单相PWM整流电路设计电力电子课程设计

1、重庆大学电气工程学院电力电子技术课程设计设计题目：单相桥式可控整流电路设计年级专业：*级电气工程与自动化学生姓名：*学号:成绩评定:完成日期：2013年6月23日课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100>x> 90)良好(90>x> 80)中等(80>x> 70)及格(70>x60)不及格(x<60)评 分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习 态度20学习态度认 真，科学作风 严谨，严格保 证设计时间并 按任务书中规 定的进度开展 各项工作学习态度比较 认真，科学作 风良好，能按 期圆满完成任 务书规定的任 务学习态度 尚好，遵守

2、组织纪律， 基本保证 设计时间， 按期完成 各项工作学习态度尚 可，能遵守组 织纪律，能按 期完成任务学习马虎， 纪律涣散， 工作作风 不严谨，不 能保证设 计时间和 进度技术 水平 与实 际能 力30设计合理、理 论分析与计算 正确，实验数 据准确，有很 强的实际动手 能力、经济分 析能力和计算 机应用能力， 文献查阅能力 强、引用合理、 调查调研非常 合理、可信设计合理、理 论分析与计算 正确，实验数 据比较准确， 有较强的实际 动手能力、经 济分析能力和 计算机应用能 力，文献引用、 调查调研比较 合理、可信设计合理， 理论分析 与计算基 本正确，实 验数据比 较准确，有 一定的实 际动

3、手能 力，主要文 献引用、调 查调研比 较可信设计基本合 理，理论分析 与计算无大 错，实验数据 无大错设计不合 理，理论分 析与计算 有原则错 误，实验数 据不可靠， 实际动手 能力差，文 献引用、调 查调研有 较大的问 题论文 (计算 书、 图纸) 撰写质量50结构严谨，逻 辑性强，层次 清晰，语言准 确，文字流畅， 完全符合规范 化要求，书写 工整或用计算 机打印成文； 图纸非常工 整、清晰结构合理，符 合逻辑，文章 层次分明，语 言准确，文字 流畅，符合规 范化要求，书 写工整或用计 算机打印成 文；图纸工整、 清晰结构合理， 层次较为 分明，文理 通顺，基本 达到规范 化要求，书 写

4、比较工 整；图纸比 较工整、清 晰结构基本合 理，逻辑基本 清楚，文字尚 通顺，勉强达 到规范化要 求；图纸比较 工整内容空泛， 结构混乱， 文字表达 不清，错别 字较多，达 不到规范 化要求；图 纸不工整 或不清晰指导教师评定成绩:指导教师签名:重庆大学本科学生电力电子课程设计任务书课程设计题目单相桥式可控整流电路设计学院电气工程专业电气工程与自动化年级*级已知参数和设计要求:1. 单相电压型PWM8流器设计2. 输入工频电压220V（± 20%, 50HZ3. 输出功率3KV，输出电压400V4GBT选型，开关频率10KHz-20KHz设计单相电压型PWM整流电路，并计算各元器件

5、的参数，开关器件选用IGBT，采用双极性PWMH制方式，运用matlab/simulink 对所设计电路仿真, 得出波形和数据。学生应完成的工作：1. 查询相关资料，学习PWM8流的原理；2. 掌握主电路的设计，对各参数进行理论计算；3. 学习PWM调制方式，用反馈实现双极性调制方法4. 利用simulink对所设计电路进行仿真，并得到仿真波形和数据;5. 完成课程设计报告。目前资料收集情况（含指定参考资料）： 张兴，张宗巍.PWM整理器及其控制M 单相电压型PWM整流器控制系统设计与仿真J 单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真J PWM整流电路的原理分析J课程设计的工作计划：6月3日一一6

6、月7日，查阅相关论文和参考文献，理解整流原理6月7日一一6月11日，PWM8流电路的参数计算，主电路的设计6月11日一一6月16日，建立simulink仿真模型验证理论计算6月16日一一6月23日，完成电路仿真和课程设计报告任务下达日期 年 月 日完成日期 年 月 日指导教师 （签名）学生 （签名）单相桥式可控整流电路设计摘要：本文主要研究单相桥式 PWM 整流电路的原理，并运用 IGBT 去实现电路 的设计。 概括地讲述了单相电压型 PWM 整流电路的工作原理， 用双极性调制方 式去控制 IGBT 的通断。在元器件选型上，较为详细地介绍了 IGBT 的选型，分 析了交流侧电感和直流侧电容的作

