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两电平PWM 整流器的调制策略研究摘要： 众所周知，在传统的整流电路中，晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触角的增加而变坏，这不但使得电力电子类装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无论是不控整流电路，还是相控整流电路，功率因数低都是难以克服的缺点。PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路。可以最大克服功率因数低，谐波多等问题。本文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。同时也调节了交流侧电流的大小和相位，实现能量在交流侧和直流侧的双向流动，并使变流装置获得良好的功率因数。同时通过对输出电压的波形进行实验仿真分析，通过FFT工具对输出电压波形的谐波含量进行分析，以达到最优输出波形。最后建立其Matlab的仿真模型，验证了设计的正确性。关键词：单相电压型PWM；整流；功率因数；Matlab仿真；直流侧，第一章 绪论1.1 概述PWM调制是现代发展起来的一项技术，早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，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量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。1.2研究意义及背景在所有的静止电力变换电路中，整流电路是最早出现的，常用的整流电路拓扑结构早在二、三十年代使用汞弧整流器时就已成熟1-4。除直接使用直流电源的设备外，大部分DC/AC和DC/DC装置的输入直流电压是经不控或相控整流得到的，故整流电路的应用也最广。据1992年日本电气学会的调查报告5，在所有的电力电子设备中，整流装置要占到近70%之多。由于整流器的用量如此之大，所以它的输入特性对电网有很大影响。概括来讲，传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器的主要缺陷是：(1)对公用电网产生大量的谐波；(2)整流器工作于深度相控状态时，装置的功率因数极低；(3)输出侧需要较大的平波电抗和滤波电容以滤除纹波。这导致装置的体积、重量增大，损耗也随之上升；(4)相控导致调节周期长，加之输出滤波时间常数又较大，所以系统动态响应慢。以上缺点中的三、四条还仅是影响装置本身的性能，而头两条，尤其是产生大量的谐波，对公用电网产生了严重的污染，已成为公认的电网公害。电网无功的副作用主要表现为降低了发电、输电设备的利用率，增加了线路损耗。无功还使线路和变压器的电压降增大。至于谐波，它对公用电网的影响更为严重。它的危害主要有以下几个方面：(1)谐波增加了公用电网的附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率；(2)在电缆输电的情况下谐波以正比于其电压幅值的形式增加了介质的电场强度，缩短了电缆的使用寿命，还增加了事故次数和修理费用；(3)谐波会影响用电设备的正常工作。比如谐波对电机产生附加转矩，导致不希望的机械震动、噪声。还会引入附加铜损、铁损，以及过电压，导致局部过热，绝缘老化，缩短设备使用寿命。瞬时的谐波高压还可能损坏其它一些对过电压敏感的电子设备；(4)谐波还引起某些继电器、接触器的误动作；(5)谐波使得常规电气仪表测量不准确；(6)谐波对周围的环境产生电磁干扰，影响通信、电话等设备的正常工作；(7)谐波容易使电网产生局部的并联或串联谐振，而谐振导致的谐波放大效应又进一步恶化和加剧了所有前述问题6。随着用电设备谐波标准日益严格，采用高功率因数，低谐波的高频开关模式PWM整流器，代替传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流装置是大势所趋。和传统整流器相比，PWM整流器可以控制交流电源电流为畸变很小的正弦化电流，且功率因数为1。