三相高功率因數(shù)PWM整流器的設(shè)計(jì)和研究

1、陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文三相高功率因數(shù)PWM整流器的設(shè)計(jì)和研究姓名：李相鋒申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：電力電子與電力傳動指導(dǎo)教師：孟彥京20080401三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究摘要隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以（）技術(shù)為基礎(chǔ)的功率變換裝置得到了越來越廣泛的應(yīng)用。整流具有高功率因數(shù)、低諧波污染、能量雙向流動、小容量儲能環(huán)節(jié)、恒定直流電壓控制等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)有源濾波、無功補(bǔ)償、潮流控制、太陽能發(fā)電以及交直流傳動系統(tǒng)等領(lǐng)域，具有越來越廣闊的應(yīng)用前景。因此，三相整流器成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題之一。本文主要研究了三相電壓型整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、控制策略、主

2、電路參數(shù)的選取與設(shè)計(jì)以及硬件的實(shí)現(xiàn)。建立數(shù)學(xué)模型是研究三相整流器的重要手段，本文通過在靜止坐標(biāo)系下建立仿真模型，應(yīng)用電壓空間矢量控制策略，對三相整流器的特點(diǎn)、性能及電路參數(shù)的選取進(jìn)行了深入的研究口并建立了環(huán)境下的仿真模型，對所做控制算法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的正確性和可行性。同時，這種控制算法亦能使整流系統(tǒng)的能量雙向流動，實(shí)現(xiàn)能量再生，且具有控制算法簡單。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用微處理器作為硬件控制核心的微機(jī)控制器將成為今后整流器的發(fā)展方向。隨著控制方法的不斷改進(jìn)與發(fā)展，對微機(jī)整流控制器的運(yùn)算速度提出了非常高的要求。本文根據(jù)這種要求，以（數(shù)字信號處理器）作為控

3、制核心，研究并設(shè)計(jì)了基于的整流器。文章分別從控制電路、測量電路、整流主電路、硬件實(shí)現(xiàn)等幾個方面論述了基于的整流器的硬件設(shè)計(jì)以及主要實(shí)時軟件的流程圖和實(shí)現(xiàn)方法。文中還介紹了（功率智能模塊）的使用，并基于此設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主電路。由于采用了這些先進(jìn)技術(shù)，使得本文中的整流器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、操作方便。關(guān)鍵詞：整流器，空間矢量，數(shù)字信號處理器，仿真，（），（），（），（），：，三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究原創(chuàng)性聲明及關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰

4、寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。論文作者簽名：日期：肚旦關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明本人完全了解陜西科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)陜西科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。同時授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。（保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）敞儲弛：蝴別俗緲蝴噦

5、彬三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究緒論諧波污染問題電網(wǎng)諧波及諧波的產(chǎn)生電力系統(tǒng)諧波問題并不是一個新問題，早在本世紀(jì)年代和年代就引起了人們的注意，當(dāng)時在德國由于使用靜止汞弧變流器的使用造成電網(wǎng)電壓和電流波形的畸變。到了年代和年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，推動了變流器諧波研究進(jìn)一步深入。電網(wǎng)諧波是由于與之相聯(lián)的非線性負(fù)載所產(chǎn)生，產(chǎn)生諧波的負(fù)載稱為諧波源【。電網(wǎng)中的主要諧波源有：（）各種電力電子裝置（包含家用電器、計(jì)算機(jī)等的開關(guān)電源）；（）電力變壓器；（）發(fā)電機(jī)；（）電弧爐。在電力電子裝置大量應(yīng)用之前，最主要的諧波源是電力變壓器的勵磁電流，其次是發(fā)電機(jī)。近二十年來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電

6、子裝置在電力系統(tǒng)、各個工業(yè)部門、以及家庭和民用事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，它們數(shù)量和容量的日益增大，已成為電網(wǎng)的主要諧波源。諧波的危害近年來由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、能源、交通、化工及家庭中的應(yīng)用逾來廣泛，因此諧波所造成的危害也日益嚴(yán)重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們高度重視。諧波對電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害有以下幾個方面【】：（）降低用電效率。諧波使電網(wǎng)中的電器元件發(fā)熱，產(chǎn)生附加諧波損耗。在三相四線制供電系統(tǒng)中，大量的次諧波流過中線時會使中線過熱，甚至發(fā)生火災(zāi)。（）降低用電設(shè)備的壽命。由于諧波引起用電設(shè)備發(fā)熱，使它們的絕緣部分老化，引起

