三相pwm整流器研究Word格式.doc
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学生姓名覃峰专业班级电气0702
指导教师袁佑新教授胡红明讲师工作单位自动化学院
设计（论文）题目:
PWM整流器的设计
设计（论文）主要内容：
熟悉整流的原理，对整流技术进行综述、比较，并设计出整流器硬件电路和软件程序。
要求完成的主要任务:
（1）外文资料翻译不少于20000印刷符；
（2）查阅相关文献资料（中文15篇，英文3篇）；
（3）掌握整流的原理；
（4）撰写开题报告；
（5）熟悉整流技术国内外的研究现状、目的意义；
（6）对整流技术进行综述、比较；
（7）计出整流器硬件电路和软件程序。
；
（8）绘制的电气图纸符合国标；
（9）撰写的毕业设计（论文）不少于10000汉字。
必读参考书：
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术.第4版.北京：
机械工业大学出版社，2007
[2]杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：
清华大学出版社，2006
[3]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制.北京：
机械工业大学出版社，2003
指导教师签名系主任签名
院长签名（章）
武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告
20世纪90年代发展起来的智能型功率模块（IPM）开创了功率半导体开关器件新的发展方向。
功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。
但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。
治理这种电网“污染”最根本措施就是，要不变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。
PWM控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段，结合PWM控制技术的新型整流器成为PWM整流器。
根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。
能量可双向流动的PWM整流器不仅体现出AC/DC变流特性（整流），而且还可呈现出DC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，这类PWM整流器实际上是一种新型的可逆PWM整流器。
经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。
PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；
其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；
PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；
功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上，既有电压型整流器（VoltageSourceRectifier—VSR），也有电流型整流器（CurrentSourceRectifier—CSR），并且两者在工业上均成功地投入了应用。
由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。
由于PWM整流器网侧呈现出受控电源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿（SVG）、有源电力滤波（APF）、统一潮流控制（UPFC）、超导储能（SMES）、高压直流输电（HVDC）、电气传动（ED）、新型UPS、通信电源以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。
将PWM控制技术应用于整流器始于20世纪70年代末，但由于当时谐波问题不突出，加上受电力电子器件发展水平的制约，PWM整流器没有引起充分的重视。
进入80年代后，由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM技术的应用与研究。
1982年BusseAlerfd、HoltzJoaehim首先提出了基于可关断器件的三相全桥PWM整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型PWM整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制。
1984年从AkgaiHiorufmi等提出了基于PWM整流器结构的无功补偿器装置，这实际上就是电压型PWM整流器的早期设计思想。
到20世纪80年代末，随A．W．Green等人提出了基于坐标变换的PWM整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到了一个新的高度。
进入90年代，三相PFC技术的研究成为电力电子技术和电能变换领域中最具重要意义的研究方向之一，经过国内外专家学者多年的研究，PWM整流器在电路拓扑结构，数学模型，控制方法，电网电压不平衡等方面取得了丰硕的研究成果。
