【正文】 .... 31 結(jié) 論 .............................................................. 33 致 謝 .............................................................. 34 參考文獻 ............................................................ 35 1 前 言 電力電子技術(shù)是現(xiàn)代電工技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域，并且在電力系統(tǒng)中得到日益廣泛的應用。它幾乎滲透到社會的各個方面：比如交通運輸、航空航天、無線電通信與電視、電力系統(tǒng)、冶金、石化、汽車電力電子應用技術(shù)、電話、核能利用、國防軍工科技等等領(lǐng)域。電力電子技術(shù)在推動科學技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展以及國防建設中發(fā)揮越來越重要的作用。 電力電子技術(shù)根據(jù)用電場合而改變電能的應用方式，使得電能更好地滿足當今人們的需求，并通過功能和性能的提高 來產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益和社會效益。因此，電力電子技術(shù)又被很多人認為是電能應用的優(yōu)化技術(shù)。 功率半導體開關(guān)器件性能的不斷提高促進了電力電子變流技術(shù)的迅速發(fā)展，如變頻器、高頻開關(guān)電源、逆變電源、以及各類特種變流器等。這些變流裝置在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中取得了廣泛應用，給我們的衣、食、住、行帶來極大的便利，但同時也造成了電力系統(tǒng)的嚴重“污染”，消耗大量的無功功率。目前常用的變流裝置需要整流環(huán)節(jié)，以獲得直流電壓，由于整流環(huán)節(jié)很大一部分采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，因此對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的諧波污染，并且使功率 因數(shù)低下。 當今世界正面臨能源、環(huán)境保護的雙重壓力，因此促使人們在電力電子技術(shù)的發(fā)展中探索一條“綠色”之路。對于變流裝置，“綠色”電能具有電網(wǎng)無諧波污染、單位功率因數(shù)，以及功率控制系統(tǒng)的高性能、高穩(wěn)定性、高效率等傳統(tǒng)變流裝置所不具備的優(yōu)越性能。 PWM整流器因其具有高功率因數(shù)、四象限運行，低諧波污染等優(yōu)點，越來越受到廣泛的應用。而且進一步研究表明，由于 PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控，因而被推廣應用于有源電力濾波及無功補償?shù)确钦髌鲬脠龊?。當今，通過變流裝置處理再供用戶使用的電能在全國總發(fā)電量中所占 的百分比值，已經(jīng)成為衡量國家技術(shù)進步的主要標準之一。據(jù)統(tǒng)計，二十世紀末期，美國發(fā)電站生產(chǎn)的電能 40%以上都需要經(jīng)過變換和處理后才供負載使用的。并且預計到 21世紀二、三十年代，美國發(fā)電站生產(chǎn)的所有電能都將經(jīng)過變流裝置的變換和處理后供用戶使用。 由于 PWM整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)出受控電流源特性，這一特性使 PWM整流器控制技術(shù)及其應用獲得進一步的發(fā)展和拓寬，滲透到了其它眾多領(lǐng)域，如：靜止無功補償（ SVG），有源電力濾波（ APF），統(tǒng)一潮流控制（ UPFC），超導儲能（ SMES），高壓直流輸電（ HVDC），電氣傳動（ ED），新型 UPS太陽能，網(wǎng)通等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等。 2 第 1 章 緒論 本文設計任務 本課題設計一個輸出額定功率可達到 15kW的三相電壓型 PWM整流電路。設計出整流裝置的拓撲電路，整流電路輸入為三相市電（星形連接），電源內(nèi)阻為 ，整流裝置所帶的負載為電阻、電感負載，電阻為 60歐姆、電感為 2mH。要求輸入功率因數(shù)達到 以上，效率達到 90%以上，整流電壓值為 800V，要求電壓超調(diào)量小于 10%，電流超調(diào)小于 5%，交流側(cè)電流脈動率小于額定值的 10%，直流側(cè)電壓脈動率在177。 10%以內(nèi)， 調(diào)制方式采用雙極性 SPWM調(diào)制，載波頻率（開關(guān)頻率） 10KHZ，三相 PWM整流電路采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，試設計出整流裝置的主電路、驅(qū)動電路以及控制系統(tǒng)。