7、使用壽命的降低。（）容易使電網(wǎng)與補(bǔ)償電容器之間發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。這種諧振會使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，造成電容器因過電流而燒壞。（）會引起一些保護(hù)設(shè)備誤動作，如繼電保護(hù)，熔斷器：并會導(dǎo)致電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確等。（）諧波通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式對臨近的電子設(shè)備陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文和通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時會導(dǎo)致它們無法正常工作。電力電子技術(shù)是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重壓支柱。有人預(yù)言，電力電子連同運(yùn)動控制技術(shù)將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起成為世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)【】。然而，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為電力電子技術(shù)發(fā)展的重要障礙，因此為了避免諧波的危害，保持高的電力品質(zhì)，不少國家和

8、國際組織制定了限制用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，被廣泛接受的有標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)。電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定：，電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波以及電磁兼容限值中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值的評估。由于諧波標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，使得電力電子裝置的生產(chǎn)廠家不得不采取措施來降低其產(chǎn)品產(chǎn)生的諧波，從而推動了諧波抑制技術(shù)的發(fā)展。如何消除或降低電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波是當(dāng)今電工學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。諧波抑制技術(shù)從治理環(huán)境污染、維護(hù)綠色環(huán)境的角度，以及滿足國家相關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須對電力電子裝置等非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理。解決電力電子裝置和其他諧波源污染問題的基本思路有兩種：一是通過安裝諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償電力電子裝置所產(chǎn)生的

9、諧波，補(bǔ)償裝置與非線性負(fù)載相互獨(dú)立，互不影響。該方法是一種被動的補(bǔ)償方法。另一條途徑是對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為，是一種主動的方法，如整流技術(shù)、有源功率因數(shù)校正技術(shù)。這兩種方法各有其優(yōu)點(diǎn)及適用范圍，近年來都得到了較快的發(fā)展。（）無源濾波器采用無源電力濾波器是諧波抑制的傳統(tǒng)方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)，長期以來在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)如下：）其針對特定頻率濾波，對電網(wǎng)阻抗和頻率的變化十分敏感，濾波效果不易保證。）濾波器有可能與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，將諧波電流放大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，甚至損壞濾波器。）電網(wǎng)中諧波頻率范圍較寬，補(bǔ)償時一般要設(shè)置

10、多個濾波器，使得濾波器體積龐大。（）有源電力濾波器有源電力濾波器（是一種用于動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及無功進(jìn)行補(bǔ)償，隨著新型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的出現(xiàn)及“三相電路瞬時無功功率理論”的提出，極大促進(jìn)了有源電力濾波器的發(fā)展?？傊?，采用是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制方三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究（）有源功率因數(shù)校正技術(shù)有源功率因數(shù)校正（簡稱）技術(shù)是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關(guān)，通過控制有源開關(guān)的通斷來強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近的高功率因數(shù)。技術(shù)從年代開始起步并得到高速發(fā)展，目前，單相技術(shù)已經(jīng)比較成熟，單相集成電

11、路在國際上已經(jīng)商品化，如控制芯片等。但是，三相整流電路技術(shù)仍處于研究開發(fā)階段，國際上還沒有成熟的產(chǎn)品。（）整流技術(shù)把逆變電路中的技術(shù)應(yīng)用于由、等全控型器件組成的整流電路，可以獲得整流電路。通過對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，可以使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相或反相，功率因?shù)近似為。這種整流電路又稱為單位功率因數(shù)變流器。同有源功率因數(shù)校正技術(shù)一樣，整流技術(shù)是一種積極的諧波抑制方法。同技術(shù)相比，整流電路具有控制復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，從而限制了它在小功率場合的應(yīng)用。但在中大功率場合，特別是在需要能量雙向傳遞的場合，整流電路具有非常廣泛的應(yīng)用前景?！盁o功功率以及功率因數(shù)的產(chǎn)生正弦電路功率因數(shù)的定義在正弦

12、電路中，負(fù)載是線性的。加以正弦電壓后，產(chǎn)生的電流是正弦的。設(shè)電壓電流分別為：材（）（）（一妒）一耐其中，為有功分量，為無功分量。則電路的平均功率為：萬（）定義：必為有功功率，相對應(yīng)的定義無功功率為：（）可見，有功分量產(chǎn)生，無功分量產(chǎn)生。工程上將電壓電流有效值之積作為陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文設(shè)備功率設(shè)計(jì)極限，定義視在功率為：，（）反映了電氣設(shè)備的最大可以利用容量。從式（）知，有功功率的最大值就是視在功率，越接近，說明電氣設(shè)備的容量利用得越充分。為了反映這種利用程度，定義功率因數(shù)為：孵（）由上四式分析可得到正弦電路中各變量的關(guān)系：尸驢（）（）非正弦電路功率因數(shù)的定義對于含有非線形器件的非正弦電路，