随着研究的深入，基于PWM整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来，如有源滤波器、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等。
这些应用技术的研究，促进了PWM变换器及其控制技术的进步和完善。
2、基本内容和技术方案
2.1设计任务
1）外文资料翻译不少于15000印刷符；
2）撰写开题报告；
3）查阅相关文献资料
4）设计出基于单片机系统结构图；
5）完成基于单片机不间断电源系统设计；
6）绘制的电气图纸符合国标；
7）撰写的毕业设计（论文）不少于10000汉字；
2.2技术方案
本设计为PWM整流器的设计。
最终是要得到小功率等级电压源型双闭环控制系统的PWM整流器。
主电路采用的是三相半桥型VSR拓扑结构，由于电能的双向流动，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；
而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。
为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究非常重要。
“直接电流控制”策略由于引入交流电流反馈作为内环，直流电压外环构成整流器控制系统，既可实现单位功率因数，又可控制直流电压恒定。
本设计采用的就是固定开关频率且与电网电动势前馈结合的SPWM控制。
其控制系统以DSP芯片为核心，驱动器件则是以IR2130为主。
2.3系统结构组成
系统由软件和硬件两部分组成，软件和硬件都将按照框图总系统的设计方法进行设计。
1）硬件部分主要分为两大部分，即主电路（图1）和控制电路（图2）。
而控制电路还可以细化为：
智能功率模块电路（IPM）、DSP芯片作为控制电路的处理器、检测电路（主要有网侧三相电压检测，电抗器交流电流检测，直流侧电容电压检测，A相、B相电网电压同步信号检测）、驱动电路等。
其中DSP芯片采用TMS320LF240，IPM选用三菱公司的IPM50RSA060。
2）软件部分主要通过系统的流程图描述来对基于F240DSP芯片的VSR控制系统进行软件设计，包括了主程序模块和中断服务程序模块。
中断服务程序中主要有以下几个模块构成：
直流电压检测模块、交流电压检测模块、电压外环调节器计算模块、电流指令计算模块、电网频率检测模块、电流检测模块、电流内环调节器计算模块，指针计算模块。
图1主电路图
图2控制电路框图
2.4本文主要内容
论文结合等离子体位移快控电源的设计，提出基于电压源型PWM整流器循环变流器拓扑的控制方案，为三相电压源型PWM整流器建立了开关仿真模型，并利用此开关仿真模型进行仿真设计，进而以TI公司的处理器芯片DSP240为核心设计控制器，分别对系统的硬件和软件进行设计，最终实现了小功率等级电压源型PWM整流器的双闭环控制系统。
最后简单做出了一些结论。
2.5技术路线
1）收集资料并进行归纳、分析；
2）电路连接及分析；
3）进行系统集成；
4）软件、硬件设计。
2.7设计的技术难点
1）主电路的设计；
2）控制系统的确定；
3）DSP芯片的应用，包括硬件与软件两个方面。
3、设计的进度安排
第1周：
英文翻译
第3周：
毕业实习
第4周：
查阅文献资料
第5周：
开题报告
第6周：
系统的方案设计
第7周：
硬件电路设计
第10周：
系统软件设计
第11周：
撰写论文
第13周：
论文修改
第14周：
论文定稿
第15周：
上交毕业论文，答辩准备
答辩
4、指导教师意见
指导教师签名：
年月日
武汉理工大学毕业设计（论文）
目录
摘要 I
Abstract II
绪论 1
1三相电压源型PWM整流器工作原理及数学模型 2
1.1PWM整流器工作原理 2
1.1.1PWM整流电路基本特性 2
1.1.2PWM整流电路工作原理 2
1.2PWM整流电路基本特性 5
2三相VSR控制策略及控制系统设计 7
2.1VSR的电流控制方法 7
2.1.1间接电流控制和直接电流控制的比较 7
2.1.2三相VSR在dq坐标系下的直接电流控制 8
2.2三相VSR控制系统的设计 9
2.2.1电流内环控制系统设计 9
2.2.2电压外环控制系统设计 11
2.3三相VSR的仿真 12
3硬件设计 17
3.1主电路的设计 17
3.1.1主功率开关器件的选择 17
3.1.2交流侧电感的设计 18
3.1.3直流侧电容的设计 19
3.2基于DSP的控制电路硬件设计 20
3.2.1TMS320F2407芯片的介绍 20
3.2.2IGBT驱动电路 22
3.2.3信号检测电路 23
4软件设计 25
4.1主程序设计 25
4.2中断服务程序设计 25
4.3直流侧电压检测模块 25
4.4交流侧电压检测模块 28
4.5电流指令计算模块 28
4.6网测电流检测模块 29
结束语 31
致谢 32
参考文献 33
附录系统结构图 34
摘要
随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术己成为电力电子技术研究的热
点和亮点。
PWM整流器可成为用电设备或电网与其它电气设备的理想接口，因为它
可以实现网侧电流正弦化和功率因数可调整。
本文介绍一种基于TMS320F2407DSP芯片控制的三相电压型PWM整流器的控制系统，，完成了从系统结构、硬件、软件到控制策略等方面的设计。
本文首先分析了PWM整流器的基本原理，然后根据三相电压源型PWM整流器各相电压电流之间的关系和桥路的工作状态建立了它的数学模型，给出系统在三相ABC坐标系和两相dq坐标系中的数学模型，利用电流反馈解耦控制，以及系统的基本控制框图。
