PWM整流技術綜述

1、.摘要：PWM整流器以其優(yōu)越的性能和潛在的優(yōu)勢得到了廣泛地應用。本文介紹了各種PWM方法及在PWM整流器中的實現(xiàn)和應用，并就目前PWM整流技術在主電路結構及其控制策略方面的研究現(xiàn)狀進行了綜述。關鍵詞：PWM；整流器；電壓源型；電流源型0引言PWM技術從最初追求電壓波形正弦，到電流波形正弦，再到磁通的正弦，取得了突飛猛進的發(fā)展。而PWM整流器具有輸入電流正弦，諧波含量低，功率因數(shù)高及雙向能量流動，體積小及重量輕等特點，在功率因數(shù)補償，電能回饋，有源濾波等領域得到越來越廣泛的應用。按是否具有能量回饋功能，PWM整流器可分為無能量回饋整流器和有能量回饋整流器；按主電路拓撲結構和外特性分，PWM整流器

2、可分為電壓源型和電流源型高頻整流器。近年來，為了提高PWM整流器性能，在控制策略上有不少現(xiàn)代控制方法和技術在整流器中的應用研究，如基于LyaPunov穩(wěn)定理論的控制策略；基于現(xiàn)代控制理論的模糊控制、滑模變結構控制策略和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論的控制策略等。本文從整流器的主電路拓撲結構和控制策略著手,對該項技術進行了綜述 。 1PWM整流器主電路拓撲結構和工作原理PWM整流器按其主電路拓撲結構分為單開關與多開關型；根據(jù)輸入電源相數(shù)分為單相和三相PWM整流電路；按電路結構和特性分為電壓源型和電流源型。由于單相PWM整流器功率小，應用少，下面只介紹目前在實際應用廣泛的三相PWM整流器。1.1無能量回饋功

3、能的整流器無能量回饋型單管三相PWM整流電路如圖1所示，(a)為boost型，(b)為buck型，其最大的優(yōu)點是簡單、經(jīng)濟。由于僅有一個可控元件，要使三相電流均為正弦波且與電壓同相位是十分困難的，一般這種電路只工作在DCM方式(不連續(xù)電流模式)，這時每相電流峰值和每相電壓成正比，每相電流峰值為正弦，由于電流不連續(xù)，自然形成零電流開通。開關管在關斷時，要關斷三相電流，所以關斷損耗大，并且隨著輸出功率增大，輸入電流的峰值迅速增加，電流應力問題更加突出。為了解決這一問題，我們可用同一個脈沖驅動三個下管，這時可將電流應力減少30左右。12有能量回饋功能的整流器121電壓源型三相橋式PWM整流器圖2是三

4、相電壓型PWM整流器主電路，它具有很快地響應和更好的輸入電流波形，穩(wěn)態(tài)工作時，輸出直流電壓不變，開關管按正弦規(guī)律脈寬調制，整流器交流測的輸出電壓和逆變器相同，忽略整流器輸出交流電壓的諧波，變換器可以看作是可控正弦三相電壓源，它和正弦的電網(wǎng)電壓共同作用于輸入電感，產(chǎn)生正弦電流波形，適當控制整流器輸出電壓的幅值和相位，就可以獲得所需大小和相位的輸入電流。122電流源型三相PWM整流器與圖2相對偶的是圖3所示的電流源型三相PWM整流器，其輸出呈直流電流源特性，利用正弦調制方法控制直流電流Ii在各開關器件的分配，使交流電流波形接近正弦波，且和電源電壓同相位，交流側電容的作用是濾除與開關頻率有關的高次諧

5、波。電流源型整流器的優(yōu)點是：由于輸出電感的存在，它沒有橋臂直通過流及輸出短路問題；開關器件直接對直流電流作脈寬調制，所以其輸入電流控制簡單，控制速度快。缺點是：整流器輸出電感的體積、重量和損耗大；常用的全控器件都是雙向導通的，主電路構成不方便且通態(tài)損耗大。123其它類型PWM整流器除上述的電壓源型和電流源型PWM整流器外，從基本電路結構上還派生出了一些其它的電路形式，如三相四線型的PWM整流器，它能為后端的三相UPS提供中點而無需變壓器；再如低成本四開關三相整流電路，它比常規(guī)三相整流器少用一個橋臂。另外一種很有應前景的整流器如圖4所示的三電平PWM整流器，應用開關頻率較低的GTO時，這種電路較

6、合適，開關頻率在300600Hz時就能滿足對輸入電流諧波的要求，這種電路的另一優(yōu)點是每個主開關器件關斷時所承受的電壓僅為直流側電壓的一半，因此，該電路特別適合于高電壓大容量的應用場合。2 PWM整流器的控制方式PWM控制技術主要有電壓控制PWM、電流控制PWM、空問電壓矢量控制、諧振開關控制PWM等多種。為了提高PWM整流器的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，比較成功地應用于PWM整流器的控制方案主要有以下幾種控制策略。 21間接電流控制問接電流控制即幅相控制，它以控制變流器前端輸入點電壓的幅值和相位來達到控制輸入電流相位的目的，常用的間接電流控制系統(tǒng)結構圖如圖5所示，其中PWM整流器主電路為圖2所示電路，

