浅述PWM型整流器
061230105 何卓
电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并且在电力系统中得到日益广泛的应用。电力电子技术根据用电场合而改变电能的应用方式，即所谓“变流”，使得电能的应用更好地满足人们的需求，并通过功能和性能的提高产生经济效益和社会效益。因此，电力电子技术又被认为是电能应用的优化技术。
除了线性功率放大的场合，电力电子装置中的功率器件大多工作于开关状态，这种电力电子装置不加控制的扩大应用，带来的一个副作用就是电网的“污染”。例如传统的二极管整流器和晶闸管相控整流器，其运行过程中，网侧电流均含有大量谐波，且总的功率因数较低，大量应用所导致的电磁兼容问题可能会造成严重的后果，因此必须加以限制。
环保意识的提高，促使人们在电力电子技术的发展中探索一条“绿色”之路。对变流装置而言，“绿色”的内涵应包括电网无谐波污染、单位功率因数，以及功率控制系统的高性能、高稳定性、高效率等传统变流装置所不具备的优越性能。“绿色”电能变换的需求呼唤着电力电子技术的发展，而电力电子技术的发展又促进了“绿色”电能变换的实现。PWM 整流器作为各种电力电子应用系统与电网的接口，其发展方向是将变流技术与微电子技术和自动控制技术相融合，已成为电力电子技术发展中的热点和亮点。
PWM控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段，结合了PWM控制技术的新型整流器称为整流器。经过20多年的研究与探索，PWM控制技术已成功应用于整流器的设计中，使整流器获得了前所未有的优良性能。
与传统的整流器相比，PWM整流器不仅获得了可控的AC/DC变换性能，而且可实现网侧单位功率因数和正弦波电流控制，甚至能使电能双向传输。一般称电能可双向传输的PWM整流器为可逆PWM整流器。由于可逆PWM整流器不仅体现出PWMAC/DC 变流特性（整流），而且还可呈现出PWMDC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，可逆PWM整流器实际上是一种新型的可四象限运行的变流器。
随着PWM控制技术的发展，如空间矢量PWM（SVPWM）、滞环电流PWM控制等方案的提出，以及现代控制理论和智能控制技术的发展和应用，PWM整流器的性能得到了不断提高，功能也不断扩展。PWM整流器网侧独特的受控电流源特性，使得PWM 整流器作为核心被广泛应用于各类电力电子应用系统中，这些应用系统主要有：（１）功率因数校正（ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｏｒ—ＰＦＣ）；（２）静止无功补偿（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ—ＳＶＣ）；（３）有源电力滤波（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ—ＡＰＦ）；
（４）统一潮流控制器（ＶｎｉｆｉｅｄＰｏｗｅｒＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）；
（５）超导储能（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＭａｇｎｅｔｉｃＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅ—ＳＭＥＳ）；
（６）高压直流输电（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ—ＨＶＤＣ）；
（７）可再生能源并网发电；
（８）交直流电气传动。
PWM整流器及其控制技术以其广泛而重要的应用前景，近年来备受学术界的关注，已有大量的研究报告陆续发表。这些研究报告从各方面对PWM整流技术展开研究，从而有力推动了PWM整流器应用技术的发展。
PWM整流器概述
随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管（SCR）发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管（BJT）、门极关断（GTO）晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、功率场效应晶体管（MOSFET）以及场控晶闸管（MCT）等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块（IPM）则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。其主要思路就是，将PWM技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。以下所称PWM整流器均指可逆PWM整流器。
能量可双向流动的PWM整流器不仅体现出AC/DC变流特性（整流），而且还可呈现出DC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，这类ＰＷＭ整流器实际上是一种新型的可逆PWM变流器。
经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术已日趋成熟。PWM整流器主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上，既有电压型整流器（ＶｏｌｔａｇｅＳｏｕｒｃｅＲｅｃｔｉｆｉｅｒ－ＶＳＲ），也有电流型整流器（ＣｕｒｒｅｎｔＳｏｕｒｃｅＲｅｃｔｉｆｉｅｒ－ＣＳＲ），并且两者在工业上均成功地投入了应用。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。
由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿（ＳＶＧ）、有源电力滤波（ＡＰＦ）、统一潮流控制（ＵＰＦＣ）、超导储能（ＳＭＥＳ）、高压直流输电（ＨＶＤＣ）、电气传动（ＥＤ）、新型ＵＰＳ以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等，现分别简述如下。
１ 有源电力滤波（ＡＰＦ）及无功补偿（ＳＶＧ）
图1-1示出了与ＬＣ滤波器混合的并联型有源电力滤波器主电路拓扑结构，它主要由无源ＬＣ环节和基于ＰＷＭ整流器拓扑结构的有源滤波环节组成。这种混合并联型有源电力滤波器利用ＬＣ滤波器以及有源滤波器共同起到电网的谐波抑制及无功补偿作用，从而有利于提高系统性能价格比。一般而言，希望ＬＣ滤波器承担大部分谐波和无功补偿的任务，而利用有源滤波器的作用改善系统性能，这样可在满足补偿要求的同时，大大降低了有源滤波装置的容量，从而减少系统造价。
并联型有源电力滤波器网侧实质上可以看成一个等效的可控电流源，它产生一个与被补偿量（谐波电流及无功电流）的量值相等，且相位相反的补偿电流，并注入电网，这样电网电流即获得所需功率因数角的正弦波电流，以达到有源滤波及无功补偿的目的。此时，系统既实现了对电网的有源滤波（ＡＰＦ）同时也补偿了无功（ＳＶＧ）。
实际上，当基于ＰＷＭ整流器拓扑结构的有源环节只向电网注入无功电流而不补偿谐波电流时，该有源环节相当一个静止无功补偿器（ＳＶＧ）。
２ 统一潮流控制器（ＵＰＦＣ）
统一潮流控制器（ＵＰＦＣ）是柔性交流输电系统（ＦＡＣＴＳ）技术中最引人注目、最有应用前景的一种电力补偿装置。ＵＰＦＣ用于输电网，主要起控制有功潮流和吞吐无功功率的作用，其主电路拓扑结构如图1-2所示。ＵＰＦＣ主电路主要由串联变流器和并联变流器组合而成，其串联变流器通过变压器向电力网引入一个幅值可变、相位可任意调节的电压源，从而能对线路的有功、无功功率进行控制；而并联变流器则采用了ＰＷＭ整流器拓扑结构，它通过变压器向电力网引入一个幅值可变、相位可任意调节的电流源，从而具有快速吞吐无功功率的能力，并联变流器的另一个主要作用是提供一个稳定的直流电压，以确保串、并联变流器正常运行。
３ 超导磁能储存（ＳＭＥＳ）
随着超导材料及应用技术的发展，超导磁能储存的研究与应用引起了工程与学术界的关注。超导磁能储存主要用于电力网的调峰控制以及其他需要短时补偿电能的场合。在电力网用电量正常时，电网中的电能通过变流装置的超导线圈储存足够的能量超导磁能储存（ＳＭＥＳ）系统的拓扑结构而当用电量很大（用电高峰）时，超导线圈中的能量则通过变流装置向电力网馈能，从而起到调峰作用。超导磁能储存（ＳＭＥＳ）系统主电路拓扑结构如图1-3所示。
