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1、湖南文理学院课程设计报告课程名称：自动化系统课程设计专业班级：自动化 10102 班 学号（ 20）学生姓名：颜志雄指导教师：李建英完成时间：2013 年 12 月 27 日报告成绩：评阅意见：评阅教师日期 2013.12.30 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 41 页 - - - - - - - - - 摘要在电力系统中， 电压和电流应是完好的正弦波。但是在实际的电力系统中，由于非线性负载的影响， 实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变， 给电力
2、输配电系统及附近的其它电气设备带来许多问题，因而就有必要采取措施限制其对电网和其它设备的影响。本文对单相 PWM 整流器进行了分析， 推导出了相应的数学模型和控制结构框图。针对单相PWM 整流器建模难和电流、电压控制环的PI 调节器设计难的问题，提出了一种基于古典线性控制对非线性进行线性化和输入输出能量守恒相结合的单相PWM 整流器的 PI 调节器的设计方法。 分别对电流、 电压控制环的调节器进行了选型和参数设计，并对改进型阳调节器进行了设计验证。为了抑制系统输出直流电压的跌落及消除电压谐波， 采用了基于系统数学模型的电压补偿控制对其进行了有效的抑制，能得到稳定且谐波含量少的输出直流电压。本文
3、对单相 PWM 整流器的拓扑结构进行了选择，并对系统主电路，IGBT整流桥的驱动电路，直流电压、交流电流及电网电压同步信号的采样电路， DSP控制电路等进行了设计以及软件设计。通过仿真验证了系统能很好实现高功率因数电能变换和电能的双向流动，进行的部分实验验证了PWM 脉冲控制的合理性和正确性， 具有一定的理论价值和应用价值。关键词 : PWM 整流器 ;高功率因数 ; 能量回馈 ;Matlab仿真;PR 调节器;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 41 页 -
4、 - - - - - - - - ABSTRACT In the power system, the voltage and current should be intact sine wave. But in actual in power system, due to the influence of nonlinear load, the actual grid voltage and current waveform is always there exists different degree of distortion, to electricity transmission an
5、d distribution system and the nearby other electrical equipment brings many problems, so it is necessary to take measures to limit the influence of power grid and other equipment. This paper analyzed single-phase PWM rectifier is deduced, the corresponding mathematical model and control structure di
6、agram. For single-phase PWM rectifier modeling difficult and current, voltage control ring PI adjuster design, the difficult question is proposed based on the classical linear control for nonlinear linearization and input/output energy conservation combination of single-phase PWM converter PI adjust
7、er design method. On the current, voltage control respectively the ring modulators selection and parameter design, and the modified Yang regulator to design verification. In order to restrain the system output voltage drop and eliminate voltage harmonic, using mathematical model based on the system
8、of voltage compensation control of its effective suppression, can get stable and harmonic content is less output voltage. This paper of single-phase PWM converter topology structure of system choice, and the main circuit, IGBT rectifier bridge driving circuit, dc volts, ac current and voltage synchr