13、施以正弦電壓后，產(chǎn)生的電流發(fā)生畸變，不再是正弦。但在滿足狄里赫利條件下，非正弦電流可以分解成傅立葉級數(shù)：凰觚刀耐吮）（）其中的部分為基波電流：五（萌）（）刀所有分量為諧波電流。電流總有效值為：廳，、（總諧波電流有效值為：如、丕（）為了反映電流的畸變程度，定義總諧波畸變率（）：爭（）則根據(jù)正弦電路總有功、視功、功率因數(shù)的定義，去彳“謝研去膏“喜皿缸，刎丸）研啦。旃（）舢喜盼寺警辦睡衍（蝌三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究其中爭稱為基波因數(shù)，識稱為位移因數(shù)至于非正弦電路中的無功功率尚無廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義，這里使用一通用的定義方法，將電路無功功率分為由基波相移產(chǎn)生的基波無功功率和由諧波產(chǎn)生的畸

14、變功率：，觀矽（）、厶這樣，總無功功率為：，由上述公式可得：，（）（）由以上分析，可見總電流可看作三部分組成：有功分量、基波無功分量和諧波分量。改善功率因數(shù)的措施消除諧波污染并提高功率因數(shù)，已成為電力電子技術(shù)中的一個重大課題。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問題基本思路兩種：一種是被動式，即裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置（）等；另一種方法是主動式即設(shè)計(jì)輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數(shù)高的整流器。為了解決電力電子裝置功率因數(shù)低的問題可以裝設(shè)無功功率補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)，裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)對于各種低功率因數(shù)的電力電子裝置都是適用的。但是目前電力電子裝置比較流行的就是開發(fā)新型變流器，使

15、其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)為。這種變流器稱為單位功率變流器（）高功率因數(shù)整流器也可以稱為單位功率因數(shù)整流器。下面介紹幾種主要的高功率因數(shù)整流器技術(shù)：）功率因數(shù)校正器（）功率因數(shù)校正器是在二極管不控整流和濾波電容之間加上一級用于功率因數(shù)校正的功率變換電路。這利功率變換電路一般為斬波的方式。為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，小容量整流器多采用二極管整流加斬波方式。這種方式在各種開關(guān)電源方而有著非常廣闊的前景，必將對諧波污染的治理作出巨大的貢獻(xiàn)。上圖給出了單相二極管整流加斬波器的電路的例子。圖中升壓斬波器有兩個基本作用，一是調(diào)節(jié)輸出的直流電壓，使之維持陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文高于電源電壓峰值以保證電路正常工作。二是

16、控制流經(jīng)電感的電流，從而使電源電流為與電壓同相的正弦波。但這種整流器中能量只能單向流動，因而如果負(fù)載使驅(qū)動電機(jī)的逆交器，則無法實(shí)現(xiàn)再生驅(qū)動。目前，單相技術(shù)已經(jīng)成熟，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于電路也得到了廣泛研究。功率因數(shù)校正技術(shù)在一些開關(guān)電源裝置中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。）多重化技術(shù)多重化技術(shù)就是將多個方波進(jìn)行疊加，以消除次數(shù)較低的皆波，從而得到接近正弦波的階梯波?？梢韵胂?，重數(shù)越多，階梯波就越接近正弦波，不過電路結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。多重化技術(shù)是大容量變流器提高功率因數(shù)和減少諧波的主要方法。如果要求總功率因數(shù)為，甚至提供超前的無功功率，則一般需使用關(guān)斷器件的變流器。對于電流型變流器，多重化技術(shù)就是將方波電流疊加

17、，使得輸入電流為接近正弦的階梯波，或提高功率因數(shù)。其連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)多重化，而控制方式則有移相、順序控制、非對稱控制和滯后超前控制多重化等凡種形式。對于電壓型變流器，必須用連接電感和交流電源相連，大都用移相多重化，將方波疊加，使其在網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生接近正弦的階梯波電壓，且與電源電壓保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系，從而使輸入電流為與電源電壓同相位的正弦波。如果需要，可以控制輸入電流的相位，使變流器能對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。）矩陣變換器相對于傳統(tǒng)的交一直一交電壓型逆變器，矩陣變換器是一種直接變換器。矩陣變換器的主電路圖個雙向開關(guān)組成，每個輸出端通過雙向開關(guān)組成，每個輸出端通過雙向開關(guān)直接和每個輸入端相連，通過控制雙向

