单相全桥PWM整流器的直接电流控制技术研究

[导读]用DSP实现高功率因数PWM整流器的控制摘要：PWM整流器是一种高功率因数的电源变流器。

采用了电流追踪型控制方式用DSP实现高功率因数PWM整流器的控制摘要：PWM整流器是一种高功率因数的电源变流器。

采用了电流追踪型控制方式对PWM整流器进行控制，并且设计了以高性能的DSP芯片TMS320F240为核心的全数字控制系统。

实验证明，该控制系统具有控制灵活，精度高，动态响应好，所受干扰小等优点。

关键词：数字信号处理器；电流追踪；脉宽调制整流器1 引言PWM整流器是应用脉宽调制技术发展起来的一种新型电源变流器。

其基本原理是通过控制功率开关管的通断状态，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分电流谐波并使功率因数接近于1。

本文采用TI公司的TMS320F240DSP对整流器实现数字控制,这一方法相对于模拟控制具有以下优点：1）控制灵活在数字控制系统中，主要利用软件算法实现控制方案，相比于模拟控制较灵活；2）可靠性高微机系统由于采用元器件较少，信号全部采用数字处理，故受干扰小，可靠性高；3）故障分析容易信号检测将取得的信息寄存，具备记忆的能力，故容易实现故障诊断；4）参数设定简便可以使系统的调试工作变得很方便。

基于以上考虑，本文采用了以DSP为核心的数字控制系统实现对整流器的控制。

2 TMS320F240的主要特点TMS320F240是一款专门为电机控制而设计的DSP，因而，它不仅具有普通数字信号处理器的高速运算功能——20MIPS的处理能力，而且片内还集成了丰富的外设功能模块：双10位A/D 转换器，28个可独立编程的多路复用I/O引脚，带有锁相环的时钟模块，带中断的看门狗定时器模块等。

特别是F240片内设置了一个事件管理器，可以提供12路比较/PWM通道，3个具有死区功能的全比较单元，3个单比较单元，3个16位通用定时器等，这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制PWM波形的控制软件和外部硬件，只需很少的CPU干预即可产生所需的PWM 波，因而特别适合于控制需要多个PWM输出的装置，如三相电机和整流器。

72 PWM 整流器控制原理、分类及数学模型2.1 PWM 整流器的基本原理2.1.1 PWM 整流器的基本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(可关断功率开关管)的发展历程。

传统的相控整流器，虽然应用时间较长，技术也较成熟，而且被广泛使用，但是存在很多缺点。

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以“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取代了半控型功率开关和二极管，以PWM 可控整流取代了相控整流和不控整流。

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；(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[42]。

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。

PWM整流器的模型电路如图2-1所示。

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s L 等；直流回路包括负载电阻L R 及负载电势L e 等；功率开关桥路可由电压型或电流型桥路组成。

基于单相PWM整流器直接电流控制策略的研究
1.前言
 随着电力电子技术的发展，功率电子设备的应用越来越广泛，致使大量的
非线性负载涌入电网，给电力系统的电压和电流都带来了越来越严重的谐波
污染。

而PWM整流器提高了系统的功率因数，降低了对电网的谐波污染，
得到了人们的重视。

 根据输入电感电流状态PWM整流器可分为电流断续工作模式(DCM)和电
流连续工作模式(CCM)，由于CCM模式具有输入输出电流纹波小、滤波容易、器件导通损耗小、适用于大功率场合等优点，得到了更多地关注。

在CCM模式中，根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量，又可分为直接电流控制和间接电流控制。

间接电流控制结构简单、无需电流传感器，但是它
最大的缺点是电流动态响应缓慢，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系
统参数波动较敏感。

相对于间接电流控制，直接电流控制把整流器的输入电
流作为反馈和被控量，形成电流闭环控制，使电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。

所以，直接电流控制技术有着非常广阔的应用前景和使用价值。

 2.单相电压PWM整流器原理框图
 单相电压型PWM整流器的拓扑结构如图1所示，它主要由三部分组成：
交流回路、功率开关桥路、直流回路。

其中交流回路包括交流电动势UN 、网侧电阻RN 及网侧电感LN 等;直流回路包括由电感L2和电容C2组成的串联谐振电路用来滤除电网的2次谐波分量、滤波电容Cd 及负载RL等;功率开关桥路由四个反并联二极管的IGBT组成。

