雙PWM變換器工作原理和優(yōu)缺點

1、雙 PWM 變換器工作原理及其優(yōu)缺點和適用范圍姓名：劉健學(xué)號： 2015282070173脈寬調(diào)制（PWM ）技術(shù)就是控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的通斷時間比，即通過調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期來實現(xiàn)控制輸出電壓的一種技術(shù)。由于它可以有效地進行寫撥抑制，而且動態(tài)響應(yīng)好，在頻率、效率諸方面有著明顯的優(yōu)勢，因而在電力電子變換器逆變中廣泛應(yīng)用，其技術(shù)也日益完善。PWM 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛， 對逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是 PWM 逆變電路?？梢哉f PWM 控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟， 才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位?，F(xiàn)對雙 PWM電路

2、的主電路和控制電路的設(shè)計如下：1 基本原理雙 PWM 交直交電壓型變換器的主電路如圖 1 所示：圖 1 雙 PWM交直交電壓型變換器的主電路變換器的 2 個 PWM 變換器的主電路結(jié)構(gòu)完全相同,三相交流電源經(jīng) PWM整流器整流，再經(jīng) PWM 逆變器逆變?yōu)轭l率和幅值可調(diào)的交流電，帶動三相電阻負載。整流器和逆變器觸發(fā)電路的設(shè)計是變換器設(shè)計的核心。2 整流電路從 PWM 整流器的功能可見， PWM 整流器應(yīng)該是一個其交、直流側(cè)可控的四象限運行的變流器。 目前，PWM 整流器分成兩個大類 :一、電壓型 PWM 整流器，二、電流型 PWM 整流器。它們兩種結(jié)構(gòu)在主電路拓撲結(jié)構(gòu)、 PWM 信號發(fā)生、控制策

3、略等方面都有各自的特點，而且兩者在電路上是對偶的。2.1電壓型整流器 (VSR)電壓型（ Voltage Source Rectifier-VSR）PWM 整流器有個明顯的特點就是直流側(cè)一般采用電容進行直流儲能。這樣一來就使得VSR 直流側(cè)呈現(xiàn)低阻抗電壓源特性。其拓撲結(jié)構(gòu)有以下三種：圖2.1 （ a）就是單相半橋 VSR 拓撲結(jié)構(gòu)，圖 2.1 （ b ）是單相全橋 VSR 拓撲結(jié)構(gòu)，圖 2.1 （c）是三相六開關(guān) VSR 拓撲結(jié)構(gòu)。圖 2.1 （a）單相半橋圖 2.1 （b ）單相全橋圖 2.1 （c）三相六開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)由上圖 2 .1(a) 可知，單相半橋VSR 拓撲結(jié)構(gòu)中，相比而言比較的簡

4、單，只有一個橋臂用了IGBT 開關(guān)，另一個則是由兩個電容串聯(lián)而成。這種結(jié)構(gòu)適合于價格低，成本低，小功率的場合。而在全橋 VSR 拓撲結(jié)構(gòu)里，如圖2.1 (b) ，則采用了 4 個 IGBT 開關(guān)。兩個電路里每個 IGBT 都反并聯(lián)一個續(xù)流二極管， 可以保證無功電流的流動。 其中電容的作用是均壓和儲能， 但是這種拓撲結(jié)構(gòu)對電容的數(shù)值要求比較高，系統(tǒng)對死區(qū)也比較的敏感，所以其控制算法和策略方面仍然處于研究階段。從圖 2.1(c)可以看出三相 VSR 主電路由交流側(cè)三相電感、三相全控橋、直流側(cè)濾波電容組成。由于三相半橋VSR 比較適合于三相電網(wǎng)平衡的系統(tǒng)，如果電網(wǎng)三相不平衡，控制性能會惡化，甚至于不

