3.3-PWM整流電路及其控制方法

3.3PWM整流電路及其控制方法實(shí)用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流。晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低。二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。控制PWM整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。3.3PWM整流電路及其控制方法3.3.1PWM整流電路的工作原理3.3.2PWM整流電路的控制方法3.3.1PWM整流電路的工作原理PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多。半橋電路直流側(cè)電容必須由兩個(gè)電容串聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接。交流側(cè)電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內(nèi)部電感，是電路正常工作所必須的。全橋電路直流側(cè)電容只要一個(gè)就可以。下面以全橋?yàn)槔治觯簡蜗嗳珮螂娐?.單相PWM整流電路3.3.1PWM整流電路的工作原理(1)單相全橋PWM整流電路的工作原理正弦信號波和三角波相比較的方法對圖中的T1~T4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)SPWM波uAB。uAB中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波，不含有低次諧波。由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動。圖AB兩點(diǎn)的SPWM電壓波形OωtouAB1uab-UdUd3.3.1PWM整流電路的工作原理當(dāng)正弦信號波頻率和電源頻率相同時(shí)，is也為與電源頻率相同的正弦波。

us一定時(shí)，is幅值和相位僅由uAB中基波uAB1的幅值及其與us的相位差決定。

改變uAB1的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is與us相位差為所需角度。圖單相橋式PWM整流電路的等值電路usLsisRsuAB圖AB兩點(diǎn)的SPWM電壓波形OωtouAB1uab-UdUd圖3-20PWM整流電路的運(yùn)行方式向量圖a)整流運(yùn)行b)逆變運(yùn)行c)無功補(bǔ)償運(yùn)行d)超前角為j

dj·Us·UL·UR·UAB·Isd·Us·UR·UAB·Is·ULd·Us·UR·UAB·Is·ULd·Us·UR·UAB·Is·UL3.3.1PWM整流電路的工作原理USAB●●USAB●USAB3.3.1PWM整流電路的工作原理b)逆變運(yùn)行d·Us·UR·UAB·Is·ULa)整流運(yùn)行d·Us·UL·UR·UAB·Isa：滯后相角d

，和同相，整流狀態(tài)，功率因數(shù)為1。PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)。b：超前相角d

，和反相，逆變狀態(tài)。說明PWM整流電路可實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動，這一特點(diǎn)對于需再生制動的交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)很重要usLsisRsuABUSAB●USAB●3.3.1PWM整流電路的工作原理c)無功補(bǔ)償運(yùn)行d·Us·UR·UAB·Is·ULd)超前角為j

jd·Us·UR·UABIs·ULc：滯后相角d，超前90°，電路向交流電源送出無功功率，這時(shí)稱為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator—SVG）。d：通過對幅值和相位的控制，可以使比超前或滯后任一角度j

。3.3.1PWM整流電路的工作原理(2)對單相全橋PWM整流電路工作原理的進(jìn)一步說明整流狀態(tài)下:us>0時(shí)，（T2、D4、D1、Ls）和（T3、D1、D4、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，以（T2、D4、D1、Ls）為例。T2通時(shí)，us通過T2、D4向Ls儲能。T2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲能通過D1、D4向C充電。us<0時(shí)，（T1、D3、D2、Ls）和（T4、D2、D3、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路。3.3.1PWM整流電路的工作原理2．三相PWM整流電路三相橋式PWM整流電路，是最基本的PWM整流電路之一，應(yīng)用最廣。工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。進(jìn)行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖3-20a的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數(shù)近似為1。和單相相同，該電路也可工作在逆變運(yùn)行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)。3.3.2PWM整流電路的控制方法圖3-22間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1)間接電流控制間接電流控制也稱為相位和幅值控制。按圖3-20a（逆變時(shí)為圖3-20b）的相量關(guān)系來控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為1的控制效果。圖3-22，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3-21的三相橋式電路控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。有多種控制方法，根據(jù)有沒有引入電流反饋可分為兩種：

間接電流控制、直接電流控制。和實(shí)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信號id，id的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud=，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，PI調(diào)節(jié)器的輸出id和負(fù)載電流大小對應(yīng)，也和交流輸入電流幅值相對應(yīng)。負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。負(fù)載電流增大時(shí)，C放電而使ud下降，PI的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出id增大，進(jìn)而使交流輸入電流增大，也使ud回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而id則穩(wěn)定為新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流對應(yīng)。3.3.2PWM整流電路的控制方法控制原理3.3.2PWM整流電路的控制方法控制系統(tǒng)的工作原理圖中上面的乘法器是id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號，再乘以電阻R，得到各相電流在Rs上的壓降uRa、uRb和uRc。圖中下面的乘法器是id分別乘以比a、b、c三相相電壓相位超前π/2的余弦信號，再乘以電感L的感抗，得到各相電流在電感Ls上的壓降uLa、uLb和uLc。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，就可得到所需要的交流輸入端各相的相電壓uA、uB和uC的信號，用該信號對三角波載波進(jìn)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。3.3.2PWM整流電路的控制方法從整流運(yùn)行向逆變運(yùn)行轉(zhuǎn)換：首先負(fù)載電流反向而向C充電，ud抬高，PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負(fù)偏差，id減小后變?yōu)樨?fù)值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實(shí)現(xiàn)逆變運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和仍然相等，PI調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，id為負(fù)值，并與逆變電流的大小對應(yīng)。3.3.2PWM整流電路的控制方法存在的問題在信號運(yùn)算過程中用到電路參數(shù)Ls和Rs，當(dāng)Ls和Rs的運(yùn)算值和實(shí)際值有誤差時(shí)，會影響到控制效果。是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的，其動態(tài)特性較差。間接電流控制的系統(tǒng)應(yīng)用較少。3.3.2PWM整流電路的控制方法2)

直接電流控制有不同的電流跟蹤控制方法，圖3-23給出一種最常用的采用電流滯環(huán)比較方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3-23直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通過運(yùn)算求出交流輸入電流指令值，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。3.3.2PWM整流電路的控制方法控制系統(tǒng)組成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，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)、工作原理和圖3-22間接電流控制系統(tǒng)相同。外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出為id，id分別乘以和a、b、c三相相電壓同相位的正弦信號，得到三相交流電流的正弦指令信號，和