一般而言，ＳＭＥＳ主电路常由电流型ＰＷＭ整流器组成，将损耗极小的超导线圈串入ＰＷＭ整流器直流侧，使其既是电流型ＰＷＭ整流器的直流缓冲电感，又是其直流侧的负载线圈，这种设计简化了电流型ＰＷＭ整流器主电路结构，并克服了常规电流型变流器损耗大的不足。
ＳＭＥＳ中的ＰＷＭ整流器在使电能双向传输的同时，还可以利用其快速的电流响应解决电力系统中的一些问题，如切换低功率因数负载所引起的电压冲击和短时间的供电失败等。
４ 四象限交流电动机驱动系统
在常规的由电压型逆变器组成的交流电动机驱动系统中，为实现电动机的四象限运行，必须在逆变器直流侧加装耗能或馈能装置，这主要是由于常规的电压型逆变器交流电动机驱动系统采用了交－直－交拓扑结构，而整流环节大都采用二极管整流器，因而无法实现电能回馈，并且将给电网造成一定的谐波“污染”。若将ＰＷＭ整流器取代二极管整流器，不仅
可实现交流电动机的四象限运行，以及网侧单位功率因数正弦波电流控制，还可使直图1-4四象限交流电动机驱动系统的拓扑结构流侧获得足够高且稳定的直流电压，从而改善了电动机的驱动性能。另一方面，通过引入适当的控制策略，还可以大大减少直流侧电容的电容量，提高装置运行可靠性。四象限交流电动机驱动系统主电路拓扑结构如图1-4所示。
５ 太阳能、风能等可再生能源的并网发电
太阳能、风能的大规模应用将是２１世纪人类社会发展的一个重要标志。然而要实现这一目标，首先必须完成太阳能、风能由补充能源向替代能源过渡，使太阳能、风能的利用由边远无电地区向有电地区的常规供电方向发展。这就要求开发性能优越的并网发电系统。
太阳能光伏并网发电将主要用于调峰电站以及屋顶光伏系统。目前美、日、德等发达国家已推出相应的屋顶光伏计划，仅美国预计１０年内安装容量约为3000MW。太阳能光伏并网发电系统拓扑结构如图1-5所示。
太阳能光伏并网发电系统由太阳电池以及ＰＷＭ整流器组成，ＰＷＭ整流器经过最大功率点寻优控制将太阳电池电能并入电网，并实现网侧单位功率因数正弦波控制。
风力发电机的并网发电，传统上常采用同步或异步发电机并网发电系统。同步发电系统需一套结构复杂的调速机构，以稳定发电机转子转速；而异步发电系统在发电的同时，需向电网吸取无功功率，或由自备电容器提供无功电能，并且发电机转速变化范围较小。若采用
交－直－交型风力发电机并网发电系统，就能较好地克服同步、异步发电系统的不足，其拓扑结构如图1-6所示，图中采用了双ＰＷＭ整流器结构。其中，风力发电机侧的ＰＷＭ整流器控制风力发电机运行，且输出电流为正弦波，从而提高了风力发电机的运行效率。同时，通过发电机转矩的调节，以满足风力机的最大功率点运行；而网侧的ＰＷＭ整流器则完成向电网的馈电控制，并实现网侧单位功率因数正弦波电流控制。
基本原理及分类
ＰＷＭ整流器原理概述
从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流器的发展经历了由不控整流器（二极管整流）、相控整流器（晶闸管整流）到PWM整流器（门极关断功率开关管）的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用，但仍然存在以下问题：
（１）晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。
（２）网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。
（３）深控时网侧功率因数降低。
（４）闭环控制时动态响应相对较慢。
虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流而“污染”电网；另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对上述不足，PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或二极管，以ＰＷＭ斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，PWM整流器可以取得以下优良性能：
（１）网侧电流为正弦波。
（２）网侧功率因数控制（如单位功率因数控制）。
（３）电能双向传输。
（４）较快的动态控制响应。
显然，PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当ＰＷＭ整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指：当ＰＷＭ整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相（正阻特性）；当ＰＷＭ整流器运行于有源逆变状态时，其网
侧电压、电流反相（负阻特性）。进一步研究表明，由于ＰＷＭ整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。
综上可见，ＰＷＭ整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。为便
于理解，以下首先从模型电路阐述ＰＷＭ整流器的基本原理。
图2-1为ＰＷＭ整流器模型电路。从图2-1可以看出：ＰＷＭ整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势ｅ以及网侧电感Ｌ等；直流回路包括负载电阻ＲＬ及负载电动势ｅＬ等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。
当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得
dc dc iv i i （2-1）
式中v 、i ———模型电路交流侧电压、电流；
ｖｄｃ、ｉｄｃ———模型电路直流侧电压、电流。
由式（2-1）不难理解：通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。以下着重从模型电路交流侧入手，分析ＰＷＭ整流器的运行状态和控制原理。
稳态条件下，ＰＷＭ整流器交流侧矢量关系如图2-2所示。为简化分析，对于ＰＷＭ整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略ＰＷＭ谐波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从图2-2分析：当以电网电动势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量Ｖ即可实现ＰＷＭ整流器的四象限运行。若假设｜Ｉ｜不变，因此｜ＶＬ｜＝ωＬ｜Ｉ｜也固定不变在这种情况下，ＰＷＭ整流器交流电压矢量Ｖ端点运动轨迹构成了一个以｜ＶＬ｜为半径的圆。当电压矢量Ｖ端点位于圆轨迹Ａ点时，电流矢量Ｉ比电动势矢量Ｅ滞后９０°，此时ＰＷＭ整流器网侧呈现纯电感特性，如图2-2a 所示；当电压矢量Ｖ端点运动至圆轨迹Ｂ点时，电流矢量Ｉ与电动势矢量Ｅ平行且同向，此时ＰＷＭ整流器网侧呈现正电阻特性，如图2-2b 所示；当电压矢量Ｖ端点运动至圆轨迹Ｃ点时，电流矢量Ｉ比电动势矢量Ｅ超前９０°，此时ＰＷＭ整流器网侧呈现纯电容特性，如图2-2c 所示；当电压矢量Ｖ端点运动至圆轨迹Ｄ点时，电流矢量Ｉ与电动势矢量Ｅ平行且反向，此时ＰＷＭ整流器网侧呈现负阻特性，如图2-2d 所示。以上，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四点是ＰＷＭ整流器四象限运行的四个特殊工作状态点，进一步分析，可得ＰＷＭ整流器四象限运行规律如下：
（１）电压矢量V端点在圆轨迹 AB上运动时，ＰＷＭ整流器运行于整流状态。此时，ＰＷＭ整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过ＰＷＭ整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当ＰＷＭ整流器运行在Ｂ点时，则实现单位功率因数整流控制；而在Ａ点运行时，ＰＷＭ整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。
（２）当电压矢量Ｖ端点在圆轨迹 BC上运动时，ＰＷＭ整流器运行于整流状态。此时，ＰＷＭ整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过ＰＷＭ整流器由电网传输至直流负载。当ＰＷＭ整流器运行至Ｃ点时，ＰＷＭ整流器将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。