7、用， 以及它们的选型。 最后根据实际充电机的 需求，选择元器件具体的参数， 并用 simulink 进行仿真， 以验证所设计的单相电 压型 PWM 整流器的性能。实现了单相电压型 PWM 整流器的高功率因数，低纹 波输出等功能。关键词： PWM 整流 simulink 双极性调制 IGBT目录1. 引言 - 5 -1.1 PWM整流器产生的背景 -5 -1.2 PWM整流器的发展状况 -5 -1.3 本文所研究的主要内容 - 6 -2. 单相电压型PWM8流电路的工作原理 -7 -2.1 电路工作状态分析 - 7 -2.2 PWMS制信号分析 -8 -2.3 交流测电压电流的矢量关系 - 9

8、-3. 单相电压型PWM8流电路的设计 -10 -3.1 主电路系统设计 - 10 -3.2 IGBT 和二极管的选型设计 - 11 -3.3 交流侧电感的选型设计 - 11 -3.4 直流侧电容的选型设计 - 12 -3.5直流侧LC滤波电路的设计 -13 -4. 单相PWM8流电路的仿真及分析 -13 -4.1 整流电路的simulink仿真 -13 -4.2 对simulink仿真结果的分析 -16 -5工作展望 -16 -参考文献 -17 -1. 引言1.1 PWM 整流器产生的背景电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并且在电力系统中得到日益 广泛的应用，它是使用电力电子器件对电

9、能进行变换和控制的技术。 电力电子 技术根据用户对电能要求的不同， 对电能进行不同形式的变换， 实现电能更好的 满足人们的需求，并通过功能和性能的提高，产生经济和社会效益。电力电子技术的发展，促进了各种电能变换装置的发展，出现了各种以PWM 变换为基础的电力电子装置，例如逆变电源、变频器、超导储能装置、新 能源发电装置、有源电力滤波器、 统一潮流控制器等等。 这些现代的电力电子装 置中，许多都以直流电压为输入，或者中间级需要直流电压。从最开始的二极管不控整流，到后来出现的晶闸管相控整流方式，这些整流 装置都有共同的缺点，都会给电网带来谐波危害，其功率因数也不高。 特别是谐 波对于电网是一种污染

10、， 谐波会影响线路的稳定运行， 影响挂在电网中的变压器 工作效率，损坏低压开关设备，对通信设备产生干扰等等 1 。为了减少谐波危害，许多学者对新型整流装置做了大量的研究分析，为了实 现整流装置输入电压与电流都正弦化，并且使其功率因数接近 1，学者们研制出 了高频 PMW 整流器。高频 PWM 整流器不仅能够提供正弦化的输入电流，可 控的功率因数， 而且能够将直流侧能量逆变至电网侧， 实现整流器的四象限运行。1.2 PWM 整流器的发展状况PWM 控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手 段，结合了 PWM 控制技术的新型整流器称为 PWM 整流器。与传统的整流器相比，PWM

11、整流器不仅获得了可控的AC/DC电能变换性能， 而且实现了网侧单位功率因数和正弦电流控制，能使电能双向传输。从 20 世纪 70 年代开始， PWM 技术开始应用于采用半控功率开关器件的单 相整流电路中。从 80 年代开始，随着半导体产业的发展，可关断功率开关器件 产品日趋完善，对单相 PWM 整流器有了更加深入的研究，其应用也更加广泛。 随着连续及离散数学模型的提出、拓扑结构的多样化、控制策略的完善、 功率半 导体技术以及传感器技术的持续发展， 单相 PWM 整流器的研究发展进入一个新 的阶段。同时单相 PWM 整流器的应用也成为一个研究热点，如交流传动、 UPS 电源、柔性交流电传输、光伏

12、及风能并网发电等，同时，这些应用的研究对单相 PWM 整流器的研究起到促进作用。PWM 整流器数学模型的建立，是对 PWM 整流器进行研究的基础， 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， 这种连续、离散模型的建立极大的扩展了 PWM 整流器的发展，可以用数学语 言来描述 PWM 整流器的工作原理。 R.Wu 和 S.B.Dewan 等比较系统的建立起 了 PWM 整流器时域模型， 在此基础上， Hengchun Mao 等人建立了降阶小信号 模型。各种模型的建立， 大大促进了人们对于 PWM 整流器的认识，对 PWM 整 流器的工作特性更加清晰，

