摘 要

电压型整流器是整流器中比较常见的整流结构，它的模型构造比较简约，储能效果比较好、损耗较低、动态响应较快，便于控制，相比于电流型整流器更加广泛的应用于国民经济各个部门，因此，电压型整流器是一种有巨大商业和学术潜力的研究。本文有针对性的对电压型PWM整流器进行了如下探讨：

首先整体介绍了电流型和电压型整流器以及两者之间的差别，其次又详细的讨论了电压型PWM整流器的电路结构，模型和控制方法以及其相关应用。

详细阐述了三相电压型PWM整流器的电路结构和它的工作原理，通过了解其整流原理后再搭建出三种常见不同坐标系下的模型。通过分析和比较建立的模型达到更深刻更简洁明了的理解整流原理的目的，正是由于这些模型的搭建，使得电压型PWM整流器有了更多更完善的理论依据。

对三相电压型PWM整流器的控制方法也做了进一步研究，电压型PWM整流器的控制策略主要有两种，一种是直接电流控制；另一种是间接电流控制。本文不仅介绍了两种控制方法的控制方法而且对直接电流控制进行了详细的分析，搭建了双闭环控制电路并对其参数设计方法进行细致的介绍。

将建立的模型，采用的控制方法运用到一个完整的电路结构中，并在Matlab中进行仿真和调试，通过波形和数据的直观表现方式，更加简洁明了的看出三相电压型PWM整流器的优势。

关键词： 三相电压型PWM整流器；数学建模；控制技术； Matlab仿真

Abstract

Voltage rectifier is the most common rectifier structure in rectifier. Its model structure is relatively simple, its energy storage effect is relatively good, the loss is low, the dynamic response is fast, and it is easy to control. Compared to the current rectifier, it is more widely used in all sectors of the national economy. Therefore, the voltage rectifier is a huge business. Research on the potential of industry and academia. This paper mainly discusses the voltage type PWM rectifier in the following aspects:

Firstly, the current and voltage rectifier and the difference between them are introduced. Secondly, the circuit structure, model, control method and its application of voltage type PWM rectifier are discussed in detail.

The circuit structure and working principle of the three-phase voltage type PWM rectifier are analyzed in detail. After understanding the principle of the rectifier, the model under the different coordinate system is set up,and the model established by the analysis and comparison is achieved to achieve a more profound and concise and clearer principle. The purpose of the rectification principle is that the construction of these models makes the voltage PWM rectifier more perfect theoretical basis.

The control method of the three-phase voltage type PWM rectifier is further studied. There are two main control strategies for the current type PWM rectifier, direct current control and indirect current control. This paper not only introduces the control methods of the two control methods but also analyzes the direct current control in detail, and sets up the double closed loop control. The circuit is designed and its parameter design method is introduced in detail.

The established model and control method are applied to a complete circuit structure, and the simulation and debugging in Matlab are carried out. The advantages of the three-phase voltage type PWM rectifier are more concise and clearer through the visual representation of the waveform and data.

Key Words：Three phase voltage type PWM rectifier; mathematical modeling; control technology; Matlab simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本章小结 3