9、onized signal sampling circuit, DSP control circuit design and the design of software. Simulation shows the system can very well to realize high power factor power transformation and electricity, the two-way flow part of the experimental results verify the rationality of PWM impulse control, the cor
10、rectness and has certain theoretical value and application value. Key words:PWM rectifier; High Power factor; Energy back coupling; Matlab simulation; PR regulator;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 41 页 - - - - - - - - - 目录第一章 绪论. 11.1 整流器介绍 . 11.2
11、 整流技术的发展和应用 . 11.3 介绍谐波抑制方法 . 21.3.1 电网谐波及谐波源. 21.3.2 谐波的危害及其抑制 . 21.3.3 谐波抑制技术 . 31.4 设计内容及其意义 . 41.4.1 本课题研究的目的. 41.4.2 本课题研究的意义. 5第二章单相高功率因数整流电路分析 . 62.1 功率因数和整流的概念 . 62.1.1 整流的定义及整流电路的分类 . 62.1.2 功率因数的定义. 62.2 单相电压型 PWM 整流器的拓扑结构 . 92.3 单相高功率因数整流电路的工作原理及控制策略 . 102.3.1 单相半桥整流电路的工作原理 . 102.3.2 单相全桥
12、整流电路的工作原理 . 112.3.3 单相高功率因数整流电路的电流控制方法 . 13第三章 DSP 芯片及 TMS320F2812 . 163.1 DSP 芯片的基本结构特征. 163.1.1 哈佛结构. 163.1.2 流水线. 163.1.3 专用的硬件乘法器. 173.1.4 特殊的 DSP指令 . 173.1.5 快速的指令周期 . 183.2 TI公司的 DSP的主要分类. 183.3 DSP 芯片的选型参数. 183.4 DSP 系统的开发流程. 203.5 TMS320F2812芯片简介 . 21第四章系统软件设计 . 234.1 系统软件控制结构 . 234.2 主程序设计
13、. 234.3 中断程序设计. 244.3.1 电网电压同步信号模块. 254.3.2 数字 PI 调节器模块. 284.3.3 直流电压检测模块. 29名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 41 页 - - - - - - - - - 4.3.4 网侧电流检测模块. 30第五章 结论. 32参考文献 . 33附录. 34致谢. 36名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -
14、 - - - - - - 第 5 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 整流器介绍整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC ）转化为直流（ DC ）的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电（ AC ）变成直流电 (DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。半导体 PN 结在正向偏置时电流很大，反向偏置时电流很小。整流二极管就是利用PN 结的这种单向导电特性将交流电流变为直流的一种PN 结二极管。通常把电流容量在 1安以下的器件称为整流
15、二极管， 1安以上的称为整流器。常用的半导体整流器有硅整流器和硒整流器，产品规格很多，电压从几十伏到几千伏，电流从几安到几千安。整流器广泛用于各种形式的整流电源中。大功率整流电源要求整流器的电流容量大、击穿电压高、散热性能好，但这种器件的结面积大、结电容大，因而工作频率很低，一般在几十千赫以下。硅材料的禁带宽度较大，导热性能良好，适于制作大功率整流器件。在耐高压的整流装置中常采用高压硅堆，它由多个整流器件的管芯串联组成，其反向耐压由管芯的耐压及串联管芯数决定，最高耐压可达几百千伏。如果高频整流电路用于很高频率下，当交流电压的周期与整流器通态到关态的恢复时间相当时，整流器对高频电压不再起整流作用
16、。为适应高频工作的需要，通常在硅整流器中采用掺金的方法，以缩短注入少数载流子的寿命，从而达到减小恢复时间的目的。为了减小器件因过压击穿造成损坏的可能性和提高整流装置的可靠性，可采用硅雪崩整流器。在这种器件中，当反向电压超过允许峰值时，在整个PN 结上发生均匀的雪崩击穿，器件可工作在高压大电流下，故能承受相当大的反向浪涌功率。制作这种器件时要求材料缺陷少，电阻率均匀，结面平整，外露结区还应进行适当保护，避免发生表面击穿。硒整流器的抗过载容量大，承受反向浪涌功率的能力也较强。1.2 整流技术的发展和应用电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性作用，因此不管是整流器还是电力电子技术的发展都是以电