此外，PWM整流器比起传统相控整流器相比较，体积，重量可以大大减小，动态响应速度也可以显著提高。1.3PWM整流器的分类及特点PWM整流器也称开关模式整流器(SMR：Switch Mode Rectifier)。从不同的角度看PWM整流器有不同的划分。按是否具有能量回馈功能，将PWM整流器分成无能量回馈功能的整流器(PFCPower Factor Correction)和具有能量回馈功能的整流器。按电路的拓扑结构和外特性，PWM整流器分为电压型(升压型或Boost型)和电流型(降压型或Buck型)。升压电路的基本特点是输出直流电压高于输入交流线电压峰值，这是其升压型拓扑结构决定的。升压型整流器输出一般呈电压源特性，但也有工作在受控电流源的时候。降压电路输出直流电压总低于输入的交流峰值电压，这也是由电路拓扑结构决定的。降压型整流器输出一般呈电流源，但有时候也工作在受控电压源状态。无论哪种PWM整流电路，都基本能达到单位功率因数。但在谐波含量，控制复杂性，动态性能，电路体积、重量、成本方面有较大差别。1.4 开展工作1、了解两电平PWM整流电路应用场合及其发展前景。2、认识两电平PWM整流电路的结构组成，分析每个部分的所起作用和基本原理。3、在matlab中建立两电平PWM整流电路模型，通过相关参数计算，分析各部分所起作用。掌握PWM整流的基本原理，同时得到最优波形。4、输出相关波形，用FFT工具分析交流侧网侧电流的谐波含量第二章PWM整流器拓扑结构随着PWM整流技术的发展，已经设计出多种PWM整流器，它们在主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点。按直流储能形式可以分为电压源型和电流源型。按电网相数可以分为单相电路、两相电路和多相电路。按开关调制可以分为硬开关调制和软开关调制。按桥路结构可以分为半桥电路和全桥电路。按调制电平可以分为两电平电路、三电平电路和多电平电路。在电压源型PWM整流器的诸多拓扑结构中，直流侧均采用电容进行储能，使直流侧呈电压源特性，这是其最显著的特征。 图2.3单相半桥VSR拓扑结构 图2.4单相全桥VSR拓扑结构图2.3和图2.4为单相半桥和全桥VSR拓扑结构。可以看出，单相半桥和单相全桥VSR的交流侧的电路结构是相同的，其中交流侧电感主要用于滤除网侧电流谐波。单相半桥VSR只有一个桥臂采用功率开关器件，另一桥臂由两个串联的电容组成，可以作为直流侧储能电容；单相全桥VSR采用四个功率开关器件构成H桥结构，每个功率开关器件与一个续流二极管反并联，以用来缓冲PWM过程中的无功电能。两者比较，前者的主电路结构简单，造价低，常用于低成本、小功率的应用场合。但是半桥电路直流电压是全桥电路的两倍，对其功率开关器件的耐压要求较高，而且需要引入电容均压控制来保持电路中点电位基本不变，因此控制起来相对复杂。 图2.5三相半桥VSR拓扑结构 图2.6三相全桥VSR拓扑结构图2.5和图2.6为三相半桥、全桥VSR拓扑结构，三相半桥VSR交流侧采用三相对称的无中线连接方式，用六个功率开关器件构成，适用于三相电网平衡的系统，是一种普遍使用的PWM整流器。三相全桥VSR克服了前者在电网不平衡的时候容易发生故障的缺点，在公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥VSR，而且通过变压器连接三相四线制电网，但是其功率开关器件数量是前者的两倍，所以应用较少。以上所介绍的是两电平拓扑结构应用于高压场合时，需要将多个开关器件串联在一起使用，或使用耐压等级较高的开关器件，以提高电压等级。使用时，当开关频率不高时，谐波含量会相对增大。而具有中点嵌位的三电平VSR拓扑结构采用二极管嵌位，获得交流输出电压为三电平，因此提高了耐压等级，降低了交流谐波电压、电流，改善了网侧波形品质。第三章 单向PWM整流结构及原理分析3.1单相电压型桥式PWM整流电路的结构单相电压型桥式PWM整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式变频电源提供直流中间环节，电路结构如图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为交流侧附加的电抗器，起平衡电压，支撑无功功率和储存能量的作用。