第2章 PWM整流器的拓扑结构 4

2.1 PWM整流器的基本原理 4

2.2 电流型PWM整流器 5

2.3 电压型PWM整流器结构及其建模 6

2.3.1 单相电压型PWM整流器结构 6

2.3.2三相电压型PWM整流器结构 7

2.3.3 三相静止坐标系下的数学模型 7

2.3.4 两相静止ɑβ坐标系下的数学模型 8

2.3.5 两相同步旋转dq坐标系下的数学模型 10

2.4 本章小结 11

第3章 三相电压型PWM整流器控制方法的研究 12

3.1 间接电流控制 12

3.2 直接电流控制 13

3.3 电流内环控制器设计 14

3.4 电压外环控制器设计 18

3.5 本章小结 20

第4章 三相电压型 PWM 整流器电路参数设计 21

4.1 交流侧电感的参数设计 21

4.2 直流侧电容参数设计 23

4.3 本章小结 23

第5章 Matlab仿真及仿真结果 24

5.1 仿真软件介绍 24

5.2 仿真电路模型 24

5.3 仿真结果 27

5.4 本章小结 29

第6章 结论与展望 30

6.1结论 31

6.2展望 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景

网侧功率因数低一直是整流器发展过程中一个令人头疼的问题；然而，运行时向电网注入谐波电流更是传统相控技术的电力电子装置发展过程中的不可忽略的又一大难题，它们给电网的正常运行带来了严重的困扰，不但使得电网的无功耗损与线路压降增大，还引起了电网的谐波耗损，由于谐波电流在传输线上的流动会引起各种谐波干扰，会导致相关的电子仪器和设备等的谐波干扰危害。

愈来愈严重的电网污染让世界上许多国家都重视起来，不少国家制定了相关的限定谐波的国家标准。在90年代的时候，中国就颁布了相关的标准。由于新标准的出台，传统的变流装置因此面临着前所未有的挑战。

到现在为止，设置补偿装置和功率因数校正是解决谐波问题的首选方案。设置补偿装置主要是补偿已知频率谐波，这种方式的优点在于所有的谐波源都可以使用，但是不足的是补偿的应用范围是有限的，只能补偿规定频率的谐波，此外当电网由于自身特性或者受到干扰时，有可能会造成并联谐振，继而使电网的设备和仪器过载或烧毁。除了这种方法，就是通过PFC功率因数校正。将整流器与PWM调制技术相结合，能够使整流器的输出直流电压更加平稳，而且也能让网侧电流正弦化。PFC技术相比于补偿装置来说，功率因数相对可以达到更高、电路设计和控制方面更加简单、谐波小等优点。因此这也是目前比较普遍的整流方式，具有很大的发展意义和发展前景。

上个世纪七十年代始，有人尝试将PWM技术引入整流范畴，通过一段时间的研究，井取得了不错的成果。三相整流电路由于采用PWM技术可以实现功率因数为1以及使网侧电流正弦化，这也就是我们所说的三相PWM整流。与传统相控整流比较来说，在电容、电感等无源滤波和储能元件方面，PWM整流电路的要求较为宽松，就其性能而言，也有不同程度的改善。但是由于全控器件的研究发展比较缓慢，谐波污染问题当时也没有受到十分的重视，导致PWM整流虽然已经进行研究了，但是并没有太大的业界反响和广泛应用。跟着全控型功率开关器件的发展，人们很快发现了全控型期间的各种优点，以IGBT为代表的全控型功率开关器件因此得以在短时间内快速发展和广泛运用，这也为PWM整流电路的大规模现实利用提供了有利条件。PWM整流电路能够实现网侧电流正弦化，而且能够实现高功率因数运行，既可以使能量从网侧到直流侧，又可以使能量从直流侧到交流侧，体现了"绿色电能交换"的理念，在体积和重量上比传统相控整流器低很多，动态响应速度也有十分明显的提升[^[1]]。如今，功率因数校正技术在电路结构和控制方面已经发展的愈来愈好了。

有源功率因数校正技术在得到业界学者的认同和支持后，快速成为大家钻研的热门课题，无论是我国还是外国都在积极的研究。近些年来有源功率因数校正技术的研究热门依旧是提升其稳态和动态性能、降低成本和提高效率等方面。

随着发展越来越快，研究内容愈来愈多，愈来愈多样化，各种不同的PWM整流器出现在人们的视线里。比如按直流储能形式分出的电压型PWM整流器和电流型PWM整流器,按电网相数分出的单相、三相、多相PWM整流电路,按桥路结构分出的半桥电路和全桥电路，按调制电平分出的二电平、三电平、多电平电路以及按按电路的拓扑结构和外特性分的电压型PWM整流器和电流型PWM整流器^[[2]]。