（３）当电压矢量Ｖ端点在圆轨迹 CD 上运动时，ＰＷＭ整流器运行于有源逆变状态。此时ＰＷＭ整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从ＰＷＭ整流器直流侧传输至电网。当ＰＷＭ整流器运行至Ｄ点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。
（４）当电压矢量Ｖ端点在圆轨迹 DA 上运动时，ＰＷＭ整流器运行于有源逆变状态。此时，ＰＷＭ整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从ＰＷＭ整流器直流侧传输至电网。显然，要实现ＰＷＭ整流器的四象限运行，关键在于网侧电流的控制。一方面，可以通过控制ＰＷＭ整流器交流侧电压，间接控制其网侧电流；另一方面，也可通过网侧电流的闭环控制，直接控制ＰＷＭ整流器的网侧电流。
PWM整流器分类
随着PWM整流器技术的发展，已设计出多种PMW整流器，并可分类如下：
尽管分类方法多种多样，但最基本的分类方法就是将ＰＷＭ整流器分类成电压型和电流型两大类，这主要是因为电压型、电流型ＰＷＭ整流器，无论是在主电路结构、ＰＷＭ信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或电压型ＰＷＭ整流器之列。
电压型PWM整流器拓扑结构
电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifer一VSR)最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性。以下介绍几种常见的拓扑结构。
1.单相半桥、全桥VSR拓扑结构。
图2-3分别示出了VSR单相半桥和单相全桥主电路拓扑结构。两者交流侧具有相同的电路结构，其中交流侧电感主要用以滤除网侧电流谐波。
由图2-3a可看出，单相半桥VSR拓扑结构只有一个桥臂采用了功率开关管，另一桥臂则由两个电容串联组成，同时串联电容又兼作直流侧储能电容；而单相全桥ＶＳＲ拓扑结构
则如图2-3b所示，它采用了具有4个功率开关管的H桥结构。值得注意的是：ＶＳＲ主电路功率开关管必须反并联一个续流二极管，以缓冲PWM过程中的无功电能。比较两者，显然半桥电路具有较简单的主电路结构，且功率开关管数只有全桥电路的一半，因而造价相对较低，常用于低成本、小功率应用场合。进一步研究表明，在相同的交流侧电路参数条件下，要使单相半桥VSR以及单相全VS获得同样的交流侧电流控制特性，半桥电路直流电压应是全桥电路直流电压的两倍，因此功率开关管耐压要求相对提高。另外，为使半桥电路中电容中点电位基本不变，还需引人电容均压控制，可见单相半桥VSR的控制相对复杂。
2.三相半桥、全桥VSR拓扑结构
图2-4分别给出了三相半桥和三相全桥VSR主电路拓扑结构。
图2-4a为三相半桥VSR拓扑结构。其交流侧采用三相对称的无中线连接方式，并采用6个功率开关管，这是一种最常用的三相PWM整流器，通常所谓的三相桥式电路即指三相半桥电路。
三相半桥VSR较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡时，其控制性能将恶化，甚至使其发生故障。为克服这一不足，可采用三相全桥ＶＳＲ设计，其拓扑结构如图2-4b 所示。其特点是：公共直流母线上连接了三个独立控制的单相全桥ＶＳＲ，并通过变压器连接至三相四线制电网。因此，三相全桥ＶＳＲ实际上是由三个独立的单相全桥ＶＳＲ组合而成的，当电网不平衡时，不会严重影响ＰＷＭ整流器控制性能，由于三相全桥电路所需的功
率开关管是三相半桥电路的一倍，因而三相全桥电路一般较少采用。
３ 三电平ＶＳＲ拓扑结构
图2-5三相三电平ＶＳＲ拓扑结构以上所述的ＶＳＲ拓扑结构属常规的二电平拓扑结构。这种拓扑结构的不足之处在于，当其应用于高压场合时，需使用高反压的功率开关管或将多个功率开关管串联使用。此外，由于ＶＳＲ交流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大。为解决这些问题，设计了具有中点钳位的三电平ＶＳＲ拓扑结构，这种拓扑结构中，由多个功率开关管串联使用，并采用二极管钳位，以获得交流输出电压的三电平调制。显然，三电平ＶＳＲ在提高耐压等级的同时，有效地降低了交流谐波电压、电流，从而改善了其网侧波形品质。图2-5为三相三电平ＶＳＲ电路拓扑结构，可见，三电平电路所需功率开关管与二电平电路时相比成倍增加，并且控制也相对复杂，这是这种电路的不足之处。另外，为了更好地适应高压大功率应用，并降低交流输出电压谐波，近年来还设计出采用多个二极管钳位的多电平ＶＳＲ拓扑结构。
４ 基于软开关调制的VSR 拓扑结构
图2-6为三相软开关VSR 拓扑结构。图中，桥式并联谐振网络由谐振电感r L 、谐振电容r C 、功率开关7V 、以及续流二极管78VD VD 、组成；89V VD 和为直流侧开关其主要作用是将直流侧与谐振网络和交流侧隔离。在一定条件下，r L 和r C 会发生谐振并使r C 两端产生零电压，此时，对三相桥功率开关管进行切换，便可实现软开关ＰＷＭ控制。
电流型PlyM整流器拓扑结构
电流型PWM整流器(Current Source Rectifet CSR)构最显著特征就是直流侧采用电感进行直流储能，从而直流侧呈高阻抗的电流源特性。常采用的CSR拓扑结三相两种，如图2-7所示。
图2-7a为单相CSR拓扑结构。除直流储能电感以外，与单相VSR相比，其交流侧增加了一滤波电容，其作用与网侧电感一起组成LC滤波器，以滤除CSR网侧流侧谐波电流，并抑制CSR交流侧谐波电压。另外，一般需在CSR功率开关管支路上顺向串联二极管，其主要目的是阻断反向电流（因为一般功率开关管大都集成有反并联二极管），并提高功率开关管的耐反压能力。图2-7b为三相ＣＳＲ拓扑结构，显然，这是一个半桥电路，其交流侧是一无中线的三相对称ＬＣ滤波电路；直流侧与单相ＣＳＲ直流侧相同，即采用电感进行储能。
三相PWM 整流器控制器设计 PWM 整流器能够实现整流器电网侧的电流为正弦，从而大大降低整流器对电网的谐波污染。PWM 整流器同时能够实现电网侧电流相位的控制，常见的有使得电网侧电流与电源电压同相位，从而实现单位功率因数控制，也可以根据需要使得电网侧电流相位超前或滞后对应的电源相电压，从而实现对电网的功率因数补偿。 三相PWM 整流器主电路和控制系统原理图如图1所示，其中A VR 为直流侧电压外环PI 调节器、ACR_d、ACR_q分别为具有解耦和电源电压补偿功能的dq 轴电流内环PI 调节器，PLL 为电源电压锁相环，SVPWM 为电压空间矢量运算器，Iabc to Idiq、Vabc to ValfaVbeta和Vdq to ValfaVbeta分别为三相静止坐标-两相旋转直角坐标变换、三相静止坐标-两相静止直角坐标变换和两相旋转直角坐标-两相静止直角坐标变换。 图1 基于空间矢量的三相PWM 整流器原理图
根据开关周期平均值概念、三相电压型PWM 整流器开关函数表等，可得到三相电压型PWM 整流器在dq 坐标下微分方程形式和等效电路形式的开关周期平均模型。经过dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图如图2所示，其中小写的变量表示该变量的开关周期平均值，大写的变量表示该变量在工作点的值。 v dc d dc q 图2 基于dq 轴电流解耦和电源电压补偿的控制系统结构图 对解耦和电源电压补偿之后的dq 轴等效电路进行工作点附近的小信号分析，即可得到小信号下的传递函数如式(1、（2）和（3）所示，其中L 、R 分别为交流侧的滤波电感及其等效电阻，C 为直流侧滤波电容，Dd 为d 轴在工作点的占空比。 ~ i d (s αd (s ~ i q (s αq (s ~ v dc (s i d (s V dc (1
三相电压型PWM整流器及仿真
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电力电子课程设计课程设计报告 题目：三相电压型PWM整流器与仿真 专业、班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2015年 1 月 6 日 内容得分 1、三相桥式电路的基本原理（10分） 2、整流电路基本原理（10分） 3、pwm控制的基本原理（10分 4、三相电压型pwm整流电路仿真模型（30分） 5、结果分析（30分） 6、程序文件（10分） 总分
