单相电压型PWM整流毕业设计.docx
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单相电压型PWM整流毕业设计
单相电压型PWM整流
摘 要
分析单相电压型PWM整流电路(功率因素校正电路)的工作原理和工作模式,功率因数校正(PFC)技术诞生与20世纪80年代,它采用的是高频开关工作方式,具有体积小,重量轻,效率高,输入功率因素(PF)接近1的优点,采用PWM进行控制,其中控制方法采用的是电流滞环比较法,因硬件电路简单,属于实时控制,电流响应快,对负载的适应性强,由于不需要载波,所以输出电压不含特定频率的谐波分量,另外,这种控制方式,有利于提高电压利用率选择适当的工作模式和工作时序,可使PWM整流电路的输出直流电压得到有效的稳定值。
同时也调节了交流侧电流的大小和相位,实现能量在交流侧和直流侧的双向流动,并使变流装置获得良好的功率因数。
最后建立其Matlab的仿真模型,验证了设计的正确性。
关键词:
单相电压型,PWM,整流,功率因素校正,功率因数,电流滞环比较法,Matlab,仿
Single-phasevoltagesourcePWMrectifier
Abstract
Analysisofsingle-phasevoltagesourcePWMrectifiercircuit(powerfactorcorrectioncircuit)andworkingprincipleofworkmode,powerfactorcorrection(PFC)technologywasborninthe1980s,itadoptsthehighfrequencyswitchingis,hastheadvantagesofsmallsize,lightweight,highefficiency,theinputpowerfactor(PF)closeto1,control,usingPWMcontrolmethodiscomparative,hysteresiscurrenthardwarecircuitissimple,belongstothereal-timecontrol,fastresponsetoloadcurrent,theadaptability,becausedonotneedcarrier,sotheoutputvoltageexcludingspecificfrequencyharmonics,inaddition,thecontrolmode,andishelpfultoimprovetheefficiencyofselectingtheappropriateworkingmodeandworktiming,canmakethePWMrectifiercircuitoutputdcvoltagestabilityofeffectively.Alsoadjusttheaccurrentoftheamplitudeandphase,realizetheacanddcpowerinthebidirectionallateralflow,andmakegoodconverterdeviceofpowerfactor.Finallythesimulationmodelisestablished,anditsMatlabverifiesthecorrectnessofdesign.
Keywords:
single-phasevoltagetype,PWM,Rectifier,Powerfactorcorrection,Thepowerfactor,Currenthysteresiscomparison,Matlab,Simulation.
单相电压型PWM整流电路
1绪论
1.1概述
功率因数校正(PFC)技术诞生与20世纪80年代,它采用的是高频开关工作方式,具有体积小,重量轻,效率高,输入功率因素(PF)接近1的优点,因而受到了人们的关注。
但20世纪80年代的功率因素校正技术大部分是寄予Boost电路原理。
所以说20世纪80年代是Boost功率因素校正年代。
这个阶段的注意特点是:
校正器采用的是“乘法器(Multiplier)原理进行控制,校正器工作在连续导电模式(CCM)可以获得较大的功率转换容量。
但是控制比较复杂,不适合200W以下小容量使用:
20世纪80年代后期又针对小容量整流器提出了电压跟随器校正技术,校正器工作在不连续导电模式(DCM),使控制电路大大简化,很适合200W以下小容量整流器使用,一般不能用在较大功率整流器中。
大家熟知,在传统的变流电路中,晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏,这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素,也增加了电网中无功功率的消耗。
PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路,能有效地解决传统整流电路存在的问题。
通过对PWM整流电路进行有效的控制,选择合适的工作模式和工作时序,从而调节了交流侧电流的大小和相位,使之接近正弦波并与电网电压同相或反相,不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题,同时也使得变流装置获得良好的功率因数;同时PWM控制主要用于逆变电路,主要采用电流滞环法控制,这种控制电路主要是硬件电路简单,经济,而且对电压的利用率高,对网侧污染少,提高了功率因素。
SPWM(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
PWM调制是现代发展起来的一项技术,早工程上主要有滞环比较法和三角波比较法,较之后者,滞环比较控制方式的硬件电路简单,属于实时控制,电流响应快,对负载的适应性强,由于不需要载波,所以输出电压不含特定频率的谐波分量,另外,这种控制方式,有利于提高电压利用率,但在响应快的同时,电流脉动也很大,而且滞环的宽度也难控制,若宽度过大,开关频率和开关损耗可降低,但跟踪误差增大,若宽度过小,开关频率和开关损耗增大,跟踪误差可减小,再者,如果宽度固定,电流跟随误差范围也是固定的,但是开关器件的频率是变化的,这就对电力器件的工作频率提出了更高的要求,今后电力电子技术将会得到进一步发展,高频电力电子器件会应运而生,对上面目前不足将得到很大的改善。
