單相PWM整流器控制方法及諧波分析

王成

（西安航空學(xué)院 陜西 西安 710077）

PWM整流器從電路拓?fù)渖蠈俳涣?直流變換器，通常PWM整流器可分為不可逆與可逆兩大類。可逆PWM整流器由于能量可雙向傳輸及其優(yōu)異的控制性能，近年來在電力電子裝置中獲得了廣泛應(yīng)用，受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，文章分析研究了可逆PWM整流器結(jié)構(gòu)及不同的控制方法。

1 PWM整流器

圖1 單相PWM整流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Single-phase PWM rectifier structure

PWM整流器主要由4只全控型器件IGBT組成，其柵極按照脈沖寬度調(diào)制原理控制導(dǎo)通與關(guān)斷。在此控制方式下工作，PWM整流器可使網(wǎng)側(cè)電流正弦化，并工作于單位功率因數(shù)。為消除諧波污染現(xiàn)象，PWM整流器使用更加復(fù)雜的控制算法。

PWM整流器可分為電壓型和電流型兩類，電壓型PWM整流器直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲能，使電壓型PWM整流器直流側(cè)呈現(xiàn)低阻抗的電壓源特性。電流型PWM整流器直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲能，使電流型PWM整流器直流側(cè)呈現(xiàn)高阻抗的電流源特性[1]。本文討論電壓型PWM整流器。

2 PWM整流器工作原理

單相電壓型PWM整流器結(jié)構(gòu)為全橋形式，如圖1所示[2]。

PWM整流器主電路由4只IGBT組成，構(gòu)成全單相橋電路。交流側(cè)輸入有電源電壓us，整流器輸入電壓ur，電感Ls，直流側(cè)輸出有電C容與負(fù)載Rd。

如電源電壓us與整流器輸入電壓ur為正弦量，電路中能量的流動取決于電壓與電流之間的相位差，如圖2所示。

設(shè)PWM整流器由電源輸入側(cè)傳輸?shù)捷敵鰝?cè)的有功功率為 P，由圖 2（a）可得：

式中：US為電源電壓有效值；Ur為整流器輸入電壓基波分量有效值；δ為US與Ur之間的相位差；XS為電源電壓為工頻時的輸入阻抗；φ為功率因數(shù)。

為使PWM整流器輸出電壓為恒值，輸入和輸出功率需保持平衡。因此，如相位圖2（a）所示可得，

圖2 PWM整流器相位圖Fig.2 Phase diagram of the PWM rectifier

若PWM整流器所消耗的無功功率等于零，則功率因數(shù)等于1。因此上兩式可寫為

PWM整流器也可工作在整流或逆變狀態(tài)，如圖2（b）、（c）所示。PWM整流器的控制目的在于使其消耗的電流與電源電壓同相位[3]。

3 PWM整流器的控制方式

為使PWM整流器工作于不同狀態(tài)，使用了控制環(huán)設(shè)計，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制，如圖3所示[4]。

圖3 PWM整流器控制框圖Fig.3 Control diagram of the PWM rectifier

在該閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流內(nèi)環(huán)控制動態(tài)性能直接影響電壓外環(huán)控制性能，為得到更優(yōu)的電源電流的跟蹤精度和動態(tài)性能，電流內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)電流控制。

控制系統(tǒng)中，PWM整流器輸出電壓UO與設(shè)定的參考電壓Uref相比較，其差值作為其輸出，在與PI調(diào)節(jié)器相乘。所得到的結(jié)果將被乘以標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號（由電源采集），其結(jié)果作為參考電流ierf。參考電流再與電源電流iS相比。此結(jié)果送入PWM信號生成單元控制器。

PWM信號生成單元控制器即為滯環(huán)控制器，用于產(chǎn)生PWM脈沖調(diào)制信號，其反應(yīng)速度應(yīng)較快，以達(dá)到正弦電流的控制精度。PWM產(chǎn)生單元生成四路控制信號，用以控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷。

