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1、精选优质文档-倾情为你奉上 密级： 公开 科学技术学院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR（2012 2016年）题 目 基于MATLAB的三相整流器设计 学 科 部： 信息学科部 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气122班 学 号： 学生姓名： 张升林 指导教师： 万旻 起讫日期： 2015年12月2016年5月29日 目 录专心-专注-专业基于MATLAB的三相整流器设计专业：电气工程及其自动化 学号： 学生姓名：张升林 指导教师：万旻 摘要：整流器是
2、把交流电源转化为直流电源的一种重要的电力电子设备。常用的整流器有单相整流器和三相整流器。在日常生活中，除非使用电池供电，所有的电子设备必须配备一个整流器，因为所有的电子设备必须提供直流电源。但是电力公司总是提供交流电源。然而电力系统多采用三相接法，因此三相整流器的运用是最为广泛的。三相整流器在发电机发电过程中，把交流电转化直流电给蓄电池提供充电电压。因此三相整流器也起到一个充电器的作用。三相整流器设备在工业生产和电力电子、汽车等各个领域中都发挥着重要的作用。早在80年代以来，采用全控器件的三相PWM整流技术就受到了广泛的关注，并且广泛的应用于各种传统电力电子系统当中。全控半导体开关器件的发展与
3、应用也越来越成熟。同时三相PWM整流技术还带动了有源电力滤波(APF)系统、逆变电源系统、高压直流输电(HVDC)系统等与其具有相关联领域的发展与进步。三相桥式全控整流器是电力电子技术中最重要和最广泛使用的电子设备。它不仅适用于一般工业领域，而且广泛应用于电力系统、通信系统、交通运输及能源系统等领域。对三相桥式全控整流电路的相关参数和性能进行分析和研究具有一定的现实意义，它不仅是电力电子电路理论研究的重要内容，而且在工程上还具有预测和导向的作用。关键词：三相桥式全控整流器，三相PWM整流技术，电网污染，MATLABThe design of three phase rectifier base
4、d on MATLAB Abstract：The typical application of rectifier is to transfer AC power to DC power. The single-phase rectifier and three-phase rectifier is common-used rectifier. In daily life, Unless the battery is used, all the electronic equipment must be equipped with a rectifier, because all of the
5、electronic equipment must be supplied with DC power supply.However, electric power company always supplies AC power. Three-phase connections have been most widely-utilized as electrical power system usually uses it. When generator is operating, three-phase rectifier transfer AC power to DC power in
6、order to provide charging voltage to accumulator. So, three-phase rectifier can be used as battery charger. It can be widely used in many field such as industrial manufacture, electricity, automobile etc.Three-phase PWM rectifier technology attracted extensive attention form 1980s. And it has been w