图1中u1(t)是正弦波电网电压；Ud是整流器的直流侧输出电压；uS(t)是交流侧输入电压，为PWM控制方式下的脉冲波，其基波与电网电压同频率，幅值和相位可控；iN(t)是PWM整流器从电网吸收的电流。由图1所示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管VD1VD4完成从交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件VT1VT2从直流侧逆变为交流，反馈给电网。所以PWM整流器的能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是整流还是逆变，主要视VT1VT4的脉宽调制方式而定。IdidUdINLN图1 单向PWM整流电路结构图因为PWM整流器从交流电网吸取跟电网电压同相位的正弦电流，其输入端的功率是电网频率脉动的两倍。由于理想状况下输出电压恒定，所以此时的输出电流id与输入功率一样也是网频脉动的两倍，于是设置串联型谐振滤波器L2C2。，让其谐振输出电流基波频率的2倍，从而短路掉交流侧的2倍频谐波。其中两倍谐波的计算方法是：对于理想的PWM整流器，假定它们从交流电网吸取与网压同相位的正弦电流，及输入端为： （2-1） （2-2） 在理想情况在输入功率Pn等于输出功率Pd即有： （2-3）从上式得出，电网的输入功率是以2倍与电网的频率波动的，对于PWM整流器来说，其输出电压为恒定的，即，且满足，因此输出电流为： （2-4）其中由得，输出电流同功率一样也存在一个2倍网频的脉动分量，因此，在直流侧需要加一个滤波器，即在直流侧与负载之间接入一个由电感电容组成的滤波器。3.2单相电压型桥式整流电路的工作原理图2是单相PWM电压型整流电路的运行方式相量图，us1(t)设为交流侧电压US(t)的基波分量,iN1(t)为电流iN(t)的基波分量，忽略电网电阻的条件下，对于基波分量，有下面的相量方程成立，即: （2-5） 可以看出，如果采用合适的PWM方式，使产生的调制电压与网压同频率，并且调节调制电压，以使得流出电网电流的基波分量与网压相位一致或正好相反，从而使得PWM整流器工作在如图2所示的整流或逆变的不同工况，来完成能量的双向流动。 （a） 整流工况 （b）逆变工况图3.1单向电压型PWM整流电路运行方式相量图假设整流时有： （2-6）调制波为： （2-7）设为三角载波幅值；为单极性SPWM波，采用状态空间平均模型分析吗，在一个开关周期内的平均值表示为：（2-8）定义正弦脉宽调制比：（2-9）并取：（2-10）则根据相量图，相角表达式为： tan-1 时能否使得交流侧获得高功率因数，此时有：（2-11）从相量图及式(8)可以看出为保持单位功率因数，通过脉宽调制的适当控制，在不同的负载电流下，使向量端点轨迹沿直线AB运动。同理也能得到逆变工况下的运行条件，这里不再赘述。3.3单向电压型PWM整流电路工作过程分析(1)工作模式1：T1(D1)、T3(D3)或T2(D2)、T4(D4)导通时，即下桥臂开关或上桥开关全部导通，此时=0，负载消耗的能量由电容C提供，直流电压通过负载RL形成回路释放能量，电压下降。同时，电源两端直接加电感上，当>0时，即处于正半周，电感中电流上升，T3和D1导通或者T2和D4导通，只要T2、T3中的一个导通即可下如图；当<0时，即处于负半周，电感中电流下降，T1和D3导通或者T4和D2导通，只要T1、T4中的一个导通即可如图，这两种状态使电感储存能量，并满足关系式(2-12)：=（2-12）(2)工作模式2：T1(D1)、T4(D4)导通时，此时储存在电感中的能量逐渐流向负载R和电容C上，电流下降，通过D1和D4形成回路，且T2、T3同时关断。直流侧电流一方面给电容C充电，使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路；另一方面给负载R提供恒定的电流，并满足关系式(2-13)：（2-13）(3)工作模式3：T2(D2)、T3(D3)导通时，此时储存在电容C中的能量逐渐流向负载L和电感上，电流上升，通过D2和D3形成回路，且T1、T4同时关断。并满足关系式(2-14)：（2-14）在任意瞬间，电路只能工作于上述开关模式中的一种。在不同时区，可以工作于不同模式，以保证输出电流的双向流动，即实现能量双向流动。