17、力电子器件的发展为纲要的，1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了点子技术的一次革命；1957年美国通用公司研制了第一个晶体管，标志着电力电子技术的诞生； 70年代后期，以门极可关断晶闸管（GOT ） 、电力双极型晶体管（ BJT）和电力场效应晶体管（ power-MOSFET ）为代表的全控型器件迅速发展，把电力电子技术推上一个全新的阶段； 80年代后期，以绝缘极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起，成为了现代电力电子技术的主导器件。 另外，采用全控型器件的电路的主要控制方式为PWM脉宽调制式，后来，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）
18、，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书2随着全控型电力电子器件的发展，电力电电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大，为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（ZVS ）和零电流开关（ ZCS ）把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。1.3 介绍谐波抑制方法1.3.1 电网谐波及谐波源电力电子技术是以功率处理和变换为主要
19、对象的现代工业电子技术。近年来，功率变换技术得到了迅猛的发展，经过变流技术处理的用户对象在整个国民经济的耗电量中所占比例越来越大。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可控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注人了大量谐波(Harmonic) 及无功 (ReactivePower) ，造成了严重的电网“污染” 。这些“污染”使电能的生产、传输和利用的效率降低， 使电器设备过热、 产生振动和噪声 ; 使绝缘老化、 使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁 ; 引起电力系统局部谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备损坏; 同时还能引起继电保护和自动装置
20、误动作，使电能计量出现混乱 ; 另外，它还对通讯设备和电子设备产生严重干扰等等。公用电网谐波问题并不是一个新问题，早在本世纪20 年代和 30 年代，当时静止汞弧变流器的使用造成电网电压和电流波形的畸变。到了50 年代和 60 年代，由于高压直流输电技术的发展，推动了变流器谐波研究进一步深入。电网谐波是由与之相联的非线性负载所产生，产生谐波的负载称为谐波源。电网中的主要谐波源有: 各种电力电子装置 ( 包含家用电器、计算机等的电源部分 ); 电力变压器 ; 发电机 ; 电弧炉。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。近二十年来，由于电力电子技术的发展，电
21、力电子装置在电力系统、各个工业部门、以及家庭和民用事业中得到广泛应用，它们数量和容量的日益增大， 已成为电网的主要谐波源。治理这种电网“污染”最根本措施就是要求变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，并开展了大量研究工作。1.3.2 谐波的危害及其抑制电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害进行了一些研究，但那时因谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。近二十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得电网的谐波污染日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度重视。谐波对电网和其它系统的危害主要有
22、以下几个方面: 1、降低用电效率。谐波使电网中的电器元件发热，产生附加谐波损耗。在三相四线制供名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书3电系统中，大量的三次谐波流经中线时会使中线过热，甚至发生火灾。2、降低用电设备的寿命。由于谐波引起用电设备发热，使它们的绝缘部分老化，引起使用寿命的降低。3、容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大
23、几倍甚至数十倍，造成电容器因过电流而烧坏。4、引起一些保护设备的误动作，如继电保护，熔断器等。5、导致电气测量仪表计量不准确。6、谐波通过电磁感应、 静电感应和传导祸合等方式对临近的电子设备和通信系统产生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。为了避免谐波的危害，保持高的电力品质，针对高次谐波不少国家和国际组织制定了限制用电设备谐波的标准， 如表 1.1 。 在这些标准当中，被广泛接受的有 IEEE519标准和 IEC555-2标准等。 IEEE519标准是从电网的角度对公共连接点的电压和电流的波形畸变进行限制。EIC555-2 标准(1995 年修订后为 IEC1000-3-2) 则是对负载产生
24、的谐波进行限制，使负载从电网中吸收的谐波在规定的范围内。我国也有相关的标准颁布，如SD126-84 电力系统谐波管理暂行规定，GB/T14549-93电能质量公用电网谐波以及GB/Z17625.4-2000电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估，目前国内外功率因数校正的主要标准如表 1-1 所示。由于谐波标准的实施，使得电力电子装置的生产厂家不得不采取措施来降低其产品产生的谐波，从而推动了谐波抑制技术的发展。如何消除或降低电力电子装置所产生的谐波是当今电工学领域的热点之一。表 1.1 国内外功率因数校正的各种标准Table 1.1 Domestic and foreign pow