7、ildly used in all kinds of traditional power electronics system. The development and appliance of full-controlled semiconductor device is more and more mature now. At the same time, the technology further the progress of APF system, inverter system, HVDC system and other related field.Three-phase br
8、idge type full-control rectifier power electronic technology is the most important and wildly-used electronic device. It is not only applied in general industrial field but also widely used in power system communication system transportation energy systems and other fields. For three-phase bridge ty
9、pe all control the related parameters in the rectifier circuit and the performance of the different load were analyzed and the research has certain practical significance, it is not only an important part of power electronic circuit theory study,but also has prediction and the practical application
10、of engineering practice. Keywords: Three-phase full bridge controlled rectifier, Three phase PWM rectifier technology, Power grid pollution ，MATLAB第一章 三相整流器的发展状况1 .1 三相整流器发展背景随着社会科学及生产技术水平的进步，整流电路和设备在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用越来越广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路。三相全控整流电路是目前电力电子领域应用最为的广泛的
11、电路，它具有整流负载容量较大，输出电压脉动小较的特点。三相整流器电路是由半波整流电路演变而来的。它是由一组共阴极的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的晶闸管串联而成。科技在进步，时代在发展。电力电子产品在人们的生活当中也发挥着越来越重要的作用。电力电子设备在给人们带来便利的同时，也生产了很多谐波，这对我们的生活和工业生产当中产生了很多麻烦和干扰，影响了电网环境。这些影响导致我们不得不去重视它。传统的整流二极管不控整流和晶闹管相控整流电路都不能双相传递能量，还增加了一定的谐波污染。这降低了装置的功率因数，增加了损耗，降低了功率器件的利用率，无功功率增加。传统的整流方式已经不能满足人们的要求。谐
12、波的增加会导致内部相关装置的误差，这对电能计量产生了严重的干扰。传统的能量单向流动整流方式的结构导致控制系统能量利用率的降低，这不仅对能源的利用是一种浪费，而且对电网环境造成严重污染。电网污染已经成为人们不得不重视的问题。限制无功功率和谐波的标准在大部分欧美都有相关的规定。国际电工学会为适应如今电网的环境，在1988年，对原来要求的谐波标准内容进行了重新的修改。而我国也在1993年也正式颁布了电能质量公用电网谐波，这使得我国对谐波的管理有了统一管理的标准。这表明，提高功率因数，抑制或消除谐波是一个严重的问题，在全球电力行业。为了消除电力系统的污染问题，目前主要建立了补偿装置来补偿已知频率的谐波
