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1、摘 要随着人们生活水平的改善，对电能质量的要求日益提高，传统的整流方式给电网带来大量的谐波和无功污染，已经不再适用于当今社会。而三相电压型PWM整流器具有网侧单位功率因数，谐波含量少，电流正弦化和电能双向传输等优点，能从根本上解决谐波和无功问题，已经成为电力电子技术研究中的热门课题。本文首先介绍了PWM整流器的背景与意义，国内外发展概况以及主电路拓扑结构。然后设计了三相电压型PWM整流器，主要包括硬件和软件设计。硬件部分主要有交流侧电感和直流侧电容的设计，主功率开关器件和DSP的选型，采样电路和调理电路的设计，驱动电路和保护电路的设计以及过零检测电路的设计等；软件部分则是编写了设计流程图，主要
2、包括主程序、中断服务程序和中断服务子程序的流程图。关键词： PWM整流器 DSP 单位功率因数 IPMAbstractWith the improvement of peoples living standards，the power quality requirements are increasing. Conventional mode of rectification brings of harmonics and reactive power contamination to the power system, is no longer applicable to todays so
3、ciety. The three-phase voltage-type PWM rectifier, however, boasts of several advantages, such as, mesh side unity power factor, less harmonics, sinusoidal currents and two-way power transmission, etc. It is therefore able to fundamentally remove subsequent harmonics and reactive power, having becom
4、e a hot topic in the research of power electronics.This paper firstly introduces the background and significance of PWM Rectifier, its domestic and overseas development, as well as the main circuit topology, then devising a three-phase voltage-type PWM rectifier, including hardware and software desi
5、gn. The former mainly includes the design of AC side inductance and DC capacitor, the selection of main power switching devices and DSP, and the devise of sampling circuit, conditioning circuit, drive circuit, protection circuit, as well as zero-crossing detection circuit, and so on. The latter incl
6、udes the design flow chart for the main program, interrupt service routine and its subroutine.Key word： PWM rectifier DSP Unity-power factor IPM目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 PWM整流器研究的背景与意义11.2 PWM整流器的国内外发展概况21.3 本文主要工作32 PWM整流器的分类及主要拓扑结构42.1 PWM整流器的分类42.2 PWM整流器主要拓扑结构52.2.1 电压型PWM整流器拓扑结构52.2.2 电流型PWM整流器
7、拓扑结构63 三相电压型PWM整流器的总体设计方案93.1 技术指标93.2 方案介绍93.3 固定开关频率的SVPWM电流控制策略104 三相电压型PWM整流器的硬件设计134.1 主电路硬件设计134.1.1 交流侧电感设计134.1.2 直流侧电容设计144.1.3 开关器件的设计154.1.4 熔断器的选择164.2 基于DSP的控制电路硬件设计164.2.1 TMS320F28335的介绍174.2.2 采样电路设计194.2.3 调理电路设计224.2.4 过零检测设计234.2.5 驱动电路设计244.2.6 电源设计254.2.7 保护电路设计275 三相电压型PWM整流器的软
8、件设计295.1 主程序介绍295.2 中断服务程序介绍305.2.1 T1中断子程序315.2.2 eCAP捕捉中断子程序325.2.3 模数转换中断子程序335.2.4 SVPWM信号中断子程序346 结论36致 谢37附 录38参考文献39IVXX师范大学科文学院本科生毕业设计 三相电压型PWM整流器的研究1 绪论1.1 PWM整流器研究的背景与意义1957年电力电子技术的诞生后，电力电子技术迅速并广泛应用在各行各业，它不仅用在一般的工业领域，也广泛的用在电力系统、交通运输、新能源系统、通信系统等领域，在照明、冰箱等家庭用电设备及其他领域也有着广泛应用。电力电子技术能根据不同的用电场合，
