三相电压型PWM整流器及仿真

电力电子课程设计课程设计报告

题目：三相电压型PWM整流器与仿真

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学生姓名：

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指导教师：

2015年 1 月6 日

内容得分

1、三相桥式电路的基本原理（10分）

2、整流电路基本原理（10分）

3、pwm控制的基本原理（10分

4、三相电压型pwm整流电路仿真模型（30分）

5、结果分析（30分）

6、程序文件（10分）

总分

摘要：叙述了建立三相电压型PWM整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强大的MATLAB软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。

关键词：整流器；PWM；simulink

目录

一任务书 (1)

1.1 题目 (1)

1.2 设计内容及要求 (1)

1.3 报告要求 (1)

二基础资料 (2)

2.1 三相桥式电路的基本原理 (2)

2.2 整流电路基本原理 (4)

2.3 pwm控制的基本原理 (6)

2.4 PWM整流器的发展现状 (6)

三设计内容 (8)

3.1 仿真模型 (8)

3.2 各个元件参数 (11)

3.3 仿真结果 (13)

3.4 结果分析 (15)

四总结 (15)

五参考文献 (15)

一任务书

1.1 题目

三相电压型PWM整流器仿真

1.2 设计内容及要求

设计三相电压型PWM整流器及其控制电路的主要参数，并使用MATLAB 软件搭建其仿真模型并验证。

设计要求(pwm整流器仿真模型参数):

(1)交流电源电压600V，60HZ

(2)短路电容30MVA

(3)外接负载500kVar，1MW

(4)变压器变比600/240V

(5)0.05s前，直流负载200kw，直流电压500V，0.05s后，通过断路器并联一个相同大小的电阻。

1.3 报告要求

(1)叙述三相桥式电路的基本原理

(2)叙述整流电路基本原理

(3)叙述pwm控制的基本原理

(4)记录参数（截图）

(5)记录仿真结果，分析滤波结果

(6)撰写设计报告

(7)提交程序源文件

二基础资料

2.1 三相桥式电路的基本原理

在三相桥式电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是α。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。

为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。

晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。

为了搞清楚α变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析α=0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。图1是电路接线图

为了分析方便起见，把一个周期等分6段（见图2）。

在第（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为

ud=ua-ub=uab

经过60°后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管KPl继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为

ud=ua-uc=uac

再经过60°，进入第(3)段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为

ud=ub-uc=ubc

余相依此类推。

2.2 整流电路基本原理

整流电路分为半波整流、全波整流和桥式整流，下面依次介绍。

(1)半波整流

半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻Rfz，组成。变压器把市电电压(220V)变换为所需要的交变电压e2，D再把交流电变换为脉动直流电。变压器砍级电压e2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压。在0~K时间内，e2为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通，e2通过它加在负载电阻Rfz上，在π~2π时间内，e2为负半周，变压器次级下端为正；上端为负。这是D承受反向电压，不导通，Rfz上无电压。在2π~3π时间内，重复0~π时间的过程，而在3π~4π时间内，又重复π~2π时间的过程……这样反复下去，交流电的负半周就被“削”掉了，只有正半周通过Rfz，在Rfz上获得了一个单一右向的电压，达到了整流的目的，但是，负载电压Usc以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。

这周除去图下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整流是以牺牲一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低，因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。

(2)全波整流

如果把整流电路的结构作一些调整，可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。

全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a 、e2b ，构成e2a 、D1、Rfz与e2b 、D2、Rfz ，两个通电回路。

全波整流电路的工作原理，可用图5-4 所示的波形图说明。在0～π间内，e2a 对Dl为正向电压，D1 导通，在Rfz 上得到上正下负的电压；e2b 对D2为反向电压，D2 不导通。在π-2π时间内，e2b 对D2为正向电压，D2导通，在Rfz 上得到的仍然是上正下负的电压；e2a 对D1为反向电压，D1 不导通。

带平衡电抗器的双反星型可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路是将整流变压器的两组二次绕组都接成星形，但两组接到晶闸管的同名端相反；两组二次绕组的中性点通过平衡电控器LB连接在一起。

(3) 桥式整流

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周是，对D1、D3加正向电压D1，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz 、D3通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

