整流技術(shù)綜述

1、摘要：PWM整流器以其優(yōu)越的性能和潛在的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛地應(yīng)用。本文介紹了各種PWM方法及在PWM整流器中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，并就目前PWM整流技術(shù)在主電路結(jié)構(gòu)及其控制策略方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。關(guān)鍵詞：PWM；整流器；電壓源型；電流源型0引言PWM技術(shù)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(jìn)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(dòng)，體積小及重量輕等特點(diǎn)，在功率因數(shù)補(bǔ)償，電能回饋，有源濾波等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。按是否具有能量回饋功能，PWM整流器可分為無(wú)能量回饋整流器和有能量回饋整流器；按主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外特性分，PWM整流器可

2、分為電壓源型和電流源型高頻整流器。近年來(lái)，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(shù)在整流器中的應(yīng)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(jié)構(gòu)控制策略和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的控制策略等。本文從整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略著手,對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了綜述 。 1PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理PWM整流器按其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為單開(kāi)關(guān)與多開(kāi)關(guān)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(jié)構(gòu)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(yīng)用少，下面只介紹目前在實(shí)際應(yīng)用廣泛的三相PWM整流器。1.1無(wú)能量回饋功能

3、的整流器無(wú)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(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。由于僅有一個(gè)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(shí)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(kāi)通。開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷時(shí)，要關(guān)斷三相電流，所以關(guān)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(yīng)力問(wèn)題更加突出。為了解決這一問(wèn)題，我們可用同一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)三個(gè)下管，這時(shí)可將電流應(yīng)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是三相

4、電壓型PWM整流器主電路，它具有很快地響應(yīng)和更好的輸入電流波形，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出直流電壓不變，開(kāi)關(guān)管按正弦規(guī)律脈寬調(diào)制，整流器交流測(cè)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(dāng)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(duì)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(diào)制方法控制直流電流Ii在各開(kāi)關(guān)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(cè)電容的作用是濾除與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波

5、。電流源型整流器的優(yōu)點(diǎn)是：由于輸出電感的存在，它沒(méi)有橋臂直通過(guò)流及輸出短路問(wèn)題；開(kāi)關(guān)器件直接對(duì)直流電流作脈寬調(diào)制，所以其輸入電流控制簡(jiǎn)單，控制速度快。缺點(diǎn)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?qū)ǖ?，主電路?gòu)成不方便且通態(tài)損耗大。123其它類(lèi)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(jié)構(gòu)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(diǎn)而無(wú)需變壓器；再如低成本四開(kāi)關(guān)三相整流電路，它比常規(guī)三相整流器少用一個(gè)橋臂。另外一種很有應(yīng)前景的整流器如圖4所示的三電平PWM整流器，應(yīng)用開(kāi)關(guān)頻率較低的GTO時(shí)，這種電路較合

6、適，開(kāi)關(guān)頻率在300600Hz時(shí)就能滿足對(duì)輸入電流諧波的要求，這種電路的另一優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)主開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，因此，該電路特別適合于高電壓大容量的應(yīng)用場(chǎng)合。2PWM整流器的控制方式PWM控制技術(shù)主要有電壓控制PWM、電流控制PWM、空問(wèn)電壓矢量控制、諧振開(kāi)關(guān)控制PWM等多種。為了提高PWM整流器的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，比較成功地應(yīng)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(wèn)接電流控制即幅相控制，它以控制變流器前端輸入點(diǎn)電壓的幅值和相位來(lái)達(dá)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(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其中PWM整流器主電路為圖2所示電路，系統(tǒng)

7、以直流側(cè)電壓作閉環(huán)控制，電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)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(shí)，Udc*=Udc，PI調(diào)節(jié)器輸人為零，而PI調(diào)節(jié)器輸出id和整流器負(fù)載電流的大小相對(duì)應(yīng)，也和整流器交流輸入電流的幅值相對(duì)應(yīng)。當(dāng)負(fù)載電流變化，則經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)達(dá)穩(wěn)態(tài)后PI輸入仍為零，而id與新的負(fù)載電流相對(duì)應(yīng)。若整流器變?yōu)槟孀冞\(yùn)行時(shí)，則輸入電流與輸入電壓反向，穩(wěn)態(tài)時(shí)仍是Udc*=Udc，PI調(diào)節(jié)器輸人為零，輸出為負(fù)值，與逆變電流大小相對(duì)應(yīng)。這種控制方法優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：當(dāng)R、L的運(yùn)算值和實(shí)際值有誤差時(shí)，影響控制效果；電壓環(huán)響應(yīng)速度較慢；網(wǎng)側(cè)存在著直流偏移量，因而在瞬態(tài)時(shí)