PWM整流器和传统的整流器在结构上是基本一致的，PWM整流器抛开了以往二极管不控整流和晶闸管相控整流，改进使用全控器件，与传统功率因数校正技术相比，PWM整流技术能够根据需要调整功率因数，在电流质量和动态响应速度方面也有很多提高，而且能量流动也不再是单向的，因而大大提高了电能利用率。而由于PWM整流的各种优点，PWM整流技术也不断被世界各国所应用和不断开发。经过各国的科学研究，PWM整流器在主电路结构、建模和控制方法等方面都得到了新的改进和突破。

1.2 国内外研究现状

自上世纪80年代自关断器件不断发展成熟开始，整流器也随之进入了新的发展历程，PWM整流开始替代传统整流方式。几年后有人第一次提出了新型的整流结构，这就是目前常用的三相全桥 PWM 整流器拓扑结构。除了结构方面的创新，还在控制策略上有新的突破，世界上首次出现了网侧电流幅相控制策略，后来无功补偿器控制方法、坐标转换，各种动态的数学模型及控制方法等各种新的控制方法不断被研究者们发明出来，PWM 整流器很快就进入一个新的发展纪元。经过几十年国内外学者的艰苦卓绝的探索和钻研，PWM 整流器技术已经愈来愈完善，不管是从电路结构，还是从所使用的开关器件，或者是功率因数等发面都取得了很大的进步。

随着各种技术愈来愈成熟，PWM整流器的各方面也得到不断优化，目前广泛使用的两种PWM整流结构是电压型和电流型，其英文缩写分别是VSR和CSR。VSR的直流侧的采用的是电容储能，主要起到滤波稳压的作用，直流侧相当于一个低阻电压源；而CSR直流侧采用的是电感储能，主要起到滤平稳电流的作用，直流侧相当于一个高阻电流源[^[3]]。通过长期的研究发现相比于由于CSR，VSR在结构、储能、损耗、动态响应和控制等方面都有更明显的优势，CSR主要因为直流电感的存在以及交流 LC 滤波环节，这让CSR的结构和控制相对复杂，同时也使系统的损耗大大增加，因此目前 CSR 主要是运用在超导储能方面。

在PWM整流器的控制方面的突破是很明显的，控制PWM整流器不仅为了能够得到稳定的直流电压，另外就是为了让网侧电流正弦化并能够跟踪电网电压变化，这也就是实现功率因数为1。电压型PWM整流器交流侧电流控制方法主要有两种方式，一种是间接法，另一种是直接法。间接电流控制法的控制手段相对比较多样，例如基于交流侧电容电压滞环控制的控制方法，基于交流侧电流的控制方法。采用间接控制其电路更加简便，便于计算机操作，而且还可以运用一定的方法减小谐波和电压的波动。不过由于其存在动态响应速度不快、瞬态电流超调量比较大、也就是直流分量的偏移等问题的存在可能使得整个系统的稳定性受到不同程度的影响。因为这个缘故，现在的大多数 PWM 整流器采用的控制方法是直接电流控制方法，这种控制方法是通过采用有电流内环或状态反馈实现的。由于这种直接控制法在低压领域有其特有的控制优点，因此常用在功率不高的场所。直接电流控制也有很多分类，比较常见的是电流跟踪型 PWM 控制，在电流型的控制方面，又可以根据具体情况将其分为开关频率固定 PWM 控制和空间矢量 PWM 控制，而这两种控制方法是也是运用最广泛的。

我国开始钻研功率变流领域方向的时间相对于国外是有点迟的，也因此目前在这些研究方向上和国外成熟的研究体系还是有差距的。目前我们国家也在积极的向国外学习，向他们学习相关的经验和知识，学习他们先进的发展成果，利用各种机会和优秀的发展团队一起互相交流取经。尽管如此，我们现在的发展技术和国外成熟的研究成果相比还是有很大的差距，我们的科研水平和开发经验都远远不足。我们的研究方法，研究思路在一定程度上都有所局限，我们目前的发展还缺乏一条全新的通道，缺乏有一种先进的思维来发展中国的PWM 变器。