摘要：叙述了建立三相电压型PWM整流器的数学模型。在此基础上，使用功能强大的MATLAB软件进行了仿真，仿真结果证明了方法的可行性。 关键词：整流器；PWM；simulink
目录 一任务书 (1) 1.1 题目 (1) 1.2 设计内容及要求 (1) 1.3 报告要求 (1) 二基础资料 (2) 2.1 三相桥式电路的基本原理 (2) 2.2 整流电路基本原理 (4) 2.3 pwm控制的基本原理 (6) 2.4 PWM整流器的发展现状 (6) 三设计内容 (8) 3.1 仿真模型 (8) 3.2 各个元件参数 (11) 3.3 仿真结果 (13) 3.4 结果分析 (15) 四总结 (15) 五参考文献 (15)
一任务书 1.1 题目 三相电压型PWM整流器仿真 1.2 设计内容及要求 设计三相电压型PWM整流器及其控制电路的主要参数，并使用MATLAB软件搭建其仿真模型并验证。 设计要求(pwm整流器仿真模型参数): (1)交流电源电压600V，60HZ (2)短路电容30MVA (3)外接负载500kVar，1MW (4)变压器变比 600/240V (5)0.05s前，直流负载200kw，直流电压500V，0.05s后，通过断路器并联一个相同大小的电阻。 1.3 报告要求 (1)叙述三相桥式电路的基本原理 (2)叙述整流电路基本原理 (3)叙述pwm控制的基本原理 (4)记录参数（截图） (5)记录仿真结果，分析滤波结果 (6)撰写设计报告 (7)提交程序源文件
重庆大学电气工程学院 电力电子技术课程设计 设计题目：单相桥式可控整流电路设计 年级专业：****级电气工程与自动化学生姓名：***** 学号： **** 成绩评定： 完成日期：2013年6月 23 日
指导教师签名：年月日
重庆大学本科学生电力电子课程设计任务书
单相桥式可控整流电路设计 摘要：本文主要研究单相桥式PWM整流电路的原理，并运用IGBT去实现电路的设计。概括地讲述了单相电压型PWM整流电路的工作原理，用双极性调制方式去控制IGBT的通断。在元器件选型上，较为详细地介绍了IGBT的选型，分析了交流侧电感和直流侧电容的作用，以及它们的选型。最后根据实际充电机的需求，选择元器件具体的参数，并用simulink进行仿真，以验证所设计的单相电压型PWM整流器的性能。实现了单相电压型PWM整流器的高功率因数，低纹波输出等功能。 关键词：PWM整流simulink 双极性调制IGBT
目录 1.引言 ......................................................... - 5 - 1.1 PWM整流器产生的背景.................................... - 5 - 1.2 PWM整流器的发展状况.................................... - 5 - 1.3 本文所研究的主要内容.................................... - 6 - 2.单相电压型PWM整流电路的工作原理 ............................. - 7 - 2.1电路工作状态分析......................................... - 7 - 2.2 PWM控制信号分析......................................... - 8 - 2.3 交流测电压电流的矢量关系............................... - 9 - 3.单相电压型PWM整流电路的设计 ................................ - 10 - 3.1 主电路系统设计......................................... - 10 - 3.2 IGBT和二极管的选型设计................................. - 11 - 3.3 交流侧电感的选型设计................................... - 11 - 3.4 直流侧电容的选型设计................................... - 12 - 3.5 直流侧LC滤波电路的设计................................ - 13 - 4.单相PWM整流电路的仿真及分析 ................................ - 13 - 4.1 整流电路的simulink仿真............................... - 13 - 4.2 对simulink仿真结果的分析............................. - 16 - 5．工作展望 ................................................... - 16 - 参考文献 ...................................................... - 17 -
PWM整流电路概述 1引言 在电力系统中，电压和电流应是完好的正弦波。但是在实际的电力系统中，由于非线性负载的影响，实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变，给电力输配电系统及附近的其它电气设备带来许多问题，因而就有必要采取措施限制其对电网和其它设备的影响。随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，大量的非线性负载被引入电网，导致了日趋严重的谐波污染。电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式，引起网侧电流、电压波形的严重畸变。目前，随着功率半导体器件研制与生产水平的不断提高，各种新型电力电子变流装置不断涌现，特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善，为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。相关资料表明，电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增，同时，由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上。 在我国，当前主要的谐波源主要是一些整流设备，如化工、冶金行业的整流设备和各种调速、调压设备以及电力机车。传统的整流方式通常采用二极管整流或相控整流方式，采用二极管整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染，而且直流侧能量无法回馈电网等缺点。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧功率因数很低，因换流引起电网电压波形畸变等缺点。这些整流器从电网汲取电流的非线性特征，给周围用电设备和公用电网都会带来不利影响。 为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中的一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器。高功率因数变流器主要采用PWM整流技术，一般需要使用自关断器件。对电流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制，使输入电流成为接近正弦且与电源电压同相的PWM波形，从而得到接近1的功率因数。对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连。只要对整流器各开关器件施以适当的PWM控制，就可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可实现交流电流接近正弦波，而且可使交流电流的相位与电源电压同相，即系统的功率因数总是接近于1。本文主要对与PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构和控制方式等进行详细说明，在此基础上对PWM整流技术的发展方向加以探讨。 2功率开关器件 PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是其中用到了全控型器件，器件性能的好坏决定了PWM整流器的性能。优质的电力电子器件必须具有如下特点：(1)能够控制通断，确保在必要时可靠导通或截止；（2）能够承受一定的电压和电流，阻断状态时能承受一定电压，导通时匀许通过一定的电流；（3）具有较高的开关频率，在开关状态转换时具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt 和dv/dt。目前在PWM整流器中得到广泛应用的电力电子器件主要有如下几种：