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中,从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。
从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较,产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始,到目前采用全数字化方案,完成优化的实时在线的PWM信号输出,可以说直到目前为止,PWM在各种应用场合仍在主导地位,并一直是人们研究的热点。
由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。
由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。
PWM控制技术大致可以为为三类,正弦PWM(包括电压,电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案,多重PWM也应归于此类),优化PWM及随机PWM。
正弦PWM已为人们所熟知,而旨在改善输出电压、电流波形,降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势(如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等);而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率(THD)最小,电压利用率最高,效率最优,及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。
2.2本课题研究的意义
作为20世纪后期新兴的边缘学科,电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术,它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能,以适应千变万化的用电装置的不同需要。
业界认为,电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展。
从1947年第一只晶体管诞生之日起,半导体器件及相应的变流装置在世界范围内很快发展起来,从而产生了半导体固态电子学。
这一技术发展到1956年,在晶体管的基础上又制成了晶闸管,从此开始步入电力电子技术的新时代。
70年代后期,在SCR基础上研制成功的可关断晶闸管以及在晶体管基础上研制成功的电力晶体管及模块相继进入实用化,并在中、大容量的变流装置中,传统的晶体管逐渐被这些全控型电力电子器件所取代。
电力电子技术取得快速发展正值80年代后期,随着以计算机为核心的微电子技术与电力电子技术的高电压、大电流技术的发展与结合,一方面诞生了多种具有自关断功能的器件,形成了一个新型的全控型电力电子器件家族;另一方面又涌现了一批多功能的控制模块。
目前,电力电子技术已由半控型、全控型器件进入全新的智能型时代。
其表现是,一方面原有各新型电力电子器件额定参数不断提高;另一方面
在国家自然科学基金的资助和创新机制推动下,目前,我国电力电子技术的研究已从吸收消化和一般跟踪,发展到前沿跟踪和基础创新,推出了诸多科研成果。
具有代表性的产品±20MVA静止无功发生器工业试验样机,获国家科技进步二等奖;通过专家鉴定的磁悬浮概念车的研究取得阶段性成果;在交流励磁发电的研究方面也获得良好的进展。
目前电力电子行业还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究,包括电力电子系统的积木式集成技术、具有独立电源的多电平拓扑电路、具有超导储能的并联型UPS、多电平软开关技术、铁道供电系统的电流谐波抑制和功率因数改善、逆变器无线均流技术、电能质量综合调节器、直流侧谐波抑制的PWM控制策略等。
这些成果和研究对提高我国电力电子行业的学术水平、提升电源产品的技术含量、赶超世界先进水平和增强国际竞争能力具有非常重要的意义。
目前,电力电子产品较好地满足了我国的市场需求,但新型电力电子半导体器件仍需依靠进口。
专家评估认为,与发达国家相比,我国在应用基础研究深度方面的差距至少为5~10年;在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、工人素质、持续创新能力和公司体制等综合实力方面的差距约为10~15年;特别是对电源产品和装置性能有极其重要影响的新型场控器件的芯片制造技术,目前还处于非常落后的状态。
展望21世纪电力电子产业或电源产业的发展趋势,其动向就是围绕提高效率、提高性能、消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声进行不懈的研究。
为此,我国电力电子行业未来几年开展研究的重点领域应是进一步提高电能变换效率,降低待机损耗;避免电力公害,尽量减少网侧电流谐波,并使网侧功率因数接近1;提高电源装置和系统的电磁兼容性;降低电噪声;通过实施高频化、元件小型化和先进工艺,实现产品的小型化和轻量化。
2.3国内外研究现状
国内外都在基于DSP的移相全桥倍流整流电路的研究,中大功率场合下,由于开关管电压应力低、易于实现软开关等优点,移相全桥电路得到比较广泛的应用。
其副边的整流电路形式主要有:
全桥、全波、倍流等方式。
全桥方式应用于输出电压较高的场合。
对于输出电压不高的场合,全波电路由于其元件少,结构简单等优点得到广泛应用。
但它也存在一些问题,诸如占空比丢失、整流二极管的反向恢复引起的电压尖峰以及两桥臂实现ZVS(零电压开关)的差异。
倍流整流方式则可以克服上述缺点。
本文详细分析了倍流电路的工作原理,并将数字控制应用于此电路中,从而克服了模拟控制的一些缺
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