论文总字数：20732字

摘 要

上个世纪九十年代，随着人们实际应用需求的提高，原来的不控型和半控型整流器的不足慢慢显现出来。不控型整流器仅允许从交流侧向直流侧传输电能，功率因数较低，且存在很高的谐波电流。半控型整流器的交流侧电流、直流侧电流、直流侧电压均存在谐波，当谐波注入电网时，便形成了所谓的电网“污染”，与此同时，交流侧的功率因数也很低。因此，全控型PWM整流器开始成为人们研究的热点。

本文基于单相电压型PWM整流器进行深入探讨，首先分析了单相PWM整流器工作运行的基本原理，对其数学模型进行推导及搭建，对其控制电路，尤其是控制电路中的电压与电流进行探讨，在此基础上探讨了其控制策略。同时，对于单相PWM整流器系统设计的相关参数进行了研究设计。最后在上述理论的基础上，通过MATLAB/ Simulink搭建了模型，进行仿真与验证。

关键词：单相PWM整流器 数学模型 控制策略 仿真验证

Design method and Realization of the single phase PWM rectifier

Abstract

In 1990s, with the practical requirements increased, the problems of uncontrolled or semi-controlled rectifiers gradually emerged in practice. The uncontrolled rectifier with diodes can only transmit the power from AC side to DC side. Moreover, the harmonic components of current is too much and the power factor is quite low accordingly. In addition, the harmonic currents exist both in the input and output sides for the semi-controlled rectifier. Accordingly, when the harmonic currents were injected into the grid, it will pollute the grid. Therefore, the PWM rectifiers became the attractive topic of rectifiers.

The single-phase PWM rectifier is studied in this paper. Firstly, the operation principle of single-phase PWM rectifiers is analyzed, and the relevant mathematical model were derived accordingly. The control strategies, especially the inner current loop and outer voltage loop are designed. Furthermore, the relevant system parameters are investigated and designed.

Finally, on the basis of the above theory, the simulation system model is built in MATLAB/Simulink to verify the studied theories.

Key Words：Single phase PWM rectifier;Mathematical model;Control strategy;Simulation verification

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 PWM整流器的研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 PWM整流器的发展及研究趋势 2

1.2.1 PWM整流器的发展 2

1.2.2 PWM整流器的研究趋势 2

1.3 本文研究内容 2

第二章 单相PWM整流器的工作原理和数学模型 4

2.1 主电路拓扑结构 4

2.1.1 不控电压型和半控电压型整流器 4

2.1.2 单相电压型PWM整流器 5

2.2 单相PWM整流器的工作原理 8

2.2.1 单相PWM整流器的相量图 8

2.2.2 单相PWM整流器的性能要求 9

2.2.3 单相PWM整流器的调制策略 10

2.3 单相PWM整流器的数学模型 15

2.3.1 静止坐标系中的数学模型 15

2.3.2 dq和αβ坐标系中的数学模型 16

第三章 系统参数设计 18

3.1 主电路设计 18

3.1.1 交流侧电感设计 18

3.1.2 直流侧电容设计 22

3.2 控制电路设计 23

3.2.1 电流内环控制电路设计 23

3.2.2 电压外环控制电路设计 25

3.3 锁相环技术 25

3.3.1 基本锁相环的结构与原理 25

3.3.2 单相锁相环技术 26

第四章 仿真系统设计与验证 28

4.1 仿真软件的介绍 28

4.2 仿真模型的设计验证 28

第五章 总结与展望 35

5.1 本文工作总结 35

5.2 本文工作展望 35

参 考 文 献 36

致 谢 37

第一章 绪 论

1.1 PWM整流器的研究背景及意义

1.1.1 研究背景

半导体器件的性能在电力电子技术的更新换代中逐渐得到飞速的提升，在普通的电力电子电路中使用的普通晶闸管如SCR，被可控性更高的全控型器件所取代，使得由此控制的电力电子电路的输出量更加稳定精确。这样的全控型器件主要有以下几大类：GTO（门极关断晶闸管）、MOSFET（电力场效应晶体管）以及IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等^[1]。这些器件的出现也使得变流装置经历了一次重大的技术革新，传统的整流装置（不控整流器和半控整流器）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，因而以PWM（脉宽调制）为基础的变流装置在电气电路的应用中逐渐脱颖而出，如变频器、逆变电源等在各大领域的应用越来越广泛。

上个世纪80年代PWM整流器技术开始出现在电路实验中，经历了三十多年的坎坷发展，该技术也逐渐趋于完善。PWM整流器除了有单相和三相两种主要结构之外，还有大家不太熟知的多相组合多电平的主电路结构；其主要的结构电路也由早期的半控型逐渐被全控型所替代。

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