电压是经不控或相控整流得到的，故整流电路的应用也最广。据1992年日本电气学会的调查报告[5]，在所有的电力电子设备中，整流装置要占到近70%之多。由于整流器的用量如此之大，所以它的输入特性对电网有很大影响。
概括来讲，传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器的主要缺陷是：
(1)对公用电网产生大量的谐波；
(2)整流器工作于深度相控状态时，装置的功率因数极低；
(3)输出侧需要较大的平波电抗和滤波电容以滤除纹波。这导致装置的体积、重量增大，损耗也随之上升；
(4)相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统动态响应慢。以上缺点中的三、四条还仅是影响装置本身的性能，而头两条，尤其是产生大量的谐波，对公用电网产生了严重的污染，已成为公认的电网公害。
电网无功的副作用主要表现为降低了发电、输电设备的利用率，增加了线路损耗。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

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
Ud
IN
LN

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。，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：
（2-1）
（2-2）
在理想情况在输入功率Pn等于输出功率Pd即有：

（2-3）
从上式得出，电网的输入功率是以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，且满足，因此输出电流为：

（2-4）
其中由得，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:
（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：
（2-6）
调制波为：
（2-7）
设为三角载波幅值；为单极性SPWM波，采用状态空间平均模型分析吗，在一个开关周期内的平均值表示为：
（2-8）
定义正弦脉宽调制比：
（2-9）
并取：
（2-10）
则根据相量图，相角表达式为：
tan-1
时能否使得交流侧获得高功率因数，此时有：
（2-11）
从相量图及式(8)可以看出为保持单位功率因数，通过脉宽调制的适当控制，在不同的负载电流下，使向量端点轨迹沿直线AB运动。同理也能得到逆变工况下的运行条件，这里不再赘述。
2.3 单向电压型PWM整流电路工作过程分析
(1)工作模式1：T1(D1)、T3(D3)或T2(D2)、T4(D4)导通时，即下桥臂开关或上桥开关全部导通，此时=0，负载消耗的能量由电容C提供，直流电压通过负载RL形成回路释放能量，电压下降。同时，电源两端直接加电感上，当>0时，即处于正半周，电感中电流上升，T3和D1导通或者T2和D4导通，只要T2、T3中的一个导通即可下如图；
当<0时，即处于负半周，电感中电流下降，T1和D3导通或者T4和D2导通，只要T1、T4中的一个导通即可如图，这两种状态使电感储存能量，并满足关系式(2-12)：
= （2-12）
(2)工作模式2：T1(D1)、T4(D4)导通时，此时储存在电感中的能量逐渐流向负载R和电容C上，电流下降，通过D1和D4形成回路，且T2、T3同时关断。直流侧电流一方面给电容C充电，使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路；另一方面给负载R提供恒定的电流，并满足关系式(2-13)：

（2-13）
(3)工作模式3：T2(D2)、T3(D3)导通时，此时储存在电容C中的能量逐渐流向负载L和电感上，电流上升，通过D2和D3形成回路，且T1、T4同时关断。并满足关系式(2-14)：

（2-14）
在任意瞬间，电路只能工作于上述开关模式中的一种。在不同时区，可以工作于不同模式，以保证输出电流的双向流动，即实现能量双向流动。从单相工作原理可以看到当电容充电时，主要依靠IGBT并联的二极管工作，输入电感释放能量，输入电流变化取决于输入电压正负；当电容放电时，主要依靠IGBT本身和二极管工作，输入电感储存能量，输入电流的变化同样取决于输入电压正负。这是Boost型电路拓扑和IGBT所决定的工作方式。
采取正弦PWM方式对全控开关器件T1~T4进行控制，则在全控桥的交流输入侧可以产生一个正弦调制PWM波忽略高次谐波的影响，则中只含有和被调正弦信号波同频率且与幅值成比例的基波分量，即由于电感的滤波作用，使得高次谐波对网侧电流的影响很小。在这种理想情况下，为与网侧电源电压同频率的正弦波。若网侧电源电压不变，由电路结构可知，的幅值和相位仅由中的基波分量的幅值及其与电压的相位差决定，控制中基波电压的幅值和相位即可控制整流器功率的流向和功率因数角，如图2.1所示。因此，电压型PWM整流器既可以运行在整流状态，也可以运行在逆变状态。

