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三相PWM整流器设计与仿真实验指导

一、实验目的与原理基础

三相PWM整流器作为电力电子变换技术中的关键设备，因其能实现网侧电流正弦化、单位功率因数运行以及能量双向流动等优良特性，在新能源发电、电力传动、不间断电源等领域得到了广泛应用。本实验指导旨在通过理论分析与仿真实践相结合的方式，使学习者深入理解三相PWM整流器的工作原理，掌握其主电路参数设计、控制策略实现以及系统性能评估的基本方法。

（一）实验目的

1.深刻理解三相电压型PWM整流器的拓扑结构与工作原理。

2.掌握基于同步旋转坐标系（dq坐标系）的双闭环控制策略设计方法，包括电流内环与电压外环的设计。

3.熟悉空间矢量脉宽调制（SVPWM）或正弦脉宽调制（SPWM）技术的基本原理与实现过程。

4.学会使用MATLAB/Simulink等仿真软件搭建三相PWM整流器的仿真模型，并进行参数配置。

5.能够对仿真结果进行分析，评估整流器的稳态性能（如网侧电流THD、功率因数）和动态性能（如负载突变、电压阶跃响应）。

（二）基本原理

1.拓扑结构：本实验以三相电压型PWM整流器为研究对象，其主电路由三相不可控整流桥（或二极管整流桥作为输入，此处特指全控型开关器件组成的桥臂）、直流侧支撑电容以及连接于电网与桥臂之间的交流侧电感构成。六个全控型功率开关器件（如IGBT）组成三相桥臂，每个桥臂上、下开关管互补导通。

2.工作原理：通过对功率开关器件的适当控制，使整流器交流侧电压与电网电压之间满足特定关系，从而控制网侧电流的幅值和相位，实现单位功率因数运行和直流侧电压稳定。其核心思想是将交流侧电流控制为与电网电压同相位（或反相位，实现能量回馈）的正弦波。

3.PWM控制策略：

*SPWM：基于三角载波与正弦调制波比较产生PWM脉冲。

*SVPWM：通过合成空间旋转的电压矢量，使电机气隙磁场（或此处的整流器交流侧合成电压矢量）近似圆形旋转，具有电压利用率高、谐波特性好等优点，是目前主流的PWM控制方法。本实验建议优先采用SVPWM。

4.数学模型：在三相静止坐标系（abc坐标系）下，整流器的数学模型是非线性、强耦合的。通过Clarke变换（abc→αβ）和Park变换（αβ→dq），可将其转换到同步旋转dq坐标系，得到解耦的线性化模型，为控制器设计提供便利。在dq坐标系下，有功功率和无功功率分别与d轴电流和q轴电流直接相关。

5.控制策略：通常采用电压外环、电流内环的双闭环控制结构。

*电压外环：通过调节直流侧电压给定值与实际值的偏差，输出d轴电流的给定值（有功电流指令）。

*电流内环：根据d轴和q轴电流给定值（q轴电流给定通常为零，以实现单位功率因数）与实际值的偏差，经过调节器运算后，得到dq坐标系下的电压指令，再通过逆Park变换和SVPWM模块生成开关管的驱动脉冲。

二、主电路参数设计

主电路参数的合理设计是保证三相PWM整流器安全、高效、稳定运行的基础。主要包括交流侧电感L、直流侧电容C以及功率开关器件的选型。

（一）交流侧电感L

交流侧电感的主要作用是滤除开关频率附近的电流谐波，并限制换相过程中的电流变化率。其设计需考虑以下因素：

*电网电压：额定线电压有效值。

*额定电流：整流器的额定输出电流。

*开关频率：功率器件的开关频率。

*电流纹波：允许的最大电流纹波系数。

通常，电感值可根据在最大给定电压下，保证电流环带宽和电流纹波的要求进行估算。一个简化的估算思路是，确保在开关周期内，电感电流的波动不超过额定电流的一定百分比（例如10%-20%）。

（二）直流侧电容C

直流侧电容的主要作用是稳定直流输出电压，吸收交流侧和直流侧的纹波功率。其设计需考虑：

*直流侧额定电压：Ud。

*额定功率：P。

*允许的直流电压纹波：ΔUd。

*电网频率：f。

电容值的选取应能抑制由于有功功率脉动（主要是两倍电网频率的脉动）引起的直流电压波动。可根据能量平衡原理，估算在一个周期内维持电压波动在允许范围内所需的电容量。同时，还需考虑电容的额定电压和纹波电流额定值。

（三）功率开关器件

功率开关器件（如IGBT）的选型需满足：

*额定电压：应高于直流侧最高电压与电网电压峰值之和，并留有足够裕量。

*额定电流：应大于整流器最大工作电流，并考虑一定的过载能力。

*开关速度：应满足设计的开关频率要求，同时兼顾开关损耗。

三、控制系统设计

控制系统是三相PWM整流器的“大脑”，其性能直接决定了整流器的整体性能。

（一）电流内环控制器设计

电流内环通常采用PI调节器，实现对d、q轴电流的快速、无静差跟踪。在dq同步旋转坐标系下，电流环模型可近似为一阶惯性环节。PI调节器的设计可基于