三相電壓型PWM整流器與仿真

1、 電力電子課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目： 三相電壓型PWM整流器與仿真 專業(yè)、班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 內(nèi)容得分1、三相橋式電路的基本原理（10分）2、整流電路基本原理（10分）3、pwm控制的基本原理（10分4、三相電壓型pwm整流電路仿真模型（30分）5、結(jié)果分析（30分）6、程序文件（10分）總分 2015年 1 月 6 日摘要：敘述了建立三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，使用功能強(qiáng)大的MATLAB軟件進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明了方法的可行性。關(guān)鍵詞：整流器；PWM；simulink I 目 錄一 任務(wù)書(shū)11.1 題目11.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求11.3 報(bào)告要求1

2、二 基礎(chǔ)資料22.1 三相橋式電路的基本原理22.2 整流電路基本原理42.3 pwm控制的基本原理62.4 PWM整流器的發(fā)展現(xiàn)狀6三 設(shè)計(jì)內(nèi)容83.1 仿真模型83.2 各個(gè)元件參數(shù)113.3 仿真結(jié)果133.4 結(jié)果分析15四 總結(jié)15五 參考文獻(xiàn)15II一 任務(wù)書(shū)1.1 題目 三相電壓型PWM整流器仿真1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 設(shè)計(jì)三相電壓型PWM整流器及其控制電路的主要參數(shù)，并使用MATLAB軟件搭建其仿真模型并驗(yàn)證。 設(shè)計(jì)要求(pwm整流器仿真模型參數(shù)): (1)交流電源電壓600V，60HZ (2)短路電容30MVA (3)外接負(fù)載500kVar，1MW (4)變壓器變比 600/

3、240V (5)0.05s前，直流負(fù)載200kw，直流電壓500V，0.05s后，通過(guò)斷路器并聯(lián)一個(gè)相同大小的電阻。1.3 報(bào)告要求 (1)敘述三相橋式電路的基本原理 (2)敘述整流電路基本原理 (3)敘述pwm控制的基本原理 (4)記錄參數(shù)（截圖） (5)記錄仿真結(jié)果，分析濾波結(jié)果 (6)撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告 (7)提交程序源文件二 基礎(chǔ)資料 2.1 三相橋式電路的基本原理在三相橋式電路中，對(duì)共陰極組和共陽(yáng)極組是同時(shí)進(jìn)行控制的，控制角都是。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯(lián)，因此整流電壓為三相半波時(shí)的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大反向電壓，可比三相半波線路中的

4、晶閘管低一半。 為了分析方便，使三相全控橋的六個(gè)晶閘管觸發(fā)的順序是1-2-3-4-5-6，晶閘管是這樣編號(hào)的：晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽(yáng)極組。 為了搞清楚變化時(shí)各晶閘管的導(dǎo)通規(guī)律，分析輸出波形的變化規(guī)則，下面研究幾個(gè)特殊控制角，先分析=0的情況，也就是在自然換相點(diǎn)觸發(fā)換相時(shí)的情況。圖1是電路接線圖為了分析方便起見(jiàn)，把一個(gè)周期等分6段（見(jiàn)圖2）。在第（1）段期間，a相電壓最高，而共陰極組的晶閘管KP1被觸發(fā)導(dǎo)通，b相電位最低，所以供陽(yáng)極組的晶閘管KP6被觸發(fā)導(dǎo)通

5、。這時(shí)電流由a相經(jīng)KP1流向負(fù)載，再經(jīng)KP6流入b相。變壓器a、b兩相工作，共陰極組的a相電流為正，共陽(yáng)極組的b相電流為負(fù)。加在負(fù)載上的整流電壓為ud=ua-ub=uab經(jīng)過(guò)60°后進(jìn)入第(2)段時(shí)期。這時(shí)a相電位仍然最高，晶閘管KPl繼續(xù)導(dǎo)通，但是c相電位卻變成最低，當(dāng)經(jīng)過(guò)自然換相點(diǎn)時(shí)觸發(fā)c相晶閘管KP2，電流即從b相換到c相，KP6承受反向電壓而關(guān)斷。這時(shí)電流由a相流出經(jīng)KPl、負(fù)載、KP2流回電源c相。變壓器a、c兩相工作。這時(shí)a相電流為正，c相電流為負(fù)。在負(fù)載上的電壓為ud=ua-uc=uac再經(jīng)過(guò)60°，進(jìn)入第(3)段時(shí)期。這時(shí)b相電位最高，共陰極組在經(jīng)過(guò)自然換相