18、開關(guān)的導(dǎo)通時間和導(dǎo)通順序來得到需要的輸出波形。由于矩陣變換器自身所具有的雙向結(jié)構(gòu)，使得四象限運(yùn)行易于實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。矩陣變換器輸入電流為正弦，并且可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為，且與負(fù)載情況無關(guān)。但是由于自身電路的限制，其最高電壓轉(zhuǎn)換率為由于真正意義上得雙向開關(guān)器件尚未實(shí)現(xiàn)，因而控制及保護(hù)電路復(fù)雜，實(shí)用性較差。）整流器整流器技術(shù)是中等容量單位功率因數(shù)采用的主要技術(shù)，一般需要使用自關(guān)斷器件。三相整流器在幾乎不增加任何硬件的基礎(chǔ)上，即可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，且電路性能穩(wěn)定，其控制策略的實(shí)用性研究是當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。這也是本課題研究的重點(diǎn)內(nèi)容。整流器的分類和其特點(diǎn)三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)

19、計(jì)和研究整流器也稱作開關(guān)模式整流器（）。從不同的角度看整流器有不同的劃分。按是否具有能量回饋功能，將整流器分成無能量回饋功能的整流器（）和具有能量回饋功能的整流器。按電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外特性，整流器可以分為電壓型和電流型。升壓電路的基本特點(diǎn)是輸出直流電壓高于輸入交流電壓的峰值，這是其升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定的。升壓型整流器輸出一般呈電壓源特性。降壓型整流器一般呈電流源特性。能量回饋型的整流器均采用全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件，它比電路具有更快的響應(yīng)和更好的輸入電流波形。由于最初的半導(dǎo)體器件（，）都是單相導(dǎo)通的，所以電流型整流器出現(xiàn)的時間早些。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于電源的大量使用，故電壓型整流器的特點(diǎn)：）可以任意

20、調(diào)節(jié)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。）整流器網(wǎng)側(cè)電流接近正弦，諧波含量少，只含有幅值很小的高次諧波。）動態(tài)響應(yīng)好，適于負(fù)荷變化頻繁的場合。）直流端電壓穩(wěn)定，輸出電壓諧波含量少。由于具有以上特點(diǎn)，整流器可以廣泛應(yīng)用于需要能量回饋的位能負(fù)載或電動機(jī)頻繁制動的場合。這既節(jié)省了用來吸收回饋能量的笨重的電阻負(fù)載，又能把能量回饋回電網(wǎng)，提高了能量的利用率，同時也減少了諧波對公用電網(wǎng)的污染。國內(nèi)外整流技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r將控制技術(shù)應(yīng)用于整流器始于世紀(jì)年代末【】，但由于當(dāng)時諧波問題不突出，加上受電力電子器件發(fā)展水平的制約，整流器沒有引起充分的重視。進(jìn)入年代后，由于自關(guān)斷器件的日趨成熟及應(yīng)用，推動了技術(shù)的應(yīng)用與研究。年

21、、首先提出了基于可關(guān)斷器件的三相全橋整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其網(wǎng)側(cè)電流幅相控制策略哺，并實(shí)現(xiàn)了電流型整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。年從等提出了基于整流器結(jié)構(gòu)的無功補(bǔ)償器裝置，這實(shí)際上就是電壓型整流器的早期設(shè)計(jì)思想。到世紀(jì)年代末，隨等人提出了基于坐標(biāo)變換的整流器連續(xù)、離散動態(tài)數(shù)學(xué)模型及控制策略，整流器的研究發(fā)展到了一個新的高度。進(jìn)入年代，三相技術(shù)的研究成為電力電子技術(shù)和電能變換領(lǐng)域中最具重要意義的研究方向之一，經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者多年的研究，整流器在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型，控制陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文方法，電網(wǎng)電壓不平衡等方面取得了豐碩的研究成果。隨著研究的深入，基于整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制的拓展，相

22、關(guān)的應(yīng)用研究也發(fā)展起來，如有源濾波器、超導(dǎo)儲能、交流傳動、高壓直流輸電以及統(tǒng)一潮流控制等。這些應(yīng)用技術(shù)的研究，促進(jìn)了變換器及其控制技術(shù)的進(jìn)步和完善。我國對整流技術(shù)的研究起始于年代初期，且主要集中于高等院校。如華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)他們作了大量基礎(chǔ)研究工作，為整流技術(shù)在我國的應(yīng)用于發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。就論文而言，著重分析了整流器在提高三相整流電路功率因數(shù)方面的應(yīng)用，因此有必要首先介紹一下目前國內(nèi)外在三相方面所作大量的研究工作，這主要集中在控制策略和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的研究。有的文獻(xiàn)利用三次諧波注入法來控針功率因數(shù)，但是產(chǎn)生合適的三次諧波卻非常困難；