并设计了电压环和电流环数字化PI调节器，结合理论分析和实际对其参数进行了优化整定。
然后在Matlab的集成仿真环境Simulink下搭建了仿真模型，通过仿真，验证了理论的可行性。
根据以上控制思想，设计了以数字信号处理器（DSP）TMS320F240为核心的数字化的三相电压型PWM整流器的硬件和软件。
论文最后对全文所作的工作进行了总结，并指出了未来的研究方向。
关键词：
三相电压型PWM整流器数学模型DSPMatlab
Abstract
Withthefastdevelopingtechnologyofgreenenergy，anever-enhancedattentionhasbeenfocusedtothePWMrectifierinthefieldofpowerelectronics．PWMrectifiermightbecomeanidealelectricapplianceoralinkagebetweengrid-lineandotherelectricfacilities，characterizedofnearlysinusoidalcurrentandadjustablepowerfactor．
ThisdissertationisdevotedtothetheoryandapplicationofThree-PhasedVoltage-SourcedPWMRectifier，whichiscontrolledbytheDSPchipTMS320F2407,andthedesignofthesystemstructure,thehardwareandthesoftwareisdiscussed．
ThispaperanalysesthebasicprincipeofthePWMrectifier．Basedontherelationsbetweenthevo1tagesandcurrentsinaccordancewiththestatesoftherectifiertopology，theswitchingfunctionmodelwasfirstestablished．ItpresentsmathematicalmodelforthesystembothinABCcoordinateandd/qcoordinate．Andthenitalsoanalysesthedecouplingcontrolofvoltagefeed-forwardandcurrentfeedbackofsystemind/qcoordinate．Basedofthetheorymentionedabove，controlblockdiagramofsystemisdeducted．AlsodesignsthecurrentloopandvoltageloopdigitalPIregulators，adjuststheparametersbasedontheoreticalanalysisandpracticaltest．ThetheoryisfeasiblethroughsimulationwithsoftwareMatlab．
Basedacontrolschemeabove，itintroducesthedesignofhardwareandsoftwareforfullydigitalThree-PhasedVoltage-SourcedPWMRectifierbasedontheDSPchipTMS320F2407．
Eventually,theconclusionoftheresearchworkinthisdissertationismadeandthefutureresearchdirectionsalealsogivenout．
Keywords:
Three-PhasedVoltage-SourcedPWMRectifiermathematicalmodel
DSPMatlab
I
绪论
随着电力电子技术的发展，电力电子变流技术也得以迅速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。
治理这种电网“污染”最根本措施就是要求交流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。
因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并展开了大量的研究工作。
其主要思路是将PWM技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。
经过多年的研究和发展，PWM整流器的主电路己从早期的半控型器件桥路发展
到如今的全控型器件桥路；
控制策略从
间接电流控制发展到了直接电流控制；
而主电路类型上，既有电压型整流器，也有电流型整流器。
自20世纪90年代以来，PWM整流器的研究主要集中在以下几个方面：
PWM整流器的建模与分析；
电压型PWM整流器的电流控制；
主电路拓扑结构研究；
系统控制策略研究；
电流型PWM整流器研究。
由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使得PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动、新型UPS以及太阳能、风能等再生能源的并网发电等。
本课题的研究对象是三相电压型PWM整流器及其控制策略。