25、er factor correction of various standards 国家组织标准名称标准类型范围国际IEC6000-3-2 A类所有其他系统中国GBl7625.1.2003 B类动力工具欧共体EN61000-3-2 PAr14 C类照明系统日本JIS C61000-3-2 D类PC 、显示器、电视机1.3.3 谐波抑制技术为了满足谐波标准的要求，必须对电力电子装置等非线性负载产生的谐波进行治理。目前， 谐波抑制可以通过两个途径来实现: 一是通过安装补偿装置即滤波器(Filter)来补偿电力电子装置所产生的谐波，补偿装置与非线性负载相互独立，互不影响。该方法是一种被动的补偿方法。
26、另一条途径是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，这是一种主动的方法，如无源功率因数校正、有源功率因数校正技术。这两种方法各有其优点和适用范围，近年来都得到了较快的发展。(l) 无源滤波采用无源 LC电力滤波器 (Passive Filter)是谐波抑制的传统方法。该方法结构简单，成名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书4本低，容易实现，长期以来在电力系统中
27、广泛应用。其缺点如下: 其针对特定频率滤波，对电网阻抗和频率的变化十分敏感，滤波效果不易保证。LC滤波器有可能与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致系统不能正常工作，甚至损坏滤波器。电网中谐波频率范围较宽，补偿时一般要设置多个LC滤波器，使得滤波器体积庞大。(2) 有源电力滤波有源电力滤波器 (Active Power Filter-APF)是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率均变化的谐波以及无功进行补偿，随着新型电力半导体开关器件的出现及“三相电路瞬时无功功率理论”的提出，极大促进了有源电力滤波器的发展。总之，采用 APF是一种很有发展前途的谐波抑制
28、方法。(3) 无源功率因数校正无源功率因数校正技术 (Passive Power Factor Correction-PPFC)是在整流电路中用LC滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波，提高功率因数。同有源功率因数校正技术一样，无源 PFC技术是一种积极的谐波抑制方法。无源PFC整流电路具有控制简单、成本低，功率因数可提高至0.7-0.8 ，电流谐波含量在 40% 以下，在中小功率场合，特别是在需要能量双向传递的场合，无源PFC整流电路具有非常广泛的应用前景。(4) 有源功率因数校正有源功率因数校正 (Active Power Factor Correction-APFC)技术是在传统的
29、整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近于1 的高功率因数。 APFC 技术从 80年代开始起步并得到高速发展，目前，单相 APFC 技术已经比较成熟，单相APFC 集成电路在国际上己经商品化，如控制芯片 UC3854等。但是，三相整流电路APFC 技术仍处于研究开发阶段，国际上还没有成熟的产品。功率因数校正技术可以有效地进行谐波抑制，动态响应好， 使变流电路的性能大大提高，其应用范围己涉及到工业，交通和日常生活的各种变换电流电路当中。1.4 设计内容及其意义1.4.1 本课题研究的目的虽然很多人己在 PFC电路的拓扑结
30、构和控制策略方面作了大量的卓有成效的工作，并已取得了显著的成果。但是这些方法中，或多或少的存在这样或那样的缺陷。本论文在对这些拓扑结构和控制策略研究分析的基础上，设计了一种运用单周期控制技术的单相PFC整流器。运用该控制技术，可以在整流器的输入端得到很高的功率因数，且不受负载电流的影响。由于单周期控制是非线性和标准的脉宽调制(PWM) 控制方法。对半导体开关变换器， 运用单周期控制技术，许多不可实现的或以前由于太复杂而不能实现的功率处理任务，现在可以名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -
31、 - - 第 9 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书5很容易的实现。单周期控制的核心电路包括带复位的积分器、几个线性器件和逻辑器件。单周期控制使昂贵的非线性电路单元和高速微处理器不再成为必需。而且，这种新的控制方法非常通用，能被用来控制单相和三相功率因数校正整流器，能直接应用于所有的DC/DC 开关变换器，而且还可以用来控制有源电力滤波器。单周期控制技术概念直接而且电路实现简单，因此它为开关变换器提供了一种很好的控制方案。1.4.2 本课题研究的意义首先谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设
32、备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。抑制谐波和提高功率因数还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。抑制谐波和提高功率
33、因数更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护已经成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也成为电工科学技术界所必须解决的问题。因此，抑制谐波提高电力电子装置的功率因数成为一个十分重要的课题。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011