从单相工作原理可以看到当电容充电时，主要依靠IGBT并联的二极管工作，输入电感释放能量，输入电流变化取决于输入电压正负；当电容放电时，主要依靠IGBT本身和二极管工作，输入电感储存能量，输入电流的变化同样取决于输入电压正负。这是Boost型电路拓扑和IGBT所决定的工作方式。采取正弦PWM方式对全控开关器件T1T4进行控制，则在全控桥的交流输入侧可以产生一个正弦调制PWM波忽略高次谐波的影响，则中只含有和被调正弦信号波同频率且与幅值成比例的基波分量，即由于电感的滤波作用，使得高次谐波对网侧电流的影响很小。在这种理想情况下，为与网侧电源电压同频率的正弦波。若网侧电源电压不变，由电路结构可知，的幅值和相位仅由中的基波分量的幅值及其与电压的相位差决定，控制中基波电压的幅值和相位即可控制整流器功率的流向和功率因数角，如图2.1所示。因此，电压型PWM整流器既可以运行在整流状态，也可以运行在逆变状态。图3.2单相电压型PWM整流电路控制时序与整流运行模式图第四章 两电平整流器原理与数学模型单相电压型两电平PWM整流器主电路如图2_1所示，网侧漏感1#起 传递和储存能量，抑制高次谐波的作用；支撑电容Cd起抑制高次谐波，减少 直流电压纹波的作用；电感12和电容C2形成串联谐振电路，用于滤除电网 的2次谐波分量。把开关器件(这里采用IGBT)视为理想开关元件，定义理 想开关图2-i两电平PWM整流器主电路图2-2两电平PWM整流器等效电路由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通，则*与S2(1、与不能同时 导通和关断，驱动信号应该互补。PWM整流器网侧输入端电压a6取值有0、-1三种电平，有效的开关组合有22 =4种，即W =00、01、10、11 四种逻辑，则PWM整流器输入端电压Ufl6有如下关系：(2-2)函数义和义. 从而得到如图2-2所示简化等效电路。 则由式（2-2),系统的瞬时等值电路如图2-3所示：Ln Rn由图2-3可见，通过不同的控制方法适当调节的大小和相位，就能控 制输入电流的相位以控制系统功率因数；同时控制输入电流的大小以控制传 入功率变换的能量，也就控制了直流侧输出电压。因此，通常釆用电压外环 和电流内环相结合的双闭环控制方式。u*此等值电路的电压矢量平衡方程为：uN =LN- + RNiN + uab(2-3)at对应于四个开关的不同工作状态，电路共有以下三种工作模式：工作模式1: H=00或11,即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通，则 此时=0,电容crf向负载供电，直流电压通过负载形成回路释放能量，直 流电压下降，因此，为了保证直流侧电压的稳定，工作模式1的导通时间比 较短，这也是在空间电压矢量调制中，两个零矢量的作用时间要比其他六个 矢量的作用时间短的原因。另一方面，网侧电压&两端电压直接加在电感 上，对电感充、放电。此时对应的电压矢量平衡方程如下（忽略等效电阻 的影响)：un-Ln&(2-4)at工作模式2: SASB =01，等效电路如图2-4(a)所不，则。< 0,. 电流流向与电流&的参考方向相反，因此对电感充电储能，电感电流&上升， 可以看出，当网侧电压 <0时，直流侧电压！>0，可以维持原来的恒定 状态。此时对应的电压矢量平衡方程如下：= +udc.(2-5)工作模式3: W=10，等效电路如图2-4(b)所示，贝iJm# =udc0uN >0, 储存在电感中的能量向负载和电容G释放，电感电流G下降，一方面给 电容充使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路；另一方面给负载提供恒定的电流。此时对应的电压矢 量平衡方程如下：J diNLN=UN Udc(2-6)图2-4不同开关模式下的等效电路 在任意时刻，PWM整流器只能工作在上述三种模式中的一种状态下，在 不同的时区，通过对上述3种开关模式的切换，保持直流侧负载电压的稳定 和负载电流/。的双向流动，也即实现能量的双向流通。由图2-1所示主电路 结构可知，网侧串入一电感元件形成Boost电路的拓扑结构，使得直流侧输 出电压大于网侧电压峰值。假设开关管为理想模型，在换相过程中没有功率损失和能量储存，则交 流侧与直流侧瞬时功率应当相等。