1、毕业设计（论文） I 基于 Matlab的单相电压型 PWM 整流电路仿真与设计 摘 要 现代工业中，很多场合需要进行电能变换 ,例如把直流电能变为交流电能 ,交流电能变为直流电能。直流电能变为交流电能由逆变器实现 ,交流电能变为直流电能由整流器实现。随着整流器的广泛应用，关于传统整流器的一些问题也日益突出，输入功率因数较低，输入电流含有大量谐波。针对传统的不控整流和相控整流中存在的谐波污染问题，采用直接电流控制中的双环控制策略，设计了单相全桥电压型 PWM整流器的控制系统。建立了系统的 SIMULINK 模型并进行了仿真。仿真结果表明：该 控制系统结构设计合理 ,参数选取适当，能实现有效控制
2、。 详细分析单相电压型 PWM 整流电路的工作原理和工作模式。说明通过对 PWM 电路进行控制，选择合适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。 近年来 PWM 整流器迅速成为了研究热点，因为它不仅获得了可控的 AC/DC 变换性能，而且具有输入单位功率因数和低谐波电流 ,能量双向传输等优点。 关键词 ： 单相电压型； PWM 整流 ； 功率因数； Matlab 仿真 II The single-phase voltage source PWM rectifier circuit based on Matlab simulation and design Ab
3、stract In modern industry, we need for power conversion on many occasions, for example, the exchange of AC power into DC power and DC power into AC power.AC power can be transferred into DC power by using the rectifier and DC power can be transferred into AC power by using the inverter. Since the re
4、ctifiers are extensively used, several problems with regard to traditional rectifiers have arisen in recent years, such as a low input power factor,and the harmonics in the input currents.In order to eliminate the harmonic pollution caused by the traditional phase controlled or uncontrolled rectifie
5、rs, a single-phase full-bridge voltage-type rectifier has been designed in which the 2-ring control PWM technique of directly current-controlled strategies is adopted.And the SIMULENK model has been built to simulate this system. The result thus indicates that the control system is of logical config
6、uration and proper parameter. The theory and working modes about single-phase voltage source PWM rectifier are elaborately analysed in this paper,which illust rate that the voltage in DC side can be effectively stabilized with PWM control by selecting burst mode and time. Therefore, pulse-width modu
7、lated rectifiers have rapidly attracted the research interest over the past few years due to some of their significant advantages, such as controllable of AC-DC voltage, unity power factor, low harmonic distortion of input currents, power regeneration capability, etc. Keywords： single-phase voltage
8、type； PWM Rectifier； The power factor； Matlab Simulation. III 目 录 引言 . V 第 1 章 概述 .- 1 - 1.1 本课题研究的意义 .- 2 - 1.2 国内外研究现状 .- 2 - 1.3 本论文研究的主要工作 .- 3 - 第 2 章 PWM 控制技术 .- 4 - 2.1 PWM 简介 .- 4 - 2.2 PWM 控制原理和应用 .- 4 - 2.3 PWM 控制技术的 应用 .- 8 - 第 3 章 功率 因数 校正技术 . - 10 - 3.1 功率因 数 校正简介 . - 10 - 3.2 有源功率因 数 校
9、正 （ APFC） 技术 . - 17 - 3.3 提高功率因数的几种方法 . - 21 - 3.4 提高功率因数的实际意义 . - 21 - 第 4 章 Matlab 仿真实验 . - 22 - 4.1 电路的工作原理 . - 22 - 4.2 实验要求 . - 23 - 4.3Matlab 仿真步骤和波形 . - 23 - 4.4 主封装图以及各子系统 . - 28 - IV 4.5 仿真结论 . - 29 - 结论和展望 . 错误 !未定义书签。 结论 . - 30 - 展望 . - 30 - 致谢 . - 31 - 参考文献 . - 31 - 附录 1： 英文翻译（原文部分） . 错误
10、 !未定义书签。 附录 2： 英文翻译（部分译文） . 错误 !未定义书签。 V 插图清单 图 2-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 4 图 2-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 5 图 2-3 PWM 波代替正弦波 5 图 2-4 规则采样法 .7 图 2 - 5 滞环比较法控制的原理框图 8 图 3-1 乘法器控制的 PFC 原理框图 . 11 图 3-2 电感输入型与电容输入型 PFC 电路图 13 图 3-3 两级 式和单级式 PFC 变换器方框图 .14 图 3-4 典型的乘法器方式 PFC 电路 . .16 图 3-5 电压跟随器 Boost PFC 电路 . 16 图 3-6