34、 届本科毕业设计说明书6第二章单相高功率因数整流电路分析2.1 功率因数和整流的概念2.1.1 整流的定义及整流电路的分类在电力电子方面，将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这正变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。用于实现整流作用的电路称之为整流电路，按组成的器件整流电路可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种；按电路结构整流电路可分为零式电路和桥式电路；按电网交流输入相数分为单相电路、三相电路和多相电路等等。2.1.2 功率因数的定义单相 PWM 整流器以其高效率和高功率密度而在电源领域中占主导地位，其多是通过滤波器与电网相连。经典的整流器通过二极管或晶闸管组成一个非线性电路，在
35、电网中会产生大量的谐波电流和无功功率而污染电网，称谓电力公害，单相整流器已经成为电网最主要的谐波源之一。传统的整流器存在一个最大的弱点，即功率因数较低，一般仅为0.45-0.75，且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波的幅值约为基波幅度的95%，五次谐波的幅值约为 70%，七次谐波的幅值约为45%，九次谐波的幅值约为25%，基波与三次谐波、五次谐波的叠加波形图如图2-1 所示。高次谐波的危害在工业生产和人民生活中的危害比较大。图 2.1 基波与三次、五次谐波叠加图Fig. 2.1 Base wave and three times, five times harmonic superpos
36、ition figure 功率因数 PF(PowerFactor) 的定义为有功功率P 与视在功率 S的比值 : RMSRMSIUUISPPF11cos)2/( (2.1) 其中， U，1I为电网电压和直流侧基波电流，RMSU，RMSI为电网电压和电流有效值，1cos是位移因数 (Displacement Factor)，其标志基波电流与电压间相位差。由RUU2，RII112可以进一步得 : 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 41 页 - - - - -
37、- - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书71111coscosIIPFR)(11IIR (2.2) 式中，为畸变因数 (Distortion Factor)，标志着电流波形偏离正弦的程度。如图 2.2.1 所示，通过 PSpice软件按所示的参数对电路进行仿真分析，得到输入电流、输入电压和输出电压的波形，以及输入电流的傅利叶频谱分析图，如图2.2.2 所示。可以看出单相不可控二极管整流电路的输出有很大的谐波污染。图 2.2.1 单相不可控整流桥图 2.2.2 单相桥inu，ini，0U波形和ini的频谱分析图 2.2 单向不可控整流桥4v，4i，0V波形和4i的傅
38、利叶分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书8Fig. 2.2 One-way controlled rectifier bridge4v，4i，0Vwaveform and FuLi leaf analysis 同理，按图 2.3.1 所示电路对三相二极管桥式电路进行仿真分析，得到图2.3.2 所示的输入电流ai、输入电压au、输出电压0U和输入电流ai的傅
39、利叶频谱分析图，可以看出，三相二极管桥式整流电路的谐波虽然要少于单相桥式整流电路，但其仍有比较大的谐波污染。 2.3.1 三相不可控整流桥2.3.2 三相桥au，ai，0U波形和ai的频谱分析图 2.3 三相不可控整流桥及av，ai，0V和ai的频谱分析Fig. 2. Three-phase controlled rectifier bridgeav，ai，0Vandaispectrum analysis 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 41 页 - -
40、 - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书92.2 单相电压型 PWM 整流器的拓扑结构图 2.5 和图 2.6 分别示出了电压型PWM 整流器单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构。两者交流侧具有相同的电路结构，其中交流侧电感主要用于储能和滤除网侧电流谐波。单相半桥电压型整流器拓扑结构只有一个桥臂采用了功率开关管，另一桥臂则由两个电容串联组成，同时串联电容又兼作直流侧储能电容；而单相全桥电压型整流器拓扑结构则采用了具有4 个功率开关管的 H 桥结构。值得注意的是：电压型整流器主电路功率开关管必须反并联一个续流二极管，以缓冲PWM 过程中的无功电能。比较两者
41、，显然半桥电路具有较简单的主电路结构，且功率开关管数只有全桥电路的一半，因而造价相对较低，常用于低成本、小功率应用场合。进一步研究表明，在相同的交流侧电路参数条件下，要使单相半桥电压型整流器以及单相全桥电压型整流器获得同样的交流侧电流控制特性，半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍。因此功率开关管的耐压要求相对提高。另外，为使半桥电路中电容中点电位基本不变，还需引入电容均压控制，可见单相半桥电压型整流器的控制相对复杂。图 2.5 单相半桥电压型整流器主电路拓扑结构图Fig. 2.5 Single-phase half bridge the voltage type rectifier ma
