1. 研究目的与意义（文献综述）

1.设计目的、意义和国内外研究现状

现舰船上有用于焊接的加热电源需求，需要将380v三相工频交流电转换为36v直流电，拟采用pwm整流装置来实现。本设计的目的就是了解三相电压型pwm整流器的原理，并就36v-100kw加热电源的建模与仿真这一问题提出解决方案。

2. 研究的基本内容与方案

2.设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 设计的基本内容及目标

PWM整流器采用的是全控开关器件，电路结构简单，工作频率高且容易实现，通过控制开关器件的通断就可以控制整流器输入的电流波形，实现电压电流同相位或反相位，网侧功率因数近似达到1，谐波含量少，直流侧电压可控，并且这种结构的整流器能在四象限运行，可以工作在整流或逆变状态，是真正意义上的绿色装置，因此对 PWM 整流器的控制研究意义重大。

本设计具有以下目标：要求通过原理分析和公式分析能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识的基本概念用于对电气工程及其自动化专业领域复杂工程问题的适当表述之中；能运用数学、自然科学、工程科学的基本原理描述典型电气工程及其自动化专业领域的复杂工程问题的物理本质，并抽象、归纳，理解其局限性，以获得有效结论；了解三相电压型PWM整流器的原理，并就36V-100kW加热电源的建模与仿真这一问题提出解决方案；了解加热电源的发展历史，熟悉电气工程及其自动化专业领域科学原理和基本研究方法；能够选择与使用恰当的数字仿真、计算机辅助电路设计等现代工程工具，对电气工程及其自动化专业领域复杂工程问题进行预测与模拟，并能够理解其局限性；能够基于工程相关背景知识，合理分析电气工程及其自动化专业工程实践和复杂工程问题解决方案与社会、健康、安全、法律以及文化的关系；能考虑到设计的实用性和现实意义的相关约束，以及对现实生活的影响，理解并掌握工程管理与经济决策的一般知识。

2.2 采用的技术方案及措施

2.2.1 电路结构拓扑

随着PWM整流器技术的发展，多种PWM整流器已经被设计出来。按直流储能形式分类，有电压型和电流型PWM整流器；按电网相数分类，有单相电路、三相电路、多相电路PWM整流器；按PWM开关调制分类，有硬开关调制和软开关调制PWM整流器；按桥路结构分类，有半桥电路和全桥电路PWM整流器；按调制电平分类，有二电平电路、三电平电路、多电平电路PWM整流器。

尽管分类方法这么多，最基本的分类方法就是将PWM整流器分为电压型和电流型两大类，主要原因是无论是主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面，这两类PWM整流器均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类于电压型和电流型PWM整流器之列。

电压型PWM整流器（Voltage Source Rectifer-简称VSR）最显著的拓扑结构特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。

如图2-1分别为VSR单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构。两者交流侧具有相同的电路结构，交流侧电感的作用主要是滤除网侧电流谐波。由图2-la所示，单相半桥VSR拓扑结构只有一个桥臂采用了功率开关管，另一桥臂则由两个电容串联组成，同时串联电容又兼作直流储能电容。半桥电路具有较简单的主电路结构，适用于低成本、小功率场合。

图2-1b所示的单相全桥VSR拓扑结构则采用了具有4个功率开关管的H桥结构。需要指出的是：为缓冲PWM过程中的无功电能，VSR主电路功率开关管必须反并联一个续流二极管。单相全桥的功率开关管数是半桥电路的两倍，所以造价相对较高。进一步研究表明，当获得和单相半桥VSR同样的交流侧电流控制特性，全桥电路直流电压仅须为半桥电路直流电压的一半，所以全桥结构的功率开关管耐压要求相对较低。

三相半桥VSR交流侧采用三相对称的无中线连接方式，并采用6个功率开关管。如图2-2，这是一种最常见的三相PWM整流器。

三相半桥VSR较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡时，其控制性能将变差，甚至使其发生故障。为了克服这个缺陷，拓扑结构可采用三相全桥
VSR设计，如图23所示。

三相全桥VSR的特点是公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥VSR，并通过变压器连接至三相四线制电网。因此，三相全桥VSR实际上是由三个独立的单相全桥VSR组合而成的，当电网不平衡时，不会严重影响PWM整流器控制性能，由于三相全桥电路所需的功率开关管是三相半桥电路的一倍，成本成倍增加，因而三相全桥电路一般较少采用。

电流型PWM整流器（Curent Source Rectifier简称CSR）的最显著特点就是直流侧采用电感进行直流储能，从而使其直流侧呈现高阻抗的电流源特性。图2-4a为单相CSR拓扑结构。除了直流储能电感之外，与单相VSR相比，其交流侧增加了一个滤波电容，其作用与网侧电感一起组成LC滤波器，以滤除CSR网侧谐波电流，并抑制CSR交流侧谐波电压。此外，需要在CSR功率开关管支路上顺向串联二极管，目的是阻断反方向电流，并提高功率开关管的耐反压能力。图2-5b为三相CSR拓扑结构，这是一个半桥电路，其交流侧是一无中线的三相
对称LC滤波器。

就现状而言，由于电压型PWM整流器的实现相对容易，并且具有较简单的拓扑结构和控制响应速度，配置简单的输入滤波器即可实现较低的电磁干扰等特点，目前的研究多集中在电压型PWM整流器上。本次对PWM整流器的设计将采用三相半桥式VSR的拓扑结构。

2.2.2 控制策略

为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源的特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。目前，VSR电流控制技术主要分为两大类，即间接电流控制和直流电流控制。

间接电流控制技术实质上是通过PWM控制，在VSR桥路交流侧产生幅值、相位受控的正弦PWM电压。该PWM电压与电网电动势共同作用于VSR交流侧，并在VSR交流侧形成正弦基波电流，而谐波电流则由VSR交流侧电感滤除。由于这种VSR电流控制方式通过直接控制VSR交流侧电压进而达到控制 VSR交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种VSR简单控制方案。间接电流控制主要以相幅控制为代表，一般无需电流反馈控制，其主要问题在于电流动态响应不够快，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常适合于对三相VSR动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合。

相对于间接电流控制，直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，如滞环电流控制、空间矢量电流控制等。这类直接电流控制可以获得较高品质的电流响应。VSR直接电流控制是针对VSR间接电流控制的不足如动态响应慢、对参数敏感一一而提出来的。这种直接电流控制与间接电流控制在结构上的主要差别在于：直接电流控制具有网侧电流闭环控制，而间接电流控制无网侧电流闭环控制。由于采用网侧电流闭环控制，使VSR网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。当三相VSR应用于有源电力滤波等领域时，网侧电流的控制性能决定了系统性能的好坏。已经有学者提出的直接电流控制有固定开关频率的PWM电流控制和滞环电流控制等。

固定开关频率PWM电流控制的算法简单，实现方使，并且其固定的开关频率使网侧的变压器和电感设计比较容易。

因此，在本次设计中采用的控制策略拟定为基于固定开关频率的直接电流控制方式。

3. 研究计划与安排

3.进度安排

第1～2周：查阅文献，翻译外文资料，初步确定设计方案；

第3～4周：确定最终方案，进行可行性分析，并完成开题报告；

4. 参考文献（12篇以上）

4.阅读的参考文献

[1]赵振波，李和明.单位功率因数pwm整流器双闭环pi调节器设计[j].电工技术杂志.2003(5):68-84

[2]孙树朴，李明，王旭光，伍小杰，王勉华，郑征.电力电子技术[m].徐州：中国矿业大学出版社，2000