9、完成交流变直流（AC-DC）、交流变交流（AC-AC）、直流变直流（DC-DC）和直流变交流（DC-AC）的电力变换。从而使电能更加广泛应用于各行各业，并且通过功能的增加和性能的提高来使利益最大化。由于电力电子技术的不断发展，使得功率开关器件的性能得到了很大的提高，从早期使用的半控型功率开关器件发展到如今的全控型功率开关器件。20世纪90年代，智能功率模块（IPM）的出现，使功率开关器件在智能化方向有了新的研究前景。由于功率开关器件技术的不断完善，从而推动了电力变换设备的迅猛发展，出现了以脉冲宽度调制（PWM）控制为理论基础的各种电力变换设备，如逆变电源、高频开关电源和特种变流器等。但是，目前
10、这些变换设备都包含整流过程，将交流电压转换成直流电压。传统的整流方式一般采用二极管不可控整流器或者晶闸管相控整流器，这种方式容易造成网侧电流波形畸变，并且向电网中注入了大量谐波和无功功率，而引起网侧功率因数的降低，使电网受到了很大的污染。解决谐波和无功功率的问题主要有两种基本思路：第一种是采用无功补偿器和滤波器，对网侧已经产生的谐波和无功功率进行补偿；第二种是对整流设备进行改进，使网侧电流正弦化，且电流与电压相位相同，则不会产生谐波和消耗无功功率。由于PWM控制技术的广泛应用，使PWM整流器得以诞生。PWM整流器采用的是全控型功率开关器件，电路的结构简单，工作的频率高，而且只需要通过控制开关器
11、件的通断就可以控制交流侧电流波形，从而可实现网侧电流正弦化，并且电压和电流的相位相同。由于直流侧输出电压可以控制，并且可逆PWM整流器能在四象限运行，既可以工作在整流状态，也可以工作在有源逆变状态，符合当今社会提倡的“绿色电能变换”的思想，所以对PWM整流器的研究有很大的意义。1.2 PWM整流器的国内外发展概况20世纪80年代，国内外学者开始对PWM整流器进行研究，源于自关断器件技术逐渐成熟并且广泛应用。从20世纪90年代开始，PWM整流技术成为了电力电子领域研究的热门课题。随着研究的不断深入，与PWM整流器相关的应用领域也得到了快速发展，如有源电力滤波（APF）1、超导储能(SMES)2、
12、静止无功补偿（SVC）、功率因数校正（PFC）、高压直流输电（HVDC）3以及统一潮流控制器（UPFC）4等。当前对PWM整流器的研究主要在以下几点：（1）PWM整流器拓扑结构的研究1982年Busse Alfred、Holtz Joachim提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构5。后来一些学者根据不同的功率等级和不同的用途，改进并发展了电路拓扑结构，大致可分为电压型和电流型两大类。在小功率的应用场合，研究主要是减少功率开关器件数目和优化直流输出性能；而在大功率的应用场合，研究主要是多电平拓扑结构6、变流器组合7和软开关技术8。但是随着人们生活水平提高，对功率需求的不断增大，使得
13、PWM整流器功率的增大，因此对PWM整流器的主电路拓扑结构研究还需要进一步的完善。（2）PWM整流器系统控制策略的研究电压型PWM整流器网侧电流控制策略可分为两大类：间接电流控制9和直接电流控制10。间接电流控制是直接控制网侧电压，从而间接控制网侧电流的，实际上就是“幅相”电流控制。间接电流控制优点就是结构不复杂、不需要对交流侧电流进行采样，但是它的最大缺点网侧电流的动态响应缓慢，稳定性不高，因此用在对动态响应速度要求不高、控制结构无需复杂的场合。直接电流控制具有提高电流的动、静态性能，增强了电流控制系统的鲁棒性等优点，所以直接电流控制技术有着广阔的应用前景。当前对直接电流控制技术的研究集中在
14、算法上，经过国内外学者的不断研究，出现了很多不同的控制方案，如固定开关频率电流控制、空间矢量电流控制和直接功率控制等。另外，状态反馈控制、非线性状态反馈、神经网络控制等技术还不够成熟，需要学者们进一步深入研究。（3）三相电压型PWM整流器调制方法的研究三相电压型PWM整流器最常用的调制方法有两种：一种是SPWM调制方式，该方法是最基本的调制方式，易于理解，容易实现。另一种是空间矢量脉宽调制（SVPWM），这种方式对谐波抑制很好。20世纪80年代，国外学者提出了SVPWM方法，刚开始只用在交流电机变频传动控制，但是近年来也用在对三相电压型整流器的控制。与传统PWM和SPWM方法相比较，SVPWM
15、动态响应速度快，稳态性能高，电压利用率高，但实现比较复杂，实时控制要求高，需要高频的微处理器。近年来，SVPWM的算法如何简单化成为了国内学者的研究目标。1.3 本文主要工作（1）介绍了PWM整流器的背景与意义、国内外发展概况，简述了PWM整流器的分类和主要拓扑结构。（2） 本论文以三相电压型PWM整流器为研究对象，制定了总体设计方案。（3）以智能功率模块（IPM）为硬件基础，对三相PWM整流器的主电路硬件部分进行设计。以数字信号处理器（DSP）为控制芯片，对三相PWM整流器的控制电路硬件部分进行了设计。（4）在三相PWM整流器系统硬件设计的基础上，设计完成了主要控制程序的流程图。2 PWM整流器的分类及主要拓扑结构2.1 PWM整流器的分类由于PWM整流器的不断发展，很多类型的PWM整流器已经研制并应用在各行各业。具体分类如图2-1所示。图2-1 PWM整流器的分类尽管对PWM整流器的分类方法有很多种，但是最主要的方法还是分为电压型和电流型这两种，因为这两种类型的PWM整流器不仅在主电