13、和通过优化控制策略和参数设置对整流器装置本身性能进行改造。设置补偿装置适用于所有已知频率谐波。但它仅限于对谐波的规定频率的补偿。在电网阻抗特性或其他外部干扰的情况下，很容易引起并联谐振，并导致一些谐波被放大，导致过负荷或燃烧的风险；二是通过优化控制策略和参数设置对整流器装置本身性能进行改造，实现单位功率因数运行，即功率因数为1，使网侧输入的电压和电流呈现接近于同相位的正弦波。1 .2 三相整流器的进展随着社会的进步，能源的需求越来越大，但是传统能源却越来越紧缺。并且大多传统能源的污染大，还不可再生。在这种趋势下，PWM整流器就显得越来越重要了，因为其在一些新兴清洁和在风能、太阳能、潮汐能等可再
14、生能源的开发利用以及实现并网发电等领域起着重要的作用。人们经济水平的越是提高，环境污染问题就越是突出。环境污染严重的影响了人们的生活质量与身体健康。三相PWM整流器因其具有任意功率因数运行和能量双向流动的性质，因此被广泛应用于电力电子当中。三相PWM整流器技术的发展，导致了现代电子技术、微处理器技术和现代控制理论的创新与发展。对三相PWM整流器的控制、研究与设计是建立资源节约型和环境友好型社会的体现，也是一个非常重要的经济和社会价值的体现。由于在整流器中引入了三相pwm技术，整流器具有更好的直流电压，它实现了网侧电流的正弦化。目前三相PWM整流技术已成为控制电网污染的重要技术手段之一。三相PW
15、M整流器技术可以在任意功率因数运行，可以实现能量双向流动，而且具有良好的电流质量和更快的动态响应速度。实现了“绿色电力转换”，减少了资源的浪费，提高了系统的电能利用率 。1 .3 本论文主要研究的内容本论文以三相整流器的设计为研究对象，采用Matlab-Simulink电力系统仿真的方法，主要完成了以下工作：(1)对三相整流器发展背景和进展进行了系统的研究和分析；(2) 介绍了Matlab的功能和Matlab最重要的组件中的Simulink；(3) 对现如今运用比较热门的三相桥式全控整流器和三相PWM整流器的结构和原理进行详细的分析和整理；(4)对现如今运用比较热门的三相桥式全控整流器和三相P
16、WM整流器在Matlab软件中进行仿真分析；(5)对三相PWM整流器的主电路进行分析设计和对三相PWM整流器的功率器件进行选择。第二章 Matlab-Simulink电力系统仿真介绍2 .1 Matlab介绍MATLAB软件主要用于图形处理和数值计算，是由美国Mathworks公司开发的。MATLAB还有许多工具箱。其中主要的有功能型工具箱和科学型工具箱。MATLAB的编程运算易于掌握，在许多科研领域都备受青睐和关注，其编程运算与人们进行科学计算的思路和表达方式是完全一致的，因此还被称为“巨人肩上的工具”。MATLAB软件有着独特的优势，广泛运用于神经网络、财务、电子商务、生命科学、生物医学、
17、自动控制、科学计算等不同的领域。图2.1 MATLAB的界面MATLAB软件运用的很广泛，取决于它拥有众多的优点。它具有强大的数值和符号计算功能。在MATLAB软件中，数值、符号和其他形式的大量的计算都能够成功完成。其强大的矩阵运算和稀疏矩阵的处理可以帮助我们解决大型的问题。图2.2 MATLAB的逻辑运算符图2.3关系运算符MATLAB具有简单易学的语言并且具有强大的语言库。MATLAB可以很容易的实现Fortran或C语言的几乎所有功能，它的编程语言简单易学。它增加了C、JAVA、C+等语言的支持。MATLAB具有强大的图形处理功能。不管是建立在低级图形，还是建立在高级图形，它都有相关的命
18、令语句对其进行处理。2 .2 Simulink的介绍Simulink是一个多领域仿真和基于模型的动态系统和嵌入式系统设计工具。对各种时变系统，包括通信、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了一个交互式图形环境和可定制的模块库的设计、仿真、实现和测试。. 图2.4 Simulink的应用界面Simulink和MATLAB的紧密集成，可以直接获得大量的Matlab工具进行算法研究和可视化仿真分析、批处理脚本创作、环境定制和定义信号参数和测试数据建模。Simulink的模块库分为两大类：标准模块库与专业模块库。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具 ，它主要被