6、點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管KP3，電流即從a相換到b相，c相晶閘管KP2因電位仍然最低而繼續(xù)導(dǎo)通。此時(shí)變壓器bc兩相工作，在負(fù)載上的電壓為ud=ub-uc=ubc余相依此類推。2.2 整流電路基本原理 整流電路分為半波整流、全波整流和橋式整流，下面依次介紹。 (1)半波整流 半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器B、整流二極管D和負(fù)載電阻Rfz，組成。變壓器把市電電壓(220V)變換為所需要的交變電壓e2，D再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。變壓器砍級(jí)電壓e2，是一個(gè)方向和大小都隨時(shí)間變化的正弦波電壓。在0K時(shí)間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正下端為負(fù)。此時(shí)二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過(guò)它

7、加在負(fù)載電阻Rfz上，在2時(shí)間內(nèi)，e2為負(fù)半周，變壓器次級(jí)下端為正；上端為負(fù)。這是D承受反向電壓，不導(dǎo)通，Rfz上無(wú)電壓。在23時(shí)間內(nèi)，重復(fù)0時(shí)間的過(guò)程，而在34時(shí)間內(nèi)，又重復(fù)2時(shí)間的過(guò)程這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被“削”掉了，只有正半周通過(guò)Rfz，在Rfz上獲得了一個(gè)單一右向的電壓，達(dá)到了整流的目的，但是，負(fù)載電壓Usc以及負(fù)載電流的大小還隨時(shí)間而變化，因此，通常稱它為脈動(dòng)直流。 這周除去圖下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整流是以犧牲一半交流為代價(jià)而換取整流效果的，電流利用率很低，因此常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般無(wú)線電裝置中很少采用。 (2)全波整流 如果把整流電路的

8、結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流電路。 全波整流電路，可以看作是由兩個(gè)半波整流電路組成的。變壓器次級(jí)線圈中間需要引出一個(gè)抽頭，把次組線圈分成兩個(gè)對(duì)稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓e2a 、e2b ，構(gòu)成e2a 、D1、Rfz與e2b 、D2、Rfz ，兩個(gè)通電回路。 全波整流電路的工作原理，可用圖5-4 所示的波形圖說(shuō)明。在0間內(nèi)，e2a 對(duì)Dl為正向電壓，D1 導(dǎo)通，在Rfz 上得到上正下負(fù)的電壓；e2b 對(duì)D2為反向電壓，D2 不導(dǎo)通。在-2時(shí)間內(nèi)，e2b 對(duì)D2為正向電壓，D2導(dǎo)通，在Rfz 上得到的仍然是上正下負(fù)的電壓；e2a 對(duì)D1為反向電壓，D1

9、不導(dǎo)通。 帶平衡電抗器的雙反星型可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路是將整流變壓器的兩組二次繞組都接成星形，但兩組接到晶閘管的同名端相反；兩組二次繞組的中性點(diǎn)通過(guò)平衡電控器LB連接在一起。 (3) 橋式整流 橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。 橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周是，對(duì)D1、D3加正向電壓D1，D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負(fù)的半波整流電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2

10、、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。 如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖5-6中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整流電路小一半。 三相橋式全控電路TR為三相整流變壓器，其接線組別采用Y/Y-12。VT1VT6為晶閘管元件，F(xiàn)U1FU6為快速熔斷器。TS為三相同步變壓器，其接線組別采用/Y-11。P端為集成化六脈沖觸發(fā)電路+24V電源輸出端，接脈沖變壓器一次繞組連

11、接公共端。P1P6端為集成化六脈沖觸發(fā)電路功放管V1V6集電極輸出端，分別接脈沖變壓器一次繞組的另一端。UC端為移相控制電壓輸入端。 三相橋式半控整流電路與三相橋式全控整流電路基本相同，僅將共陽(yáng)極組VT4，VT6，VT2的晶閘管元件換成了VD4，VD6，VD2整流二極管，以構(gòu)成三相橋式半控整流電路。 2.3 pwm控制的基本原理PWM又叫脈沖寬度調(diào)制，原理如下： PWM基本原理：控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少

12、。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。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個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 /n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方

