PWM整流電路的原理及控制

　　PWM整流電路是采用PWM控制方式和全控型器件組成的整流電路，它能在不同程度上解決傳 統(tǒng)整流電路存在的問題。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。通過對PWM整流電路進(jìn)行控制，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，則功率因數(shù)近似為1。因此，PWM整流電路也稱單位功率因數(shù)變流器。

　　1.單相PWM整流電路

　　單相橋式PWM整流電路如圖1所示。按照自然采樣法對功率開關(guān)器件VT1～VT4進(jìn)行SPWM控制，就可在全橋的交流輸入端AB間產(chǎn)生出SPWM波電壓《？XML:NAMESPACE PREFIX = V /》 。 中含有和正弦調(diào)制波同頻、幅值成比例的基波，以及載波頻率的高次諧波，但不含低次諧波。由于交流側(cè)輸入電感Ls的作用，高次諧波造成的電流脈動被濾除，控制正弦調(diào)制波頻率使之與電源同頻，則輸入電流 也可為與電源同頻正弦波。

　　單相橋式PWM整流電路按升壓斬波原理工作。當(dāng)交流電源電壓 時(shí)，由VT2、VD4、VD1、Ls和VT3、VD1、VD4、Ls分別組成兩個(gè)升壓斬波電路。以VT2、VD4、VD1、Ls構(gòu)成的電路為例，當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)， 通過VT2、VD4向Ls儲能；當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲能通過VD1、VD4向直流側(cè)電容C充電，致使直流電壓 高于 的峰值。當(dāng) 時(shí)，則由VT1、VD3、VD2、Ls和VT4、VD2、VD3、Ls分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，工作原理與 時(shí)類似。由于電壓型PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓應(yīng)從交流電壓峰值向上調(diào)節(jié)，向低調(diào)節(jié)會惡化輸入特性，甚至不能工作。

　　輸入電流 相對電源電壓 的相位是通過對整流電路交流輸入電壓 的控制來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。圖5-47給出交流輸入回路基波等效電路及各種運(yùn)行狀態(tài)下的相量圖。圖中 分別為交流電源電壓 、電感 上電壓 、電阻 上電壓 及輸入電流 的基波相量， 為 的相量。

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　　圖（b）為PWM整流狀態(tài)，此時(shí)控制 滯后 的一個(gè) 角，以確保 與 同相位，功率因數(shù)為1，能量從交流側(cè)送至直流側(cè)。

　　圖（c）為PWM逆變狀態(tài)，此時(shí)控制 超前 的一個(gè) 角，以確保 與 正好反相位，功率因數(shù)也為1，但能量從直流側(cè)返回至交流側(cè)。從圖（b）、（c）可以看出，PWM整流電路只要控制 的相位，就可方便地實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，這對需要有再生制動功能、欲實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的交流調(diào)速系統(tǒng)是一種必須的變流電路方案。

　　圖（d）為無功補(bǔ)償狀態(tài)，此時(shí)控制 滯后 一個(gè) 角，以確保 超前 90º，整流電路向交流電源送出無功功率。這種運(yùn)行狀態(tài)的電路被稱為無功功率發(fā)生器SVG（StaTIc Var Generator），用于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償。

　　圖（e）表示了通過控制 的相位和幅值，可實(shí)現(xiàn) 與 間的任意相位 關(guān)系。

　　2.三相PWM整流電路

　　三相橋式PWM整流電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其工作原理同單相電路，僅是從單相擴(kuò)展到三相。只要對電路進(jìn)行三相SPWM控制，就可在整流電路交流輸入端A、B、C得到三相SPWM輸出電壓。對各相電壓按圖3（b）相量圖控制，就可獲得接近單位功率因數(shù)的三相正弦電流輸入。電路也可工作在逆變狀態(tài)或圖5-47（d）、（e）的運(yùn)行狀態(tài)。

　　PWM整流電路的控制

　　為使PWM整流電路獲得輸入電流正弦且和輸入電壓同相位的控制效果，根據(jù)有無電流反饋可將控制方式分兩種：間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制沒有引入電流反饋，其動態(tài)特性差，較少應(yīng)用。直接電流反饋則通過運(yùn)算求出交流輸入電流參考值，再采用交流電流反饋來直接控制輸入電流，使其跟蹤參考值，獲得期望的輸入特性。

　　圖給出了一種最常用的電流滯環(huán)比較直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)為直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為交流電流控制環(huán)。直流電壓給定《？XML:NAMESPACE PREFIX = V /》 和實(shí)際直流電壓 相比較，差值信號送PI調(diào)節(jié)器作比例—積分運(yùn)算，以確保 實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)快、靜態(tài)無差，其輸出作為直流電流參考值 。 分別乘以與三相電源電壓 同相位的正弦信號 后，得到三相交流電流的正弦參考值 ，它們分別和各自的電源電壓同相位，而幅值則和反映負(fù)載電流大小的直流電流參考值 成正比，這正是整流器作單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)所需的交流電流參考值。 和反饋的實(shí)際三相輸入電流 相比較后，通過對各相功率開關(guān)的滯環(huán)控制，使實(shí)際交流輸入電流跟蹤參考值，實(shí)現(xiàn)輸入電流的直接反饋控制。

　　這種采用滯環(huán)電流比較的直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，電流響應(yīng)快，控制運(yùn)算與電路參數(shù)無關(guān)，魯棒性好，因而應(yīng)用較多。