二十四脉波整流器仿真研究
整流电路是高压直流电源系统中的重要组成部分。整流电路的设计、结构特点和保护方式关系到整个高压直流电源系统的正常运行。AC/DC 变换器是电力电子装置中最为常用的一种变换器，为了减小其对电网的污染,提高功率因数，在中、高功率场合下通常采用多脉波整流技术,可以降低设备成本，提高效率，并且不会产生额外的EMI。
本文介绍了整流电路中最新流行的二十四脉波整流电路的构成原理、特点、谐波危害治理及保护配置。文中首先介绍谐波的危害和现有的一些抑制谐波的措施，接着介绍整流电路的基本理论知识并对几个基本整流电路进行分析，通过比较可以知道多脉波整流技术具有很多优势，然后对移相变压器和空间矢量调制做详细的论述，选取目前应用较为广泛的二十四多脉波整流电路进行仿真。经过理论分析、仿真研究,证实了该电路的合理性和可靠性, 结果表明，该电路使用较小容量变压器，能够消除网侧电流中的 5、7、11、13、17、19 次等谐波，大大降低了输入电流中的谐波含量，在大功率场合有一定的实用价值。
关键词 二十四脉波整流,移相变压器,谐波,仿真
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 本课题研究现状 5
1.3本文研究的主要内容 7
2 多脉波整流方案分析 8
2.1 系统设计技术指标 8
2.2 系统电路拓扑结构 8
2.3本章小结 18
3 二十四脉波整流器SVM调制 19
3.1多通道的空间矢量调制调压技术的基本原理 19
3.2多通道的空间矢量调制技术分析 20
3.3本章小结 22
4 多脉波合成整流器闭环调制 22
4.1闭环控制策略 22
4.2 闭环控制器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
的设计 22
4.3本章小结 22
5 二十四脉波整流器的仿真研究 23
5.1MATLAB及Simulink简介 23
5.2 二十四阶梯波整流电路仿真研究 25
5.3本章小结 28
总结与展望 29
致谢 30
参考文献 31
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1 电力电子技术的发展
由于当今社会对电能的普遍应用以及节约能源的紧迫要求，电力电子技术在国民经济中的地位和作用越来越突出。尤其是 80 年代以来，电力电子技术取得了飞速发展，开关器件性能不断改善，容量不断增大，电力电子装置性能日趋完善。目前，电力电子技术已广泛应用于机电一体化、电机传动、新能源、航天、激光、军事等各个领域，是国家工业发展不可缺少的一门基础和实用技术，它给现代生产和现代生活带来了深远的影响。电能的变换有四种形式，如图1-1，分别是交流变直流，直流变直流，直流变交流，交流变交流。交流变直流电路，称为整流电路，这是一个将交流变到直流电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速，发电机的励磁调节，电解，电镀等领域有广泛应用。
图1-1 电能变换的4种形式
1.1.2整流电路的基本分类
整流电路按组成器件可分为不可控电路、半控电路和全控电路三种。不可控整流电路由不可控二极管组成，其直流侧电压和交流电源电压值成正比，输出难以调节。半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。
(1)不可控整流电路
不可控整流电路是由一个不受控制的装置，它通常是二极管整流器。这种电路的结构定好以后，输出电压是不可以调节的。与交流电源的电压比为恒定值。近年来，变频（交-直-交），开关电源，UPS和其他应用程序，如逆变器的应用，不可控整流电路应用广泛。电容滤波后的直流电压用于后级斩波，逆变使用。目前经常使用的不可控整流电路基本都是按照桥形方式连接的。下面以滤波电容的整流电路为例，基本工作过程是：当接通电源，启动电容储存的能量是不。当电压U2的零交叉点的正半周期时，二极管VD1和VD4开始进行，此时给负载供电，电容也同时能够充电。当电压U2达到最大值以后，电容C就开始向负载放电，Ud 就会逐渐增加，当增加到U2
图1-2 电容滤波整流电路
（2）可控整流电路
半控型整流电路中，负载输出电压的极性是不会改变的。但是输出电压的平均值是可以变化的，取决于半控型器件的触发角度。而在全控型整流电路中，流器件都是可控的。整流电路的输出直流电压Ud的极性和它的平均值是可以通过改变全控型器件的导通情况而得以改变。这种电路拓扑中，功率是可以双向流动的，称之为有源逆变。