7、系統(tǒng)以直流側電壓作閉環(huán)控制，電壓環(huán)采用PI調節(jié)器，PI調節(jié)器輸出信號作電流指令，id，id的大小和整流器流人電流的幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時，Udc*=Udc，PI調節(jié)器輸人為零，而PI調節(jié)器輸出id和整流器負載電流的大小相對應，也和整流器交流輸入電流的幅值相對應。當負載電流變化，則經(jīng)過調節(jié)達穩(wěn)態(tài)后PI輸入仍為零，而id與新的負載電流相對應。若整流器變?yōu)槟孀冞\行時，則輸入電流與輸入電壓反向，穩(wěn)態(tài)時仍是Udc*=Udc，PI調節(jié)器輸人為零，輸出為負值，與逆變電流大小相對應。這種控制方法優(yōu)點是控制簡單。缺點：當R、L的運算值和實際值有誤差時，影響控制效果；電壓環(huán)響應速度較慢；網(wǎng)側存在著直流偏移量，因而在瞬

8、態(tài)時輸入濾波器易出現(xiàn)振蕩和負載電流發(fā)生畸變。22直接電流控制這類控制中，通過運算求出交流電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值。直接電流控制中，又有不同的電流跟蹤方法，常見的有滯環(huán)電流控制(HCC)和預測電流控制，滯環(huán)電流控結構如圖6所示。它是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內環(huán)是交流電流控制環(huán)，它將電流給定信號與檢測到的變流器實際輸入信號做比較后，通過滯環(huán)對各開關器件進行控制，可使實際電流圍繞給定電流做鋸齒狀的變化，并將偏差電壓控制在一定范圍內。這種控制機理清晰、簡單，電流響應速度快，系統(tǒng)魯棒性好。其不足之處是開關頻率可變，平均開關頻率隨負載

9、電流的變化而變化，導致開關狀態(tài)的不穩(wěn)定性和隨意性。預測電流控制是在固定的采樣周期內，根據(jù)電路的模型選擇最優(yōu)控制電壓矢量，再選擇合適電壓控制矢量來決定三相橋臂各功率器件的通斷，使其在采樣周期內的平均電壓等于估算出的最優(yōu)控制電壓，實際上是以本次采樣實際電流與下一個采樣時刻的預測參考電流進行比較，求出最優(yōu)控制電壓以及電壓空間矢量，使得電流誤差最小，迫使下一個采樣時刻的實際電流以最優(yōu)特性跟蹤這一時刻參考電流，由圖2的變壓器，可有方程：式中：Uk為電源電壓；Ldikdt，Rik分別為濾波電感和開關器件壓降；Urk是調制電壓的基波分量。設以為一個開關周期的占空比，則調制電壓為：如果線電流在一個開關周期Ts

10、內由現(xiàn)值Ik變到指令值 ick ，則需要的電流變化率為： 由此可得：由(4)式得到占空比來控制開關管的通斷，則線電流被迫在規(guī)定的開關周期內達到預測值。為使線電流為正弦，指令電流應為：式中：c為對開關延遲的補償。預測電流控制結構圖如圖7所示，這種控制方法的特點是控制簡單，類似于幅相控制，電壓環(huán)響應速度快；缺點是整個系統(tǒng)對參數(shù)的變化較敏感。23同步旋轉坐標系下的電流控制同步旋轉坐標系下的電流控制框圖如圖8示，它實際上是矢量控制PWM的具體應用，它是目前應用最廣泛的一種控制方式，它采用坐標變換將三相坐標系下的交流量變成直流量，可以用PI調節(jié)器進行電流控制，清除靜差。在同步坐標系下，d軸和q軸電流是獨

11、立控制的，一般是控制d軸電流以控制有功，控制q軸電流以控制無功，為使整流器運行在單位功率因數(shù)的狀態(tài)下，采用使i=0的控制方式實現(xiàn)。由于引入電流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓作為前饋控制，使得系統(tǒng)輸入電流解耦，提高了動態(tài)性能，同時對參數(shù)的變化不敏感，穩(wěn)定性比較高。24預測電流控制預測電流控制是在固定的采樣周期內，根據(jù)電路模型選擇最優(yōu)控制電壓矢量，并由此決定三相橋臂各功率器件的通斷。實際上它是以本次采樣實際電流與下一采樣時刻的預測電流進行比較，求出最優(yōu)控制電壓以及電壓空間矢量，使電流誤差最小。該方法的優(yōu)點是，控制簡單，可獲得比較快速、準確地響應，在高開關頻率時，電流精度高。缺點是整個系統(tǒng)對參數(shù)的變化敏感，魯棒

12、性差。25滑模變結構控制策略近年來PWM變流器的滑模變結構控制方式已有出現(xiàn)，它是為了解決變流器的時變參數(shù)問題而提出的一種控制方案。因為整流器的開關切換動作與變結構系統(tǒng)的運動點沿切換面高頻切換動作上有對應關系，因而用滑模變結構的方法來控制整流器。它實質是用滑?？刂破鱽泶?zhèn)鹘y(tǒng)的外環(huán)PI控制器。用滑?？刂破鞯恼髌飨到y(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)的魯棒性好，抗干擾能力強，動態(tài)品質好。3結束語近年來國內外學者在整流器研究上，做了不少的工作，PWM整流器應用將會越來越廣泛，單位功率因數(shù)整流器的研究已成為電力電子領域的一大熱點。綜上所述，目前PWM整流器研究主要是探索新的電路拓撲和如何提高整流器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。在主電路拓撲方面，除基本的電壓源型和電流源型三相單開關和三相多開關PWM整流器主電路外?，F(xiàn)已出現(xiàn)三電平、五電平和七電平結構，隨著功率器件性能和應用水平的提高，將會有更好的主電路拓撲結構出現(xiàn)。在控制方法方面，目前，已有多種控制策略在整流器中得到