19、广泛应用于非线性系统、线性系统、数字信号的处理和数字控制的仿真与模拟。在建立一个模型方块图的用户接口，Simulink操作简单，运用方便，仿真结果也比较直观。Simulink具有丰富的可扩充的自定义模块库，可对设计功能的不同，进行分割模型，以实现复杂的设计管理。第三章 三相整流器的结构和原理分析3.1 三相桥式全控整流器结构和原理分析对于三相桥式全控整流电路它可以看作是三相半波可控整流电路变化而来的，三相桥式全控整流电路原理图如图3.1所示。三相桥式全控整流电路包含了三相半波共阳极接法(VT4,VT6,VT2)和三相半波共阴极接法(VT1,VT3,VT5)两部分。三相桥式全控整流电路的特性是每
20、时每刻有着不一样的组别的两个晶闸管处于同时导通状态。当触发的脉冲宽度处于大于/3的宽脉冲时，对于不同组别的应该是导通的一对晶闸管一起加触发脉冲，这时所需要的脉冲触发的功率要大，这样就会使脉冲变压器到达饱和状态，从而就能使电流断续后或电路启动处在正常导通状态。对于双窄脉冲我们可以使用脉冲列来代替，每相差/3就换相一次，它的过程是在同一个组别的共阳极组与共阴极组轮着来换相。电路图的晶闸管要进行编号处理，这样才会使导通的顺序在一个周期中按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6进行排序，并且它的相位都是相差60；从而会使得T1、T3、T5的共阴极组的脉冲都是相差2/3。对于在同一相VT4与VT
21、1两个臂桥以及VT3与VT6、VT5与VT2两组臂桥的脉冲都是相差，这时对整流器的分析与计算就比较方便；在一个周期内，=0时，所输出的电压的波形是一个6个线电压所组成的包络线。然而，输出直流电压脉动频率为6倍的电源频率，也就是三相半波电路1倍一样高。这样的电路称为6脉动整流电路，它的特性是脉动的波形是不会改变，随着脉动的减小。同样的道理，三相半波整流电路就是3个脉动整流电路。当触发角0时，输出电压波形会表现有缺口，而且触发角越大，它的缺口就会越大，对于触发角范围是02/3；所输出的电压平均值会越小。当触发角=2/3时，所输出的电压幅值是零，当负载时电阻性时，触发角的范围是02/3；当触发角在0
22、/3时，它会在2/3晶闸管处于导通，并且电流是连续的：当触发角在/32/3时，所有的晶闸管导通角小于2/3，电流就会断续。当触发角=/3时，对于这点就是电阻性负载电流连续与断续的分界点。图3.1 三相桥式全控整流电路原理图3.2 三相PWM整流器结构和原理分析整流器的发展经历了不可控整流器和相整流器到PWM整流器的发展过程。传统的相控整流器有诸多缺点，比如：晶闸管换相会导致网侧电压波形的畸变、网侧谐波电流会对电网产生谐波污染、深控时功率因数很低和闭环控制时动态响应慢。 图3.2 PWM整流器模型电路图PWM整流器是交、直流侧均可控的是四象限运行的整流设备。由交、直流侧功率平衡关系可得公式：IV
23、=IdcVdc。式中V是模型电路交流侧电压，i是模型电路交流侧电流。idc是模型电路的直流侧电压，Vdc是模型电路的直流侧电压。只要通过控制其直流侧和模型电路交流侧当中的一侧，另一侧也就可以被控制了。图3.2是三相PWM整流器模型电路，从图片上我们可以知道，PWM整流器在忽略电感和功率开关管桥路的等效损耗电阻的情况下，它由交流回路、功率开关管桥路和直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e、网侧电感Ls等，直流回路包括负载电阻RL及负载电动势e等。图3.3 三相PWM整流器主回路原理图如图3.3，当三相PWM整流器开始工作时，PWM整流需经负载与整流变压器二次侧绕组构成闭合回路，同时向V5、V
24、6、V1管发出触发脉冲。在/3范围内发出一组PWM脉冲，接着依次向V1、V2、V3；V2、V3、V4；V3、V4、V5；V5、V6、V1；发出PWM脉冲，一直循环下去，这样每一导通瞬间，不同相的上、下桥臂至少有一管是导通的。第四章 三相整流器电路的仿真4.1三相桥式全控整流器的仿真根据图3.1 三相桥式全控整流电路原理图，利用MATLAB软件在Simu2 link内的模块建立三相桥式全控整流电路仿真模型，如图 4.1所示，设置相位角依次相差120度的Va、Vb 、Vc三个交流电压源。交流电压到直流电压的转换由6 个Thyristor构成整流桥实现。整流桥的触发脉冲由6个pulse genera