即：uJs =udciQ(2-7)= -SB、iN(2-8)又由等效电路的拓扑结构可得：(2-9)又由式(2-5)： uab (SA -H 可得：将式（27)、(2-8)代入式（29)，得式（2 10)所示两电平PWM 整流器的主电路数学模型，其中为二次滤波电容C2上的电压。第五章 两电平整流器控制策略仿真CRH1、CRH5动车组脉冲整流器主电路均采用如图2-1所示的两电平桥式 PWM整流电路结构。为了减少网侧输入电流谐波，减轻对电网的干扰，二者 均采用PWM整流器二重化结构。仿真参数设置如下:网侧电压W-900V,频率为50Hz;网侧漏感=2. 3mH, 等效电阻/?#=().003Q;中间直流环节电压给定值j4=1650V;中间直流环节 支撑电容Crf=8mF, 二次滤波电容C3=3mF, 二次滤波电感4=0.841#;负载 电阻& =20Q,开关频率f=1250Hz。5.1.1瞬态电流控制仿真根据第三章所述的瞬态电流控制原理，搭建控制系统仿真模型如图4-1 所示，图4-2所示为给定电流计算子模块：图4-1瞬态电流控制系统仿真模型图4-2给定电流计算模块：(1)当机车处于牵引状态，即整流器处于单位功率因数整流状态时的仿真 波形如下所示：图4-3为直流侧没有二次滤波环节的图形，图4-4为直流侧 有二次滤波环节的图形。 .(a)网侧电压和电流的波形(a)网侧电压和电流的波形(b)网侧输入端Uab的波形(b)网侧输入端Uab的波形HTIhJvs(c)直流侧电压波形rrequency nz)(d)网侧电流谐波分析 图4-3无二次滤波环节的仿真波形Frequency (Hz)(d)网侧电流谐波分析 图4-4有二次滤波环节的仿真波形(C)直流侧电压波形(2)为了分析控制系统的动态响应特性，在t=2s时，负载侧加入= 3300V的反电动势，模拟机车从牵引工况切换到再生制动工况的工作过程， 也即PWM整流器由单位功率因数整流状态向逆变状态转换的过程。(a)网侧电压和电流波形（b)直流侧电压波形图4-5牵引工况向再生工况切换的仿真波形瞬态电流控制仿真分析：由网侧电压、电流波形可知：网侧电压与电流波形在整流时基本上同 相位，而再生制动时相位刚好相反，即可以实现PWM整流器单位功率因数 运行，系统能实现能量的双向流动。由中间直流环节电压波形可以看出，在由整流向逆变转换时，直流侧 电压稳定较快，系统具有较好的动态特性。稳定后电压恒定在1650V左右， 波动范围在±5K范围以内，表明系统具有良好的静态性能。在整流向逆变 转换时，由于网侧漏感电流不能突变，电感继续储能，使网侧电流增大， 直流侧电压输出幅值变大，与理论分析相符合。由网侧电流谐波FFT分析可知，引入二次谐滤波环节后，谐波含量明 显降低。低次谐波含量很小，基本上可以忽略不计，谐波分量主要集中在 高频段，但总的谐波含量较小。而且输出i/ai(的波形改善较多，直流侧电压 的波动幅度较小。5.1.2预测电流控制仿真根据第三章所述的预测电流控制原理，搭建控制系统外部仿真模型与图 4-1所不相同，只是给定电流的计算方法不同，即Subsystem子模块内部结 构不同，如下图4-6所示：图4-6预测电流控制电流给定值的计算模块(1)当机车处于牵引状态，即整流器处于单位功率因数整流状态时的仿真 波形如下：图4-7为直流侧有二次滤波环节的图形，图4-8为直流侧没有二 次滤波环节的图形。(a)网侧电压和电流的波形(a)网侧电压和电流的波形(b)整流电路输出Uab的波形(b)整流电路输出Uab的波形I 口J 1/9(c)网侧电流谐波分析Fundamental (50Hz)(d)网侧电流谐波分析（d)网侧电流谐波分析图4-7有二次滤波环节的仿真波形图4-8无二次滤波环节的仿真波形(c)直流侧输出电压波形Fundamental (50Hz) 220.7 . THD« 1.51%(2) 在t=2s时，在负载侧加入q =3300V的反电动势，模拟实现牵引工 况切换到制动工况，也即PWM整流器从由单位功率因数整流状态向逆变状态 转换的过程，波形如图4-9所示。（a)网侧电压和电流波形（b)直流侧电压波形图4-9牵引工况向再生工况切换的仿貞波形 预测电流控制仿真分析：从前面仿真波形可以看出，预测电流控制和瞬态电流控制都具有良好的 性能。