最后利用 Pcspice 軟件進行仿真，得到仿真結(jié)果，驗證指標。 本文設計方案 本文采用的 PWM 整流裝置 主要由三相半橋，負載，驅(qū)動電路，控制電路組成。其裝置原理總框圖如圖 。 三相半橋式整流電路由 6組 IGBT和續(xù)流二極管反并聯(lián)組成。控制電路采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。具體按 典型 I系統(tǒng)設計電流內(nèi)環(huán)，按典型 II系統(tǒng)設計電壓外環(huán)。調(diào)制波采用的是雙極性 SPWM波，通過單片機 89C52控制芯片 SA8281來產(chǎn)生 SPWM 波。驅(qū)動電路采用 IR 公司生產(chǎn)的大功率 IGBT專用的橋式電路驅(qū)動集成芯片 IR2110。通過該芯片及外圍電路來驅(qū)動 IGBT管。 驅(qū)動電源采用單相橋式整流電路。 圖 PWM整流裝置原理總框 圖 3 第 2 章 三相電壓型 PWM 整流器原理及控制方法 PWM 整流器概述 PWM控制技術(shù)的應用與發(fā)展為整流器性能的改進提供了變革性的思路和手段，結(jié)合了 PWM控制技術(shù)的新型整流器稱為 PWM整流器。 相對于不控整流器和相控整流器，由于 PWM整流器對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波“污染”，因此 PWM整流器是一種真正意義上的綠色環(huán)保電力電子裝置。 PWM整流器的關(guān)鍵性改進在于它用全控型功率開關(guān)管取代了半控型功率開關(guān)管或二極管，以 PWM斬波整流取代了相控整流或不控整流。 由于 PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流正弦化且運行于單位功率因數(shù)狀態(tài)，能量可雙向傳輸，從而真正實現(xiàn)了“綠色電能變換”。因而近年來受到廣泛的關(guān)注和研究，經(jīng)過多年的發(fā)展， PWM整流器主電路已從早期的半控橋發(fā)展到如今的全控橋；在主電路類型上既有電壓型整流器（ Voltage Source RectifierVSR）， 又有電流型整流器（ Current Source RectifierCSR）；其拓撲結(jié)構(gòu)也從單相、三相電路發(fā)展到多組級聯(lián)或多電平拓撲電路；PWM控制也由單純的硬開關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開關(guān)調(diào)制。 對于 PWM 整流器的研究起于 20 世紀 80年代，國內(nèi)外對 PWM 整流器的研究主要集中在數(shù)學建模、控制策略、拓撲結(jié)構(gòu)等方面。（ 1）數(shù)學模型的建立與分析： 出基于坐標變換的 PWM 整流器連續(xù)、離散動態(tài)數(shù)學模型，之后 ， 等建立了高頻、低頻的時域模型，并給出了相應的時域解。而 ， 等則基于開關(guān)電路的變壓器等效電路，建立了低頻等效電路模型，與上述基于微分方程得到的低頻模型實質(zhì)是相同的。在此基礎(chǔ)上， 等人又建立了一種降階小信號模型，從而簡化了 PWM 整流器的數(shù)學模型。（ 2）電壓型整流器的電流控制策略：最初提出 PWM 整流器技術(shù)是以電流型拓撲提出的，但由于電流型結(jié)構(gòu)所需要的較大的儲能大電感，以及控制的復雜性，使得電流型整流器的發(fā)展相對比較緩慢，近年來隨著超導技術(shù)的進展，電流型整流器在超導儲能領(lǐng)域得到了較為成功的應用。（ 3）主電路拓撲結(jié)構(gòu)的研究：根據(jù) PWM 整 流器直流側(cè)電能輸出環(huán)節(jié)的不同，可以將 PWM 整流器分為電壓型和電流型，在研究和實際應用中都是以電壓型 PWM 整流器為主。在小功率場合， PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功率開關(guān)和改進直流輸出的性能上。對于大功率場合，研究主要集中在多電平拓撲結(jié)構(gòu)、變流器組合以及軟開關(guān)技術(shù)上。 20世紀 90年代發(fā)展起來的智能型功率模塊則開創(chuàng)了功率半導體開關(guān)器件新的發(fā)展方向。功率半導體開關(guān)器件技術(shù)的進步，促進了電力電子變流裝置技術(shù)的迅速發(fā)展 ,PWM 整流器的研究一直是學術(shù)界關(guān)注的熱點。隨著研究的深入，基于 PWM 整流器拓撲結(jié)構(gòu)及控 制的策略，相關(guān)的應用研究也發(fā)展起來。這一時期 PWM整流器的研究主要集中于以下幾個方面： 器的建模與分析； PWM 整流器的電流控制； ； 略研究； PWM整流器研究。