单相pwm整流器研究优秀毕业论文

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1、 分分 类类 号号 学号学号 M200971884 学校代码学校代码 10487 密级密级 硕士学位论文硕士学位论文 单相单相 PWM 整流器的研究整流器的研究 学 位 申 请 人学 位 申 请 人 ： 贺博贺博 学科专业学科专业 ： 控制理论与控制工程控制理论与控制工程 指导教师指导教师 ： 程善美程善美 教授教授 答辩日期答辩日期 ： 2012 年年 2 月月 10 日日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Research

2、 on the Single-Phase PWM Rectifier Candidate : He Bo Major : Control Theory and Control Engineering Supervisor : Prof. Cheng Shanmei Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. China February, 2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集

3、 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者

4、签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 随着电力电子装置的应用日益广泛，电网谐波和无功问题日益严重，各国相继 制定了严格的谐波和无功治理标准。传统的整流装置如不控整流或半控整流都会产 生大量的电流谐波和无功功率，而 PWM 整流器具有输入电流谐波小、功率因数可 控等优点，因而具有广泛的应用前景。 本文主要对电压型单相 PWM 整流器的相关问题进行研究。 在研究单相 PWM 整 流器的拓扑结构基础上，深入分析了单极性和双极性 PWM 调制原理。通过引入开 关函数建立了单相 PWM 整流

5、器的时域和频域数学模型，在此基础上研究了其直流 电压控制策略以及输入电流的直接控制策略。 针对输入电流直接控制的正弦量跟踪问题，设计了一种比例谐振控制器，通过 在输入电流基波频率处产生谐振，获得较大的增益，从而大大提升输入电流跟踪的 动态性能。针对单相 PWM 整流器直流输出电压存在的二倍基频波动问题，为消除 了其对输入电流控制的影响设计了一种陷波滤波器。 在理论研究的基础上， 本文运用 MATLAB/SIMULINK 仿真软件对单相 PWM 整 流器进行了系统仿真，并对主电路参数的选择和设计以及硬件电路的实现进行了研 究，并以 TMS320F28335 为控制核心搭建了实验平台。仿真和实验结

6、果验证了理论 研究的正确性。 关键词关键词：单相 PWM 整流器，比例谐振控制，直流电压纹波抑制，电力锁相环 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract As the wide use of power electronics device, the current harmonics and inactive power problem in power grid has become more and more severe. So some strict standards were published by many countrie

7、s. Traditional rectifiers such as uncontrolled or half-controlled ones will generate a mass of harmonics and inactive power. On the other hand, PWM rectifier, with the advantage of low harmonics and controllable power factor, has a good prospect for application. The research was focused on voltage s

8、ource single-phase PWM rectifier (VSSR). At first, topology was studied, based on which, the principles of unipolar and bipolar PWM modulation was investigated and compared. Then, through introducing switch function, time-domain and frequency-domain models of VSSR were established, based on which, D

9、C voltage control strategy and indirect & direct control strategy for input current were discoursed upon. To improve tracking performance of sinusoidal input current, a proportional- resonant (PR) controller was proposed, which resonates at fundamental frequency of input current to obtain a high gai

10、n. There was a 2nd ripple in DC voltage of VSSR, to eliminate its influence to current control, a notch filter was designed. On the basic of theoretical study, simulation research was developed based on MATLAB/SIMULINK. And through designing power and control circuits, a experimental platform with a

11、 TMS320F28335 chip as control kernel was established. Both simulation and experimental results verified the theoretical research. Key Words: Single-phase PWM rectifier, Proportional-Resonant Control, DC voltage ripple suppression, Power PLL 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 III 目目 录录 摘 要 I Abstrac

12、t II 1 绪 论 1.1 研究背景. (1) 1.2 单相 PWM 整流器的发展及研究现状 . (2) 1.3 主要研究问题 . (12) 2 单相 PWM 整流器的原理及数学模型 2.1 单相 PWM 整流器的工作原理 . (14) 2.2 单相 PWM 整流器的数学模型 . (18) 3 单相 PWM 整流器的控制策略 3.1 前馈型直接电流控制 . (21) 3.2 比例谐振控制 . (23) 3.3 直流母线电压纹波的抑制 . (30) 3.4 网侧电压锁相 . (32) 4 系统设计 4.1 主电路设计 . (35) 4.2 控制系统设计 . (39) 5 系统仿真研究及物理实验

13、 5.1 系统仿真研究 . (47) 5.2 物理实验结果及其分析 . (52) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IV 6 总结与展望 6.1 总结 . (57) 6.2 展望 . (57) 致 谢 . (59) 参考文献 . (60) 附录 攻读学位期间发表的学术论文 (63) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 研究研究背景背景 随着电力电子技术的飞速发展，电力电子变流装置如变频器、逆变电源、高频 开关电源等已经广泛的应用于电力系统、化工、石油天然气、轨道交通、矿业、冶 金、港口机械、新

14、能源、通讯、家电等行业。目前，这些变流装置大都通过整流环 节来获得稳定的直流母线电压。传统的整流技术一般采用不控整流或相控整流方式， 会给电网带来大量的电流谐波和无功功率，造成严重的电网污染。电流谐波会降低 电能生产、传输以及利用的效率，大量的电流三次谐波流过中性线时会使电路过热 甚至引发火灾；谐波电流还会影响各种电气设备的正常工作，会产生震动、噪声和 过电压，使变压器局部过热，导致绝缘老化，降低电气设备寿命；谐波有可能使电 网局部产生并联谐振和串联谐振，使谐波危害加大；谐波导致继电保护以及自动装 置的误动作，另外还会对临近的通信系统产生干扰。无功功率的增加会导致电流增 大，从而迫使电气设备和

15、导线的功率容量增加；同时电路总电流的增加会导致设备 及线路的损耗增加；无功电流会使线路及变压器的压降增大，冲击性的无功功率负 载还会使电压产生剧烈波动，使供电质量下降。因此电流谐波和无功功率对电力系 统危害巨大，国外很早就制定了谐波抑制和无功补偿的相关标准，如： 1) 1992 颁布的 IEEE 519 标准对电力系统谐波控制进行了规定； 2) IEC1000-3-2 标准从电磁兼容的角度对谐波电流的产生进行了限制； 3) IEC 555-3 标准对接入公用低电压电网系统的设备进行了谐波抑制规定。 我国从 1994 年开始实施电能质量公用电网谐波标准。 为了满足谐波及无功的标准，需要对电网谐波

16、进行治理。目前谐波和无功功率 治理的方法主要有以下几种： 1) 无源电力滤波器(Passive Filter，简称 PF) 无源电力滤波器是指安装在电力电子装置与电网之间的，由电感、电容、电阻 等无源器件构成的滤波装置，它具有结构简单、成本低、运行和维护方便等优点， 可以同时补偿谐波和无功功率。 但由于其结构原理上的缺点，在应用中也存在难以 克服的缺点，如 PF 的谐波补偿频带窄，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波 会起到放大作用；当系统阻抗和频率变化时，可能会与电网阻抗之间发生串、并联 谐振现象；装置笨重，体积大，损耗大等。 2) 有源电力滤波器(Active Power FilterAPF) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 有源电力滤波器是上世纪70年代出现的一种应用电力电子装置进行谐波和无功 补偿的方法1，根据与电网连接方式的不同，APF 分为并联型和串联型两大类，并联 型 APF 通过向电网注入与谐波电流和无功电流等幅