单相PWM整流电路设计(电力电子课程设计报告).docx

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1、重庆大学电气工程学院电力电子技术课程设计/设计题目： 单相桥式可控整流电路设计年级专业： *级电气工程与自动化学生姓名：*学号：*)成绩评定：完成日期：2023 年 6 月 23 日课程设计指导教师评定成绩表学 习 态 度 认学习态度比较学习态度学习态度尚学习马虎，真，科学作风认真，科学作尚好，遵守可，能遵守组纪律松散，严谨，严格保风良好，能按组织纪律，织纪律，能按工 作 作 风证设计时间并按任务书中规期圆满完成任务书规定的任根本保证设计时间，期完成任务不严谨 , 不能 保 证 设定的进度开展各项工作务按期完成各项工作计 时 间 和进度设计合理、理设计合理、理设计合理，设计根本合设 计 不 合

2、论分析与计算论分析与计算理论分析理，理论分析理，理论分正确，试验数正确，试验数与计算基与计算无大析 与 计 算据准确，有很据比较准确，本正确，实错，试验数据有 原 则 错强的实际动手力量、经济分有较强的实际动手力量、经验数据比较准确，有无大错误，试验数据不行靠，析力量和计算机应用力量，文献查阅力量济分析力量和计算机应用能力，文献引用、 定的实际动手能力，主要文实 际 动 手力量差，文献引用、调强、引用合理、调查调研格外合理、可信调查调研比较合理、可信献引用、调查调研比较可信查 调 研 有较 大 的 问题构造严谨，逻构造合理，符构造合理，构造根本合内容空泛，辑性强，层次合规律，文章层次较为理，规

3、律根本构造混乱，清楚，语言准层次清楚，语清楚，文理清楚，文字尚文 字 表 达确，文字流畅，言准确，文字通顺，根本通顺，牵强达不清，错别完全符合标准流畅，符合规到达标准到标准化要字较多，达化要求，书写范化要求，书化要求，书求；图纸比较不 到 规 范工整或用计算机打印成文；图 纸 非 常 工写工整或用计算 机 打 印 成文；图纸工整、写比较工整；图纸比较工整、清工整化要求；图纸 不 工 整或不清楚整、清楚清楚晰优秀工程分值!(100x90)参考标准良好(90x80)参考标准中等(80x 70)参考标准及格(70x60)不及格(x60)参考标准参考标准评分学习态度20技术水平与实际能力30#论文(计

4、算 书、图 纸) 撰写质量50指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日重庆大学本科学生电力电子课程设计任务书、课程设计题目 单相桥式可控整流电路设计学院 电气工程专业 电气工程与自动化年级 *级参数和设计要求：1. 单相电压型 PWM 整流器设计2. 输入工频电压 220V20%，50HZ3. 输出功率 3KW，输出电压 400V 选型，开关频率 10KHz-20KHz；设计单相电压型 PWM 整流电路，并计算各元器件的参数，开关器件选用IGBT，承受双极性PWM 调制方式，运用matlab/simulink 对所设计电路仿真， 得出波形和数据。学生应完成的工作：1. 查询相关资料，学习 PWM

5、 整流的原理；2. 把握主电路的设计，对各参数进展理论计算；3. 学习 PWM 调制方式，用反响实现双极性调制方法4. 利用 simulink 对所设计电路进展仿真，并得到仿真波形和数据；5. 完成课程设计报告。目前资料收集状况含指定参考资料：张兴，张宗巍PWM 整理器及其掌握M单相电压型 PWM 整流器掌握系统设计与仿真J 单相电压型 PWM 整流电路原理分析与仿真J PWM 整流电路的原理分析J课程设计的工作打算：6 月 3 日6 月 7 日，查阅相关论文和参考文献，理解整流原理6 月 7 日6 月 11 日，PWM 整流电路的参数计算，主电路的设计6 月 11 日6 月 16 日，建立

6、simulink 仿真模型验证理论计算6 月 16 日6 月 23 日，完成电路仿真和课程设计报告(任务下达日期年月日指导教师签名完成日期年月日学生签名单相桥式可控整流电路设计摘要：本文主要争论单相桥式 PWM 整流电路的原理，并运用 IGBT 去实现电路的设计。概括地表达了单相电压型 PWM 整流电路的工作原理，用双极性调制方式去掌握 IGBT 的通断。在元器件选型上，较为具体地介绍了IGBT 的选型，分析了沟通侧电感和直流侧电容的作用，以及它们的选型。最终依据实际充电机的需求， 选择元器件具体的参数，并用 simulink 进展仿真，以验证所设计的单相电压型PWM 整流器的性能。实现了单相