图2.2 单相电压型PWM整流电路控制时序与整流运行模式图

第3章 matlab仿真实验分析

3.1 设计方案
在此次设计中是单相两电平PWM整流的仿真研究，主要是通过一个具体的PWM整流方案或者自己搭建一个PWM整流的方案来研究PWM整流的工作特性、各部分的基作用及整流后输出的直流电压谐波含量分析。
对PWM整流进行仿真研究需要从几个模块分别进行研究，例如有PWM脉冲发生、整流模块、负载模块及测量模块几个部分。其主回路主要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；产生PWM脉冲信号的信号发生电路。之后利用Matlab/Simulink搭建模型对其输出的波形进行仿真研究，并进行谐波分析，并分析输出谐波对交流电机负载运行的影响。
对PWM整流的基本原理和基本组成部分进行研究。然后选定合适的电压源，再进行降压，然后通过对整流器的分析研究选定合适的整流方案并进行研究分析，其中这些部分的研究要根据负载模块的相关要求来确定，例如：负载的电压、频率等的要求。
接下来要对交直交变频调速系统的基本特性进行研究，并与其他的调速方法作比较说明其优越性，确定其基本的参数。并在前面的理论基础上熟悉和学会在Matlab/Simulink中搭建模型的方法。为后面成功搭建交直交变频调速系统的模型和仿真作准备。
在前面的基础上搭建PWM整流的仿真模型，并对其中的参数进行设置进行仿真，对整流后的波形及其谐波含量进行分析。
3.2 各部分仿真图形

PWM控制原理基本结构图
在实验的运行阶段， 需要对实验进行仿真， 本软件采用自动化领域广泛使用的应用软件 Matlab中的一个软件包 Simulink 作为仿真工具对各种电力电子电路进行仿真。Simulink 是一个结合了框图界面和交互仿真能力的系统级设计和仿真工具， 它拥有非常丰富的模块库，使系统建模像搭建实际电路一样方便。自 MATLAB6.5 版本以后， Simulink 的模块库中又增加了一个电力系统模块集 Power System Blockset， 可用于电力电子系统、 电机系统、 电力传动等领域的仿真和分析，功能十分强大。本软件主要用到的是Simulink 基本模块库和 Power System Blockset 模块集中的模块。
对一个电路的仿真需要分两步完成： 建模和设置参数，运行仿真。下面以二电平全控整流电路实验为例来介绍仿真的具体实现。
(1) 建模和设置参数：
根据二电平全控整流电路的原理图和实验过程中要求观测的波形， 在模型窗口中引入模块并设置参数如下：
1) 从 Electrical Sources 模块库中复制 （用鼠标拖拉）一个交流电压源模块到模型窗口中。电压设置值为220V，频率 Frequency值都设置为 50， 相位设置为 0，其它值采用默认值。
具体参数设置如下：下图3.1

图3.1
其中各个功能块用子系统封装好。主要有控制功能块：包括SPWM产生，PI调节，低通滤波，三角载波信号功能子模块，正弦同步信号输出模块等。对全桥整流部分直接使用了Matlab 2007里提供的全桥组件Universal Bridge
我负责子系统Subsystem 1整体框架的搭建（没有细调PI参数，只是为了测试系统结构是否正确）和子系统Subsystem 2 SPWM信号的产生。
SPWM的信号我采用单极性方式产生，基本原理如下述3.3.1所述。载波三角波的幅值选取为50V。

3）Subsystem 的电路图如图3.2所示：

图3.2 PWM控制信号产生
5）整体电路仿真图：

图3.3 单相电压型PWM整流电路建立仿真电路
3.3 相关参数计算
3.3.1 交流侧滤波电感的选择
由于控制方案对电感参数选择有一定的影响，所以分单极性调制和双极性调制两种情况对电感参数选择进行研究.
（1）单极性调制方案滤波电感的大小一方面对输入电流的开关纹波有影响，另一方面也影响着实际电流的跟踪速度.此参数的选择直接影响系统的工作性能.直流侧电压选定后，交流侧电感设计对电源电流波形影响较大.忽略交流回路电阻可得变流器的工作方程为，其增量式为，其中为开关器件开通或关断的通断时间。
实际电流在跟踪参考电流过程中，每个控制周期中电流波动的幅值应满足电流波动的最大峰值的要求，考虑最坏的工作情况是在相电压峰值附近，有
， （3-1）
式中为相电压峰值，为电流峰值附近器件的开通时间，为电流峰值附近器件的关断时间。
又因，，故。其中为交流电流变化最大值，，其中为i在电流峰值处幅值。
由， 有 （3-2）
其中为开关周期。
由推导可知 （3-3）
将l代入上式可得（3-3）
（3-4）
可见，在电流峰值附近，由开通或关断时间推导出的电感下限值相同.
取值的大小，影响着实际电流的跟踪速度的取值应使实际电流能跟上所需电流的最大变化率. 显然，在所需电流过零附近，电流变化率最大。 因而可得到下面的条件
（3-5）
式中为交流电流基波峰值，为器件在电流过零点时开通时间，为电源电流角频率.由此推出， 而当时，可认为，从而得
（3-6）
3.3.2 直流侧二次滤波器的选择
单向桥式PWM直流输出电压除直流成分外，还含有二次谐波成分[5 6
］，为使输出电压更平直，系统采用一电感电容串联谐振滤波器滤除二次谐波.
则 有，电感上电流，其中是为二次谐波电流最大值.。
电容上的电压峰值为,则有
（3-7）
根据经验取=1.1，带入上式中得：。取，则
3.3 .3 直流侧支撑电容的选择
在脉冲整流器的设计中，直流侧滤波电容的选取也是一个关键性问题. 由于直流侧已加二次滤波环节，则直流支撑电容主要由交流电感储能变化决定. 由能量守恒定律知，交流侧开关频率次电流脉动能量最大值等于支撑电容上能量脉动最大值，即