但在从整流到逆变的过程中，预测电流控制的直流侧电压波动较瞬态 电流控制要小，稳定速度也较瞬态电流快。这是因为预测电流控制方法是建 立在瞬态模型的基础上的，因而具有较好的动态响应和稳态响应。直流侧加 二次滤波环节后，仿真结果表明，系统的动、静态特性均有较好的改善，网 侧电流谐波变小，直流侧电压稳态时波动减小，波形畸变变小。5.1.3瞬态电流控制二重化控制仿真为了降低整流器网侧和变压器一次侧的谐波含量和扩大整流器的容量， 对PWM整流器进行二重化设计。瞬态电流二重化控制系统的仿真模型如图 4-10所示。变压器一次侧电压为25kV,频率为50Hz,其它参数仍釆用前述两电平的 仿真参数。由于一次侧电流较小，为了方便与原边电压进行比较，在一次侧 电流之后加一个增益环节K。图411给出了二重化设计的仿真波形。由于两个PWM整流器的三角载 波互相错开90度，两台PWM整流器的输入电流波峰和波谷正好错开，使电流 的高次谐波相互抵消一部分，在变压器一次侧可以得到更接近正弦的电流波 形0T tA；(d)原边网侧电流谐波(c)原边网侧电压和电流波形(i)直流侧电压波形 图4一 11 二重化设计的仿真波形从傅立叶分析可知，变压器原边电流的THD (谐波畸变率）=1.84%,电流波形接近正弦波。副边第一整流器的电流波形THD (谐波畸变率）=2. 05副边第二整流器的电流波形THD (谐波畸变率）=3.24%。从傅立叶分析可以看出：两个电流频谱中都含有幅值较大的3次、5次、7次和9次谐波。但在一次侧电流的傅立叶分析中可得，它的3次、5次、7次和9次中谐波的含量大大降低，说明这部分谐波已经有一部分被抵消。所以，二重化设计达到了减小谐波含量的作用。第六章 matlab仿真实验分析6.1 设计方案在此次设计中是单相两电平PWM整流的仿真研究，主要是通过一个具体的PWM整流方案或者自己搭建一个PWM整流的方案来研究PWM整流的工作特性、各部分的基作用及整流后输出的直流电压谐波含量分析。对PWM整流进行仿真研究需要从几个模块分别进行研究，例如有PWM脉冲发生、整流模块、负载模块及测量模块几个部分。其主回路主要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；产生PWM脉冲信号的信号发生电路。之后利用Matlab/Simulink搭建模型对其输出的波形进行仿真研究，并进行谐波分析，并分析输出谐波对交流电机负载运行的影响。对PWM整流的基本原理和基本组成部分进行研究。然后选定合适的电压源，再进行降压，然后通过对整流器的分析研究选定合适的整流方案并进行研究分析，其中这些部分的研究要根据负载模块的相关要求来确定，例如：负载的电压、频率等的要求。接下来要对交直交变频调速系统的基本特性进行研究，并与其他的调速方法作比较说明其优越性，确定其基本的参数。并在前面的理论基础上熟悉和学会在Matlab/Simulink中搭建模型的方法。为后面成功搭建交直交变频调速系统的模型和仿真作准备。在前面的基础上搭建PWM整流的仿真模型，并对其中的参数进行设置进行仿真，对整流后的波形及其谐波含量进行分析。6.2各部分仿真图形PWM控制原理基本结构图在实验的运行阶段， 需要对实验进行仿真， 本软件采用自动化领域广泛使用的应用软件 Matlab中的一个软件包 Simulink 作为仿真工具对各种电力电子电路进行仿真。Simulink 是一个结合了框图界面和交互仿真能力的系统级设计和仿真工具， 它拥有非常丰富的模块库，使系统建模像搭建实际电路一样方便。自 MATLAB6.5 版本以后， Simulink 的模块库中又增加了一个电力系统模块集 Power System Blockset， 可用于电力电子系统、 电机系统、 电力传动等领域的仿真和分析，功能十分强大。本软件主要用到的是Simulink 基本模块库和 Power System Blockset 模块集中的模块。对一个电路的仿真需要分两步完成： 建模和设置参数，运行仿真。下面以二电平全控整流电路实验为例来介绍仿真的具体实现。(1) 建模和设置参数：根据二电平全控整流电路的原理图和实验过程中要求观测的波形， 在模型窗口中引入模块并设置参数如下：1) 从 Electrical Sources 模块库中复制 （用鼠标拖拉）一个交流电压源模块到模型窗口中。