25、tor产生，6个pulse generator从上到下分别给1 6号晶闸管触发脉冲。 图4.1 三相桥式全控整流电路仿真模型其中交流峰值电压定为100伏特，频率定为60赫兹。晶闸管的参数为：Cs=25010，Rs=508，Vf=0伏，Lon=0.0001H，Rn= 0.0018。电阻性负载设R=45欧姆，电感性负载设L=1H。脉冲发生器脉冲宽度定为脉宽的50%，脉冲高度定为5伏特，脉冲周期定为0.0167秒，随着控制角的变化，脉冲移相角对“相位角延迟”进行设置。根据图3.1 三相桥式全控整流电路原理图，对不同的触发角进行设置，并输出其电压波形图。触发角分别为0、60、90时的电压波形图如下：
26、图4.2 触发角= 0时的输出电压波形图 图4.3 触发角= 60时的输出电压波形图 图4.4 触发角= 90时的输出电压波形图由输出波形图，我们可以得到触发角的不同会影响输出电压的仿真和负载呈现阻感特性的结论。4.2 三相PWM整流器的仿真把三相PWM整流器的仿真在Simulink环境下进行。根据图3.2 PWM整流器模型电路和图3.3三相PWM整流器主回路原理图，制作PWM整流器的仿真框图如图4.5所示。我们将电路的三相电源相电压定为50伏特，网侧电感定为5mH、内阻定为0.5欧姆、直流侧滤波电容值定为2200PF、直流侧负载电阻定为50欧姆。在MATLAB软件仿真的相对精度设置为le5，
27、仿真时定为0.15，对其他选项不进行设置。将PWM整流器的仿真框图中坐标转换、SVPWM的实现和PI调节器进行封装，作为子模块。图4.5PWM整流器的仿真框图仿真结果如图4.6-4.8，从图4.6可以看到网侧电流很好的跟随网侧电压，功率因数基本为1，实现了VSR在高功率因数下运行，验证了SVPWM的正确性。在如图4.6为网侧三相电流的波形中，三相电流呈现正弦波，相位相差120度。图4.8是直流侧电压，在VSR启动0.1秒内VSR即达到给定值150V，并在150V恒定值下平稳运行，由此可说明SVPWM的快速响应和可靠性。图4.6 网侧三相电流的波形图4.7 A相电压波形与电流波形图4.8 A相直
28、流侧输出电压第五章 三相PWM整流器的设计5.1 主电路设计主电路的设计主要包括输入电感的设计、功率器件的设计与选型、输出电容的设计与选型，这三个参数直接影响主电路的正常运行。我们以一个功率是1KW的三相PWM整流器做实验。降压变压器、网侧电感、DSP控制器、负载组成其硬件部分。预测电流算法、快速算法的计算、电压空间矢量的PI调节等组成其软件部分。我们用50V作为输入的三相工频交流电压源相电压的有效值，输出直流定为150V，输出功率达1 KW，功率因数达到0.99。其工作框图如5.I所示：图5.1 整流器工作框图图5.2 三相电压型PWM整流器拓扑结构图如图5.2所示，网侧电源电压分别为usa
29、、usb、usc。Rs为回路电阻，直流侧滤波电容用Cs表示，Vdc为直流侧母线电压，直流侧等效负载电阻为R，Ls表示网侧滤波电感，io为直流负载电流，网侧输入电流分别为sa 、isb 、is。5.2 功率器件的选择功率晶体管具有饱和压降小以及电流容量大等优点，是功率器件中重要的一种器件。但是它在拥有这些优点的同时，也存在所需驱动功率大、开关损耗大、开关速度低和二次击穿等缺点。MOSFET的开关速度快，属于电压驱动，需要的驱动电流小，故损耗低，驱动电路的设计也简单，适用于在高频条件下工作。但MOSFET又有几个凸出的缺点，比如导通电阻大、通态损耗大、电流容量不大和电压等级不高。 IGBT的输入极
30、为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它是由双极型晶体管与MOSFET复合而成的一种器件。IGBT有MOSFET和PNP晶体管共同的优点。它具有双极型器件饱和、压降低、容量大、开关速度快和所需驱动功率小的优点。它的频率特性介于功率晶体管与MOSFET之间，在几十千HZ频率范围内都可以正常工作。综合IGBT的这些特点，本电路可以选择使用IGBT作为功率器件。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同。图5.3 IGBT的结构、简化等效电路随着IGBT的广泛应用和快速发展，一种将外围电路内置于一块功率模块的智能功率模块器件IPM被人们研制出来了。它可将故障检测信号送入CPU，IPM可以把功率开关