单相PWM整流器的直接电流主要控制策略分析伴随着我国科学技术以及相关电力技术的不断发展，现阶段我国的电力系统非常发达，同时电力系统中使用的设备也变得种类繁多，功能齐全。

在这种状态下，一旦使用大量的电力设备就会导致我国的电力系统中出现电流超负荷以及电压超负荷。

我国现阶段解决这種问题的办法之一就是使用单相PWM整流器来进行电流控制。

文章主要针对单相PWM整流器的直接电流控制策略进行详细的阐述以及分析，希望通过文章的分析以及阐述能够有效地提升我国电流控制的效果，同时也为我国电力系统的进一步发展以及创新贡献力量。

标签：单相PWM整流器；直接电流的控制；分析；控制策略我国近些年的电子设备尤其是带有一定功率的电子设备正在越来越多的被应用，这样的状况就直接导致了我国的国家电网系统承载了越来越多的非线性电力负载，给我国国家电网中的电流以及电压带来了很多问题，其中谐波污染是一个较为突出的问题。

为了解决这一问题，我国的电力系统引进了PWM整流器，通过整流器的有效处理，大大地提升了电力系统中的系统功率因数，这样就会在很大程度上减少电网系统中的谐波污染。

通过一段时间的应用，整流器的功能和使用效果逐渐被人们认可以及关注。

在整流器工作过程中根据系统中的电感电流的运行状态可以分析两种工作模式。

第一种是电流断续的整流器工作模式；第二种是电流连续的整流器工作模式。

上述两种整流器工作模式中，电流连续的工作模式受到了更多的应用和重视，主要的原因是电流连续整流器的工作模式具有四个优点，第一个是连续电流的整流器能够有效地进行小波纹的电流输出；第二个是连续电流的整流器更加容易进行滤波操作；第三个是连续电流模式的整流器元器件的工作损耗小；第四个是连续电流模式的整流器能够进行大功率的电流控制。

在连续电流模式的整流器工作过程中，工作电流反馈量主要是有瞬间电流感应数值作为参考，这样就能够保障整流器在工作过程中进行直接电流的有效控制以及间接电流的有效控制。

单相全桥PWM整流器输入电流内环式控制方法的分析与仿真比较宋芸;冯乃光【摘要】There are lots of input current inner ring control methods for single-phase full-bridge PWM rectifier. PI and PR control methods are relative mature technologies, but the deadbeat control, repetitive control, adeptive prediction current con-trol and other digital algorithm control are still not mature. In the practical application, the selection of control method might seriously affect the properties of products. The theoretical analysis and simulation comparison for many control methods is car-ried out in this article. It has a certain reference value for practical projects.%单相全桥型PWM整流器的输入电流内环式控制方法多种多样.PI控制、使用虚拟坐标变换的PI控制、PR控制等控制方法技术较成熟,而无差拍电流控制、重复控制、自适应预测电流控制等数字算法控刳尚不成熟.在实际应用中究竟选择何种控制方式,对产品性能影响很大.在此控制方法进行理论分析比较,并利用仿真比较得出一些重要结果,对实际工程有一定的实用参考价值.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2013(036)004【总页数】4页(P111-114)【关键词】单相全桥PWM整流器;输入电流内环式控制;PI控制;PR控制【作者】宋芸;冯乃光【作者单位】南京林业大学信息科学技术学院,江苏南京210037;四川广播电视大学,四川成都610073【正文语种】中文【中图分类】TN964-34随着电力电子技术和计算机技术的发展，出现了以PWM控制技术为基础的各类变流装置。