8、輸入濾波器易出現(xiàn)振蕩和負(fù)載電流發(fā)生畸變。22直接電流控制這類(lèi)控制中，通過(guò)運(yùn)算求出交流電流指令值，再引入交流電流反饋，通過(guò)對(duì)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(jiàn)的有滯環(huán)電流控制(HCC)和預(yù)測(cè)電流控制，滯環(huán)電流控結(jié)構(gòu)如圖6所示。它是一個(gè)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)，它將電流給定信號(hào)與檢測(cè)到的變流器實(shí)際輸入信號(hào)做比較后，通過(guò)滯環(huán)對(duì)各開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，可使實(shí)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(nèi)。這種控制機(jī)理清晰、簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)速度快，系統(tǒng)魯棒性好。其不足之處是開(kāi)關(guān)頻率可變，平均開(kāi)關(guān)頻率隨負(fù)載電流

9、的變化而變化，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不穩(wěn)定性和隨意性。預(yù)測(cè)電流控制是在固定的采樣周期內(nèi)，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(lái)決定三相橋臂各功率器件的通斷，使其在采樣周期內(nèi)的平均電壓等于估算出的最優(yōu)控制電壓，實(shí)際上是以本次采樣實(shí)際電流與下一個(gè)采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)參考電流進(jìn)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(gè)采樣時(shí)刻的實(shí)際電流以最優(yōu)特性跟蹤這一時(shí)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(kāi)關(guān)器件壓降；Urk是調(diào)制電壓的基波分量。設(shè)以為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的占空比，則調(diào)制電壓為：如果線電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)由

10、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(lái)控制開(kāi)關(guān)管的通斷，則線電流被迫在規(guī)定的開(kāi)關(guān)周期內(nèi)達(dá)到預(yù)測(cè)值。為使線電流為正弦，指令電流應(yīng)為：式中：c為對(duì)開(kāi)關(guān)延遲的補(bǔ)償。預(yù)測(cè)電流控制結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，這種控制方法的特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，類(lèi)似于幅相控制，電壓環(huán)響應(yīng)速度快；缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的變化較敏感。23同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制框圖如圖8示，它實(shí)際上是矢量控制PWM的具體應(yīng)用，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種控制方式，它采用坐標(biāo)變換將三相坐標(biāo)系下的交流量變成直流量，可以用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行電流控制，清除靜差。在同步坐標(biāo)系下，d軸和q軸電流是獨(dú)立控

11、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(wú)功，為使整流器運(yùn)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(shí)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(dòng)態(tài)性能，同時(shí)對(duì)參數(shù)的變化不敏感，穩(wěn)定性比較高。24預(yù)測(cè)電流控制預(yù)測(cè)電流控制是在固定的采樣周期內(nèi)，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(shí)際上它是以本次采樣實(shí)際電流與下一采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)電流進(jìn)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(diǎn)是，控制簡(jiǎn)單，可獲得比較快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)，在高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，電流精度高。缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的變化敏感，魯棒性差

12、。25滑模變結(jié)構(gòu)控制策略近年來(lái)PWM變流器的滑模變結(jié)構(gòu)控制方式已有出現(xiàn)，它是為了解決變流器的時(shí)變參數(shù)問(wèn)題而提出的一種控制方案。因?yàn)檎髌鞯拈_(kāi)關(guān)切換動(dòng)作與變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)沿切換面高頻切換動(dòng)作上有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而用滑模變結(jié)構(gòu)的方法來(lái)控制整流器。它實(shí)質(zhì)是用滑?？刂破鱽?lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的外環(huán)PI控制器。用滑模控制器的整流器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的魯棒性好，抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。3結(jié)束語(yǔ)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在整流器研究上，做了不少的工作，PWM整流器應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，單位功率因數(shù)整流器的研究已成為電力電子領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。綜上所述，目前PWM整流器研究主要是探索新的電路拓?fù)浜腿绾翁岣哒髌鞯姆€(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在主電路拓?fù)浞矫?，除基本的電壓源型和電流源型三相單開(kāi)關(guān)和三相多開(kāi)關(guān)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(jié)構(gòu)，隨著功率器件性能和應(yīng)用水平的提高，將會(huì)有更好的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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