单相PWM整流电路设计(电力电子课程设计)

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：2013年6月23日***（单相桥式可控整流电路设计）-1-课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100x≥90)良好(90x≥80)中等(80x≥70)及格(70x≥60)不及格(x60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度20学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力30设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名：年月日***（单相桥式可控整流电路设计）-2-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**级已知参数和设计要求：1.单相电压型PWM整流器设计2.输入工频电压220V（±20%），50HZ3.输出功率3KW，输出电压400V4.IGBT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，采用双极性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整流的原理；2.掌握主电路的设计，对各参数进行理论计算；3.学习PWM调制方式，用反馈实现双极性调制方法4.利用simulink对所设计电路进行仿真，并得到仿真波形和数据；5.完成课程设计报告。目前资料收集情况（含指定参考资料）：张兴，张宗巍．PWM整理器及其控制[M]单相电压型PWM整流器控制系统设计与仿真[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]课程设计的工作计划：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完成日期年月日指导教师（签名）学生（签名）***（单相桥式可控整流电路设计）-3-单相桥式可控整流电路设计摘要：本文主要研究单相桥式PWM整流电路的原理，并运用IGBT去实现电路的设计。概括地讲述了单相电压型PWM整流电路的工作原理，用双极性调制方式去控制IGBT的通断。在元器件选型上，较为详细地介绍了IGBT的选型，分析了交流侧电感和直流侧电容的作用，以及它们的选型。最后根据实际充电机的需求，选择元器件具体的参数，并用simulink进行仿真，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***（单相桥式可控整流电路设计）-4-目录1.引言.........................................................-5-1.1PWM整流器产生的背景....................................-5-1.2PWM整流器的发展状况....................................-5-1.3本文所研究的主要内容....................................-6-2.单相电压型PWM整流电路的工作原理.............................-7-2.1电路工作状态分析.........................................-7-2.2PWM控制信号分析.........................................-8-2.3交流测电压电流的矢量关系...............................-9-3.单相电压型PWM整流电路的设计................................-10-3.1主电路系统设计.........................................-10-3.2IGBT和二极管的选型设计.................................-11-3.3交流侧电感的选型设计...................................-11-3.4直流侧电容的选型设计...................................-12-3.5直流侧LC滤波电路的设计................................-13-4.单相PWM整流电路的仿真及分析................................-13-4.1整流电路的simulink仿真...............................-13-4.2对simulink仿真结果的分析.............................-16-5．工作展望...................................................-16-参考文献......................................................-17-***（单相桥式可控整流电路设计）-5-1.引言1.1PWM整流器产生的背景电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，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行变换和控制的技术。电力电子技术根据用户对电能要求的不同，对电能进行不同形式的变换，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，产生经济和社会效益。电力电子技术的发展，促进了各种电能变换装置的发展，出现了各种以PWM变换为基础的电力电子装置，例如逆变电源、变频器、超导储能装置、新能源发电装置、有源电力滤波器、统一潮流控制器等等。这些现代的电力电子装置中，许多都以直流电压为输入，或者中间级需要直流电压。从最开始的二极管不控整流，到后来出现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]。为了减少谐波危害，许多学者对新型整流装置做了大量的研究分析，为了实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整流器不仅能够提供正弦化的输入电流，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。1.2PWM整流器的发展状况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，结合了PWM控制技术的新型整流器称为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控制，能使电能双向传输。从20世纪70年代开始，PWM技术开始应用于采用半控功率开关器件的单相整流电路中。从80年代开始，随着半导体产业的发展，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研究，其应用也更加广泛。随着连续及离散数学模型的提出、拓扑结构的多样化、控制策略的完善、功率半***（单相桥式可控整流电路设计）-6-导体技术以及传感器技术的持续发展，单相PWM整流器的研究发展进入一个新的阶段。同时单相PWM整流器的应用也成为一个研究热点，如交流传动、UPS电源、柔性交流电传输、光伏及风能并网发电等，同时，这些应用的研究对单相PWM整流器的研究起到促进作用。PWM整流器数学模型的建立，是对PWM整流器进行研究的基础，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，这种连续、离散模型的建立极大的扩展了PWM整流器的发展，可以用数学语言来描述PWM整流器的工作原理。R.Wu和S.B.Dewan等比较系统的建立起了PWM整流器时域模型，在此基础上，HengchunMao等人建立了降阶小信号模型。各种模型的建立，大大促进了人们对于PWM整流器的认识，对PWM整流器的工作特性更加清晰，大大促进了对于PWM整流器的研究。在此同时新的拓扑结构和控制方法得到了快速的发展，并由此将PWM整流器的应用拓展到更加广阔的领域，例如风力光伏发电技术、有源电力滤波器、统一潮流控制器、动态电压恢复器、直流输电技术等等[1]。PWM整流器非常好的工作特性，其关键在于对整流器输入电流的控制。为了使PWM整流器实现单位功率因数和输入电流含有较小的谐波，必须控制整流器输入电流呈现正弦特性，对于整流器的控制策略，关键在于电流内环的设计分析。1.3本文所研究的主要内容对于较为复杂的PWM整流器的研究，本文着重在于从课程设计的角度上学习PWM整流原理，并能设计PWM整流电路及其各元器件的参数，最终用simulink仿真验证所设计的效果。在器件上，本文全控型器件选用IGBT，通过要求计算所需选择IGBT的参数，并简单分析研究其H桥死区问题、损耗问题、开关速度问题。具体地，本文主要以电动汽车的直流充电机为背景，以直流充电机的所需参数来规范本文的基本参数，选用单相工频交流电源220V/50Hz供电，输出额定功率达到3KW，直流侧电压为400V。***（单相桥式可控整流电路设计）-7-2.单相电压型PWM整流电路的工作原理单相桥式电压型PWM整流电路,其电路如图1所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L为交流侧附加的电感,在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析,可以忽略L的电阻。直流侧电容C在全控型器件关断时，为电感电流提供电流路径，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。主要功率将消耗在负载R上。图1单相桥式电压型PWM整流电路除必须具有输入电感外,PWM整流器的电路结构和PWM逆变电路是相同的。按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图1中的V1～V4进行SPWM控制,就可以在桥的交流输入端ab间产生一个SPWM波uab。在uab中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量,以及和三角波载波有关的频率很高的谐波,但不含有低次谐波。2.1电路工作状态分析对于单相电压型PWM整流器而言，其交流侧基波电压控制有两种PW