第一章分析了PWM整流器的基本原理，并且讨论了三相电压型PWM整流器的数学模型，包括在ABC坐标系下的数学模型和在dq同步旋转坐标系下的数学模型。
第二章讨论了三相电压型PWM整流器的控制策略，在其双闭环控制系统的基础上建立电路，并作了仿真。
第三章着重于系统的硬件设计，包括主电路的设计和基于DSP芯片TMS320LF2407的控制系统硬件设计。
第四章通过程序流程图的方式，对系统的软件设计做了详细分析。
1三相电压源型PWM整流器工作原理及数学模型
1.1PWM整流器原理
1.1.1PWM整流电路基本特性
PWM整流器与以往的整流器相比，具有以下的优良性能：
（1）网侧电流为正弦波；
（2）网侧功率因数可控制（如单位功率因数控制）；
（3）电能双向传输：
（4）较快的动态控制响应。
由于PWM整流器电能可双向传输，当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态；
而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。
所谓单位功率因数是指：
当PWM运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位（正阻特性）；
当PWM运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相位（负阻特性）。
进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控制，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等其它一些非整流器应用场合。
由此可见，PWM整流器实际上是一个其交、直流侧可控，可以在四象限运行的变流装置。
图1-1为PWM整流器模型电路，该电路由交流回路、功率开关桥路以及直流回路组成。
其中交流回路包括交流电动势以及网侧电感等，直流回路包括负载电阻及负载电动势等；
功率开关管整流电路可由电压型或电流型整流电路组成。
图1-1PWM整流器模型电路图
当不计功率管损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得：
式中：
、——模型电路交流侧电流、电压；
、——模型电路直流侧电流、电压。
由上式不难理解：
通过对模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。
以下从模型电路交流侧入手，来分析PWM整流器的运行状态和控制原理。
1.1.2PWM整流电路工作原理
将普通整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT或MOSFET等自关断器件，并将SPWM技术应用于整流电路，这就形成了PWM整流电路。
通过对PWM整流电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输入电流和电压同相位，功率PWM整流电路由于需要较大的直流储能电感以及交流侧LC滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制复杂化，从而制约了它的应用和研究。
相比之下，电压型PWM整流电路以其结构简单，较低的损耗等优点，电压型PWM整流电路的成功应用更现实鸭故选择电压型PWM整流电路进行研究。
下面分别介绍单相和三相PWM整流电路的拓扑结构和工作原理。
图1-2单相PWM整流电路
图1-2为单相全桥PWM整流电路，交流侧电感包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。
电阻包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻。
同SPWM逆变电路控制输出电压相类似，可在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦调制PWM波，中除含有和开关频率有关的高次谐波外，不含低次谐波成分。
由于电感的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流产生很小的脉动。
如果忽略这种脉动，当正弦信号波的频率和电源频率相同时，为频率与电源频率相同的正弦波。
图1-3单相PWM整流电路等效电路
PWM整流电路的单相等效电路如图1-3所示，其中为交流电源电压。
当一定时，的幅值和相位由中基波分量的幅值及其与的相位差决定。
改变中基波分量的幅值和相位，就可以使与同相位。
图1-4给出了单相PWM整流电路的相量图，其中以表示电网电压，表示PWM整流电路输出的交流电压，为连接电抗器的电压，为电网内阻的电压；
在图1-4a）中，滞后的相角为，与的相位完全相同，电路工作在整路流状态，且功率因数为1。
在图1-4b）中，超前的相角为，与的相位相反，电路工作在逆变状态。
这说明PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；
也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。
而且这两种方式都可在单位功率因数下运行。
图1-4PWM整流电路两种运行方式向量图
a）整流运行b）逆变运行
图1-5三相PWM整流电路
三相PWM整流电路主要结构如图1-5所示，其工作原理和单相P
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