正是因为如此，我们需要不断努力钻研，不断研发出性能优越、价格低廉的 PWM 变流器，这是我们在工业方面面临的一个挑战，这不仅对于我国的工业产业，而且对我国各项技术的发展具有非常重要的意义，只有在技术上取得突破，我们才能最终实现产业化，中国的工业基础才会牢固，我们的技术发展才更有竞争力。

1.3 本章小结

本章主要介绍了整流器的研究背景和意义以及国内外的发展现状，为后面的研究提供了理论方向。

第2章 PWM整流器的拓扑结构

2.1 PWM整流器的基本原理

随着人类技术的发展，电力电子技术经历了漫长的时期，各种变流装置层出不穷，整流器是其中比较突出的代表。整流器的发展历程很漫长，最开始的整流主要是不可控整流，采用二极管作为开关管，二极管整流器在功率因数方面是不错的，但是由于其直流侧电压不可控并且二极管整流也会有很大的谐波污染导致二极管整流逐渐被相控整流所替代。经过很长一段时间的发展，相控整流技术已经炉火纯青，虽然发展技术已经很完善，但是由于其晶闸管自身的特点也对相控整流器带来一定的缺陷，晶闸管是一种需要换流的开关，在换流过程中会引起交流侧电压波形畸变；而相控整流交流侧会产生许多谐波，造成谐波污染等各种问题。

为了解决不控整流和相控整流存在的问题，PWM整流器慢慢出现在人们的视野。随着逐渐发展成熟的PWM技术与整流器的完美结合，使得传统整流电路中出现的功率因数低下，谐波污染严重，响应速度不够快等问题得到了妥善的解决。目前的PWM整流技术可以实现交流侧电流正弦化，并且可以使其可以使功率因数为1的情况下进行整流，还能实现电能双向传输；并且可以得到较快的动态控制响应。

随着人们对整流要求的不断提高，PWM整流技术也愈来愈完善，PWM整流器已经不单单可以用来整流，它还实现了逆变功能。PWM整流器不仅可以在整流时让能量从交流侧传到直流侧，还可以在逆变时让能量反过来传输。当PWM整流器获得电网能量时，整流器是在进行整流工作的；而当PWM整流器送给电网能量时，整流器是在进行逆变工作的。而要实现单位功率因数，就需要在整流时让网侧电压和电流相位相同；逆变时，让网侧电压和电流相反^[[4]]。这种PWM整流器也就是一种可以控制的可以四象限运行的变流器。

图2.1 PWM整流器的模型电路

图2.1是PWM整流器的模型电路，从图中可以一眼看出PWM整流器的组成结构，主要就是三个部分：交流回路、开关管组成的整流桥和直流回路。图中左侧的交流回路主要是由交流电动势E和交流侧电感L构成；而负载电阻R和稳压滤波电容C构成了右侧的直流回路。当不考虑开关管的损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得

（2.1）

式中 v、i表示交流侧电压、电流，Ud,I表示直流侧电压、电流。交流和直流息息相关，无论控制其中的哪一侧都可以实现控制另一侧的目的。

我们所需的PWM波是通过三相交流电分别与三角载波进行比较后产生的, PWM 波可以驱动功率开关管,而SPWM 波同时会产生与高频三角波相关的高次谐波,而由于电感的作用,高次谐波电压产生几乎被交流电流忽略,这样就可以得到相位和相电压一致的角度,从而使功率因数接近于１。

2.2 电流型PWM整流器

如下图所示是电流型 PWM 整流器拓扑结构图，从图中可以看出在整流器直流侧的储能元件是电感，这样的结构不仅使整流器的直流侧呈现高阻抗的电流源特性，同时也起到稳定直流的作用。

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