PWM整流工作原理
图6-28 单相PWM 整流电路 整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源单相半桥电路 交流侧电感电感和交流电源内部电感，是电全桥电路直流侧电容只要一个就可以。 单相全桥电路 6-8 电力电子技术 (1)单相全桥PWM 整流电路的工作原理 正弦信号波和三角波相比较的方法对图6-28b 中的V 1~V 4进行SPWM 控制，就可以在桥的交流输入端AB 产生一个SPWM 波u AB 。 u AB 中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。 由于L s 的滤波作用，谐波电压只使i s 产生很小的脉动。 当正弦信号波频率和电源频率相同时，i s 也为与电源频率相同的正弦波。 u s 一定时，i s 幅值和相位仅由u AB 中基波u ABf 的幅值及其与u s 的相位差决定。 改变u ABf 的幅值和相位，可使i s 和u s 同相或反相，i s 比u s 超前90°，或使i s 与u s 相位差为所需角度。 6.4.1 PWM 整流电路的工作原理
6-12 电力电子技术 (2)对单相全桥PWM 整流电路工作原理的进一步说明 整流状态下: u s > 0时，（V 2、VD 4、VD 1、L s ）和（V 3、VD 1、VD 4、L s ）分别组成两个升压斩波电路，以（V 2、VD 4、VD 1、L s ）为例。V 2通时，u s 通过V 2、VD 4向L s 储能。V 2关断时，L s 中的储能通过VD 1、VD 4向C 充电。u s < 0时，（V 1、VD 3、VD 2、L s ）和（V 4、VD 2、VD 3、L s ）分别组成两个升压斩波电路。 6.4.1 PWM 整流电路的工作原理
PWM整流电路的原理分析 摘要:无论是不控整流电路，还是相控整流电路，功率因数低都是难以克服的缺点.PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，本文以《电力电子技术》教材为基础，详细分析了单相电压型桥式PWM整流电路的工作原理和四种工作模式。通过对PWM整流电路进行控制，选择适当的工作模式和工作时间间隔，交流侧的电流可以按规定目标变化，使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动，且交流侧电流非常接近正弦波，和交流侧电压同相位，可使变流装置获得较高的功率因数。 1 概述 传统的整流电路中，晶闸管相控整流电路的输人电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。同时输人中谐波分量也相当大，因此功率因数很低。而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1，但输人电流中谐波分量很大，功率因数也较低。 PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，它能在不同程度上解决传统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路进行控制，使其输人电流非常接近正弦波，且和输人电压同相位，则功率因数近似为1。因此，PWM整流电路也称单位功率因数变流器。 参考文献［1］在第6章“PWM控制技术”中增添了“PWM整流电路及其控制方法”这一部分内容。但在PWM整流电路的工作原理中介绍篇幅较少，只是针对PWM整流电路的运行方式相量图进行分析，没有分析其工作过程。对PWM 整流电路不熟悉的教师在了解这部分内容时普遍感觉吃力。 1 单相电压型桥式PWM整流电路 电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式变频电源提供直流中间环节，其电路如图I所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L为交流侧附加的电抗器，在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析，可以忽略L的电阻。 图 1 电压型单相桥式PWM整流电路 除必须具有输人电感外，PWM整流器的电路结构和PWM逆变电路是相同的。按照
PWM整流器控制技术的发展 文章分别就PWM整流器控制技术的基本原理及其主要特点、三相电压型和电流型PWM整流器主要控制技术的原理进行阐述。此外还分析国内外对PWM 整流器控制技术的研究现状，并对其发展趋势进行展望。 从电力电子技术发展来看，传统的相控整流器应用时间较长，技术也成熟且被广泛应用，但其存在如下的诸多问题。 1).晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。 2).网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。 3).深控时网侧功率因数降低。 4).闭环控制时动态响应相对较慢。 针对这些问题，PWM整流器进行了全面的改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关管取代了半控型功率开关管和二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此PWM整流器就取得了以下的优良性能。 1).网侧电流为正弦波。 2).网侧功率因数控制。 3).电能双向传输。 4).较快的动态控制响应。 由于电能的双向传输，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态，而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相正阻特性，当PWM整流器运行于有源逆变状态时，网侧电压、电流反相、负阻特性。进一步研究表明，由于PWM整流器网侧电流及功率因数均可控。因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。 综上可见，PWM整流器实际上是一个交、直流可控的四象限，运行变流装置。控制技术是决定PWM整流器发展的关键因素，PWM整流控制对象是输入电流和输出电压，其中输入电流控制是整流器控制的关键。这是由于应用PWM 整流器的目的是使输入电流正弦化，在单位功率因数下运行。对输入电流有效控制实质就是对电力电子变换器的能量流动进行控制，进而控制输出电压。相反，
３１７ 华章 二 ○一一年第十八期 Magnificent Writing 杨红举，张玉珍，淅川县电业局。 作者简介：PWM 整流电路控制原理及技术研究 杨红举，张玉珍 （淅川县电业局，河南淅川474450） ［摘要］ＰＷＭ控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，使电力电子技术的性能大大的提高，并对电力电子技 术产生了十分深远影响的一项技术。笔者就ＰＷＭ整流电路的工作原理和ＰＷＭ整流电路的控制方法进行了详细的阐述，以供读者参考。 ［关键词］ＰＷＭ整流电路；原理；控制方法PWM (Pulse Width Modulation )控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。如图1所示。PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM 可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC 或LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。PWM 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung 和H.stemmler 首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。 