三相高功率因數PWM整流器的研究與設計初探

程倩

摘? ?要：隨著當今現代工業的飛速發展，許多場合需要把交流變為直流（AC/DC），把直流變為交流（DC/AC），所以電力電子技術在工業領域得到更廣泛應用。目前，把交流變為直流由整流器實現，直流變交流由逆變器實現。在交流和直流的轉化過程中，傳統的轉換方式造成了嚴重的電網“污染”，由此引起的電力系統諧波有很大的危害，近些年來，國內外也相應地制定了嚴格的諧波標準，實施更加規范化的諧波管理政策。這些政策方面的新規的出臺導致了對電力電子設備越來越高的要求，也要求從事電子行業的人員急需尋求更加高效的新技術來代替傳統的技術模式。本文將對三相高功率因數PWM整流器的研究與設計進行初步探索，希望有所收獲。

關鍵詞：三相高功率? PWM整流器? 研究? 設計

因為在電力系統中諧波有著很大的危害性，所以行業內部都在通過你技術改尋求降低諧波的方法，相關國家也制定了嚴格的諧波管理的新規。所以諧波的危害性也越來越被人們所重視，對電力電子設備的性能的要求也越來越高，那些傳統的電力電子設備逐漸被淘汰。這些變化趨勢推動了電子行業在變流控制方面的技術的不斷發展，并引起相關技術的不斷成熟。在此過程中，許多新型的電子電流控制技術不斷提升，同時許多降波的控制思路也不斷的誕生。在這樣的環境中，高功率整流器迎來了前所未有的發展春天。就目前的現狀來看，治理諧波的重要途徑就是降低電流，也就是要研制新型的高功率因素整流器來降低諧波的頻率，從源頭上抑制諧波的危害。

就目前的技術來看，降低諧波的方法主要有兩種：一種是被動式的無源補償方式，即通過補償的方式來降低諧波，這種技術現在已經非常成熟，并在日常生產的各個領域都得到了廣泛的應用，但是其缺點是設備的體積大，動態響應慢，所以制約了它的發展空間。

另一種是開發新型的整流器，通過直流和交流的互換達到降低諧波的目的，從源頭上降低甚至是徹底消除系統所產生的諧波。因此，目前研究的思路就是研制新型整流器，從根本上解決諧波對公共電網的污染、消除諧波源頭，這是當今國內各行業研究的重要課題。目前我們研究的就是將 PWM 技術應用于整流器，實現整流的人為可控性，從而實現電網電流正弦化，從而實現電網電流和電壓同頻同相，達到單位功率因數運行，從而達到降頻的目的。這種研究模式思路如果可以應用到實踐中，將可以在很大程度上降低電流諧波，實現降低諧波的目的。從這點而言，我們開展三相單位功率因數 PWM 整流器的設計與開發研制意義尤為重大。

20世紀80年代，世界上已經有部分科研人員展開了對 PWM整流器的研究，早期的PWM整流器控制方法以電流的幅相控制為主。一直到現在，PWM整流器都是學術界研究的重點，經過了將近40年的發展與研究歷程，這一項技術逐漸成熟并日益完善。但是隨著社會經濟的發展，越來越多的新型全控電力電子器件逐漸被發明出來并應用于社會實踐中，更多的先進的控制算法也開始應用到電力電子裝置的設計中，這也讓 PWM 整流器的性能一天天提升，同時也有更多的設備生產出來在工業中使用。

目前，我們對三相PWM整流器的研究主要從以下幾個角度進行。

（1）三相PWM整流器的建模與分析。

這是我們的研究的第一步，也是關鍵性的一步。如何結合實踐正確的建立 PWM 整流器的數學模型是最關鍵的第一步。雖然目前有一些研究人員提出一部分關于 PWM 整流器的數學模型。但是這些理論都還不夠成熟，在實踐中的應用也不夠廣泛，需要進一步的完善。所以我們的研究課題還是非常有必要性的。

（2）三相 PWM 整流器的主電路拓撲。

PWM 整流器拓撲結構可分為電流型PWM整流器和電壓型 PWM整流器兩大類。與傳統的電流型PWM整流器相比，新型的電壓型PWM整流器結構更簡單、控制更方便、便于操作，所以一直以來是學術界研究的重點。我們在研究過程中，主要是通過相關的boost等技術的研究，充分發揮新型的電壓型PWM整流器的優勢。通過電路分析與開發，充分將其性能在新的電力設備中使用，將直流電與交流電轉換過程中的諧波盡可能的降低到最小值，并最終消除諧波，大大提升電力設備的工作功率。

（3）三相高功率因數 PWM 整流器的電流控制策略初探。

在近些年來隨著PWM 整流器技術的發展，電壓型PWM 整流器的電流控制策略主要可以歸納為以下兩類：直接電流控制策略和間接電流控制策略，目前直接電流控制策略處于主導地位。而我們的研究就是從直流電流的控制入手，通過PWM模型的構造，實現降頻的同時，減少直流和交流轉換過程中的能耗，實現在電網電力輸送過程中的能量損耗。

目前我們研究的三相高功率因數 PWM整流器采用旋轉dq 坐標的數學模型，在dq坐標系下，采用基于電網電壓前饋以及電流交叉解耦的直接電流控制法實現電流控制。其優點主要體現在以下幾方面。

①從整體出發，分析了四象限的變流原理，說明了變流系統運行在整流、逆變的工作條件，建立了三相 PWM 整流器的數學模型。這一模型的建立奠定了我們研究的基礎。

②設計了三相PWM 整流器的硬件系統，搭建了三相 PWM 整流器模擬實驗操作臺，在電路設計中，通過實驗的數據來不斷完善理論。

③采用目前行業內部最先進的CCS 開發平臺，使用 C++ 編寫和控制系統有關的程序軟件，并制定每個程序的流程圖和模擬測試實驗步驟。

④進行 MATLAB 仿真，驗證實驗的正確性。然后基于試驗和仿真的數據對整個硬件系統進行測試，根據測試的結果完善實驗操作平臺的性能。

其核心技術路線如圖1所示。

總之，我們的研究的目的就是通過三相高功率因數PWM整流器來實現降低諧波甚至消除諧波的危害，并將這一技術應用于電力子設備的開發與生產領域中，實現節能減排的目的。

參考文獻

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