单相逆变电路的PWM控制设计与研究单相逆变电路是将直流电能转换为交流电能的一种电路，广泛应用于电力电子领域。

PWM（Pulse Width Modulation）控制是一种常见的电力电子控制技术，可以通过改变脉宽来控制输出电压或电流的大小。

本文将对单相逆变电路的PWM控制进行设计与研究。

首先，我们需要了解单相逆变电路的基本原理。

单相逆变电路由整流器、滤波器和逆变器三部分组成。

整流器将交流电转换为直流电，滤波器对直流电进行滤波平滑处理，然后逆变器将滤波后的直流电转换为交流电输出。

在PWM控制中，我们通过改变逆变器开关管的导通时间来控制输出电压的大小。

具体的控制策略可以采用多种方式，如单脉冲控制、多脉冲控制、正弦PWM控制等。

下面我们以正弦PWM控制为例进行设计和研究。

正弦PWM控制的基本原理是根据交流电的周期特性，在每个周期内将直流电分为多个小时间段，并根据所需输出电压的大小，决定每个小时间段中开关管的导通时间。

具体的步骤如下：1.确定输出电压的频率和幅值：根据实际需求，确定输出电压的频率和幅值。

2.将一个正弦周期分为N个小时间段：根据所需输出电压的频率，将一个正弦周期分为N个小时间段，每个小时间段的长度为Ts/N，Ts为正弦周期的长度。

3.确定每个小时间段的导通时间：根据所需输出电压的大小，确定每个小时间段中开关管的导通时间。

可以使用查表法、数学计算等方法来确定导通时间的大小。

4.通过控制开关管的导通时间来实现PWM控制：根据上一步确定的导通时间，在每个小时间段中控制开关管的导通和关断。

导通时间越长，输出电压的幅值越大；导通时间越短，输出电压的幅值越小。

5.根据PWM控制的结果进行反馈调节：根据PWM控制的结果，比较实际输出电压和所需输出电压的差异，通过反馈调节来控制PWM的导通时间，使得实际输出电压尽量接近所需输出电压。

以上就是单相逆变电路的PWM控制的基本设计和研究过程。

当然，实际的PWM控制会比以上步骤更加复杂，需要考虑到电路元件的参数、变化范围和非线性特性等因素，同时还要考虑到电路的稳定性和可靠性等方面的问题。

PWM整流器及其控制策略的研究随着电力电子技术的发展，PWM整流器在新能源、电力牵引、电力电子变换等领域的应用越来越广泛。

PWM整流器具有高效率、低谐波、快速响应等优点，但其控制策略的设计是整个系统性能的关键。

本文将对PWM整流器的控制策略进行详细的研究和分析。

PWM整流器采用全控型器件，通过脉冲宽度调制（PWM）控制整流器输入电流的幅值和相位，实现高功率因数和低谐波电流的目标。

其电路结构包括三相电压型PWM整流器、三相电流型PWM整流器以及交-直-交PWM整流器等。

开关控制策略通过控制开关管的通断时间来实现电流的控制。

该策略具有实现简单、动态响应快等优点，但开关的通断会造成较大的功耗损失，且在负载突变时响应速度较慢。

PWM控制策略通过调节脉冲宽度实现对电流的控制。

该策略具有谐波含量低、控制精度高等优点，且在负载突变时响应速度快。

但PWM控制需要较高的采样精度和计算能力，且在实际应用中需要考量的参数较多。

滑模控制策略通过将系统状态引导至设定的滑模面上实现电流的控制。

该策略具有对参数变化和外部扰动不敏感、无需精确的系统模型等优点，且可以实现无静差跟踪。

但在实际应用中，滑模控制的计算实现较为复杂，且在实际系统中应用难度较大。

为了验证上述控制策略的效果，我们设计了一个基于电压型PWM整流器的实验系统。

实验中，我们采用了MATLAB/Simulink进行系统建模和仿真，并使用高性能DSP实现了实时控制。

实验结果表明，PWM控制策略在稳态和动态性能上都优于开关控制策略和滑模控制策略。

具体来说，PWM控制策略在负载突变时的响应速度较快，且可以实现更高的系统效率。

本文对PWM整流器的控制策略进行了详细的研究。

通过对比分析开关控制策略、PWM控制策略和滑模控制策略的优缺点和应用场景，发现PWM控制策略在许多方面都表现出优越的性能。

在实验设计和结果分析中，我们验证了PWM控制策略的优点。

展望未来，PWM整流器控制策略的研究将更加深入。