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d1_189

113人浏览 · 2026-05-26 21:56:57

d1_189 · 2026-05-26 21:56:57 发布

PWM整流器设计

摘要

煤炭、石油和天然气等化石燃料的迅速消耗，不仅引起了能源危机，还造成了以及环境污染日益加剧，由于电力的清洁，输送方便，在各国的国民工业发展中都占据着重要的地位，随着电力的广泛应用，越来越多的负载对用电的种类提出了要求，需要一定的电力变换设备。电力电子技术的飞速发展，整流器的应用领域也日益扩大。在电压平衡状态下，PWM整流器具有能量的双向流动，在用电和配电、各种工业场合领域占据了重要的地位。

本文首先对PWM整流器系统进行了研究。在查阅大量国内外文献资料的基础上，对整流器及其控制器的国内外发展现状及研究趋势做了详细的研究，并对课题研究的意义有了更深入的认识。接下来对三相电压型整流器的拓扑结构、数学模型、整流器的控制技术进行了分析，并结合一定的平台对PWM整流器进行研究设计，对其控制方法运用MATLAB 仿真软件进行了仿真。然后对 FPGA 的发展历程、应用、分类、开发工具、语言等内容进行了介绍。最后对滞环控制算法进行了模块划分，将其划分为 PI 算法模块，限幅与指令电流生成模块，滞环比较模块，PWM 脉冲生成及死区保护模块，AD 控制及数据储存模块，并在 Quartus II 软件环境下，使用 VHDL 语言通过编程实现模块化设计。实践证明，设计的 PWM整流器和控制算法是可行的。

关键词：能源，PWM整流器，控制方法，MATLAB

PWM Rectifier Design

ABSTRACT

The rapid consumption of fossil fuels such as coal, oil and natural gas has not only caused an energy crisis, but also caused an increase in environmental pollution. Due to the clean and convenient transportation of electricity, it plays an important role in the development of national industries in various countries. With the widespread use of electricity, more and more loads place demands on the types of electricity used, and certain power conversion equipment is required. With the rapid development of power electronics technology, the application fields of rectifiers are also expanding. In the state of voltage balance, the PWM rectifier has a bidirectional flow of energy, and plays an important role in the field of electricity and power distribution, and various industrial occasions.

This paper first studies the PWM rectifier system. On the basis of consulting a large number of domestic and foreign literatures, the domestic and foreign development status and research trends of rectifiers and their controllers have been studied in detail, and the significance of the research has been further understood. Next, the topology, mathematical model and rectifier control technology of the three-phase voltage rectifier are analyzed. The PWM rectifier is researched and designed with a certain platform. The control method is simulated by MATLAB simulation software. Then, the development history, application, classification, development tools, language and other contents of FPGA are introduced. Finally, the hysteresis control algorithm is divided into modules, which are divided into PI algorithm module, limiting and command current generation module, hysteresis comparison module, PWM pulse generation and dead zone protection module, AD control and data storage module, and In the Quartus II software environment, modular design is programmed through the VHDL language. Practice has proved that the designed PWM rectifier and control algorithm are feasible.

Key words: Energy, PWM Rectifier, Control Method, MATLAB

目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

4.1.1 RC滤波及LM2902电路设计

4.1.2 AD7656与FPGA 的连接

参考文献

致谢

第一章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

自上世纪 19 世纪末，人类社会经过了第二次工业革命，进入了电气时代，电能成为了日常生活不可缺少的一部分，目前各国都在普遍关注如何能高效率、无污染地使用电能，不能直接被利用的电能占 70%以上，这些电能都要经过电力电子装置控制变换后才能使用，其中整流器占到 90%以上[1]，而大部分都是使用的相控整流或者不控整流，这些方式具有很强的非线性，无功功率大，会对电网注入大量谐波，污染电网，许多国家制定了谐波标准，如 IEC1000-3-2、IEEE519-1992和 IEC555-2 等，用以限制电流谐波含量，传统方式的整流大都达不到这些标准，所以功率因数校正技术成为国内外的热点[2]。

通常低功率因数负载会带来电能质量问题，这种负载会对电网产生一些危害，比如：电网产生无功电流，使得电网的总功率增加，损耗增加。增加了系统的发电负担和输电设备的负担，降低了被传送的有功功率的大小，通常有两种方式可以抑制谐波的生成，一种是电感损耗大的有源或无源滤波电路，其功率因数提高能力也有限。另一种就是功率因素可达到 0.9 甚至接近于 1 的带功率因数校正的变换器[3]。功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）可以分为有源功率因数校正（Active Power Factor Correction）、无源功率因数校正。无源 PFC 笨重且体积大[4]，功率因数低。有源 PFC 功率因数高、输出电压稳定、体积小。因此对整流设备 PFC的研究具有重要的的现实意义。

和传统的晶闸管相控整流或不控整流相比，将功率因数校正用于整流器控制中，使得控制之后的输入的电流波形并跟踪上三相输入电压，同时使直流侧输出电压恒定，实现 PFC。整流器设备动态响应快，具有很强的生命力，随着电力电子技术的发展，PWM 技术也日渐成熟，电路的拓扑也从单相到三相[5]，到多相组合及多电平结构，并已有相应的产品投入了使用，受到功率半导体的制造工艺限制，传统的两电平在大功率、高电压的场合对器件有严格要求，所以一般使用功率器件串并的方式，但是它们又会产生均压均流的问题，使得整流器不能达到理想的性能，多电平拓扑的PWM整流器能够降低对器件的要求，同时能进一步减小输入电流的谐波含量，降低系统的损耗，提高系统的效率，所以多电平整流器收到越来越多的关注，同时为PWM 整流器的发展开辟了新领域。

1.2 整流器的研究现状和发展趋势

国内外多三相 PFC 的研究主要有以下一些方面：三相整流器的研究从不控整流开始，如下图 1-1 所示，优点是结构简单、成本低，但是缺点也很突出，直流侧电容充放电引起输入三相电流谐波含量高，功率因数也很低[6]。

图1-1 三相不控整流器拓扑结构图

半控或者全控型器件出现之后，不控整流的二极管被这些新器件替代所演化出来的新拓扑以及添加全控型器件的新拓扑就产生了，如单开关的三相功率因数校正拓扑，此拓扑比不控整流拓扑多了一个二极管和一个全控型开关[7-9]，开关管的动作加上二极管的作用可以使电路工作在两种模式下，使得输入电流产生不同的变化，通过对拓扑的建模分析，可以通过控制开关管的占空比来降低输入电流谐波提高功率因素，单开关三相功率因数校正拓扑图如下图 1-2 所示：