三相电压型PWM整流器仿真课程设计

第1章绪论

1.1PWM整流器概述

随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关．如双极型晶体管(BJT)、门极关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGcT)、电力场效应晶体管(MOSFET) 以及场控晶闸管(McT)等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)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，出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路．因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。其主要思路就是将PWM 技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数。

根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM 整流器和不可逆PWM整流器。本论文只讨论能量可双向流动的可逆PWM整流器及控制策略，以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器。

第2章PWM整流器的拓扑结构及工作原理

2.1PWM整流器原理概述

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，且被广泛使用，但仍然存在以下问题：

(1) 晶闸管换流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取代了半控型功率开关或二极管，以PWM控制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。由于电能的双向传输，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PWM

整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指：当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相(正阻特性)；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相(负阻特性)。进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。

综上可见，PWM整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。为便于理解，以下首先从模型电路阐述PWM整流器的基本原理。

从上图可以看出：PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e以及网侧电感L等；直流回路包括负载电阻及负载电势Ec等。功率开关桥路可由电压型或电流型桥路组成。当不计功率桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得

Iv = v dc i dc

式中 v、i —— 模型电路交流侧电压、电流

v dc、i dc——模型电路直流侧电压、电流

由式上式不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。以下着重从模型电路交流侧人手，分析PWM整流器的运行状态和控制原理。

稳态条件下，PWM整流器交流侧矢量关系如下图所示:

为简化分析，对于PWM整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略PWM谐波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从上图分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量y即可实现PWM整流器的四象限运行。若假设|I|不变，因此|V L|=ωL|I|也固定不变，在这种情况下，PWM整流器交流电压矢量V端点运动轨迹构成了一个以|V L|为半径的圆。当电压矢量V端点位于圆轨迹A点时，电流矢量I比电动势矢量E滞后90o,此时PWM整流器网侧呈现纯电感特性，如上图（a）所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹B点时，电流矢量I与电动势矢量 E平行且同向，此时PWM整流器网侧呈现正电阻特性，如上图（b）所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹c点时，电流矢量I超前电动势矢量E 90o，此时PWM 整流器网侧呈现纯电容特性，如上图（c）所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹D点时，电流矢量I 与电动势矢量平行且反向，此时PWM整流器网侧呈现负阻特性，如上图（d）所示。以上A、B、c、D四点是PWM整流器四象限运行的四个特殊工作状态点，进一步分析，可得PWM整流器四象限运行规律如下：

(1)电压矢量V端点在圆轨迹AB上运动时，PWM整流器运行于整流状态。此时。PWM整流器需从电网吸收有功及感性无功功率。电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当 PWM 整流器运行在 B 点时，则实现单位功率因数整流控制，而在A点运行时，PWM整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。

(2)当电压矢量V端点在圆轨迹BC上运动时，PWM整流器运行于整流状态，此时，PWM整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。当PWM整流器运行至C点时，此时，PWM整流器将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。