如此重复下去，结果在Rfz ，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

三相桥式全控电路TR为三相整流变压器，其接线组别采用Y/Y-12。

VT1~VT6为晶闸管元件，FU1~FU6为快速熔断器。TS为三相同步变压器，其接线组别采用△/Y-11。P端为集成化六脉冲触发电路+24V电源输出端，接脉冲变压器一次绕组连接公共端。P1~P6端为集成化六脉冲触发电路功放管V1~V6集电极输出端，分别接脉冲变压器一次绕组的另一端。UC端为移相控制电压输入端。

三相桥式半控整流电路与三相桥式全控整流电路基本相同，仅将共阳极组VT4，VT6，VT2的晶闸管元件换成了VD4，VD6，VD2整流二极管，以构成三相桥式半控整流电路。

2.3 pwm控制的基本原理

PWM又叫脉冲宽度调制，原理如下：

PWM基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于∏/n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交－直－交变频器中，PWM 逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。

根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

2.4 PWM整流器的发展现状

PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM技术的应用与研究。1982年Busse Alfred,Holtz Joachim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。1984年Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓扑的无功补偿器控制策略，这实际上就是电压型PWM整流器早期设计思想。到20世纪80年代末，随着A. W. Green等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到一个新的高度。

自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点。随着研究的深人，基于PWM整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来，如有源滤波器、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等，这些应用技术的研究，又促进了PWM整流器及其控制技术的进步和完善。

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)电流源型PWM整流器研究;

当前主要的研究领域有如下五个方面:

(1)关于PWM整流器的建模研究

(2)关于电压型PWM整流器的电流控制策略研究

(3)关于PWM整流器拓扑结构的研究

(4) PWM整流器系统控制策略的研究

随着PWM整流器及其控制策略研究的深入，研究人员相继提出了一些较为新颖的系统控制策略，分述如下:

(1)无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制

(2)基于Lyapunov稳定性理论的PWM整流器控制

(3)PWM整流器的时间最优控制

(4)电网不平衡条件下的PWM整流器控制

三设计内容

3.1 仿真模型

三相电压型pwm整流电路仿真模型

图3-1-1 DC regulator结构

图3-1-2

Controller结构

图3-1-3 Anti-aliasing结构

图3-1-4 DC Voltage Regulator结构

图3-1-5

Current Regulators结构

图3-1-6 PID结构

图3-1-7

3.2 各个元件参数

交流电源电压、短路电容：

图3-2-1

外接负载：

图3-2-2 变压器变比：

图3-2-3

3.3 仿真结果

Ctrl_Signals仿真结果

图3-3-1 Vab_VSC仿真结果

图3-3-2

Vdc仿真结果

图3-3-3 Vala仿真结果

图3-3-4 PQ仿真结果

图3-3-5

3.4 结果分析

由上图可以看出，0.05s前，仿真波形是类似正弦波，0.05s后，波形逐渐平稳，最后变成一条直线，可以得知，此整流器有整流的效果。理论上经过整流器滤波后应该马上出现一条趋近于直线的上下波动的波形，但是仿真中有元器件的响应时间和部分干扰，启动时电流波形较乱、幅值过大，但是电流波形较好，响应时间仅为0.05s，可以看出整流效果不错。

四总结

拿到任务书时，我根据仿真模型在MATLAB中找各个元件，虽然任务书中已经给出了元件位置，但是还是有许多元件找不到，于是上百度，找simulink

元件库，从中找到各元件，再按图连线，花了很久才搭建好模型。随后查阅资料，了解电路的原理，在此基础上看仿真结果，通过结果波形来判断整流效果如何，写出结果分析。

在做课程设计的过程中，碰到了各种困难，例如对软件的操作不熟练，或对于整流器原理理解不深，看到仿真结果也不懂如何分析。最终都通过寻求帮助解决了，虽然花了不少时间，但还是收获了很多。

通过这次课程设计，让我对MATLAB这款软件有了新的认识，对于三相桥式电路、整流电路和PWM的工作原理也有了更深的了解。

五参考文献

[1]薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].清华大学出版社,2002.

[2]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.