23、在另外的文獻(xiàn)中，為了減少輸入電流的總諧波畸變，采用了三次諧波和六次諧波注入技術(shù)，并提出了一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案；通過設(shè)置三組串聯(lián)的分支并調(diào)諧到電網(wǎng)頻率來實(shí)現(xiàn)三次諧波電流注入法。還有提出了校正電路的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后運(yùn)用滯后控制技術(shù)，但是開關(guān)頻率變化非常明顯，對濾波電路設(shè)計(jì)造成諸多的困難。整流器主要的研究工作概括起來有以下幾點(diǎn)卜、仿真分析根據(jù)三相高頻變換電路的特點(diǎn)，建立了功率電路的簡化電路模型，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真。通過仿真對系統(tǒng)的工作原理和各參數(shù)與性能之問的關(guān)系做了有價值的分析研究。、建模分析對高頻整流器建立起一整套系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用控制理論，設(shè)計(jì)校正器，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制，并研究其動靜態(tài)性能，

24、以及各參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。、系統(tǒng)控制方法研究對高頻整流器，其控制方法對系統(tǒng)性能具有至關(guān)重要的作用?？偟膩碚f，控制策略可以分為直接電流控制和間接電流控制。其中，對前者的研究工作做的較多。主要包括以固定開關(guān)頻率且采用電網(wǎng)電動勢前饋的控制，以及以快速電流跟蹤為特征的滯環(huán)電流控制等。為了提高電壓利用率并降低損耗，基于空間矢量的控制在電壓型整流器電流控制中取得了廣泛應(yīng)用。、關(guān)于電流型整流器的研究長期以來，電壓型整流器以其簡單的結(jié)構(gòu)、較低的損耗、方便的控三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究制等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直成為整流器研究的重點(diǎn)。而電流型整流器由于需要較大的直流儲能電感，以及交流測濾波環(huán)節(jié)所導(dǎo)致的電流畸

25、變、振蕩等問題，使其結(jié)構(gòu)和控制相對復(fù)雜，從而制約了電流型整流器的應(yīng)用與研究。隨著超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，電流型整流器在超導(dǎo)儲能中取得了成功應(yīng)用。經(jīng)過多年的研究，電流型整流技術(shù)同樣得到了發(fā)展，其研究主要集中在以下幾個方面。（）數(shù)學(xué)模型及特性分析；（）三值邏輯信號發(fā)生技術(shù)；（）網(wǎng)側(cè)電流畸變、諧振抑制及控制策略；（）網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；（）不平衡電網(wǎng)條件下的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。課題背景及論文主要內(nèi)容整流器具有可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動、諧波危害少、功率因數(shù)高等方面的優(yōu)點(diǎn)。電力電子器件、數(shù)字控制技術(shù)、控制理論的發(fā)展則為整流器實(shí)現(xiàn)工業(yè)化提供了可能。實(shí)際上在鐵路行業(yè)我們熟悉的脈沖整流器就是單相整流技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，而

26、在電力電子行業(yè)的許多國際公司已經(jīng)推出了各自的整流產(chǎn)品，典型的有西門子公司的系列產(chǎn)品，公司的產(chǎn)品，都可以做到輸入電流接近正弦，電機(jī)自動的實(shí)現(xiàn)能量雙向流動，在電梯、起重機(jī)等負(fù)載場合率先得到使用。而在國內(nèi)，許繼公司利用高頻整流技術(shù)，推出了三相輸出和單相輸出的。因此，跟蹤國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，研究整流器是對于諧波治理和提高功率因數(shù)，具有十分重要的理論和實(shí)際意義。論文在進(jìn)行了大量有關(guān)整流器控制的文獻(xiàn)研究和資料分析的基礎(chǔ)上，主要完成如下內(nèi)容：首先閱讀了大量關(guān)于三相高功率因數(shù)整流器方面的文章，介紹電網(wǎng)諧波污染問題和諧波抑制的技術(shù)，分析了無功功率以及功率因數(shù)的產(chǎn)生。并重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外整流器技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和論文課題背

27、景。系統(tǒng)闡述了電壓型整流器的工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型和空間矢量控制策略以及控制算法。應(yīng)用仿真軟件對所建模型進(jìn)行仿真分析，證明了整流器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可以達(dá)到，網(wǎng)側(cè)電流波形為正弦，消除了諧波污染。陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文為整流器的硬件電路的主電路參數(shù)設(shè)計(jì)和軟件算法相關(guān)參數(shù)提供指導(dǎo)性的意義。詳細(xì)介紹了整流器的硬件電路功能模塊的設(shè)計(jì)和整流器程序模塊的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)軟件抗干擾性設(shè)計(jì)。三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究整流器工作原理和空間矢量控制技術(shù)系統(tǒng)模型是分析和設(shè)計(jì)三相電壓型整流器的基礎(chǔ)，從不同的角度出發(fā)可以建立不同形式的系統(tǒng)模型，對應(yīng)的控制方法也往往不同。本章主要研究三相電壓型整流器的