11、 升 压 型 PFC 电路 . . 18 图 3-7 降压 型 PFC 电路 . 19 图 3-8 升 降 压 型 PFC 电路 19 图 3-9 正 激型 PFC 电路 20 图 3-10 反激型 PFC 电路 20 图 3-11 单级电路 21 图 4-1 APFC 电路原理图 22 图 4-2 Matlab 整流电路仿真电路图 25 图 4-3 网侧电压的参数 26 图 4-4 PID调节器的参数 26 图 4-5 Relay滞环比较器的参数 26 图 4-6 Mosfet参数 27 图 4-7 二极管参数 27 图 4-8 仿真时的环境参数 28 图 4-11 输出电压 uo的仿真波形
12、 28 图 4-12 ui和 ii的仿真波形 29 图 4-13 Ud 和 iL 的波形 29 图 4-14 功率因数仿真波形 30 图 4-15 Subsystem .30 图 4-16 Subsystem1 31 VI 表格清单 表 3-1 电感输入型与电容输入型 PFC 电路的对偶性对照 .12 毕业设计（论文） - 1 - 引 言 第 1 章 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 数 （ 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
13、 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 200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 200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
14、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(Sinusoidal PWM)法是一种比较成
15、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，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
16、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。 - 2 - 1.1 课题研究的意义 在工业技术迅速发展的今天，人们对所使用的电能的质量要求越来越高；随着能源危机的日益严重，以节
17、能高效 ,合理优质使用电能为特点的电力电子装置得到空前的发展。现在经过转换加工处理后再供家庭和公共使用的电能 占整个国家的发电量的比例的大小，已经成了衡量一个国家科学技术水平高低的重要标志。根据相关资料记述， 1995年发达国家中有 75%左右的电能是经过电力电子技术变换或控制后在使用。进入 21 世纪后，将有 95%电能需经过转换及加工处理后在使用。而美国预计到 21 世纪头二三十年，整个美国所产生的电能都会经过转换及加工处理后再供家庭及公众所使用。 电力电子技术在人们的日常生活带来便利的同时，也引起一个新问题，即对电网的污染问题。传统的整流电路基本都采用不控整流，输出并联大电容滤波。这种电
18、路的优点是具有非常高的可靠性，结构简 单，已使用方便，不需要控制电路，因此在 20 世纪时用到此电路的地方十分多。但此种整流器的大规模应用的同时也产生了几个方面的问题。 （ 1） 二极管的整流将会使得电网侧的电流波形发生很大的变化，从而使得功率因数下降很多。无边功率的大量损失会给电网带来计划外的风险，不单是电线路的损失加大，而起非常严重地影响了供电的电能质量。 （ 2） 进一步研究二极管整流电路输入电流的频谱，我们发现输入电流中包含有比较多的低次谐波流。 （ 3） 因为二极管是单向导电，所以对交流的变频调速系统而言，电机制动的再生能量将无法回馈给电网，因此提高系统的效率及性能方 面而言有一定的
19、局限性。 （ 4） 深控时网侧的功率因数降低。 （ 5） 闭环控制时动态响应相应来说较慢。 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。 1.2 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
20、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点，取得了较好的控制效果。 其中电路采用数字控制方法， DSP 采样输出电压和电感电流，采用电压电流双闭环，以实现稳压并且提高系统的性
21、能。 由于 PI 调节器算法简单、可靠性高，一直被广泛应用于工业控制，所以本文也采- 3 - 用数字 PI 调节，将电压环的输出作为电流环的给定。同时，为防止可能出现的积分饱和的情况，在算法中加入了抗饱和环节。 1.3 本论文研究的主要工作 (1)设 计功率因数测定电路。 (2)设计功率因数校正电路。 (3)设计整流电路任务： 输入电压：单相 220V（ 1 15%）， 50HZ；输出直流电压 400V(1 15%)。 (4)进行仿真验证。 整流任务完成；电源功率因数达到 0.95 以上。 - 4 - 第 2 章 PWM 控制技术 2.1 PWM 简介 PWM 的全称是 Pulse Width
22、 Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压 。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是使用较广泛的 PWM 法 。 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。 2.2 PWM 控制原理和应用 2.2.1 P
23、WM 控制的基本原理 理论基础：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 。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 f ( t ) ( t )tOa ) b ) c ) d )tOtOtOf ( t )f ( t )f ( t )图 2-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 面积等效原理：分别将如图 2-1 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（ R-L 电路）上，如图 2-2a 所示。其输出电流 i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图 2-2b 所示。从波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相 同。脉冲越窄，各 i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应 i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各 i(t)在低频段的特性 将非常接近，仅在高频段有所不同 。