如图1-3，在可控整流电路中，三相半波可控整流电路是最基本的电路，三相桥式全控整流电路应用范围比较广泛，双反星形可控整流电路，和十二脉波可控整流电路，该电路是基于三相半波而分析。在三相半波可控整流电路中，想要获得公共端，整流变压器的二次侧要接成星形。三角形的目的是抑制三次谐波流入电网。由于这种连接，触发电路将有一个共同的公共端，且连接方便。
图1-3三相半波可控整流电路
（3）PWM整流电路
采用控制器件的触发脉冲以实现器件的开通和关断来控制整流输出电压的大小。之所以能可控就是因为整流器件采用了可控的整流器件，比如晶闸管等。相控整流技术仍在电力电子电路中有应用，而且越来越多的是PWM控制技术。
PWM控制的整流技术早就已经产生了，但在那时晶闸管的时代，使晶闸管通断难以实现，继而PWM控制的整流电路难以得到广泛的应用。随着全控型器件发展的IGBT，功率MOSFET，门开关晶闸管GTO等，是不断发展和完善的全控器件，并促进PWM控制技术，推动了PWM整流技术的迅猛发展，被广泛使用，在四种类型的变流系统中，PWM技术都占着及其重要的位置。
如图1-4，三相PWM整流桥，它是最基本的PWM整流电路之一。
图1-4 三相PWM整流桥
电力电子器件是PWM整流器最为核心的部分。PWM整流器的性能是由全控器件质量决定。良好的电力电子器件必须具有如下特点：
(1)开关特性好，能够可靠通断，确保该导通时导通，该关断时关断。
(2)具有较高的开关频率，在很短的时间能够改变开关状态，同时也能承受过电压和过电流。
1.1.3 谐波污染的产生与危害
(1)多脉波整流器概要
多脉波整流系统的分类,根据整流输出脉波数来分，可以分为十二脉波、二十四脉波、三十六脉波等等。
在多脉冲整流系统，电力电子变换器是建立在多脉冲整流技术的基础上，这些系统大多是大功率系统，用于解决谐波问题。与PWM整流器相比较，多脉波整流的实现方法比较容易、成本也不是很高、还有较高的可靠性能等等优点，所以多脉波整流器在大功率整流系统中得到了广泛应用。
在多脉波整流技术得到广泛应用之后，这样可以减少PWM整流器的故障频率，并且更好地抑制了谐波和转矩脉动。现在，越来越多的国家和科研机构都对脉波整流技术展开深入的研究。这些国家中以美国Texas A&M University 和Rensselaer Polytechnic Institute、韩国Seoul National Polytechnical University和印度Institute of Technology 为主。从移相变压器的多脉冲整流器的结构研究。在抑制谐波从直流侧的方法的研究进行的，优化设计的多脉冲整流器不断增加。在我国，也逐渐加大了对多脉波整流技术的研究，对抽头变换器的设计和、移相变压器的设计等方面也进行了研究，也得到了丰富的研究成果。多脉波整流技术在我国也得到了越来越快的发展。
1 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 本课题研究现状 5
1.3本文研究的主要内容 7
2 多脉波整流方案分析 8
2.1 系统设计技术指标 8
2.2 系统电路拓扑结构 8
2.3本章小结 18
3 二十四脉波整流器SVM调制 19
3.1多通道的空间矢量调制调压技术的基本原理 19
3.2多通道的空间矢量调制技术分析 20
3.3本章小结 22
4 多脉波合成整流器闭环调制 22
4.1闭环控制策略 22
4.2 闭环控制器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
的设计 22
4.3本章小结 22
5 二十四脉波整流器的仿真研究 23
5.1MATLAB及Simulink简介 23
5.2 二十四阶梯波整流电路仿真研究 25
5.3本章小结 28
总结与展望 29
致谢 30
参考文献 31
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1 电力电子技术的发展
由于当今社会对电能的普遍应用以及节约能源的紧迫要求，电力电子技术在国民经济中的地位和作用越来越突出。尤其是 80 年代以来，电力电子技术取得了飞速发展，开关器件性能不断改善，容量不断增大，电力电子装置性能日趋完善。目前，电力电子技术已广泛应用于机电一体化、电机传动、新能源、航天、激光、军事等各个领域，是国家工业发展不可缺少的一门基础和实用技术，它给现代生产和现代生活带来了深远的影响。电能的变换有四种形式，如图1-1，分别是交流变直流，直流变直流，直流变交流，交流变交流。交流变直流电路，称为整流电路，这是一个将交流变到直流电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速，发电机的励磁调节，电解，电镀等领域有广泛应用。