28、系統(tǒng)模型和工作原理以及三相電壓型整流器的控制方法。三相電壓型整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型電壓型整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)近幾年來沒有重大突破，主電路設(shè)計(jì)的基本原則是在保持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，盡量簡化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少開關(guān)元件數(shù)，降低總成本，提高系統(tǒng)的可靠性。、單相半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓型整流器（）最顯著的特征就是直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲能，從而使直流側(cè)呈現(xiàn)低阻抗的電壓源特性。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下幾種。圖，分別示出了單相半橋和單相全橋主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩者交流側(cè)具有相同的電路結(jié)構(gòu)，其中交流側(cè)電感主要用以濾除網(wǎng)側(cè)電流諧波。圖單相半橋電路圖單相全橋電路比較兩者，顯然半橋電路具有較簡單的主電路結(jié)構(gòu)，

29、且功率開關(guān)管數(shù)只有全橋電路的一半，因而造價相對較低，常用于低成本、小功率場合。但在相同的交流側(cè)電路參數(shù)條件下，要使單相半橋電路以及單相全橋獲得同樣的交流側(cè)電流控制特性，半橋電路直流電壓應(yīng)是全橋電路的直流電壓的兩陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文倍，因此，功率開關(guān)管耐壓要求相對提高。另外，為使半橋電路中電容中點(diǎn)電位基本不變，還需引入電容均壓控制，可見單相半橋控制相對復(fù)雜。、三相半橋、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、分別給出了三相半橋和三相全橋主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖三相半橋圖三相全橋電路圖為三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交流側(cè)采用對稱的無中線連接方式，并采用六個功率開關(guān)管，這是一種最常見的三相變換器，通常所說的三相橋式電路即指三相半橋電路

30、，也是本文主要研究的電路。三相半橋較適用于三相電網(wǎng)平衡系統(tǒng)。當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡時，其控制性能將惡化，甚至發(fā)生故障。為克服這一不足，出現(xiàn)了三相全橋，其拓?fù)浣Y(jié)梅如圖所示。其特點(diǎn)是：公共直流母線上連接了三個獨(dú)立控制的單相全橋，并通過變壓三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究器連接至三相四線制電網(wǎng)。因此，三相全橋?qū)嶋H上是由三個獨(dú)立的單相全橋組合而成，當(dāng)電網(wǎng)不平衡時，不會嚴(yán)重影響變換器的性能，但其所需的功率開關(guān)管是三相半橋電路的一倍，因而三相全橋電路一般較少采用。、三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以上所述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均是常規(guī)二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其不足之處在于，當(dāng)將其應(yīng)用在高壓場合時，需使用高反壓的功率開關(guān)管或?qū)⒍鄠€功率開關(guān)管串聯(lián)使用。

31、此外，當(dāng)開關(guān)頻率不高時將導(dǎo)致交流側(cè)諧波含量相對較大。針對這些問題，出現(xiàn)了具有中性點(diǎn)鉗位的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示。圖三相三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，多個功率開關(guān)管串聯(lián)使用，并采用二極管鉗位，以獲得交流輸出電壓的三電平調(diào)制。顯然，三電平在提高耐壓等級的同時，有效地降低了交流諧波電壓、電流，從而改善了網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。但三電平電路所需功率開關(guān)管與二電平電路時相比成倍增加，并且控制也相對復(fù)雜。另外，為了更好地適應(yīng)高壓大功率應(yīng)用，并降低交流輸出電壓諧波，近年來還設(shè)計(jì)采用多個二極管鉗位的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)【。、基于軟開關(guān)調(diào)制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)二。陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文“圖三相軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖為三相軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

32、圖中橋式并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電感、諧振電容，、功率開關(guān)巧以及續(xù)流二極管哦和吼組成：峨和嗡為直流側(cè)開關(guān)，其主要作用是將直流側(cè)與諧振網(wǎng)絡(luò)和交流側(cè)隔離。在一定條件下，、產(chǎn)生諧振，并使兩端產(chǎn)生零電壓，此時，對三相橋式功率開關(guān)管進(jìn)行切換，可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制。電壓型整流器的數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型是深入分析和研究整流器的動態(tài)和靜態(tài)特性的重要手段。本節(jié)建立了整流器在三相靜止坐標(biāo)系（，）兩相靜止垂直坐標(biāo)系（口，盧）和兩相阿步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（，）的數(shù)學(xué)模型。整流器低頻數(shù)學(xué)模型是忽略與開關(guān)頻率相關(guān)的高頻諧波，基于整流器基波分析得到的。通過整流器的低頻數(shù)學(xué)模型，可以得出穩(wěn)態(tài)時整流器的向量圖，通過幾何圖形可以清晰的表示出整流器