31、器件和驱动电路组合在一起，还可以检测过电压、过电流以及过热等故障。在无噪声逆变器、低噪声UPS系统和伺服控制器等设备中起到很重要的作用，主要原因就是它具有可靠性高、操作方便等特点。其具有抗干扰能力强、低功耗、桥臂功率管互锁、快速的过流保护、IPM内部有相关的外围电路、驱动电源欠压保护、无须采取防静电措施、元件数目使用少和开关速度快过热保护等优点。通过以上对比分析，以及为将来PWM整流器扩大功率做准备，因此最终选用IPM作为功率器件，其型号为:PMl00CLA060。结 论毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过基于MATLAB的三相整流器设计，锻炼了我综合运用所学专业知
32、识以及提高了我查阅文献资料和运用MATLAB软件对电路进行仿真分析的能力。通过对三相整流器的发展状况与背景进行了解和分析，我了解到三相整流器对电力电子设备的重要性，以及选用合适的整流器对电网环境的重要性。对三相桥式全控整流器与三相PWM整流器的结构和原理进行分析，让我们对当今尤为重要的两种三相整流器有了个初步的了解。并通过MATLAB软件仿真对三相桥式全控整流器与三相PWM整流器进行更深入的了解，这对后面三相PWM整流器的设计打下了基础。PWM整流器对电网环境起到了重要的作用，它能够有效的降低电力电子设备产生的谐波。对PWM整流器的控制、研究与设计是建立资源节约型和环境友好型社会的体现，也是一
33、个非常重要的经济和社会价值的体现。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路渐渐的清晰。我经历了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业论文终于落下了帷幕。回想这段日子的经历，真是感慨万千，让我懂得了很多，这将对我今后的工作和学习起到重要的作用。参考文献（References）1 林忠岳.现代电力电子应用技术S.科学出版社.2007.2 张淼,冯垛生.现代电力电子技术与应用S.中国电力出版社.2011.23 刘念洲，刘成浩.基于Matlab的三相电压型PWM整流系统仿真J.船电技术，2009, 29 (2 ):43-46.4 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真S.机械工业出版社.20
34、06.1. 5 沈辉，2003：精通simulink系统仿真与控制M.，北京大学出版社.6 梁锦泽，曾岳南，张雪群，罗彬.三相电压型PWM整流器建模与仿真J.通信电源技术，2008, 25 (1):26-31.7 王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版社，2000. 致 谢本次毕业论文是在我尊敬的万旻老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、资料的收集到最后的定稿，无不倾注着万老师的精心指导。这次毕业论文我的选题是基于MATLAB的三相整流器设计。一开始，我对这个选题还是不知道从哪里下手的。于是并请教了指导万老师。万老师叫我们多在学校的图书馆查阅相关资料以及多和身边的同学交流，叫我们要认
35、真主动的学习。查阅资料以及和同学交流后还有不懂的地方记就下来，再去找他。并且每次找他的时候，他都会很耐心的给我们解答在毕业论文设计上遇到的各种问题。刚开始写毕业论文的时候，我们都不知道怎么正确的使用论文的格式。万老师并告诉我们毕业论文书写的格式，还叫我们要养成规范书写论文的好习惯。在MTALAB仿真这块老师给予了我很大的帮助。我在软件安装与使用方面遇到了很多问题，并且每次问指导老师万老师。万老师都会很耐心仔细的为我解答。老师认真负责的态度让我很感动的态度。同时也深深地影响到了我。我想在以后的生活、工作、学习中都要像万老师一样认真负责。由于三相整流器涉及到很多种类型，很长一段时间我不知道选择研究的那种三相整理器。经过指导老师万老师的指点，我才找到毕业论文设计的方向。这让我对毕业论文选题有了更加明确的研究方向，让我学习更加有针对性和效率性，而不是盲目的查阅资料。最后在自己的努力以及老师同学的帮助下，我顺利的完成了毕业论文设计。在这次毕业论文设计中，我也变得更加主动认真的学习了，并且提高了自己独立学习的能力。通过这次毕业设计，让我受益匪浅，相信对我以后会有很大帮助。在此，特别感谢认真负责的指导老师万旻老师对我这么多的指导和帮助。 张升林（学生姓名） 2016年5月26日