目前，实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流。晶闸管相控整流电路输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，因此功率因数很低。而二极管整流电路虽位移因数接近1，但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低。把逆变电路中的SPWM 控制技术用于整流电路，就形成了PWM 整流电路。控制PWM 整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器。下面就PWM 整流电路及其控制方法进行详细的阐述。 1、PWM 整流电路的工作原理 PWM 整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。 1.1单相PWM 整流电路。半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。交流侧电感包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。 全桥电路直流侧电容只要一个就可以。 1.1.1单相全桥PWM 整流电路的工作原理。正弦信号波和三角波相比较的方法对图2中的V 1~V 4进行SPWM 控制，就可以在桥的交流输入端AB 产生一个SPWM 波u AB 。u s 一定时，i s 幅值和相位仅由u AB 中基波u ABf 的幅值及其与u s 的相位差决定。改变u ABf 的幅值和相位，可使i s 和u s 同相或反相，i s 比u s 超前90°，或使i s 与u s 相位差为所需角度。 1.1.2对单相全桥PWM 整流电路工作原理的进一步说明整流状态下： u s >0时，如图2所示。（V 2、VD 4、VD 1、L s ）和（V 3、VD 1、VD 4、L s ）分别组成两个升压斩波电路，以（V 2、VD 4、VD 1、L s ）为例。V 2通时，u s 通过V 2、VD 4向L s 储能。 V 2关断时，L s 中的储能通过VD 1、VD 4向C 充电。u s <0时，（V 1、VD 3、VD 2、L s ）和（V 4、VD 2、VD 3、L s ）分别组成两个升压斩波电路。 1.2三相PWM 整流电路。三相桥式PWM 整流电路，是最基本的PWM 整流电路之一，应用最广。工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。如图3所示。进行SPWM 控制，在交流输入端A 、B 和C 可得SPWM 电压，按图4a 的相量图控制，可使i a 、i b 、i c 为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1 。 2、PWM 整流电路的控制方法 2.1间接电流控制。间接电流控制也称为相位和幅值控制。图5 为间接电流控制的系统结构图。 图中的PWM 整流电路为图4的三相桥式电路，控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。 2.2直接电流控制。通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。有不同的电流跟踪控制方法，图6给出一种最常用 的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。 3、结语 综上所述，PWM 控制技术用于整流电路即构成PWM 整流电路，也可看成逆变电路中的PWM 技术向整流电路的延伸，其控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好，目前在电力电子行业已获得了一些应用，并有良好的应用前景。 【参考文献】 [1]刘海云，韩继征，李玉仓，张浩，胡雪生.交直交变频三电平矢量脉宽调制模式的原理及调制算法探讨[A ].第十一届全国自动化应用技术学 术交流会论文集[C ].2006. [2]姚旺，王京.基于VxWorks 下的三电平PWM 整流器的控制研究[A ].自动化技术与冶金流程节能减排——全国冶金自动化信息网2008 年会论文集[C ].2008.
空间矢量的广义仿真与实验研究三相电压源逆变器的脉宽调制技术 文摘 调速驱动系统需要可变电压和频率总是从三相获得供应电压源逆变器(VSI)。一定数量的脉冲宽度调制(PWM)用于获取可变电压和方案从一个逆变器频率供应。最广泛使用的三相逆变器是舰载正弦脉宽调制方案脉宽调制和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。有增加趋势,利用空间矢量PWM(SVPWM)因为他们的简单数字的认识和更好的直流总线利用率。然而,一个合适的仿真模型还没有可用的文学。因此,本文在一步一步的发展SVPWM紧随其后的MATLAB / SIMULINK仿真模型实验的实现。首先讨论了三相逆变器的模型基于空间向量表示。下一个简单和灵活的仿真模型的SVPWM的方法,使用MATLAB / SIMULINK开发。发达模型一般自然,因为它可以利用来实现连续和不连续空间矢量。论文的新颖性依赖提议的灵活和通用SVPWM的Matlab / Simulink仿真模型。实验及仿真结果验证该模式 关键词:空间矢量PWM 不连续PWM电压源逆变器 1.介绍 三相电压源逆变器广泛应用于变速交流电动机驱动应用程序因为他们提供变量电压和通过脉冲宽度调制控制变频输出。持续改进和高成本开关频率的功率半导体器件和机器控制算法的发展导致越来越感兴趣更精确的PWM技术。的工作已经在这个方向进行,评估的流行技术提出了由霍尔兹(1992)和霍尔兹(1994)。使用最广泛的是舰载sine-triangle PWM脉宽调制方法由于简单的实现方法在模拟和数字实现。在此方法中,然而,直流总线利用率低,直流5 V,这导致了客观的调查其他技术改善直流总线利用率。它是Houdsworth和格兰特(1984)发现注入零序(第三次谐波)扩展了范围的操作调制器15.5%。与大功率传动的应用程序相关的主要问题是高在逆变器开关的损失。来降低切换损失称为不连续PWM脉宽调制技术(DPWM)是由Depenbrock(1977)和Kolar et al。(1991)。拟议中的不连续PWM技术是基于triangle-intersection-implementation中非正弦调制信号与三角载波比较。一个广义不连续脉宽调制算法提出的有et al。(1998)包括的技术Depenbrock Kolar(1977)和:et al。(1991)。
单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真 0 引言众所周知，在传统的整流电路中，晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏，这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素，也增加了电网中无功功率的消耗。PWM 整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路，能有效地解决传统整流电路存在的问题。通过对PWM 整流电路进行有效的控制，选择合适的工作模式和工作时序，从而调节了交流侧电流的大小和相位，使之接近正弦波并与电网电压同相或反相，不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题，同时也使得变流装置获得良好的功率因数。 1 单相电压型桥式PWM 整流电路的结构单相电压型桥式PWM 整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式变频电源提供直流中间环节，电路结构如图1 所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L 为交流侧附加的电抗器，起平衡电压，支撑无功功率和储存能量的作用。图1 中 uN(t)是正弦波电网电压；Ud 是整流器的直流侧输出电压；us(t)是交流侧输入 电压，为PWM 控制方式下的脉冲波，其基波与电网电压同频率，幅值和相位可控；iN(t)是PWM 整流器从电网吸收的电流。由图1 所示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管VD1～VD4 完成从交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件VT1～VT4 从直流侧逆变为交流，反馈给电网。所以PWM 整流器的能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是整流还是逆变，主要视VT1～VT4 的脉宽调制方式而定。 因为PWM 整流器从交流电网吸取跟电网电压同相位的正弦电流，其输入端的功率是电网频率脉动的两倍。由于理想状况下输出电压恒定，所以此时的输出电流id 与输入功率一样也是网频脉动的两倍，于是设置串联型谐振滤波器