13、法得到PWM波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交直交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。2.4 PWM整流器的發(fā)展現(xiàn)狀PWM整流器的研究始于20世紀(jì)80年代，這一時(shí)期由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應(yīng)用，推動(dòng)了PWM技術(shù)的應(yīng)用與研究。1982年Busse Alfred,Holtz Joachim首先提出了基于可關(guān)斷

14、器件的三相全橋PWM整流器拓?fù)浼捌渚W(wǎng)側(cè)電流幅相控制策略，并實(shí)現(xiàn)了電流型PWM整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。1984年Akagi Hirofumi等提出了基于PWM整流器拓?fù)涞臒o(wú)功補(bǔ)償器控制策略，這實(shí)際上就是電壓型PWM整流器早期設(shè)計(jì)思想。到20世紀(jì)80年代末，隨著A. W. Green等人提出了基于坐標(biāo)變換的PWM整流器連續(xù)離散動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及控制策略，PWM整流器的研究發(fā)展到一個(gè)新的高度。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，PWM整流器一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。隨著研究的深人，基于PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制的拓展，相關(guān)的應(yīng)用研究也發(fā)展起來(lái)，如有源濾波器、超導(dǎo)儲(chǔ)能、交流傳動(dòng)、高壓直流輸電以及統(tǒng)一

15、潮流控制等，這些應(yīng)用技術(shù)的研究，又促進(jìn)了PWM整流器及其控制技術(shù)的進(jìn)步和完善。這一時(shí)期PWM整流器的研究主要集中于以下幾個(gè)方面:(1) PWM整流器的建模與分析;(2)電壓型PWM整流器的電流控制;(3)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究;(4)系統(tǒng)控制策略研究;(5)電流源型PWM整流器研究; 當(dāng)前主要的研究領(lǐng)域有如下五個(gè)方面:(1)關(guān)于PWM整流器的建模研究(2)關(guān)于電壓型PWM整流器的電流控制策略研究(3)關(guān)于PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究(4) PWM整流器系統(tǒng)控制策略的研究 隨著PWM整流器及其控制策略研究的深入，研究人員相繼提出了一些較為新穎的系統(tǒng)控制策略，分述如下:(1)無(wú)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)傳感器及無(wú)網(wǎng)側(cè)電

16、流傳感器控制 (2)基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的PWM整流器控制(3)PWM整流器的時(shí)間最優(yōu)控制 (4)電網(wǎng)不平衡條件下的PWM整流器控制三 設(shè)計(jì)內(nèi)容 3.1 仿真模型 三相電壓型pwm整流電路仿真模型 圖3-1-1DC regulator結(jié)構(gòu)圖3-1-2Controller結(jié)構(gòu)圖3-1-3Anti-aliasing結(jié)構(gòu)圖3-1-4DC Voltage Regulator結(jié)構(gòu)圖3-1-5Current Regulators結(jié)構(gòu)圖3-1-6PID結(jié)構(gòu)圖3-1-73.2 各個(gè)元件參數(shù) 交流電源電壓、短路電容：圖3-2-1 外接負(fù)載：圖3-2-2 變壓器變比：圖3-2-33.3 仿真結(jié)果Ctrl

17、_Signals仿真結(jié)果 圖3-3-1Vab_VSC仿真結(jié)果圖3-3-2Vdc仿真結(jié)果圖3-3-3Vala仿真結(jié)果圖3-3-4PQ仿真結(jié)果圖3-3-53.4 結(jié)果分析由上圖可以看出，0.05s前，仿真波形是類似正弦波，0.05s后，波形逐漸平穩(wěn)，最后變成一條直線，可以得知，此整流器有整流的效果。理論上經(jīng)過(guò)整流器濾波后應(yīng)該馬上出現(xiàn)一條趨近于直線的上下波動(dòng)的波形，但是仿真中有元器件的響應(yīng)時(shí)間和部分干擾，啟動(dòng)時(shí)電流波形較亂、幅值過(guò)大，但是電流波形較好，響應(yīng)時(shí)間僅為0.05s，可以看出整流效果不錯(cuò)。 四 總結(jié)拿到任務(wù)書(shū)時(shí)，我根據(jù)仿真模型在MATLAB中找各個(gè)元件，雖然任務(wù)書(shū)中已經(jīng)給出了元件位置，但是還是有許多元件找不到，于是上百度，找simulink元件庫(kù)，從中找到各元件，再按圖連線，花了很久才搭建好模型。隨后查閱資料，了解電路的原理，在此基礎(chǔ)上看仿真