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，為了適應在不同場合對 PWM整流器的要求， PWM整流器已經(jīng)發(fā)展成很多種類。按不同的方式可以如下分類 : 按直流儲能形式可以分為電壓型和電流型。電壓型的特點是直流側(cè)并聯(lián)電容，使 VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。電流型的特點是直流側(cè)串聯(lián)電感，使 CSR直流側(cè)呈高阻抗的電流 源特性。所以采用何種形式由設計要求來決定的。按電網(wǎng)相數(shù)可以分為單相電路、三相電路和多相電路。按 PWM開關(guān)調(diào)制可以分為硬開關(guān)調(diào)制和軟開關(guān)調(diào)制。按橋路結(jié)構(gòu)可以分為半橋電路和全橋電路。按調(diào)制電平可以分為二電平電路、三電平電路和多電平電路。 三相電壓型 PWM 整流器（ VSR）分析 4 以三相電壓型半橋式整流電路進行分析， 如圖 。三相橋臂具有兩種開關(guān)模式，即上側(cè)橋臂導通或者下側(cè)橋臂導通。因此三相 VSR共有 8種開關(guān)模式，可以用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù) js （ j=1,2,3）來描述，即 )3,2,1({ ,10 j 39。39。 ?? js j jj VDV VDVj 導通導通 (21) 圖 三相電壓型 PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu) 對三相電壓型 PWM整流器的換流方式進行分析。 本設計采用的是三相平衡電源，即三相電源電壓為正弦波，且三相對稱。所以定義三相電網(wǎng)電壓為： ??????????????)32s in ()32s in (s in?????tUetUetUemcmbma （ 22） 設計要求是在單位功率因數(shù)條件下的整流，所以電流 ai ， bi ， ci 和三相電壓 aU ， bU ， cU同相。所以可以得到電流為： ??????????????)32s in ()32s in ()s in (?????tIitIitIimcmbma （ 23） 根據(jù)三相電網(wǎng)電壓公式，可以畫出三相電壓波形，如圖 。 圖 三相電壓波形 將每個周期分成 6個區(qū)間 ，如圖中所示。每相電壓都為正弦波，所以可以推導出每隔 60 5 度就有一相的電流改變極性，從而影響主電路的換流方式。 以區(qū)間 5為例，分析電路的換流方式。此時 0?ai ， 0?bi ， 0?ci 。 1)三相下橋臂導通，此時交流側(cè)電感充電，直流側(cè)電容對負載放電； 2)a,b兩相下橋臂和 c相上橋臂導通，此時電感對 電容充電； 3)a,c相上橋臂和 b相下橋臂導通，此時電感仍對電容充電； 4)三相上橋臂導通，此時電感充電，電容對負載放電。 當進行波形分析時，假設三相電壓型 PWM整流電路功率因數(shù)為 1 ，網(wǎng)側(cè)電流 )(tij 與電動勢 )(tej 同相。具體分析如下： 交流側(cè)電壓（以 a相為例） 由圖 三相電壓型 PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)可以得到： a相電壓方程： )()()( 00 tVtVtV NaNa ?? （ 24） b相電壓方程： )()()( 00 tVtVtV NbNb ?? （ 25） c相電壓方程： )()()( 00 tVtVtV NcNc ?? （ 26） 由上面三個方程可以 得到： 3 )()()()(0 tVtVtVtV cNbNaNN ???? （ 27） 當采用單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)描述時，得： ),()( cbajVStV dcjjN ?? （ 28） 三相電壓型 PWM整流電路 a相 交流側(cè)電壓 )(0tVa 的開關(guān)函數(shù)表達式為： dccbaa VSSStV 32)(0 ??? （ 29） 網(wǎng)側(cè) a相電感端電壓 )(tVLa )()()( 0 tVtetV aaLa ?? （ 210） 網(wǎng)側(cè) a相電流 )(tia 忽略電壓型 PWM電路網(wǎng)側(cè) a相等效電阻（ b， c兩相也進行類似處理），得： ?? ??? dttVteLdttVLtiaaLaa )]()([1)(1)( 0 （ 211） 直流側(cè)電流 )(tidc 忽略三相電壓型 PWM整流電路損耗，其交、流側(cè)的功率平衡關(guān)系為： ?? ?cbaj dcdcjNj VtitVti, )()()( （ 212） 得到直流側(cè)與三相交流側(cè)電流的關(guān)系式： ccbbaadc StiStiStiti )()()()( ??? （ 213） 直流側(cè)電壓 )(tVdc 由于 )(tidc 波形為 PWM波形，三相電壓型 PWM整流電路直流側(cè)電壓必然會波動。得：