13、大大促进了对于 PWM 整流器的研究。在此同时新 的拓扑结构和控制方法得到了快速的发展，并由此将 PWM 整流器的应用拓展 到更加广阔的领域， 例如风力光伏发电技术、 有源电力滤波器、 统一潮流控制器、 动态电压恢复器、直流输电技术等等 1 。PWM 整流器非常好的工作特性，其关键在于对整流器输入电流的控制。为 了使 PWM 整流器实现单位功率因数和输入电流含有较小的谐波，必须控制整 流器输入电流呈现正弦特性， 对于整流器的控制策略， 关键在于电流内环的设计 分析。1.3 本文所研究的主要内容对于较为复杂的 PWM 整流器的研究，本文着重在于从课程设计的角度上学 习 PWM 整流原理，并能设计

14、 PWM 整流电路及其各元器件的参数，最终用 simulink 仿真验证所设计的效果。在器件上，本文全控型器件选用 IGBT ，通过 要求计算所需选择 IGBT 的参数，并简单分析研究其 H 桥死区问题、损耗问题、 开关速度问题。具体地，本文主要以电动汽车的直流充电机为背景，以直流充电机的所需参 数来规范本文的基本参数，选用单相工频交流电源 220V/50Hz 供电，输出额定 功率达到 3KW ，直流侧电压为 400V。2. 单相电压型PWN整流电路的工作原理单相桥式电压型PWM整流电路，其电路如图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为交流侧附加的电感，在PWM整流电路

15、中是一 个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析，可以忽略L的电阻。直流侧电容C在全控型器件关断时，为电感电流提供电流路 径，缓冲冲击电流，同时该电容还储存能量，稳定直流侧电压，抑制直流侧的谐 波电压。主要功率将消耗在负载 R上。图1单相桥式电压型 PWh整流电路除必须具有输入电感外，PWM整流器的电路结构和PWM逆变电路是相同 的。按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图1中的V1V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端ab间产生一个SPWM波uab。在uab中含有和正 弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的 谐波,但不含有低次谐波

16、。2.1电路工作状态分析对于单相电压型PWM整流器而言，其交流侧基波电压控制有两种 PWM 控制方式，即双极性调制和单极性调制。 由于双极性控制简单有效，本文主要讲 述采用双极性调试的工作原理。当采用双极性调制时，把直流侧电压看作基本不变，则交流测电压uab(t) 将在Vdc和-Vdc间切换，以实现交流测电压的 PWM控制。因此双极型调制 时，单相电压PWM整流过程只存在两种开关模式， 并可用双极性二值逻辑开关 函数p进行描述，即1 V（VD）、gVD）导通1 V2（vd）、V3（vd3）导通两种开关模式见表1表1单相电压型PWM双极性调至开关模式开关模式12导通器件V1（VD1）、V4（VD

17、4）V2（VD2）、V3（VD3）开关函数p=1P= - 1需要注意的是，当网侧电流i（t）方向不同时，同一开关模式将存在不同的电流回路。单相电压型PWM整流电路双极性不同开关模式时的电流回路如下图2所示。ay图2双极性调制不同开关模式时的电流回路a）模式 1，且 i（t）0b）模式 2，且 i（t）0c）模式 1，且 i（t）0d）模式 2，且 i（t）0电流为正时，VD1和VD4导通，交流电源输出能量，直流侧吸收能量,电路处 于整流状态；电流为负时，V1和V4导通;交流电源吸收能量，直流侧释放能量， 处于能量反馈状态。电流为正时，V2和V3导通，交流电源和直流侧都输出能量， L储能；电流为

18、负时，VD2和VD3导通,交流电源和直流侧都吸收能量，L释放 能量。2.2 PWM控制信号分析采用双极性PWM调制方法时，单相PWM整流器的四个功率开关管通过两 个不同的控制信号控制，图1中开关管V1和V4同时开通或关断，而开关管V2 和V3同时开通或关断，其调制的 PWM控制信号如下图3。通过双极性SPWM调制策略，使得交流测的电压在交流测电压 和-Vdc间切换。Uab(t)将在 Vdc2.3 交流测电压电流的矢量关系稳态条件下，PWM整流电路交流侧电压、电流矢量关系如图4所示。心)城电感特征D0(可塊亀容特征(d)缄负跟特征图4稳态条件下PWM整流电路交流测的电压电流矢量关系Ul为交流测电