4 控制系統(tǒng)仿真及分析

PWM整流器中，要實(shí)現(xiàn)能量雙向流動，關(guān)鍵在于控制電源電流，而電源電流的控制通過調(diào)整PWM整流器輸入電壓ur實(shí)現(xiàn)。PWM整流器輸入電壓控制分為兩種PWM調(diào)制方式，即雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制。

在simulink中搭建PWM整流器雙極性調(diào)制模型，令電源電壓有效值為 220 V，頻率為 50 Hz，電感L為 2.3 mH，負(fù)載電容C為3 300μF，電阻R為30Ω，載波頻率為4 000 Hz[5]。

雙極性調(diào)制時，PWM整流器輸入電壓ur波形為幅值在Ud、-Ud之間切換的PWM波形，其變化符合正弦脈沖寬度規(guī)律變化。如圖4所示。

當(dāng)PWM整流器直流側(cè)電容值足夠大時，在PWM整流器工作過程中，其直流側(cè)電壓為恒值。如圖5所示。

圖4 PWM整流器雙極性調(diào)制輸入電壓波形Fig.4 Input voltage waveform of Bipolar modulation PWM rectifier

由圖5可知，PWM整流器輸出電壓經(jīng)過一段時間 （約0.3 s）后，已趨于穩(wěn)定，上下變化不超過正負(fù)10 V，基本可認(rèn)為輸出為恒值。

圖6為PWM整流器輸入電流波形及諧波分析，其輸入電流為正弦電流，波形為圍繞給定電流iref且限定在滯環(huán)寬度的包絡(luò)線。THD為14.18%。

單極性調(diào)制時，PWM整流器輸入電壓ur波形為幅值在Ud、0、-Ud之間切換的PWM波形，其變化符合正弦規(guī)律變化。如圖7所示。

圖5 PWM整流器雙極性直流側(cè)電壓波形Fig.5 DC side voltage waveform of Bipolar PWM rectifier

圖6 PWM整流器雙極性調(diào)制輸入電流波形及諧波分析Fig.6 Input current waveform and harmonic analysis chart of bipolar modulation PWM rectifier

圖7 PWM整流器單極性調(diào)制輸入電壓波形Fig.7 Input voltage waveform of unipolar modulation PWM rectifier

單極性調(diào)制時，若PWM整流器直流側(cè)電容足夠大，則在PWM過程中可認(rèn)為其直流側(cè)電壓為恒值，與雙極性調(diào)制結(jié)果一致。與圖5波形相似。

圖8為PWM整流器輸入電流波形及諧波分析，由圖8可知，輸入電流為正弦電流，波形為圍繞給定電流iref且限定在滯環(huán)寬度得的包絡(luò)線。THD為5.03%。

與雙極性調(diào)制相比，單極性調(diào)制THD值更小，其原因在于在相同的占空比條件下，PWM整流器單極性調(diào)制時直流電壓脈動峰值小于雙極性調(diào)制時的直流電壓脈動峰值，因此單極性調(diào)制時輸入電流諧波較雙極性調(diào)制時有較大改善[6]。在實(shí)際應(yīng)用中，單極性調(diào)制具有比雙極性損耗更低，電磁干擾更小的優(yōu)點(diǎn)。

圖8 PWM整流器單極性調(diào)制輸入電流波形及諧波分析Fig.8 Input current waveform and harmonic analysis chart of unipolar modulation PWM rectifier

5 結(jié) 論

PWM[7]整流器的使用消除了傳統(tǒng)相控整流器存在的問題，可廣泛應(yīng)用于有源濾波器，變頻器的整流輸入級等。為使PWM整流器輸出直流電壓具有最小紋波，輸入電流的諧波最小且功率因數(shù)最大，分析比較了雙極性和單極性兩種調(diào)制方式，通過Matlab/Simulink[8]分別搭建兩種不同的PWM整流器模型，在相同條件下仿真，通過輸入電流諧波分析，得到單極性調(diào)制具有比雙極性調(diào)制更多優(yōu)點(diǎn)。因此，單極性調(diào)試方式在實(shí)際中得到更加廣泛的應(yīng)用。

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