7、电压型PWM 整流器的高功率因数，低纹波输出等功能。关键词：PWM 整流simulink双极性调制IGBT名目1. 引言错误!未定义书签。PWM 整流器产生的背景错误!未定义书签。PWM 整流器的进展状况错误!未定义书签。本文所争论的主要内容错误!未定义书签。2. 单相电压型 PWM 整流电路的工作原理错误!未定义书签。电路工作状态分析错误!未定义书签。PWM 掌握信号分析错误!未定义书签。；沟通测电压电流的矢量关系错误!未定义书签。3. 单相电压型 PWM 整流电路的设计错误!未定义书签。主电路系统设计错误!未定义书签。IGBT 和二极管的选型设计错误!未定义书签。沟通侧电感的选型设计错误!

8、未定义书签。直流侧电容的选型设计错误!未定义书签。直流侧 LC 滤波电路的设计错误!未定义书签。4. 单相 PWM 整流电路的仿真及分析错误!未定义书签。整流电路的 simulink 仿真错误!未定义书签。对 simulink 仿真结果的分析错误!未定义书签。5. 工作展望错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。1. 引言PWM 整流器产生的背景电力电子技术是现代电工技术中最活泼的领域，并且在电力系统中得到日益广泛的应用，它是使用电力电子器件对电能进展变换和掌握的技术。 电力电子技术依据用户对电能要求的不同，对电能进展不同形式的变换，实现电能更好的满足人们的需求，并通过功能和性能的提高，产

9、生经济和社会效益。电力电子技术的进展，促进了各种电能变换装置的进展，消灭了各种以 PWM变换为根底的电力电子装置，例如逆变电源、变频器、超导储能装置、能源发电装置、有源电力滤波器、统一潮流掌握器等等。这些现代的电力电子装置中， 很多都以直流电压为输入，或者中间级需要直流电压。从最开头的二极管不控整流，到后来消灭的晶闸管相控整流方式，这些整流装置都有共同的缺点，都会给电网带来谐波危害，其功率因数也不高。特别是谐波对于电网是一种污染，谐波会影响线路的稳定运行，影响挂在电网中的变压器工作效率，损坏低压开关设备，对通信设备产生干扰等等1。为了削减谐波危害，很多学者对型整流装置做了大量的争论分析，为了实

10、现整流装置输入电压与电流都正弦化，并且使其功率因数接近 1，学者们研制出了高频 PMW 整流器。高频 PWM 整流器不仅能够供给正弦化的输入电流，可控的功率因数，而且能够将直流侧能量逆变至电网侧，实现整流器的四象限运行。PWM 整流器的进展状况PWM 掌握技术的应用与进展为整流器性能的改进供给了变革性的思路和手段，结合了 PWM 掌握技术的型整流器称为 PWM 整流器。与传统的整流器相比，PWM 整流器不仅获得了可控的 AC/DC 电能变换性能， 而且实现了网侧单位功率因数和正弦电流掌握，能使电能双向传输。从 20 世纪 70 年月开头，PWM 技术开头应用于承受半控功率开关器件的单相整流电路

11、中。从 80 年月开头，随着半导体产业的进展，可关断功率开关器件产品日趋完善，对单相PWM 整流器有了更加深入的争论，其应用也更加广泛。随着连续及离散数学模型的提出、拓扑构造的多样化、掌握策略的完善、功率半导体技术以及传感器技术的持续进展，单相 PWM 整流器的争论进展进入一个的阶段。同时单相 PWM 整流器的应用也成为一个争论热点，如沟通传动、UPS 电源、柔性沟通电传输、光伏及风能并网发电等，同时，这些应用的争论对单相 PWM 整流器的争论起到促进作用。0b)模式 2，且i(t)0 c)模式 1，且i(t)0d)模式 2，且i(t)0)电流为正时，VD1 和 VD4 导通,沟通电源输出能量