电压设置值为220V，频率 Frequency值都设置为 50， 相位设置为 0，其它值采用默认值。 具体参数设置如下：下图4.1图4.1其中各个功能块用子系统封装好。主要有控制功能块：包括SPWM产生，PI调节，低通滤波，三角载波信号功能子模块，正弦同步信号输出模块等。对全桥整流部分直接使用了Matlab 2007里提供的全桥组件Universal Bridge我负责子系统Subsystem 1整体框架的搭建（没有细调PI参数，只是为了测试系统结构是否正确）和子系统Subsystem 2 SPWM信号的产生。SPWM的信号我采用单极性方式产生，基本原理如下述3.3.1所述。载波三角波的幅值选取为50V。3）Subsystem 的电路图如图3.2所示：图4.2PWM控制信号产生5）整体电路仿真图：图4.3 单相电压型PWM整流电路建立仿真电路6.3相关参数计算6.3.1 交流侧滤波电感的选择由于控制方案对电感参数选择有一定的影响，所以分单极性调制和双极性调制两种情况对电感参数选择进行研究.（1）单极性调制方案滤波电感的大小一方面对输入电流的开关纹波有影响，另一方面也影响着实际电流的跟踪速度.此参数的选择直接影响系统的工作性能.直流侧电压选定后，交流侧电感设计对电源电流波形影响较大.忽略交流回路电阻可得变流器的工作方程为，其增量式为，其中为开关器件开通或关断的通断时间。实际电流在跟踪参考电流过程中，每个控制周期中电流波动的幅值应满足电流波动的最大峰值的要求，考虑最坏的工作情况是在相电压峰值附近，有， （3-1）式中为相电压峰值，为电流峰值附近器件的开通时间，为电流峰值附近器件的关断时间。又因，故。其中为交流电流变化最大值，其中为i在电流峰值处幅值。由，有 （3-2）其中为开关周期。由推导可知（3-3）将l代入上式可得（3-3）（3-4）可见，在电流峰值附近，由开通或关断时间推导出的电感下限值相同.取值的大小，影响着实际电流的跟踪速度的取值应使实际电流能跟上所需电流的最大变化率. 显然，在所需电流过零附近，电流变化率最大。 因而可得到下面的条件（3-5）式中为交流电流基波峰值，为器件在电流过零点时开通时间，为电源电流角频率.由此推出， 而当时，可认为，从而得（3-6）6.3.2 直流侧二次滤波器的选择单向桥式PWM直流输出电压除直流成分外，还含有二次谐波成分5 6，为使输出电压更平直，系统采用一电感电容串联谐振滤波器滤除二次谐波.则 有，电感上电流，其中是为二次谐波电流最大值.。电容上的电压峰值为,则有（3-7）根据经验取=1.1，带入上式中得：。取，则6.3 .3 直流侧支撑电容的选择在脉冲整流器的设计中，直流侧滤波电容的选取也是一个关键性问题. 由于直流侧已加二次滤波环节，则直流支撑电容主要由交流电感储能变化决定. 由能量守恒定律知，交流侧开关频率次电流脉动能量最大值等于支撑电容上能量脉动最大值，即（3-8）从而得到：式中为电源电流纹波系数，为直流电压纹波系数.。6.4 输出波形1.输入信号波形图4.4图4.52.输入电压、电流波形图4.64.网侧电压波形图4.74.输出电流、电压波形图4.85.谐波分析总结单相电压型PWM整流器作为一种交流侧电流可控的电力电子装置被广泛应用于低谐波、高功率因数的场合。基于单相电压型PWM整流器的交流电能负荷模拟器可用于对交流电能装置的各种电特性的测试，也可以节省电能和实验场地，减小对电网的谐波污染。本文针对交流电能负荷模拟器对单相电压型PWM整流器的运行特性要求，对单相电压型PWM整流器作了详细的分析和研究，建立了整流器的数学模型，根据系统的特点采取了相应的控制策略，并设计了实验电路，通过仿真和实验验证了设计的可行性和正确性。本文以单相电压型PWM整流器作为研究对象，主要进行了以下几个方面的研究：(1)介绍了单相电压型PWM整流器的工作原理，对其主电路拓扑进行分析，建立了数学模型；详细地阐述了单极性PWM调制方法在该类型整流器中的应用，并对其工作模式进行了详细的描述；对单极性调制方式下的单相电压型PWM整流器波形进行了系统的分析，给出了各个参量的表达式;(2)在前面理论分析的基础上，对实验系统进行了硬件设计和软件设计，包括交流侧电感Ls和直流侧电容C的设计电路。总的来说通过PWM整流可以减少整流输出电压谐波含量，更加合理的利用电能。通过PWM控制输入正弦电压和交流测电压为直角，来达到功率因素为1的目的，提高电能质量。