摘要 随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术己成为电力电子技术研究的热点和亮点。PWM整流器可成为用电设备或电网与其它电气设备的理想接口，因为它可以实现网侧电流正弦化和功率因数可调整。 本文首先分析了PWM整流器的基本原理，然后根据三相电压源型PWM整流器各相电压电流之间的关系和桥路的工作状态，给出系统在三相ABC坐标系和两相dq坐标系中的数学模型，利用电流反馈解耦控制，以及系统的基本控制框图。并设计了电压环和电流环数字化PI调节器，结合理论分析和实际对其参数进行了优化整定。 关键词：三相电压型PWM整流器；数学模型；dq变换。
1 三相电压源型PWM 整流器工作原理及数学模型 1.1 PWM 整流器原理 1.1.1 PWM 整流电路工作原理 将普通整流电路中的二极管或晶闸管换成IGBT 或MOSFET 等自关断器件，并将SPWM 技术应用于整流电路，这就形成了PWM 整流电路。通过对PWM 整流电路的适当控制，不仅可以使输入电流非常接近正弦波，而且还可以使输入电流和电压同相位，功率PWM 整流电路由于需要较大的直流储能电感以及交流侧LC 滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使其结构和控制复杂化，从而制约了它的应用和研究。相比之下，电压型PWM 整流电路以其结构简单，较低的损耗等优点，电压型PWM 整流电路的成功应用更现实鸭故选择电压型PWM 整流电路进行研究。下面分别介绍单相和三相PWM 整流电路的拓扑结构和工作原理。 图1-2 单相PWM 整流电路 图1-2为单相全桥PWM 整流电路，交流侧电感s L 包含外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的。电阻s R 包含外接电抗器的电阻和交流电源内部电阻。同SPWM 逆变电路控制输出电压相类似，可在PWM 整流电路的交流输入端AB 产生一个正弦调制PWM 波AB u ，AB u 中除含有和开关频率有关的高次谐波外，不含低次谐波成分。由于电感s L 的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流
浅述PWM型整流器 061230105 何卓 电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并且在电力系统中得到日益广泛的应用。电力电子技术根据用电场合而改变电能的应用方式，即所谓“变流”，使得电能的应用更好地满足人们的需求，并通过功能和性能的提高产生经济效益和社会效益。因此，电力电子技术又被认为是电能应用的优化技术。 除了线性功率放大的场合，电力电子装置中的功率器件大多工作于开关状态，这种电力电子装置不加控制的扩大应用，带来的一个副作用就是电网的“污染”。例如传统的二极管整流器和晶闸管相控整流器，其运行过程中，网侧电流均含有大量谐波，且总的功率因数较低，大量应用所导致的电磁兼容问题可能会造成严重的后果，因此必须加以限制。 环保意识的提高，促使人们在电力电子技术的发展中探索一条“绿色”之路。对变流装置而言，“绿色”的内涵应包括电网无谐波污染、单位功率因数，以及功率控制系统的高性能、高稳定性、高效率等传统变流装置所不具备的优越性能。“绿色”电能变换的需求呼唤着电力电子技术的发展，而电力电子技术的发展又促进了“绿色”电能变换的实现。PWM 整流器作为各种电力电子应用系统与电网的接口，其发展方向是将变流技术与微电子技术和自动控制技术相融合，已成为电力电子技术发展中的热点和亮点。 PWM控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段，结合了PWM控制技术的新型整流器称为整流器。经过20多年的研究与探索，PWM控制技术已成功应用于整流器的设计中，使整流器获得了前所未有的优良性能。 与传统的整流器相比，PWM整流器不仅获得了可控的AC/DC变换性能，而且可实现网侧单位功率因数和正弦波电流控制，甚至能使电能双向传输。一般称电能可双向传输的PWM整流器为可逆PWM整流器。由于可逆PWM整流器不仅体现出PWMAC/DC 变流特性（整流），而且还可呈现出PWMDC/AC变流特性（有源逆变），因而确切地说，可逆PWM整流器实际上是一种新型的可四象限运行的变流器。 随着PWM控制技术的发展，如空间矢量PWM（SVPWM）、滞环电流PWM控制等方案的提出，以及现代控制理论和智能控制技术的发展和应用，PWM整流器的性能得到了不断提高，功能也不断扩展。PWM整流器网侧独特的受控电流源特性，使得PWM 整流器作为核心被广泛应用于各类电力电子应用系统中，这些应用系统主要有：（１）功率因数校正（ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｏｒ—ＰＦＣ）；（２）静止无功补偿（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ—ＳＶＣ）；（３）有源电力滤波（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ—ＡＰＦ）； （４）统一潮流控制器（ＶｎｉｆｉｅｄＰｏｗｅｒＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）； （５）超导储能（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＭａｇｎｅｔｉｃＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅ—ＳＭＥＳ）； （６）高压直流输电（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ—ＨＶＤＣ）； （７）可再生能源并网发电；
论文（设计）撰写指导 文献综述 题目：单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真 学院：人民武装学院 专业：电子信息科学与技术 班级： 2013级（专升本） 学号： 1320070193 学生姓名：丁武荣 指导教师：王代强 2014年7 月15 日
单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真 在生活中很多地方往往要用到直流电源来供电，直流电源是能够维持电路中形成稳恒电流的装置，所以直流电源在生活中的地位也非常重要，但是在生活中用到的电源，往往是交流电，怎样将交流电转换成直流电呢？那就需要整流电路来实现。整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。 传统的整流电路中，晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。同时输入中谐波分量也相当大，因此功率因数很低。而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1，但输入电流中谐波分量很大，功率因数也较低。传统低频整流电路存在的问题【1】PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路，能有效地解决传统整流电路存在的问题。通过对PWM整流电路进行有效的控制，选择合适的工作模式和工作时序，从而调节了交流侧电流的大小和相位，使之接近正弦波并与电网电压同相或反相，不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题，同时也使得变流装置获得良好的功率因数。PWM(Plll∞Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换【2】。PWM整流器种类较多,根据输入交流电源相数分为单相和三相P W M整流电路;按主电路结构分为单开关与多开关型;根据PWM整流器直流侧电能输出环节的不同,又可以将PWM整流器分为电压型PWM整流器和电流型PWM整流器;按桥路结构可分为半桥电路和全桥电路;另外,还有新型的三电平PWM整流器等。【3】PWM 整流电路的控制方法有直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制引入交流输入电流反馈实行闭环控制，其电流指令运算电路比不引入交流输入电流反馈的间接电流控制简单，因此，本文采用直接电流控制方法。【4】单相电压型PWM整流电路与三相整流电路相比较，三相电压型PWM 整流器的工作原理，它具有高功率因数，低谐波污染等显著优点，必将在节能降耗，改善供电质量方面起到巨大的应用。【5】单相电压型PWM整流电路的结构图如下：