12、,直流侧吸取能量,电路处于整流状态；电流为负时，V1 和 V4 导通;沟通电源吸取能量，直流侧释放能量， 处于能量反响状态。电流为正时，V2 和 V3 导通,沟通电源和直流侧都输出能量， L 储能；电流为负时，VD2 和 VD3 导通,沟通电源和直流侧都吸取能量，L 释放能量。PWM 掌握信号分析承受双极性 PWM 调制方法时，单相PWM 整流器的四个功率开关管通过两个不同的掌握信号掌握，图 1 中开关管 V1 和 V4 同时开通或关断，而开关管V2 和 V3同时开通或关断，其调制的 PWM 掌握信号如以下图 3。图 3 双极性 SPWM 调制原理通过双极性 SPWM 调制策略，使得沟通测的电

13、压在沟通测电压 uab(t)将在 Vdc和Vdc间切换。沟通测电压电流的矢量关系￥稳态条件下，PWM 整流电路沟通侧电压、电流矢量关系如图 4 所示。图 4 稳态条件下 PWM 整流电路沟通测的电压电流矢量关系图中，US为沟通电网侧电压相量， U为沟通测电压相量， UABL为沟通测电感电压相量， IS为沟通测电流相量。为简化分析，对于PWM 整流电路，只考虑基波重量，无视谐波重量，且不计沟通侧电阻。从上图分析得：当以沟通电网侧电压相量为参考时，通过掌握沟通侧电压相量即可实现 PWM 整流电路的四象限运行。假设假设沟通侧电流相量 I不S变，因此抚ULwLIS也固定不变，在此状况下，PWM 整流电

14、路沟通侧电压相量UAB端点运动轨迹构成了一个以UL为半径的圆。当沟通侧电压相量端点位于圆轨迹 A 点时，沟通侧电流相量将比沟通电网侧电压相量滞后 90，此时，PWM 整流电路电网侧呈纯电感特性，如图 4(a)所示。当沟通侧电压相量U端点位于圆轨迹 B 点时，沟通侧电流相量 I AB与沟通电网侧S电压相量US平行且同向，此时PWM 整流电路电网侧呈正电阻特性，如图 4(b)所示。当沟通侧电压相量UAB端点位于圆轨迹 C 点时，沟通侧电流相量US比沟通电网侧电压相量以超前 90，此时 PWM 整流电路电网侧呈纯电容特性，如图 4(c)所示。当沟通侧电压相量 IAB端点位于圆轨迹 D 点时，沟通侧电

15、流相量 IS与沟通电网侧电压相量US4(d)所示。平行且反向，此时 PWM 整流电路电网侧呈负电阻特性，如图3. 单相电压型 PWM 整流电路的设计。主电路系统设计为了结合实际状况，本设计将考虑直流侧电感的电阻，在输出侧增加一个 LC 滤波电路，是输出的结果纹波更小。其电路如以下图 5 所示。图 5 所设计单相 PWM 整流的主电路IGBT 和二极管的选型设计此电路的输入电压为沟通 220V，输出功率要到达 3KW。沟通电压的峰值为311V，考虑到肯定的裕量，IGBT 的耐压值可取 600V。另外由于此 PWM 整流电路为升压 boost 电路，输出的电流最大值平均 10A，考虑肯定的裕量，可

16、选择最大电流为 20A 的 IGBT。对于整流二极管，可依据上述电压电流的分析，可以选择二极管的反向击穿电压为 600V，电流 20A。沟通侧电感的选型设计在单相电压型 PWM 整流器工作过程中，整流器沟通侧电感在电路中起着能量传输的作用，肩负着将沟通侧能量传递至直流侧的任务，沟通侧电感的选型对于整流器输入电流波形的掌握起着至关重要的作用。沟通侧电感的取值不仅影响到电流环的动、静态性能，而且还打算着电压型整流器的输出功率、功率因数以及整流器输出直流电压的好坏。沟通侧电抗器隔离电网电压与整流器沟通侧电 压，通过对整流器沟通侧电压的掌握，实现 PWM 整流器的四象限运行，同时滤除电压源型整流器沟通