19、图中，Us为交流电网侧电压相量， Uab为交流测电压相量,感电压相量，&为交流测电流相量。为简化分析，对于PWM整流电路，只考虑基波分量，忽略谐波分量，且不计 交流侧电阻。从上图分析得：当以交流电网侧电压相量为参考时，通过控制交流侧电压相量即可实现 PWM整流电路的四象限运行。若假设交流侧电流相量I&S不变，因此抚UL wLi&S也固定不变，在此情况下，pwM整流电路交流侧电压相量 UAb 端点运动轨迹构成了一个以Ul为半径的圆。当交流侧电压相量端点位于圆轨迹 A点时，交流侧电流相量将比交流电网侧 电压相量滞后90°,此时，PWMg流电路电网侧呈纯电感特性，如

20、图 4(a)所示。 当交流侧电压相量Uab端点位于圆轨迹B点时，交流侧电流相量&与交流电网侧 电压相量Us平行且同向，此时PWM整流电路电网侧呈正电阻特性，如图 4(b)所 示。当交流侧电压相量 Uab端点位于圆轨迹C点时，交流侧电流相量 Us比交流 电网侧电压相量以超前90°,此时PWMK流电路电网侧呈纯电容特性，如图4(c) 所示。当交流侧电压相量 &B端点位于圆轨迹D点时，交流侧电流相量&与交流 电网侧电压相量Us平行且反向，此时PWM整流电路电网侧呈负电阻特性，如图 4(d)所示。3. 单相电压型PWN整流电路的设计3.1主电路系统设计为了结合实际情况

21、，本设计将考虑直流侧电感的电阻， 在输出侧增加一个LC滤波电路，是输出的结果纹波更小。其电路如下图5所示。图5所设计单相PWM整流的主电路3.2 IGBT 和二极管的选型设计此电路的输入电压为交流220V,输出功率要达到3KW交流电压的峰值为 311V,考虑到一定的裕量，IGBT的耐压值可取600V。另外由于此PWM整流电路 为升压boost电路，输出的电流最大值平均10A,考虑一定的裕量，可选择最大 电流为20A的IGBT。对于整流二极管，可根据上述电压电流的分析，可以选择 二极管的反向击穿电压为 600V,电流20A。3.3 交流侧电感的选型设计在单相电压型PWM整流器工作过程中，整流器交

22、流侧电感在电路中起着 能量传输的作用，肩负着将交流侧能量传递至直流侧的任务， 交流侧电感的选型 对于整流器输入电流波形的控制起着至关重要的作用。交流侧电感的取值不仅影 响到电流环的动、静态性能，而且还决定着电压型整流器的输出功率、功率因数 以及整流器输出直流电压的好坏。交流侧电抗器隔离电网电压与整流器交流侧电 压，通过对整流器交流侧电压的控制，实现PWM整流器的四象限运行，同时滤除电压源型整流器交流侧谐波电压，从而实现电压源型整流器交流侧电流正 弦，使电压型整流器具有 Boost特性的PWM AC/DC电源，在PWM整流器 获得良好的直流电压同时，还可以实现系统功率因数可调，谐波电流小等特性。

23、选型考虑因素一：整流器交流侧电感压降不能太大，一般小于电网额定电压 的30%。可以查阅相关书籍2可得：L 0.3Usn0.3U|nwI snwF0所给实际参数为USN220V，=314rad/s， P0 =3KW，带入上述公式可得:L 15.4mH。选型考虑因素二：交流侧电流在一个开关周期内电流的最大超调量尽可能小，一般小于交流侧额定基波电流峰值的1020%可以查阅相关书籍2可得:L (Udc2Jsn)Usn02 2侦所给实际参数为UsN220V， fs 10KHz，P°=3KW, Udc 400V 带入上述公式 可得：L 9.22mH。所以选择的交流侧电感的值9.22mH L 15

24、.4mH ,此处选择中间值L 12mH。如果根据以上约束条件计算出的电感取值存在矛盾时，表示电感选型限制条 件过于苛刻，应当根据实际情况放宽条件，然后再重新计算。总之，电感较大时， 对于整流器输入电流波形控制会有好处，但是同样会带来动态响应慢的缺点。 电感较小时，整流器输入电流动态响应快， 但是不利于电流波形的控制。所以在实 际设计电感时，综合考虑上述各因素，可以将整流器输入电感设计稍微大一点， 便于对整流器输入电流的控制。3.4直流侧电容的选型设计直流侧支撑电容的主要作用是当开关管关断时，为电感电流提供电流路径， 缓冲冲击电流，同时该电容还储存能量， 稳定直流侧电压，抑制直流侧的谐波电 压。