课程名称：牵引电机课程设计 设计题目：PWM整流技术在和谐号 系列机车上的应用 院系：电气工程系 专业：电力机车 年级：2009级 姓名： 指导教师： 西南交通大学峨眉校区 2012 年10 月25 日
课程设计任务书 专业姓名学号 开题日期：年月日完成日期：年月日 题目PWM整流技术在和谐号系列机车上的应用 一、设计的目的 通过该设计，使学生初步掌握PWM整流技术的组成系统、作用原理以及其在和谐号机车上的应用。 二、设计的内容及要求 1.画出PWM蒸馏技术的原理图； 2.并说明图中各主要部件的作用、性能； 3.掌握PWM调频调压技术的工作原理； 4.掌握PWM整流技术在和谐号及车上的应用。 三、指导教师评语 四、成绩 指导教师(签章) 年月日
PWM整流技术原始资料PWM整流电路是PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路。就整流电路而言，按相数不同有单相和三相之分，按滤波环节所用器件不同，又有电压型和电流型两种，而现在普遍使用的是电压型整流电路。对PWM 整流电路的控制方式，在机车上我们采用的是以正弦信号为调制波的正弦脉宽调制（简称SPWM）。 一：单相桥式电压型PWM整流电路 单相桥式电压型PWM整流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式变频电源提供中间环节，器电路如图1所示。每个桥臂有一个全控器件和反并联的整流二极管在组成。L为交流侧附加的电抗，在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析，可以忽略L的电阻。 图1 单相桥式电压型PWM整流电路 二：三相电压型PWM整流电路 图2为三相电压型PWM整流电路，其应用非常广泛，工作原理与单相桥式PWM整流电路相似。对六个全控器件按一定要求和反式进行控制，在
P W M整流电路工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
PWM整流电路的原理分析 摘要:无论是不控整流电路，还是相控整流电路，功率因数低都是难以克服的缺点.PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，本文以《电力电子技术》教材为基础，详细分析了单相电压型桥式PWM整流电路的工作原理和四种工作模式。通过对PWM整流电路进行控制，选择适当的工作模式和工作时间间隔，交流侧的电流可以按规定目标变化，使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动，且交流侧电流非常接近正弦波，和交流侧电压同相位，可使变流装置获得较高的功率因数。 1 概述 传统的整流电路中，晶闸管相控整流电路的输人电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。同时输人中谐波分量也相当大，因此功率因数很低。而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1，但输人电流中谐波分量很大，功率因数也较低。 PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，它能在不同程度上解决传统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路进行控制，使其输人电流非常接近正弦波，且和输人电压同相位，则功率因数近似为1。因此，PWM整流电路也称单位功率因数变流器。 参考文献［1］在第6章“PWM控制技术”中增添了“PWM整流电路及其控制方法”这一部分内容。但在PWM整流电路的工作原理中介绍篇幅较少，只是针对PWM整流电路的运行方式相量图进行分析，没有分析其工作过程。对PWM 整流电路不熟悉的教师在了解这部分内容时普遍感觉吃力。 1 单相电压型桥式PWM整流电路 电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式变频电源提供直流中间环节，其电路如图I所示。每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。L为交流侧附加的电抗器，在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。为简化分析，可以忽略L的电阻。 图 1 电压型单相桥式PWM整流电路
三相电压源型PWM整流器 PI调节器参数整定的原理和方法 1引言 1.1 PID调节器简介 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。目前，在工业过程控制中，95%以上的控制回路具有PID结构。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，其原理图如图1-1所示。 图1-1 PID控制系统原理图 PID控制器传递函数常见的表达式有以下两种： （1） ()i p d K G s K K s s =++ ，Kp代表比例增益，Ki代表积分增益，Kd代表微 分增益；
（2） 1 () p d i G s K T s T s =++ （也有表示成 1 ()(1) p d i G s K T s T s =++），Kp代表比 例增益，Ti代表积分时间常数，Td代表微分时间常数。 这两种表达式并无本质区别，在不同的仿真软件和硬件电路中也都被广泛采用。 ?比例（P，Proportion）控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产 生，调节器立即产生控制作用，以减少偏差。当仅有比例控制时系统输 出存在稳态误差（Steady-state error）。 ?积分（I，Integral）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制 系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。 为了消除稳态误差，在控制中必须引入“积分项”。积分项对误差取决 于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小， 积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误 差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系 统在进入稳态后无稳态误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。 ?微分（D，Differential）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现 振荡或者失稳。其原因是在于由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞 后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用“超前”，即在误差接近零时，抑制误 差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是 不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微 分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就