33、的工作機(jī)理和各物理量之廚的關(guān)系。當(dāng)整流器開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)基波頻率時，為簡化整流器的一般數(shù)學(xué)描述，可忽略整流器開關(guān)函數(shù)描述模型中的高頻分量，即只考慮其中的低頻分量，從而獲得低頻模型。低頻模型非常適合于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并可直接用于控制器設(shè)計(jì)。但是，由于這類模型略去了開關(guān)過程盼高頻分量，因而不能進(jìn)行精確的動態(tài)波形仿真。整流器高頻數(shù)學(xué)模型是基于開關(guān)函數(shù)建立的，適合予整流器的波形仿真。然而高頻數(shù)學(xué)模型包含了開關(guān)過程的高頻分量，很難用于指導(dǎo)控制器的設(shè)計(jì)。、三相整流器采用開關(guān)描述函數(shù)的一般數(shù)學(xué)模型建立以三相半橋電路拓?fù)錇槔?，建立采用開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型。審路圖如所示，并做以下假設(shè)：三相高功率因數(shù)整流器的

34、設(shè)計(jì)和研究圖三相主電路拓?fù)鋱D（）電網(wǎng)電動勢為三相平衡的純正弦波電動勢（巳，乞）。（）網(wǎng)側(cè)濾波電感是線性的，且不考慮飽和。（）功率開關(guān)管損耗以電阻凡表示，即實(shí)際的功率開關(guān)管可由理想開關(guān)與損耗電阻串聯(lián)表示。（）為描述能量的雙向傳輸，三相其直流側(cè)負(fù)載由電阻。和直流電動勢吃串聯(lián)表示。為分析方便，首先定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)盈為七然！三駕羔凳簍（七：口，）一上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通?！?，將三相功率開關(guān)管損耗等效電阻船同交流濾波電感等效電阻冠合并，且令墨，采用基爾霍夫，定律以建立三相各相回路電壓方程為：哮枷乞巳噸）（）哮般毛吃一瓴”）（）哮蝴之州）（）考慮三相對稱系統(tǒng)，則乞巳可得：毛乞聯(lián)立式（）（）一等（

35、屯）再對直流側(cè)電容正極性節(jié)點(diǎn)處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，可得：（）陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文出乞弛屯。一屯（）聯(lián)立式（）式（），可得到三相電壓型變換器在三相坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程，如式（）所示。哮乞噸噸一攀爭曠即瓴一半兒哮巳砌州一半魯巴嘞嘲。一屯（）三相一般數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)變量表達(dá)式為：，并考慮引入狀態(tài)變量【口，】式中矗一滅一吾（一半一言一半一三一半（）一三三（）飛。（）由上式可知，三相輸入電流和直流輸出電壓均與三相開關(guān)函數(shù)相關(guān)。其中每相輸入電流除了與本相橋臂的開關(guān)函數(shù)有關(guān)，還與其他兩相橋臂的開關(guān)函數(shù)有關(guān)，是一個三相互相耦合的電路系統(tǒng)。、三相模型的建立三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究前面對三相靜止對稱坐標(biāo)

36、系（，）中的一般數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究分析。這種一般數(shù)學(xué)模型具有物理意義清晰、直觀等特點(diǎn)。但在這種數(shù)學(xué)模型中，交流側(cè)均為時變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為此，可以通過坐標(biāo)變換將三相對稱靜止坐標(biāo)系（，）轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的（，）坐標(biāo)系【。這樣，經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后，三相對稱靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量將轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量，從而簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。三相靜止對稱坐標(biāo)系中的三相一般數(shù)學(xué)模型經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后，即轉(zhuǎn)換成三相模型。三相模型的建立過程中，常用到兩類坐標(biāo)變換。一類是將三相靜止坐標(biāo)系變換成兩相垂直靜止坐標(biāo)系；另一類是將三相靜止對稱坐標(biāo)系變換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，或是將兩相靜止垂直

