三相三电平PWM整流器的设计与仿真

摘 要

随着技术的不断进步，整流器获得了极为广泛的应用，本文主要对PWM整流器的工作原理以及数学模型等方面展开了研究，文章对PWM整流器的原理进行的分析并完成了相应的仿真设计工作。

【关键词】三电平 PWM整流器 设计

由于二极管箝位PWM整流器是常用的三电平整流器，箝位式整流器具有很多优点，比如功率器件所直接承受的电压只是直流侧电压的一半，这样就能够有效降低生产成本，且输入电流所含的谐波少、正弦度良好，其功率因数任意可调，能量既可以从交流侧传递到直流侧，也可反向流动，因此在在越来越多的领域得到了广泛的应用。

1 三相三电平PWM整流器的工作原理

1.1 三相三电平PWM整流器的主电路拓扑

三相三电平PWM整流器的主电路每相桥臂有4个开关管，通常采用IGBT管作为开关管，并在直并且为了均衡电压需在直流侧串联两电容，为了中性点的平衡这两个电容的参数需相同。三电平点拓扑结构就是每相桥臂相对于中性点可以有3种不同的输出状态。由此可以推导出所有桥臂就有27种开关状态。为了实现三种电平输出状态，每个桥臂都由四个开关管和两个钳位二极管构成。用电感L和等效电阻R来连接交流侧与电网；在直流侧，则有两个串联电容和负载R3构成。

1.2 三电平空间相量PWM控制的算法

我们可以在一个采样周期内使用三个不同的基本电压相量来对给定SVPWM参考电压相量进行合成，然后经过计算得到下面的方程组（1-1）：

（1-1）

式中，t1、t2、t3分别为相量 且Ts代表系统的采样周期数值。

三个不同的基本电压向量在控制系统中的作用时间可以通过式（1-1）计算得出。在得出相应的作用时间后，再按照开关管的开关时间确定相应的信号输出状态和形式。

根据上面的分析可知，在三电平空间向量PWM控制算法中其采样周期内应当分为四步进行：

（1）第一按照相应的参考电压所处的位置来选择出合成参考电压相量的三个基本相量。

（2）根据上式（1-1）的方程组来确定三个基本电压相量的作用时间。

（3）计算出相应基本电压向量开关管的输出形式。

（4）经过以上三步计算后需要确定每一个开关管的导通顺序和导通作用时间。

2 三相三电平PWM整流器的仿真与分析

本文搭建的仿真模型基于Matlab/Simulink中的三相PWM整流器模型，其主电路参数为，，，不平衡负载分别为100kw和200kw。其仿真模型如图1。

在图1PWM整流器仿真图中，分别按照未加入中点电位控制策略、基于SVPWM中点电位控制策略和基于电荷守恒中点电位控制策略三种控制策略进行仿真，得到相应的仿真结果。

我们知道当PWM整流器中未加人中点电位控制的仿真时三电平整流器的零点漂移现象很明显，会对系统和开关器件产生不良的影响，对电压也有较大的影响，因此需要对这种现象进行控制。

图2为基于SVPWM中点电位控制策略的仿真波形图。经过分析发现采用这种方法，中点的电位得到了一定的控制，但波动范围有些大，直流母线电压也能稳定在500 V左右，但有一定的波动范围。

图3为基于电荷守恒中点电位控制策略下的直仿真波形。通过认真分析可知采用这种方法后，能够有效控制直流侧的中点电压，直流母线电压稳定在500 V且几乎没有波动。

3 结论

通过上面的仿真得出的波形对比可知，PWM整流器的中点的点位当采用基于电荷守恒中点电位控制策略时得到了有效的控制，而且这类方法也大大的降低了开关的损耗，除此之外还有几个明显的好处比如采用该控制策略计算简单，并且系统的稳定性非常好，在直流侧电压非常的平稳。

参考文献

[1]伍文俊.二极管箝位三电平P WM整流器控制策略的研究[D].西安：西安理工大学，2010.

[2]宋文祥.一种具有中点电位平衡功能的三电平空间电压矢量调制方法[J].中国电机工程学报，2006，26（12）：95-100.

[3]宋文祥.基于两类脉宽调制方式本质联系的三电平逆变器中点电压平衡控制的研究[J].电工技术学报，2005，20（12）：53-58.

作者单位

烟台汽车工程职业学院 山东省烟台市 265500