淺談PWM整流器應用中的控制特性

馮曉艷

黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022

PWM整流器為三相電壓型整流器，在電能的回饋以及功率因數補償和有源濾波、交流傳動等領域中應用較為廣泛。而控制PWM整理器的作用就在于能夠保證直流側電壓穩定可靠，在此基礎上，有效控制了正弦波電流。而這種控制需要功率因數受控。為了保證整流器網側受控電流特性能夠完全展現，如何有效控制網側電流具有重要意義。文章則是針對PWM整理器在運行過程中所遇到的特點進行了分析。根據PWM側功率因數的相關要求，整流器的工作環境應當為升壓狀態，并且正常運行直流電壓同交流電壓之間的比值應當保持穩定并大于一個升壓系數。根據這一研究，在空間矢量算法之上提出了階段電流控制的方式。根據升壓系數的不同采用不同的模式，即升壓系數較小時，切換到滯后功率因數的控制狀態，反之則切換到單位功率因數的控制狀態。并設計搭建了一個物理平臺以供PWM整流器使用，該物理平臺是在DSP基礎上建立的，并且通過多種實驗，對PWM的運行特性進行了分析，發現電流控制的切換是一種正確的控制方式。

1 模型

設定：將電壓型PWM整流器三相電源進行設定，其電動勢分別為Ea、Eb、Ec，而交流側設置各相的電流分別為Ia、Ib、Ic，直流側的電壓值為Udc，直流側的電流則為Idc，在交流側PWM整流器的輸入電壓為Ua、Ub、Uc。

當開關器件的損耗不計入在內時，通過守恒定律可以得出：EaIa、EbIb以及EcIc的和同UdcIdc相等。據此分析，對交流側的電流進行有效控，能夠控制和調節直流側，而對直流側進行有效的控制調節能夠實現對交流側的控制。將電動勢的響亮在交流單相中的數值設為E，交流側電壓相量設為UL，VSR交流側的電壓相量設為U，電流相量則設為I，將交流側功率因數角設置為φ，θ為（90°-φ）。當整流器電路穩定的狀態下，交流側以及直流側指甲你的電流是一一對應的，所以U端點就會形成一個圓形的軌跡，該圓的半徑為UL。當整流器網側的電流同電壓同相時，整流器會呈現出正阻特性，若整流器網側的電流同電壓相反那么就會出現負阻特性。同上述兩種情況不同的是，整流器在某種情況下回呈現出純電感特性以及純電容特性。

通過上述分析可以看出，參考值為電網電壓相量時，通過對交流側電流的控制，也包括對相位以及幅值的控制，能夠對VSR交流側的電壓進行有效控制，從而控制PWM整流器的運行。所以，針對整流器網側，可以將其看做為一個電流源進行控制，同時網側功率藝術以及電流均為可控因子。

2 運行范圍

若確定好VSR的直流電壓，那么其最大交流側相電壓也能夠予以確定，即電壓絕對值的最大值等于MUdc，M是整流器最大的直流電壓利用率，其大小受到整流器控制方式相關。從本質上講，當確定了直流側的負載后，直流電流便隨之確定，若整流器的工作狀態為單位功率因數狀態，那么最小交流側電流便可以確定。這是由于穩定的系統狀態中，直流側電流等于交流側三相有功電流的疊加。

圖1 三相電壓型PWM整流器

將只留電壓值設置為U*dc，對交流側的電源電動勢的輸入值ea由小到大逐步的增加時，E′a＜E”a＜E”’a，PWM整流器會逐步的降低其升壓系數。依照功率守恒定律可以推出，若增大電源的電動勢那么其交流電流便會逐步的減小；若將交流電流逐步的減小，直到直流電壓穩定，那么此時在直流側所需要的最小有功電流為I″a，電源電動勢會隨之增加，若電動勢繼續增加，那么交流側的電流也會隨之增加，整流器的運行便會受阻，因而退出單位功率運行，而在感性功率因數的整流狀態下運行。

3 控制措施

對電流的控制中，方式方法多種多樣，其中最為普遍的方式即雙閉環控制，該結構是對電流內環以及電壓為外環的有效控制。直流電壓的恒定是由電壓外環予以維持的，而跟蹤電流的給定則是通過電流內環予以控制的，從而對能量流動進行雙向控制，同時也實現功率因數的雙向調節。從結構上講該種控制結構性能優良，并且構造簡單，能夠在電流內環的控制下有效實現電流的限幅，能保護半導體開關結構。

對整流器的控制可以分成兩個階段。當升壓系數大于臨街系數值，那么無功電流在電流內環中為0，便能夠有效控制單位功率因數；若交流電動勢同給定的直流電壓之間的比例和升壓系數的臨界值相等或者略小，那么此時的無功電流不能設定為0，此時應當使得整流器在感性功率狀態下運行。這種情況下需要調整電流控制策略，如若不然，控制器將會出現控制紊亂，對開關器件的損壞也極其嚴重。

4 實驗研究

VSR物理平臺的搭建仍舊需要進一步驗證，在數字化平臺的基礎上予以實驗驗證，采用TMS320F2812作為控制芯片，保證10KHz的開關頻率，控制策略需要建立在空間適量的基礎之上。通過實驗波形圖可以看出，當升壓系數較大時，整流器的工作狀態為整流狀態；當升壓系數超過了既定的臨界值，那么在該種狀態下就會產生系統的紊亂，電流的波形便會出現畸變現象，那么IPM便會判定為系統故障而進入自我保護狀態。通過1：50的探頭對電源電壓進行檢測，其輸出電流值為0.01V／A。

5 結語

在PWM整流器中受控電流源特性是網側呈現出的基本特征，并且其電流具有可控的功率因數，若整流器從電網中吸收了電能，那么證明其工作狀態為整流狀態；反之，整流器的工作狀態為逆變狀態，這種運行是綠色電能轉換的真正實現。文章著重對PWM整流器進行了運行狀態的描述，并根據這些狀態下設備的運行狀況推導出PWM整流器的臨街升壓系數，同時還推導出整流器在四象限中運行調節的范圍，并提出了有效地應對策略，并指出相應的控制過程，對其理論正確性進行了一系列的實驗證實。

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