图1-1 电能变换的4种形式
1.1.2整流电路的基本分类
整流电路按组成器件可分为不可控电路、半控电路和全控电路三种。不可控整流电路由不可控二极管组成，其直流侧电压和交流电源电压值成正比，输出难以调节。半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。
(1)不可控整流电路
不可控整流电路是由一个不受控制的装置，它通常是二极管整流器。这种电路的结构定好以后，输出电压是不可以调节的。与交流电源的电压比为恒定值。近年来，变频（交-直-交），开关电源，UPS和其他应用程序，如逆变器的应用，不可控整流电路应用广泛。电容滤波后的直流电压用于后级斩波，逆变使用。目前经常使用的不可控整流电路基本都是按照桥形方式连接的。下面以滤波电容的整流电路为例，基本工作过程是：当接通电源，启动电容储存的能量是不。当电压U2的零交叉点的正半周期时，二极管VD1和VD4开始进行，此时给负载供电，电容也同时能够充电。当电压U2达到最大值以后，电容C就开始向负载放电，Ud 就会逐渐增加，当增加到U2
图1-2 电容滤波整流电路
（2）可控整流电路
半控型整流电路中，负载输出电压的极性是不会改变的。但是输出电压的平均值是可以变化的，取决于半控型器件的触发角度。而在全控型整流电路中，流器件都是可控的。整流电路的输出直流电压Ud的极性和它的平均值是可以通过改变全控型器件的导通情况而得以改变。这种电路拓扑中，功率是可以双向流动的，称之为有源逆变。
如图1-3，在可控整流电路中，三相半波可控整流电路是最基本的电路，三相桥式全控整流电路应用范围比较广泛，双反星形可控整流电路，和十二脉波可控整流电路，该电路是基于三相半波而分析。在三相半波可控整流电路中，想要获得公共端，整流变压器的二次侧要接成星形。三角形的目的是抑制三次谐波流入电网。由于这种连接，触发电路将有一个共同的公共端，且连接方便。
图1-3三相半波可控整流电路
（3）PWM整流电路
采用控制器件的触发脉冲以实现器件的开通和关断来控制整流输出电压的大小。之所以能可控就是因为整流器件采用了可控的整流器件，比如晶闸管等。相控整流技术仍在电力电子电路中有应用，而且越来越多的是PWM控制技术。
PWM控制的整流技术早就已经产生了，但在那时晶闸管的时代，使晶闸管通断难以实现，继而PWM控制的整流电路难以得到广泛的应用。随着全控型器件发展的IGBT，功率MOSFET，门开关晶闸管GTO等，是不断发展和完善的全控器件，并促进PWM控制技术，推动了PWM整流技术的迅猛发展，被广泛使用，在四种类型的变流系统中，PWM技术都占着及其重要的位置。
如图1-4，三相PWM整流桥，它是最基本的PWM整流电路之一。
图1-4 三相PWM整流桥
电力电子器件是PWM整流器最为核心的部分。PWM整流器的性能是由全控器件质量决定。良好的电力电子器件必须具有如下特点：
(1)开关特性好，能够可靠通断，确保该导通时导通，该关断时关断。
(2)具有较高的开关频率，在很短的时间能够改变开关状态，同时也能承受过电压和过电流。
1.1.3 谐波污染的产生与危害
(1)多脉波整流器概要
多脉波整流系统的分类,根据整流输出脉波数来分，可以分为十二脉波、二十四脉波、三十六脉波等等。
在多脉冲整流系统，电力电子变换器是建立在多脉冲整流技术的基础上，这些系统大多是大功率系统，用于解决谐波问题。与PWM整流器相比较，多脉波整流的实现方法比较容易、成本也不是很高、还有较高的可靠性能等等优点，所以多脉波整流器在大功率整流系统中得到了广泛应用。
在多脉波整流技术得到广泛应用之后，这样可以减少PWM整流器的故障频率，并且更好地抑制了谐波和转矩脉动。现在，越来越多的国家和科研机构都对脉波整流技术展开深入的研究。这些国家中以美国Texas A&M University 和Rensselaer Polytechnic Institute、韩国Seoul National Polytechnical University和印度Institute of Technology 为主。从移相变压器的多脉冲整流器的结构研究。在抑制谐波从直流侧的方法的研究进行的，优化设计的多脉冲整流器不断增加。在我国，也逐渐加大了对多脉波整流技术的研究，对抽头变换器的设计和、移相变压器的设计等方面也进行了研究，也得到了丰富的研究成果。多脉波整流技术在我国也得到了越来越快的发展。
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