5、能正常工作。 為了解決這個問題，可以采用三相全橋VSR 設(shè)計，本質(zhì)上是三個獨立控制的單相半橋VSR 的組合。本文設(shè)計的整流器即為這種類型。2.2電流型整流器 (CSR)電流型（ Current Source Rectifier-CSR ）PWM 整流器拓撲結(jié)構(gòu)最明顯的特點是直流側(cè)采用電感存儲能量，從而使得 CSR 直流側(cè)呈現(xiàn)出高阻抗的電流源特性。 CSR 跟 VSR 一樣，有單相和三相兩種不同的結(jié)構(gòu)。圖 2.2 （a ）單相 CSR 拓撲結(jié)構(gòu)圖 2.2 （b ）三相 CSR 拓撲結(jié)構(gòu)上圖 2.2 （a ）中所示的單相 CSR 拓撲結(jié)構(gòu)，它與單相了一個濾波電容，作用是和電感一起構(gòu)成LC 濾波器，

6、 VSR 相比，交流側(cè)還增加濾除網(wǎng)側(cè)來的諧波電流，抑制諧波電壓。 并且每個 IGBT 開關(guān)管都串聯(lián)了個二極管，主要的目的是阻斷反向電流，提高反向耐壓能力。上圖 2.2 （b ）為三相 CSR 拓撲圖，可以看出這也是個半橋結(jié)構(gòu)，它工作原理大致和單相的一樣，其中的電容和電感的作用和單相CSR 是一樣的。由于大功率整流的電流比較的大， 所以為了防止鐵心飽和， 直流側(cè)的電感器鐵心體積會比較龐大，這樣的話就增加了電路損耗，同時也限制了直流電流的大小，不能太大。三相電流型 PWM 整流器拓撲結(jié)構(gòu)，利用正弦波調(diào)制的方法控制直流電流在各開關(guān)器件的分配， 使交流電流波形近似與電源電壓同相位的正弦波，實現(xiàn)功率因數(shù)

7、近似為 1 。由于整流器的非線性， 其交流側(cè)電流波形中含有較多的諧波成分，需在交流側(cè)加裝濾波器來減少交流電流諧波; 直流側(cè)有大的平波電抗，穩(wěn)態(tài)時，直流側(cè)電流紋波很小，類似電流源。3 PWM整流電路及其控制方法3.1 PWM整流電路結(jié)構(gòu)PWM 整流電路結(jié)構(gòu)如下所示，采用的是電壓型整流電路。圖 3PWM 整流電路結(jié)構(gòu)三相系統(tǒng)里面，三相全橋拓撲結(jié)構(gòu)是VSR 最為常用的一種。與單相全橋 VSR相比，三相 VSR 拓撲結(jié)構(gòu)主電路則多了一個橋臂。三相半橋VSR PWM 整流器主電路結(jié)構(gòu)如上圖所示，其中V1 至 V6 是全控型功率器件， D1 至 D6 為整流二極管，交流側(cè)每相電路串接的電感Ld 起儲存、傳

8、遞能量和平衡電壓的作用，Cd 為濾波器。通過對電路進行正弦波 PWM 控制，使得整流橋的交流輸入端產(chǎn)生正弦PWM 電壓，對各相電壓進行控制，就可以使各相電流ia 、 ib 、 ic 為正弦波且和電壓相位相同，從而使功率因數(shù)為1 。當(dāng)電路工作在整流狀態(tài)下，能量從電網(wǎng)側(cè)流向直流側(cè)負載傳輸 ;當(dāng)電路工作在再生狀態(tài)下，類似于三相PWM 電壓型有源逆變器，可以將直流側(cè)的能量回饋到交流電網(wǎng)側(cè)。所以對于三相VSR ，需要對其三相橋臂施加幅值、頻率相等而相位上互差1200的三相對稱正弦波調(diào)制信號。3.2PWM 整流電路的控制方法為了使 PWM 整流電路在工作時工率因數(shù)近似為1 ，即要求輸入電流為正弦波且和電壓