42、in circuit topology structure 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书10图 2.6 单相全桥电压型整流器主电路拓扑结构Fig. 2.6 Single-phase voltage type rectifier bridge the circuit topology 2.3 单相高功率因数整流电路的工作原理及控制策略2.3.1 单相半桥
43、整流电路的工作原理单相半桥整流电路任一瞬间在电流传路上都只有两个器件产生电压降，共有如下所述的四种工作模式。工作模式 1: 此时交流电压inV为正，开关管1M和2M均导通，如图 2.7.1 所示，输入电流通过电感 L、开关管1M，并通过开关管2M返回。同时，电容C中储存的能量向负载R放电。工作模式 2; 交流电压inV为正， 开关管1M和2M均关断，电源电流通过电感L、 二极管1D对电容 C和负载 R供电。并通过开关管2M返回。此时电容 C储存能量。如图 2.7.2 工作模式 3; 此时交流电压为负， 开关管1M和2M均导通，交流电流分别通过开关管2M、1M，并经电感 L 返回。此时电容 C向
44、负载 R供电。如图 2.7.3 所示。工作模式4; 交流电压为负，开关管1M和2M均关断，电源电流通过二极管2D对电容 C和负载充电，并流过开关管1M，在电感 L处返回。如图 2.7.4 所示，此时电容C储存能量。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书11通过控制开关管1M和2M的导通与关断时间，来实现对电容C的充放电，控制输出端电压在一个恒定的值，同时控制输入
45、电流为正弦波形，并与输入电压同相位。为了能够进一步提高系统的性能，降低开关损耗，减小噪音，可以采用零电流或零电压技术，但这样以来会导致设计成本的增加。图 2.7.1 工作模式1 图 2.7.2 工作模式2 图 2.7.3 工作模式3 图 2.7.4 工作模式4 图 2.7 系统电路的四种工作模式Fig. 2.7 System of four working mode circuit 2.3.2 单相全桥整流电路的工作原理单相全桥整流电路主电路，当采用双极性调制时，其交流电压将在Vdc与-Vdc 间切换，以实现交流侧电压的PWM 控制。因此，双极性型调制时，单相全桥整流电路PWM 过程只存在两种
46、开关模式，并可以用双极性二值逻辑开关函数S进行描述，即 : V3(VD3)通V3(VD2),1V4(VD4)通V1(VD1),1S（2.3 ）两种开关模式如表2.1 所示: 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学院2011 届本科毕业设计说明书12表 2.l单相全桥整流电路双极性调制开关模式Table 2.1 Single-phase bridge rectifier circuit dual
47、 polarity modulation switch mode 开关模式1 2 导通元件V1(VD1) V4(VD4) V2（VD2 ）V3（VD3 ）开关函数1 -1 当网侧电流 i(t)方向不同时，同一开关模式将存在不同的电流回路，单相全桥整流双极性调制不同开关模式时的电路回路如图2.8 所示。图 2.8.1模式 2 且 i(t)0 图 2.8.2模式 1 且 i(t)0 图 2.8.3模式 1且 i(t)0 图 2.8.4模式 2 且 i(t)0时，回路经过2T、3T、sL; 若(t)US、i(t)同相，则网侧电感端电压0/dtLdi(t)U(t)UR(t)U(t)ULmSSS， 这时
48、电网电动势和直流侧电容共同使电感磁能增大，从而使网侧电流增加对交流电感SL进行储能 ; 再经过1D、2D、SL回路进行续流。若) t(US、i(t)反相，则网侧电感端电压0/dt)L(di(t)U(t)U(t)U(t)UmRSLSS，因此这时电网电动势和网侧电感共同向全桥整流直流电容充电，网侧电感磁能减小，从而使网侧电流衰减。类似可分析出i(t)O的情况。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 41 页 - - - - - - - - - 天津理工大学中环信息学
49、院2011 届本科毕业设计说明书132.3.3 单相高功率因数整流电路的电流控制方法根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种: 引入交流电流反馈的称为直接电流控制 (DCC);没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，间接电流控制也称为相位幅值控制(PAC)。1. 间接电流控制间接电流控制就是通过控制PWM 整流器的交流输入端电压，实现对输入电流的控制。这种控制方法没有引入交流电流控制信号，而是通过控制输入端电压间接控制输入电流，故称间接电流控制。又因其直接控制量为电压，所以又称为相位幅值控制。其原理图如图2.9 所示。图 2.9 间接电流控制框图Fig. 2.9 Indirect cu
50、rrent control diagram 间接电流控制引入一个电压环，由电压环得到一个与整流电路输出功率相匹配的输入电流幅值给定。再经过两个乘法器转换成输入电流的有功分量ip 和无功分量 iq ， 分别经 R和L环节后转换成电压信号再与电源电压相减后，便得到给定电压调制信号，最后与三角波比较产生控制用的 PWM 信号，控制主电路的工作。这种控制方式的电路简单，但由于缺少了电流环，响应速度受到一定程度的影响; 另外，用到了电路参数R、L，电路参数与给定参数一致性较差，也会影响控制的精度。2. 直接电流控制与间接电流相反， 在控制电路中引入交流输入电流反馈信号，对输入电流进行直接控制，称为直接电