17、侧谐波电压，从而实现电压源型整流器沟通侧电流正弦， 使电压型整流器具有 Boost 特性的 PWM AC/DC 电源，在 PWM 整流器获得良好的直流电压同时，还可以实现系统功率因数可调，谐波电流小等特性。选型考虑因素一：整流器沟通侧电感压降不能太大，一般小于电网额定电压的 30%。可以查阅相关书籍2可 得：L 0.3USNwI0.3 U 2=SNwPSN0所给实际参数为USNL 15.4mH 。= 220V ， w =314rad/s， P0=3KW，带入上述公式可得：选型考虑因素二：沟通侧电流在一个开关周期内电流的最大超调量尽可能小，一般小于沟通侧额定基波电流峰值的 1020%。可以查阅相

18、关书籍2可 得：L (U+ 2U)U0sdc0.2SN2P fSN所给实际参数为USN可得： L 9.22mH 。= 220V ， fs= 10KHz ， P0=3KW，Udc= 400V 带入上述公式#所以选择的沟通侧电感的值 9.22mH L 15.4mH ， 此处选择中间值L = 12mH 。假设依据以上约束条件计算出的电感取值存在冲突时，表示电感选型限制条件过于苛刻，应当依据实际状况放宽条件，然后再重计算。总之，电感较大时， 对于整流器输入电流波形掌握会有好处，但是同样会带来动态响应慢的缺点。电感较小时，整流器输入电流淌态响应快，但是不利于电流波形的掌握。所以在实际设计电感时，综合考虑

19、上述各因素，可以将整流器输入电感设计略微大一点， 便于对整流器输入电流的掌握。直流侧电容的选型设计直流侧支撑电容的主要作用是当开关管关断时，为电感电流供给电流路径， 缓冲冲击电流，同时该电容还储存能量，稳定直流侧电压，抑制直流侧的谐波电压。直流电容的选择是单相电压型 PWM 整流器功率电路中的重要环节，选择是否适宜直接影响系统的输出特性及系统工作的安全性。在单相电压型 PWM 整流器中，引起电容电压波动的缘由在于负载变化引起的瞬态过程中输入及输出的功率不平衡。特别是当整流器的工作模式是能量最大功率由沟通侧流向直流侧，到能量最大功率由直流侧流向沟通侧时刻或者相反的工作状态。此时输入输出功率偏差最

20、大，瞬态过程最长，并且瞬态过程引起的能量偏差将全部积存在直流母线支撑电容上面，这将引起直流电容上较大的电压波动。由能量守恒定律，沟通侧开关频率次电流脉动能量变化最大值等于直流支撑电容上能量脉动最大值。可由相关文献2可 得，在选择直流母线支撑电容的时候，为了减小直流侧电压纹波，选择直流电容标准为：LI 2 ICSU 2 UdcSr dcr所给实际参数为 Udc= 400V ， L = 12mH ， I为沟通测输入的电流值，取S3000/220=, ISr为沟通侧输入电流的纹波系数，取 10%，Udcr为直流侧输出电压的纹波系数，取 2%。带入上述公式可得： C 139uF ，为了使输出直流成分更

21、大，此处可取大于10 倍，即取C = 1600uF 。直流侧LC 滤波电路的设计分析整流器工作在单位功率因数，无视整流器损耗。从电网供给的瞬时功率可以看到，整流器输入功率包含恒定的直流重量和 2 倍电源频率脉动的沟通重量。假设直流侧瞬时功率存在 2 倍于电网频率的沟通重量，此 2 倍于电网频率的沟通重量会在直流母线支撑电容上产生 2 倍于电网频率的沟通电压，即直流母线支撑电容上的电压是一个直流电压叠加一个 2 倍于电网频率的沟通电压。假设在直流支撑电容两端并联一个谐振频率为 2 倍电网频率的 LC 滤波器， 使得 2 倍频沟通电流重量流过该谐振滤波器，使得流入直流母线支撑电容的电流仅仅是直流重

22、量，那么直流母线电压必定是稳定的直流电压。因此，为了使单相电压型 PWM 整流器输出电压仅为稳定的直流电压，需要在直流母线电容两端并联谐振频率为 2 倍于电网频率的 LC 谐振滤波器。在实际问题中，设计直流侧 LC 谐振电路时，主要考虑以下两个方面的问题：（1） LC 谐振滤波器的谐振频率是 2 倍于沟通侧输入电压频率。（2） 将电容 C 取得略微大一点。谐振频率为：” 12pLCf =4. 单相 PWM 整流电路的仿真及分析整流电路的simulink 仿真12mH1600uF|400V3KW运用 matlab/simulink 对此单相 PWM 电压型整流电路进展仿真，可由上述参数选择公式计