9、同相位， 可以有多種控制方法。 根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種， 沒有引入電流反饋的稱為間接電流控制，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制。下面分別介紹這兩種控制方法的基本原理。（1 ）間接電流控制間接電流控制也稱為相位控制和幅值控制。圖5（ a ）為間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中的PWM 整流電路為圖4 所示的三相橋式電路?？刂葡到y(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。直流電壓給定信號ud*和實際的直流電壓 ud 比較后送入 PI 調(diào)節(jié)器， PI 調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流指令信號id ， id 的大小和整流器交流輸入電流的幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時，u d=ud*，PI 調(diào)節(jié)器輸入為零，

10、PI 調(diào)節(jié)器的輸出 id 和整流器負載電流大小相對應(yīng)， 也和整流交流輸入電流的幅值相對應(yīng)。當(dāng)負載電流增大時，直流側(cè)電容C 放電而使其電壓 ud 下降， PI 調(diào)節(jié)器的輸入端出現(xiàn)在偏差，使其輸出 i d 增大， i d 的增大會使整流器的交流輸入電流增大，也使直流側(cè)電壓u d 回升。達到穩(wěn)態(tài)時， u d 仍和 ud * 相等， PI 調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而 id 則穩(wěn)定在新的較大的值，與較大的負載電流和較大的交流輸入電流相對應(yīng)。當(dāng)負載電流減小時， 調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。 若整流器要從整流運行變?yōu)槟孀冞\行時，首先是負載電流反向而向直流電容C 充電，使 u d 抬高， PI 調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負偏差，其

11、輸出 id 減小后變?yōu)樨撝?，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實現(xiàn)逆變運行。達到穩(wěn)態(tài)時，u d 和 ud * 仍然相等， PI 調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，其輸出id為負值，并與逆變電流的大小相對應(yīng)。圖 3 （ a）間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中兩個乘法器均為三相乘法器的簡單表示，實際上兩者均由三個單相乘法器組成。上面的乘法器是id 分別和 a ， b， c 三相相電壓同相位的正弦信號，再乘以電阻 R，就可得到各相電流在Rs 壓降 U Ra 、 U Rb 和 U Rc ；現(xiàn)面的乘法器 id 分別乘以 a， b ，c 三相電壓相位超前/ 2 的余弦信號，再乘以電感 L 的感抗，就可得到電流在電感 Ls 上的壓

12、降 U La、 U Lb 和 U Lc 。各相電源相電壓 ua 、 ub 、 uc 分別減去前面求得的輸入電流在電阻R 和電感 L 上的壓降，就可得所需要的整流交流輸入端各相的相電壓 uA 、 uB 和 uC ，用該信號對三角波載波進行調(diào)制，得到 PWM 開關(guān)信號去控制整流橋，就可以得到需要的控制效果。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及上述分析可以看出，這種控制方法在信號運算過程中要用到電路參數(shù) Ls 和 Rs 的運算值和實際值有誤差時， 必然會影響到控制效果。 此外，這種控制方法是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計的， 其動態(tài)特性較差。 因此，間接電流控制的系統(tǒng)應(yīng)用較少。(2). 直接電流控制在這種控制方法中，通過運算求

13、出交流輸入電流指令值，再引入電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此這種方法稱為直接電流控制。直接電流控制中有不同的電流跟蹤控制方法，圖5 （b ）給出的是一種最常用的采用電流滯環(huán)比較方式的控制結(jié)構(gòu)圖。圖 3 （b ）直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 3（ b ）的控制系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。其外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)。外環(huán)的結(jié)構(gòu)，工作原理均和5 （a ）的間接電流控制系統(tǒng)相同，前面已進行了詳細的分析，這里不再重復(fù)。外環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的輸出為直流信號 id ， id 分別乘以和 a，b，c 三相相電壓同相位的正弦信號，就得到三相交流電流的正弦指令信號ia* ， ib* 和 ic* ?？梢钥闯?， ia* ，