25、直流电容的选择是单相电压型 PWM整流器功率电路中的重要环节，选择 是否合适直接影响系统的输出特性及系统工作的安全性。在单相电压型PWM整流器中，引起电容电压波动的原因在于负载变化引起的瞬态过程中输入及输出的功率不平衡。 特别是当整流器的工作模式是能量最 大功率由交流侧流向直流侧，到能量最大功率由直流侧流向交流侧时刻 （或者相 反的工作状态）。此时输入输出功率偏差最大，瞬态过程最长，并且瞬态过程引 起的能量偏差将全部积累在直流母线支撑电容上面，这将引起直流电容上较大的 电压波动。由能量守恒定律，交流侧开关频率次电流脉动能量变化最大值等于直 流支撑电容上能量脉动最大值。可由相关文献 可得，在选择

26、直流母线支撑电容 的时候，为了减小直流侧电压纹波，选择直流电容标准为:Llflsr2U dcU dcr所给实际参数为Udc 400V，L 12mH， ls为交流测输入的电流值，取3000/220=13.6A,怯为交流侧输入电流的纹波系数，取10%, U dcr为直流侧输出电压的纹波系数，取2%。带入上述公式可得：C 139uF，为了使输出直流成分更大，此处可取大于10 倍，即取 C 1600UF。3.5 直流侧LC滤波电路的设计分析整流器工作在单位功率因数，忽略整流器损耗。从电网提供的瞬时功率可以看到，整流器输入功率包含恒定的直流分量和2倍电源频率脉动的交流分量。如果直流侧瞬时功率存在 2倍于

27、电网频率的交流分量，此 2倍于电网频率 的交流分量会在直流母线支撑电容上产生2倍于电网频率的交流电压，即直流母线支撑电容上的电压是一个直流电压叠加一个2倍于电网频率的交流电压。如果在直流支撑电容两端并联一个谐振频率为2倍电网频率的LC滤波器,使得2倍频交流电流分量流过该谐振滤波器，使得流入直流母线支撑电容的电 流仅仅是直流分量，那么直流母线电压必然是稳定的直流电压。因此，为了使 单相电压型PWM整流器输出电压仅为稳定的直流电压，需要在直流母线电容 两端并联谐振频率为2倍于电网频率的LC谐振滤波器。在实际问题中，设计直流侧 LC谐振电路时，主要考虑以下两个方面的问题：（1）LC谐振滤波器的谐振频

28、率是 2倍于交流侧输入电压频率。（2）将电容C取得稍微大一点。谐振频率为：f4. 单相PWK整流电路的仿真及分析4.1 整流电路的simulink仿真运用matlab/simulink对此单相PWM电压型整流电路进行仿真，可由上述参 数选择公式计算出参数，其仿真参数如下：单相交流电压220V整流器输入侧电感12mH整流器输入侧电阻0.1 Q直流侧电容1600uF直流侧负载电阻50 Q直流侧负载电阻400VIGBT开关频率10kHz输出功率3KW仿真电路控制信号方式采用直接电流控制，仿真电路图如图6所示。图6单相电压型 PWM整流电路仿真通过电压和电流反馈，然后再与三角载波做比较，得到两组互补的

29、 PWM控 制信号，去控制IGBT的通断，已达到最后输出电压维持在 400V附近。仿真后 的输出电压波形如下图7所示，可以看出在0.02秒之前上升的非常快，之后就图7单相电压型 PWM整流输岀的电压波形直流侧电压稳定时输出直流电压波形的效果，可见输出直流侧电压波形较理 想,与理论分析的基本一致。下图7为单相电压型PWM整流输入电压电流波形, 从中可以看出两者之间的关系。图8单相电压型 PWM整流输入电压电流波形经过PWM整流器后，稳定时输入电流与输入电压基本同相位，在同时取得 最大值和最小值。出仿真电路稳定运行后交流侧电流为规则正弦波且与交流侧电 压同相位。这样，输入效率也就提高了，经这种方式整流，其功率因数可以无限 接近于1对电网的谐波干扰很小。对于控制信号PWM，四个IGBT的触发信号