37、坐標(biāo)系變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。上述坐標(biāo)變換又分成“等量一和“等功率一變換兩種。等量坐標(biāo)變換是指變換前后通用矢量相等，也稱為變換?！暗裙β室蛔儞Q在坐標(biāo)變換前。？后功率相等，或稱為，弘變換。實(shí)際情況時，可根據(jù)具體要求任意選用兩種變，換。從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的恒功率變換表達(dá)式為式（），所謂恒功率坐標(biāo)變換是指變換前后功率相等的變換，具體的恒功率變換以及恒幅值變化可以參看文獻(xiàn)等。陸信一歷一壓（）式中層魚一巫一三一三也叫變換矩陣，叩下標(biāo)表示的意思是三相到兩相的變換。從兩相靜止坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的恒功率變換表達(dá)式為式（）陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文腫壓盼嘲（）；柳）中信一言一！一笪孚，小標(biāo)表示

38、的意思是兩相到三相的變換，而且毛脅和，妒互為逆矩陣，即狐，妒（為單位矩陣）。使用三氓協(xié)工以一出一西啦一出口噸啼，拉斯變以”）換烈域中，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)方程如下：乞刪志把一吲（）如（）而小，一嘞（）（）一（）式中，坳瞳幽，筇吃之】，夠【疋最篷】，嵋變換矩陣進(jìn)行三相靜止坐標(biāo)系列兩相筇靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程如下：利用拉普），一三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究整流器最后的目的是為了得到以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。因此要推倒出在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過變換后，空間矢量以電網(wǎng)角頻率。速度旋轉(zhuǎn)。在兩相同步心坐標(biāo)系中，空間矢量是靜止的，在坐標(biāo)軸上的分量也是靜止直流量【】【。從筇坐標(biāo)到坐

39、標(biāo)下的變換矩陣為：曠：咧！卻，由一（）刪：刎竺耐由，妒一（。）從上式，推得從坐標(biāo)變換到坐標(biāo)系下的變換矩陣為：一一曠，由厲一研三研魚研乞（差，、三耐一魚餅卜，在使用變換矩陣時，由于靜止筇坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)之間變換正交矩陣的元素是時間的函數(shù)。因此，不能夠簡單地認(rèn)為口，軸電流的導(dǎo)數(shù)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換就是、軸電流的導(dǎo)數(shù)，存在如下關(guān)系：丟芝丟，由乏互咿，由丟芝！二：乏，。坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程如下：出足“三啦咱以己出礎(chǔ)以咒（）幽出墨”出“邯。一心一兄，一為兩相坐標(biāo)（，）下單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)利用拉普拉斯變換把式厶（）志國一島厶（）志礎(chǔ)厶一啪）南瞰繃）利用變換矩陣，把式（）變換成（）變換到域中，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)方程為

40、：陜西科技大學(xué)碩士學(xué)位論文式中，蚴，筇【虬】，汀，由【乞】島，由【母墨】從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可看出，整流器中兩相電流之間存在耦合。因此，基于坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，在設(shè)計(jì)電流控锘器時，應(yīng)考慮這種關(guān)系。下面就對這一非線性模型進(jìn)行線型化處理。在三相兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型中有兩個表達(dá)式（屯，屯劫），因此該表達(dá)式具有明顯的非線性特性，為了簡化分析，需要進(jìn)行線性化處理。定義：“吃三相交流側(cè)輸出電壓的，分量為：（），蜀；島屹；材屹巧定義，“口，且令：“，巳一屹；蚴一島一屹綜上各式，三相在兩相（，）坐標(biāo)系下的線性方程（）（）瑚熊足：電感的等效電阻和回路等效電阻之和。（）整流器的工作原理整流器是與傳統(tǒng)整流裝

41、置關(guān)鍵性的不同之處是用全控型功率器件取代了半控型功率開關(guān)或二極管，以斬控整流取代了相控整流或不控整流，因此，整流器具有下列優(yōu)越性能：（）網(wǎng)側(cè)電流為正弦波；（）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控或?yàn)閱挝还β室驍?shù)；（）電能雙向流動；（）較快的動態(tài)控制響應(yīng)。由此可見，整流器己不是一般傳統(tǒng)意義上的整流器。由于電能的雙向流動，當(dāng)整流器從電網(wǎng)吸取電能時，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài)；而當(dāng)整流器向電網(wǎng)傳輸電能時，其運(yùn)行于有源逆變工作狀態(tài)。所謂單位功三相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)和研究率因數(shù)是指：當(dāng)整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相（正阻特性）；當(dāng)整流器運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)時，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相（負(fù)阻特性）。進(jìn)一步研究表明，由于整流器其網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控，因而可被推廣應(yīng)用于有源電力濾波及無功補(bǔ)償?shù)确钦髌鲬?yīng)用場合。下面以單相全橋整流器為例介紹整流器的工作原理。圖單相全橋電路以單相全橋電路為例，根據(jù)逆變電路原理我們可以知道，將正弦信號和三角載波信號合成