單相電壓型PWM整流電路原理分析與仿真(一)

引言
眾所周知，在傳統(tǒng)的整流電路中，晶閘管可控整流裝置的功率因數(shù)會(huì)隨著其觸發(fā)角的增加而變壞，這不但使得電力電子類(lèi)裝置成為電網(wǎng)中的主要諧波因素，也增加了電網(wǎng)中無(wú)功功率的消耗。
PWM整流電路是采用脈寬調(diào)制技術(shù)和全控型器件組成的整流電路，能有效地解決傳統(tǒng)整流電路存在的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)PWM整流電路進(jìn)行有效的控制，選擇合適的工作模式和工作時(shí)序，從而調(diào)節(jié)了交流側(cè)電流的大小和相位，使之接近正弦波并與電網(wǎng)電壓同相或反相，不但有效地控制了電力電子裝置的諧波問(wèn)題，同時(shí)也使得變流裝置獲得良好的功率因數(shù)。

1 單相電壓型橋式PWM整流電路的結(jié)構(gòu)
單相電壓型橋式PWM整流電路最初出現(xiàn)在交流機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中，為間接式變頻電源提供直流中間環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)橋臂由一個(gè)全控器件和反并聯(lián)的整流二極管組成。L為交流側(cè)附加的電抗器，起平衡電壓，支撐無(wú)功功率和儲(chǔ)存能量的作用。圖1中uN(t)是正弦波電網(wǎng)電壓；Ud是整流器的直流側(cè)輸出電壓；us(t)是交流側(cè)輸入電壓，為PWM控制方式下的脈沖波，其基波與電網(wǎng)電壓同頻率，幅值和相位可控；iN(t)是PWM整流器從電網(wǎng)吸收的電流。由圖1所示，能量可以通過(guò)構(gòu)成橋式整流的整流二極管VD1～VD4完成從交流側(cè)向直流側(cè)的傳遞，也可以經(jīng)全控器件VT1～VT4從直流側(cè)逆變?yōu)榻涣?，反饋給電網(wǎng)。所以PWM整流器的能量變換是可逆的，而能量的傳遞趨勢(shì)是整流還是逆變，主要視VT1～VT4的脈寬調(diào)制方式而定。

因?yàn)镻WM整流器從交流電網(wǎng)吸取跟電網(wǎng)電壓同相位的正弦電流，其輸入端的功率是電網(wǎng)頻率脈動(dòng)的兩倍。
由于理想狀況下輸出電壓恒定，所以此時(shí)的輸出電流id與輸入功率一樣也是網(wǎng)頻脈動(dòng)的兩倍，于是設(shè)置串聯(lián)型諧振濾波器L2C2，讓其諧振輸出電流基波頻率的2倍，從而短路掉交流側(cè)的2倍頻諧波。

2 單相電壓型橋式整流電路的工作原理#e#
2 單相電壓型橋式整流電路的工作原理
圖2是單相PWM電壓型整流電路的運(yùn)行方式相量圖，us1(t)設(shè)為交流側(cè)電壓Us(t)的基波分量，iN1(t)為電流iN(t)的基波分量，忽略電網(wǎng)電阻的條件下，對(duì)于基波分量，有下面的相量方程成立，即：

可以看出，如果采用合適的PWM方式，使產(chǎn)生的調(diào)制電壓與網(wǎng)壓同頻率，并且調(diào)節(jié)調(diào)制電壓，以使得流出電網(wǎng)電流的基波分量與網(wǎng)壓相位一致或正好相反，從而使得PWM整流器工作在如圖2所示的整流或逆變的不同工況，來(lái)完成能量的雙向流動(dòng)。

假設(shè)整流時(shí)有：

設(shè)Ucm為三角載波幅值；us(t)為單極性SPWM波，采用狀態(tài)空間平均模型分析，us在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值表示為：

時(shí)能否使得交流側(cè)獲得高功率因數(shù)，此時(shí)有：

從相量圖及式(8)可以看出為保持單位功率因數(shù)，通過(guò)脈寬調(diào)制的適當(dāng)控制，在不同的負(fù)載電流下，使向量端點(diǎn)軌跡沿直線AB運(yùn)動(dòng)。同理也能得到逆變工況下的運(yùn)行條件，這里不再贅述。