23、算出参数，其仿真参数如下：单相沟通电压220V整流器输入侧电感整流器输入侧电阻直流侧电容直流侧负载电阻50直流侧负载电阻IGBT 开关频率10kHz输出功率仿真电路掌握信号方式承受直接电流掌握，仿真电路图如图 6 所示。图 6 单相电压型 PWM 整流电路仿真通过电压和电流反响，然后再与三角载波做比较，得到两组互补的PWM 掌握信号，去掌握IGBT 的通断，已到达最终输出电压维持在400V 四周。仿真后的输出电压波形如以下图 7 所示，可以看出在秒之前上升的格外快，之后就根本维持在400V 左右，有肯定的纹波，其直流成分相当高。450400350300250200150100500-5000.

24、050.10.150.20.250.30.35图 7 单相电压型 PWM 整流输出的电压波形直流侧电压稳定时输出直流电压波形的效果，可见输出直流侧电压波形较抱负，与理论分析的根本全都。以下图 7 为单相电压型 PWM 整流输入电压电流波形， 从中可以看出两者之间的关系。4002000-200-400100806040200-20-4000.050.10.150.20.25图 8 单相电压型 PWM 整流输入电压电流波形经过 PWM 整流器后，稳定时输入电流与输入电压根本同相位，在同时取得最大值和最小值。出仿真电路稳定运行后沟通侧电流为规章正弦波且与沟通侧电压同相位。这样，输入效率也就提高了，经

25、这种方式整流，其功率因数可以无限接近于 1，对电网的谐波干扰很小。对于掌握信号 PWM，四个 IGBT 的触发信号如以下图 9 所示，其中 VT1 与 VT2 的掌握信号互补，VT3 与 VT4 的掌握信号互补。1.510.501.510.501.510.501.510.500.0760.0780.080.0820.0840.0860.088图 9 调制后掌握信号 PWM 的波形对simulink 仿真结果的分析仿真中，假设沟通测电感或者直流侧电容参数设计的不合理，那么仿真的波形将相差甚远，这说明白电感电容的参数是 PWM 整流电路实现功能的关键因素。另外对于 IGBT 来说，其开关频率一般不

26、超过 20kHz，此仿真中使用的是 10kHz 的开关频率。可以看出输出电压的纹波还是比较大，其输入电流的脉动也比较明显，这与开关频率直接相关。当转变参数时，其仿真结果有较大的变化，例如将直流侧电容改为 C=160uF 时，其稳态输出电压的纹波较大，如以下图 10。8007006005004003002001000-10000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1图 10 当直流侧电容参数取值偏小时C=160uF的输出电压波形另外，对于 IGBT 的模型，仿真中的参数与真实器件的参数有差异，其开通和关断需要肯定的时间，这将导致器件的功率损耗。要降低损耗，可

27、以探究承受零电压零电流开断的软开关技术。5工作展望此次课程设计收获格外大，了解了PWM 整流的优越性能，明白了单相电压型PWM 整流器的工作原理，能够对主电路进展设计和元器件参数计算，把握了间的的 PWM 掌握方法，从 simulink 软件仿真的角度上实现了单相电压型 PWM 整流电路的功能，从而理解到 PWM 整流器的优越性能。虽然这次初试 PWM 整流电路取得了一些收获和成就，但PWM 整流器还有很多更浅显的学问。包括电流型PWM 整流、逆变，其掌握策略又有各种样式，这都学要我们在今后的生活中渐渐去学习和把握。参考文献1 王兆安,黄俊. 电力电子技术(第 4 版) M. 北京:机械工业出版社,2023.2 张兴，张宗巍PWM 整理器及其掌握M北京：机械工业出版社，2023： 23703 李方正等单相电压型 PWM 整流器掌握系统设计与仿真J装甲兵工程学院学报，2023，21(3)：65684 张军伟，王兵树等.单相电压型 PWM 整流电路原理分析与仿真J.现代电子技术.2023,32(8).5 黄卫平，谢运祥等.基于 DSP 的单相 PWM 整流器争论J.通信电源技术.1.