（3-8）
从而得到：
式中为电源电流纹波系数，为直流电压纹波系数.。
3.4 输出波形
1.输入信号波形

图3.4

图3.5
2.输入电压、电流波形

图3.6
4.网侧电压波形

图3.7
4.输出电流、电压波形

图3.8
5.谐波分析

总 结
单相电压型PWM整流器作为一种交流侧电流可控的电力电子装置被广泛应用于低谐波、高功率因数的场合。基于单相电压型PWM整流器的交流电能负荷模拟器可用于对交流电能装置的各种电特性的测试，也可以节省电能和实验场地，减小对电网的谐波污染。
本文针对交流电能负荷模拟器对单相电压型PWM整流器的运行特性要求，对单相电压型PWM整流器作了详细的分析和研究，建立了整流器的数学模型，根据系统的特点采取了相应的控制策略，并设计了实验电路，通过仿真和实验验证了设计的可行性和正确性。本文以单相电压型PWM整流器作为研究对象，主要进行了以下几个方面的研究：
(1)介绍了单相电压型PWM整流器的工作原理，对其主电路拓扑进行分析，建立了数学模型；详细地阐述了单极性PWM调制方法在该类型整流器中的应用，并对其工作模式进行了详细的描述；对单极性调制方式下的单相电压型PWM整流器波形进行了系统的分析，给出了各个参量的表达式;
(2)在前面理论分析的基础上，对实验系统进行了硬件设计和软件设计，包括交流侧电感Ls和直流侧电容C的设计电路。
总的来说通过PWM整流可以减少整流输出电压谐波含量，更加合理的利用电能。通过PWM控制输入正弦电压和交流测电压为直角，来达到功率因素为1的目的，提高电能质量。

致 谢
在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在课程设计阶段，乃至本科四年学习生活中帮助过我的老师与同学。
在课程设计完成的过程中得到了许多老师和同学的帮助，学院的老师们严谨治学的教学使我受益非浅。本论文的选题、研究内容、研究方法及论文的形成都是在丁菊霞老师支持、鼓励和悉心指导下完成的，丁老师就是我获得深思熟虑的意见和概念清晰的见解的来源，她花费了很多自己时间对我的课程设计提出许多宝贵意见和建议，既激发了我的灵感，又给了我持久不断的鼓励。在论文完成的过程中倾注了她大量的心血，在课程设计论文完成之际，特向我尊敬的丁菊霞老师表示衷心的感谢。
本次论文与设计的完成对我是一个巨大的激励，使我在学术研究方面充满信心，更为我在今后的学习与工作中提供了宝贵的经验。
在学习、工作和论文写作中，得到了同学们的热忱帮助，在此向他们由衷的感谢。
感谢老师在学习期间给予我的帮助。
最后，对我的父母以及所有亲人给予我的理解、帮助和支持表示深情的感谢。并以此文献给所有关心与帮助过我的亲人们、老师们和朋友们！

参考文献
[1]. 骆开源.交流牵引传动技术基础.四川：西南交通大学峨眉校区出版，2011
[2]. 黄俊,王兆安.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社,1994
[3]. 陈治明.电力电子器件基础.北京:机械工业基础,1992
[4]. 李序葆,赵永健.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996
[5]. 王兆安.电力电子技术的发展动向.电力电子技术,1995
[6]. 赵可斌,陈国雄.电力电子变流技术.上海:上海交通大学出版社,1993
[7]. 张立,赵永健主编.现代电力电子技术.北京:科学出版社,1992
[8]. 丁道宏主编,电力电子技术.北京:航空工业出版社,1992
[9]. 陈伯时.电力电子技术是电气传动发展的“龙头”.中国电工技术学会电力电子学会第五次全国学会会议论文集,1993
[10]. 宁元中.常微分方程的PSpice 宏模型[J] . 成都:四川大学学报(工程科学版) ,2002
[11]. 刘豹.现代控制理论[M].第2版.北京:机械工业出版社,1992
[12]. 王辅春.电子电路CAD与OrCAD教程[M].北京:机械工业出版社,2005

第28页